Technisches Gebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Spannungsangleichung mehrerer Zweipole. Bei den Zweipolen kann es sich insbesondere um Zweipole handeln, die ausgelegt sind, in einem Gleichstromkreis (DC-Kreis) miteinander verschaltet zu werden. Die Zweipole können einen oder mehrere Zweipole beinhalten, die bei der Spannungsangleichung leistungsabgebend operieren. Es ist jedoch auch möglich, dass sie einen oder mehrere, insbesondere bei der Spannungsangleichung leistungsaufnehmend operierende Zweipole aufweisen. Die Erfindung betrifft weiterhin eine DC-Energieverteilungsanlage mit einer derartigen Vorrichtung.

Stand der Technik

Viele elektrische und elektronische Geräte beinhalten eine an ihren Anschlüssen wirksame Kapazität und/oder weisen ein kapazitives Verhalten an ihren Anschlüssen auf. Derartige Geräte müssen vor Aufnahme ihres normalen Betriebs, insbesondere beim Verbinden der Anschlüsse mit einer Spannungsquelle, strombegrenzt vorgeladen werden. Beispielsweise können Wechselrichter mit einem ungeladenen Gleichspannungszwischenkreis (DC-Zwischenkreis) hoher Kapazität DC-seitig nicht ohne weiteres an eine Batterie angeschlossen werden. Hier würde nämlich die Batterie in den anfänglich ungeladenen DC-Zwischenkreis speisen und zumindest kurzzeitig einen hohen Einschaltstrom generieren, der Komponenten des Wechselrichters, z.B. Halbleiterschalter und/oder Zwischenkreiskondensatoren beschädigen könnte. Ähnliches gilt auch für Geräte mit einer hohen an ihrem Anschluss wirksamen Kapazität, die mit der DC-Seite des Wechselrichters verbunden werden. Hier kann sich die aufgeladene Kapazität der Geräte zumindest kurzzeitig als Spannungsquelle verhalten und einen hohen Einschaltstrom auf den DC-Zwischenkreis des Wechselrichters generieren. Ein ähnliches Problem ergäbe sich auch in umgekehrter Richtung, wenn nämlich eine DC-Seite eines Wechselrichters, der einen aufgeladenen DC-Zwischenkreis umfasst, mit einem Anschluss eines elektrischen Gerätes verbunden wird, das eine ungeladene wirksame Kapazität an seinem Anschluss aufweist. Als Geräte mit einer entsprechend hohen Kapazität kommen hier beispielsweise Elektrolyseure oder DC-Busse von Gleichstromnetzen (DC-Netze) in Frage, bei denen teilweise gar nicht bekannt ist, welche Kapazitäten angeschlossen sind. Auch wenn der Wechselrichter AC-seitig mit einer AC-Spannungsquelle, beispielsweise einem AC-Netz verbunden wird, können über Freilaufdioden einer Brückenschaltung des Wechselrichters hohe Einschaltströme auf den anfänglich ungeladenen DC-Zwischenkreis erzeugt werden, die die Freilaufdioden oder andere in dem Pfad des Einschaltstroms liegende Komponenten des Wechselrichters schädigen können.

Um derartige Schäden zu vermeiden ist bekannt, Geräte mit einer anfänglich ungeladenen Kapazität über einen Vorladewiderstand oder über eine aktiv gesteuerte stromlimitierende Komponente, beispielsweise einen DC/DC-Wandler vorzuladen, bevor diese niederohmig mit einer Spannungsquelle verbunden werden. Auf diese Weise kann eine kontrollierte Angleichung der Spannungen des Gerätes einerseits und der Spannungsquelle andererseits erfolgen und ein hoher Einschaltstrom wird unterdrückt.

Bei komplexen elektrischen DC-Energieverteilungsanlagen müssen häufig mehrere Geräte mit jeweils großer Kapazität gleichzeitig oder auch nacheinander verbunden und damit vorgeladen werden. Um die Geräte möglichst flexibel einzusetzen, kann es zudem gewünscht sein, verschiedene Vorladepfade für ein Gerät vorzusehen. Konkret kann es beispielsweise gewünscht sein, einen DC-Zwischenkreis eines Wechselrichters zu einer Zeit über die DC-Seite und zu einer anderen Zeit über die AC-Seite des Wechselrichters vorladen zu können. Um diesen Anforderungen sämtlich gerecht zu werden, kann/können für jedes der Geräte ein oder auch mehrere separate Vorladewiderstände vorgehalten werden, was jedoch insgesamt zu signifikanten hohen Kosten führen würde. Weiterhin kann es sein, dass einzelne Geräte, insbesondere bei einer in mehreren Stufen erfolgenden Spannungsangleichung zu einer Zeit leistungsaufnehmend und zu einer anderen Zeit leistungsabgebend operieren. Eine aktive gesteuerte ström limitierende Komponente müsste in diesem Fall für einen bidirektionalen Leistungsfluss ausgelegt werden, was ebenfalls, relativ zu einer lediglich unidirektional operierenden ström limitierenden Komponente, mit erhöhten Kosten verbunden ist.

Die Druckschrift EP 2760096 A1 offenbart ein elektrisches Speichersystem, das mit einer lediglich geringen Anzahl an Strombegrenzungswiderständen operiert. Dabei beinhaltet das Speichersystem ein Ladegerät, das Energie von einer externen Stromquelle an eine elektrische Speichervorrichtung und Energie von der elektrischen Speichervorrichtung an ein externes Gerät liefert. Ein erstes Hauptrelais und ein zweites Hauptrelais ermöglichen eine Verbindung eines positiven Elektrodenanschlusses und eines negativen Elektrodenanschluss der elektrischen Speichervorrichtung mit einer Last. Ein drittes Hauptrelais ist in Reihe mit einem Strombegrenzungswiderstand geschaltet und zusammen mit dem Strombegrenzungswiderstand parallel zu dem ersten Hauptrelais geschaltet. Ein erstes Laderelais und ein zweites Laderelais ermöglichen eine Verbindung von dem positiven und dem negativen Elektrodenanschluss der elektrischen Speichervorrichtung zu dem Ladegerät. Ein drittes Laderelais ist in Reihe mit dem Strombegrenzungswiderstand geschaltet und zusammen mit dem Strombegrenzungswiderstand parallel zu dem ersten Laderelais geschaltet. Dabei ist es notwendig, dass ein Leistungsfluss durch den Strombegrenzungswiderstand in zwei zueinander entgegengesetzte Richtungen, also bidirektional, erfolgt. Ein Ersatz des Strombegrenzungswiderstandes durch eine lediglich unidirektional operierende ström limitierende Komponente ist hier nicht möglich.

Die Druckschrift DE 10 2011 083741 A1 offenbart eine Schaltungsanordnung zur variablen Verschaltung von Energiequellen und Energieverbrauchern, aufweisend einen bidirektionalen AC/DC-Wandler, einen DC/DC-Wandler, wenigstens vier elektrischen Schaltern und einer Steuerungseinrichtung zur Ansteuerung der Schalter und der Wandler.

Die Druckschrift DE 10 2011 088457 A1 offenbart eine Schaltungsanordnung zum Wandeln einer Eingangsspannung in eine Ausgangsspannung, mit einem Eingangsspannungspolpaar zum Anschließen einer Spannungsquelle, einem Ausgangsspannungspolpaar zum Abgreifen einer Ausgangsspannung und einer Halbbrücke mit zwei steuerbaren Schaltelementen und einer Drossel, die mit einem zwischen den steuerbaren Schaltelementen angeordneten Halbbrückenabgriff verbunden ist. Dabei ist die Halbbrücke mittels einer Schalteranordnung wenigstens entweder mit dem ersten Eingangsspannungspol oder dem ersten Ausgangsspannungspol verbindbar, wobei die Drossel mit dem Eingang oder dem Ausgang verbunden ist oder verbindbar ist.

Die Druckschrift US 2014 / 0009106 A1 offenbart eine Batterie- und Lastausgleichsschaltung zur Verhinderung eines Einschaltstromstoßes beim anfänglichen Parallelschalten von Batterien und/oder Lasten. Dabei werden verschiedene Techniken genutzt, beispielsweise ein Laden und ein Entladen unter Verwendung von Gleichstromwandlern, um Ladungen zwischen Batterien und zwischen Batterien und kapazitiven Lasten auszugleichen.

Aufgabe der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Spannungsangleichung von mehreren Zweipolen, insbesondere zur Vorladung und/oder Entladung von einem oder mehreren der Zweipole anzugeben. Dabei soll eine Umsetzung des Verfahrens, und auch der Vorrichtung, mit einem möglichst geringen Kostenaufwand verbunden sein. Insbesondere soll die Vorrichtung und das Verfahren geeignet sein, eine Spannungsangleichung mehrerer Zweipole mit einer möglichst geringen Anzahl an ström limitierenden Komponenten herbeizuführen. Dabei soll auch eine möglichst einfache und kostengünstige Bauweise der stromlimitierenden Komponenten ermöglicht werden, insbesondere in einem Fall, bei dem es sich um eine aktiv gesteuerte ström limitierende Komponente handelt. Es ist zudem Aufgabe der Erfindung, eine zur Durchführung des Verfahrens geeignete DC- Energieverteilungsanlage aufzuzeigen.

Lösung

Die Aufgabe, eine Vorrichtung zur Spannungsangleichung der eingangs genannten Art aufzuzeigen, wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 1 gelöst. Die Aufgabe, ein Verfahren zur Spannungsangleichung der eingangs genannten Art aufzuzeigen, wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs 13 gelöst. Die Aufgabe, eine zur Durchführung des Verfahrens geeignete DC-Energieverteilungsanlage aufzuzeigen, wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs 19 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen der Vorrichtung, sind in den Ansprüchen 2 bis 12, vorteilhafte Ausführungsformen des Verfahrens in den Ansprüchen 14 bis 18 und vorteilhafte Ausführungsformen der DC-Energieverteilungsanlage in den Ansprüchen 20 bis 21 genannt. Beschreibung der Erfindung

Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist ausgelegt, eine Spannungsangleichung einer Mehrzahl n von zumindest zwei (n>2) Zweipolen (P1 , P2, P3) durchzuführen. Dabei kann zumindest einer, gegebenenfalls auch mehrere der Zweipole eine anschlussseitig wirksame Kapazität oder ein anschlussseitig wirksames kapazitives Verhalten aufweisen. Die Vorrichtung umfasst: eine ström limitierende Komponente mit einem Eingang und einem Ausgang, und n Anschlusspaare mit jeweils einem ersten Anschluss und einem zweiten Anschluss zum Anschluss der n Zweipole.

Dabei sind zwei oder mehr der ersten Anschlüsse jeweils über einen ersten Schalter oder direkt mit dem Eingang der ström limitierenden Komponente verbunden. Dadurch sind diese zwei oder mehr der n Anschlusspaare ausgelegt, mit einem zumindest temporär leistungsabgebend operierenden Zweipol verbunden zu werden. Weiterhin sind zwei oder mehr der ersten Anschlüsse jeweils über einen zweiten Schalter mit dem Ausgang der ström limitierenden Komponente verbunden, wodurch diese zwei oder mehr der n Anschlusspaare ausgelegt sind, jeweils mit einem zumindest temporär leistungsaufnehmend operierenden Zweipol verbunden zu werden. Die zweiten Anschlüsse der n Anschlusspaare sind direkt oder schaltbar miteinander und mit einem gemeinsamen Bezugspotential GND verbunden. Die Vorrichtung ist ausgelegt, Schaltzustände der ersten Schalter und der zweiten Schalter mittels einer Steuerungseinheit und/oder mittels an den ersten Anschlüssen gegenüber dem Bezugspotenzial - und damit auch gegenüber den zweiten Anschlüssen - anliegenden Spannungen derart einzustellen, dass eine Leistungsaufnahme der ström limitierenden Komponente von einem oder mehreren der ersten Anschlüsse über einen oder mehrere der ersten Schalter oder die direkte Verbindung zu dem Eingang der stromlimitierenden Komponente erfolgt, jedoch nicht über einen oder mehrere der zweiten Schalter, und eine Leistungsabgabe der ström limitierenden Komponente an einen oder mehrere der ersten Anschlüsse über einen oder mehrere der zweiten Schalter erfolgt, jedoch nicht über einen oder mehrere der ersten Schalter. Weiterhin wird über die Schaltzustände der ersten und der zweiten Schalter auch lediglich ein unidirektionaler Leistungsfluss über die ström limitierende Komponente, nämlich vom Eingang der ström limitierenden Komponente hin zu deren Ausgang ermöglicht, wohingegen ein vom Ausgang zum Eingang gerichteter Leistungsfluss, und damit ein bidirektionaler Leistungsfluss über die stromlimitierende Komponente, unterdrückt wird. Nicht zu dieser Unterdrückung passende Schaltzustände können durch eine geeignete Ansteuerung der ersten Schalter und der zweiten Schalter vermieden werden oder durch jeweiligen Einsatz eines unidirektionalen Schalters als ersten Schalter und/oder als zweiten Schalter von vornherein ausgeschlossen werden. Mittels der Vorrichtung kann somit ein Leistungsfluss, der von einem oder mehreren der ersten Anschlüsse, die jeweils einem leistungsabgebenden Zweipol zugeordnet sind, entlang eines Pfades über die stromlimitierende Komponente, zu einem oder mehreren der ersten Anschlüsse, die jeweils einem leistungsaufnehmenden Zweipol zugeordnet sind, ermöglicht werden. Wenn erforderlich, kann jedoch mittels der Schaltzustände der ersten und der zweiten Schalter ein Leistungsfluss zwischen zwei oder mehreren der ersten Anschlüsse unter Umgehung der ström limitierenden Komponente zumindest temporär unterdrückt werden. Auch zu diesem Zweck ist es möglich und vorteilhaft, die Schalter als unidirektionale Schalter auszubilden.

Eine Leistungsaufnahme oder -abgabe an einzelnen Kontakten ist im Rahmen dieser Beschreibung immer gegenüber dem Bezugspotenzial GND zu verstehen. Das bedeutet, dass sich die Leistungsaufnahme in einen Kontakt aus dem Strom in den Kontakt hinein multipliziert mit der Spannung zwischen dem Kontakt und dem Bezugspotenzial GND ergibt. Entsprechend ergibt sich eine Leistungsabgabe aus einem Kontakt aus dem Strom aus dem Kontakt heraus multipliziert mit der Spannung zwischen dem Kontakt und dem Bezugspotenzial GND. Ein Leistungsfluss durch eine Komponente bedeutet, dass diese an einem Kontakt eine Leistung aufnimmt und an einem anderen Kontakt eine Leistung abgibt. Als Kontakt im Sinne dieser Beschreibung kann hier insbesondere der erste Anschluss oder der zweite Anschluss eines Zweipols verstanden werden. Zusätzlich kann sich der Begriff „Kontakt“ auch auf den Eingang oder den Ausgang der ström limitierenden Komponente beziehen. Schließlich kann es sich bei dem Kontakt auch um einen Kontakt eines der Schalter aus erstem und zweitem Schalter handeln.

Ein erfindungsgemäßes Verfahren ermöglicht eine Spannungsangleichung einer Mehrzahl n von zumindest zwei (n>2) Zweipolen, von denen zumindest einer eine anschlussseitig wirksame Kapazität beinhaltet oder ein anschlussseitig wirksames kapazitives Verhalten aufweist. Das Verfahren kann mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung erfolgen und umfasst die Schritte:

Verbinden der n Zweipole mit jeweils einem der Anschlusspaare der Vorrichtung, sofern diese noch nicht verbunden sind, so dass zwei oder mehr der n Zweipole jeweils einpolig direkt, oder über einen ersten Schalter schaltbar mit dem Eingang der ström limitierenden Komponente und zwei oder mehr der n Zweipole jeweils einpolig über einen zweiten Schalter schaltbar mit dem Ausgang der ström limitierenden Komponente verbunden sind,

Herbeiführen der Spannungsangleichung über ein Einstellen von Schaltzuständen der ersten Schalter und der zweiten Schalter m ittels der Steuereinheit und/oder mittels an den ersten Anschlüssen anliegender Spannungen derart, dass eine Leistungsaufnahme der ström limitierenden Komponente von einem oder mehreren der ersten Anschlüsse über einen oder mehrere der ersten Schalter oder die direkte Verbindung zu dem Eingang der ström limitierenden Komponente erfolgt, jedoch nicht über einen oder mehrere der zweiten Schalter, und dass eine Leistungsabgabe der ström limitierenden Komponente an einen oder mehrere der ersten Anschlüsse über einen oder mehrere der zweiten Schalter erfolgt, jedoch nicht über einen oder mehrere der ersten Schalter, so dass ein unidirektionaler Leistungsfluss über die ström limitierende Komponente vom Eingang zum Ausgang ermöglicht wird, und ein vom Ausgang zum Eingang gerichteter rückläufiger Leistungsfluss - und damit auch ein bidirektionaler Leistungsfluss über die ström limitierende Komponente - verhindert wird.

Bei dem Verfahren wird also mittels der Schaltzustände der ersten und zweiten Schalter eine Leistungsaufnahme der ström limitierenden Komponente an deren Eingang und nicht an deren Ausgang verlagert, während eine Leistungsabgabe der stromlimitierenden Komponente stets an deren Ausgang und nicht an deren Eingang erfolgt. Somit resultiert ein vom Eingang zum Ausgang der ström limitierenden Komponente gerichteter unidirektionaler Leistungsfluss, der von einem oder mehreren leistungsabgebend operierenden der n Zweipole ausgeht und entlang eines Pfades über dieselbe ström limitierende Komponente hin zu einem oder mehreren leistungsaufnehmend operierenden der n Zweipole verläuft. Wenn gewünscht, kann dabei ein Leistungsfluss zwischen zwei oder mehreren der n Zweipole unter Umgehung der ström limitierenden Komponente unterdrückt, zumindest jedoch temporär unterdrückt werden.

Eine Spannungsangleichung zwischen mehreren Zweipolen kann ausschließlich mit dem erfindungsgemäßen Verfahren vorgenommen werden. Alternativ ist es jedoch auch möglich, dass das Verfahren mit anderen bekannten Verfahren der Spannungsangleichung kombiniert werden kann. Beispielsweise können zwei der ersten Anschlüsse zusätzlich zu dem Pfad, der über die ström limitierende Komponente führt, auch über einen weiteren, nicht über die ström limitierende Komponente führenden Pfad verbunden oder schaltbar verbunden sein. Konkret können beispielsweise die ersten Anschlüsse zweier Zweipole über eine weitere Impedanz, beispielsweise einen weiteren Vorladewiderstand, verbunden sein oder schaltbar verbunden sein. Dies ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn zur Spannungsangleichung der betreffenden zwei Zweipole ein großer Leistungsfluss erforderlich ist, der eine Stromtragfähigkeit der ström limitierenden Komponente übersteigt.

Ein Zweipol im Sinne der Erfindung kann lediglich zwei Pole beinhalten. Alternativ ist es jedoch auch möglich, dass der Zweipol mehr als zwei, beispielsweise vier oder mehr Pole aufweist. In diesem Fall können einzelne Pole paarweise jeweils als Zweipol betrachtet werden. Beispielsweise kann eine DC-Seite eines AC/DC-Wandlers ein Zweipol im Sinne der Erfindung sein. Gleiches gilt für eine Eingangsseite, wie auch eine Ausgangsseite eines DC/DC-Wandlers. Ein leistungsabgebend operierender Zweipol kann, jedoch muss nicht zwingend zu jeder Zeit leistungsabgebend operieren. Vielmehr ist es möglich, dass ein Zweipol oder einzelne Zweipole bei der Spannungsangleichung sowohl leistungsabgebend als auch leistungsaufnehmend operieren können, sofern dies zu unterschiedlichen Zeiten erfolgt. Beispielsweise kann ein derartiger Zweipol zu einer Zeit leistungsabgebend operieren und zu einer anderen Zeit leistungsaufnehmend operieren. Ein derartiges Verhalten kann insbesondere bei einer mehrstufig erfolgenden Spannungsangleichung vorliegen. Gleiches gilt analog für einen leistungsaufnehmenden Zweipol. Auch dieser kann im Rahmen der Spannungsangleichung zu einer Zeit leistungsabgebend und zu einer anderen Zeit leistungsaufnehmend operieren.

Eine Spannungsangleichung im Rahmen der Erfindung kann insbesondere eine Vorladung eines zuvor ungeladenen oder nur teilweise aufgeladenen Zweipols oder mehrerer zuvor ungeladener oder nur teilweise geladener Zweipole umfassen, die an die Vorrichtung angeschlossen sind. Dabei können diejenigen Zweipole, die bei der Spannungsangleichung vorgeladen werden, jeweils leistungsaufnehmend operieren. Alternativ dazu kann die Spannungsangleichung auch eine vollständige oder teilweise Entladung eines zuvor aufgeladenen Zweipols oder mehrerer zuvor aufgeladener Zweipole umfassen, die an die Vorrichtung angeschlossen sind. Dabei können diejenigen Zweipole, die bei der Spannungsangleichung entladen werden sollen, jeweils leistungsabgebend operieren.

Während der Spannungsangleichung kann sich die Spannung eines oder können sich die Spannungen mehrerer der an dem Leistungsfluss beteiligten Zweipole zeitlich ändern. Das ist insbesondere für diejenigen Zweipole der Fall, die eine anschlussseitig, d.h. zwischen ihren beiden Polen wirksame Kapazität beinhalten oder ein kapazitives Verhalten an ihren Polen aufweisen. Konkret kann dabei eine zwischen den Polen eines leistungsabgebenden Zweipols anliegende Spannung zeitlich abnehmen. In entsprechender Weise kann eine zwischen den Polen eines leistungsaufnehmenden Zweipols anliegende Spannung zeitlich zunehmen. Neben Zweipolen, die ihre Spannungen zeitlich ändern, kann es auch Zweipole geben, die eine zeitlich invariante Spannung aufweisen. Das ist beispielsweise bei Zweipolen der Fall, bei der eine aus den Polen abfließende Leistung durch eine Energiequelle kompensiert wird, die Bestandteil des Zweipols ist, oder die an einen dritten und einen vierten Pol des Zweipols angeschlossen ist. In jedem Fall ergibt sich im zeitlichen Verlauf der Spannungsangleichung eine Änderung der Spannungen von zumindest einem Zweipol, gegebenenfalls auch von mehreren Zweipolen derart, dass sich die Spannungen der leistungsabgebenden Zweipole und die Spannungen der leistungsaufnehmenden Zweipole einander angleichen.

Die optionale Unterdrückung des Leistungsflusses unter Umgehung der ström limitierenden Komponente zwischen zwei oder mehreren ersten Anschlüssen, die jeweils einem leistungsabgebenden Zweipol zugeordnet sind, muss nicht zwingenderweise dauerhaft erfolgen. Vielmehr kann es ausreichend sein, wenn diese im zeitlichen Verlauf der Spannungsangleichung zumindest so lange erfolgt, bis eine ausreichende Angleichung zwischen den Spannungen der entsprechenden ersten Anschlüsse vorliegt, so dass sich diese nur noch geringfügig voneinander unterscheiden. Gleiches gilt so auch für die optionale Unterdrückung des Leistungsflusses unter Umgehung der ström limitierenden Komponente zwischen denjenigen ersten Anschlüssen, die jeweils einem leistungsaufnehmenden Zweipol zugeordnet sind.

Bei der Spannungsangleichung mittels der erfindungsgemäßen Vorrichtung, wie auch mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens wird über die Schaltzustände der ersten Schalter eingestellt, welcher der prinzipiell für eine Leistungsabgabe vorgesehenen Zweipole zu einer bestimmten Zeit leistungsabgebend operiert. Über die Schaltzustände der zweiten Schalter wird eingestellt, welcher der prinzipiell für eine Leistungsaufnahme vorgesehenen Zweipole zu einer bestimmten Zeit leistungsaufnehmend operiert. Daher kann über die Schaltzustände der ersten und zweiten Schalter auch eingestellt werden, welcher / welche der leistungsabgebenden Zweipole zu einer bestimmten Zeit mit welchem / welchen der leistungsaufnehmenden Zweipole verbunden ist. Dabei erfolgt der Leistungsfluss von einem oder mehreren leistungsabgebend operierenden Zweipolen hin zu einem oder mehreren leistungsaufnehmenden Zweipolen stets über dieselbe stromlimitierende Komponente. Diese muss somit lediglich einmalig, und nicht für jeden Zweipol, und auch nicht für jedes Paar aus Zweipolen, zwischen denen eine Spannungsangleichung erfolgen soll, separat vorgehalten werden, was insbesondere mit zunehmender Anzahl der Zweipole eine enorme Kostenersparnis bedeutet. Zusätzlich wird über die Schaltzustände der ersten und zweiten Schalter ein lediglich unidirektionaler Leistungsfluss über die ström limitierende Komponente von deren Eingang zu deren Ausgang hin vorgegeben. Konkret erfolgt über die ersten Schalter lediglich eine Leistungsabgabe von aktuell gerade leistungsabgebend operierenden Zweipolen an den Eingang der ström limitierenden Komponente. Weiterhin erfolgt über die zweiten Schalter lediglich eine Leistungsaufnahme von aktuell gerade leistungsaufnehmend operierenden Zweipolen aus dem Ausgang der ström limitierenden Komponente. Daher ist es ausreichend, die stromlimitierende Komponente selbst auch lediglich für einen unidirektionalen Leistungsfluss auszulegen. Sie kann daher relativ zu einer für einen bidirektionalen Leistungsfluss ausgelegten ström limitierenden Komponente auch kostengünstiger realisiert werden. Dies ist insbesondere dann der Fall, wenn es sich um eine aktiv steuerbare ström limitierende Komponente, beispielsweise einen DC/DC-Wandler handelt. Wenn für die Spannungsangleichung ein als Tiefsetzsteller ausgebildeter DC/DC-Wandler gewünscht ist, so ist es ausreichend, dass dieser lediglich in eine Richtung, beispielsweise vom Eingang zum Ausgang hin tiefsetzend operieren kann. Er muss nicht zusätzlich ausgebildet sein, auch vom Ausgang zum Eingang hin tiefsetzend zu operieren, da ein derart gerichteter Leistungsfluss über die Schaltzustände der ersten und zweiten Schalter unterdrückt wird. Weiterhin reicht es im Allgemeinen aus, wenn der DC/DC-Wandler einen Strom in lediglich eine Richtung führen kann, so dass z.B. ein Tiefsetzsteller mit nur einem aktiven Schalter ausgeführt werden kann und nicht als Halbbrücke ausgeführt werden muss. Insgesamt ergibt sich durch Nutzung der erfindungsgemäßen Vorrichtung, wie auch des erfindungsgemäßen Verfahrens eine einfache und kostengünstig durchführbare Spannungsangleichung mehrerer Zweipole. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in der nachfolgenden Beschreibung und den Unteransprüchen angegeben, deren Merkmale einzeln und in beliebiger Kombination miteinander angewendet werden können.

Prinzipiell ist es möglich, dass die Vorrichtung zur Spannungsangleichung von lediglich zwei Zweipolen ausgelegt ist, d. h. dass gilt: n=2. In diesem Fall weist die Vorrichtung lediglich zwei Anschlusspaare auf, wobei die ersten Anschlüsse beider Anschlusspaare jeweils sowohl über einen ersten Schalter mit dem Eingang als auch über einen zweiten Schalter mit dem Ausgang der stromlimitierenden Komponente verbunden sind. In diesem Fall sind beide Zweipole dafür ausgelegt, prinzipiell, d.h. zu verschiedenen Zeiten, sowohl leistungsabgebend als auch leistungsaufnehmend zu operieren.

In einer bevorzugten Ausführungsform kann die Vorrichtung jedoch für eine Spannungsangleichung von drei oder mehr (n>3) Zweipolen ausgelegt sein und zu diesem Zweck drei oder mehr Anschlusspaare aufweisen. Dabei können zumindest temporär mindestens drei, gegebenenfalls mehr, optional auch alle der ersten Anschlüsse - und der daran angeschlossenen Zweipole - gleichzeitig an dem Leistungsfluss über die ström limitierende Komponente beteiligt sein. Der Kostenvorteil des Verfahrens wie auch der Vorrichtung steigt mit der Anzahl der Zweipole, die an der Spannungsangleichung beteiligt sind, da jeder neu hinzukommende Zweipol die bereits bestehende ström limitierende Komponente nutzen kann. Auch in einen Fall, bei dem die Vorrichtung zur Spannungsangleichung von mehr als lediglich zwei Zweipolen ausgelegt ist (n>3), kann ein Zweipol / können mehrere Zweipole, beispielsweise bei einer mehrstufigen Spannungsangleichung, zu einer Zeit leistungsabgebend und zu einer anderen Zeit leistungsaufnehmend operieren. Daher ist es auch in diesem Fall möglich, dass ein erster Anschluss oder mehrere der ersten Anschlüsse jeweils sowohl über einen ersten Schalter schaltbar mit dem Eingang als auch über einen zweiten Schalter schaltbar mit dem Ausgang der ström limitierenden Komponente verbunden sind. Dabei werden einer / mehrere den ersten Anschlüssen jeweils zugeordnete Brückenzweige gebildet, der / die jeweils eine Reihenschaltung des dem ersten Anschluss jeweils zugeordneten ersten Schalters und des dem ersten Anschluss jeweils zugeordneten zweiten Schalters aufweisen. Dabei sind die ersten Anschlüsse mit Zweigabgriffen, die jeweils innerhalb der Brückenzweige zwischen dem ersten und dem zweiten Schalter angeordnet sind, mit den ihnen zugeordneten Brückenzweigen verbunden. So kann jeder der entsprechenden ersten Anschlüsse bei einem leistungsabgebenden Betrieb des jeweils angeschlossenen Zweipols über einen geschlossenen ersten Schalter leitend mit dem Eingang verbunden werden und bei einem leistungsaufnehmenden Betrieb des jeweils angeschlossenen Zweipols über einen geschlossenen zweiten Schalter mit dem Ausgang der ström limitierenden Komponente verbunden werden. Auf diese Weise ist gewährleistet, dass der Leistungsfluss stets unidirektional vom Eingang zum Ausgang der stromlimitierenden Komponente gerichtet ist, unabhängig davon, ob ein bestimmter Zweipol gerade leistungsaufnehmend oder leistungsabgebend operiert.

Bei der Vorrichtung kann zumindest einer der ersten Schalter und/oder zumindest einer der zweiten Schalter jeweils eine Diode D aufweisen oder jeweils als eine Diode D ausgebildet sein. In diesem Fall kann dem zumindest einen ersten Schalter und/oder dem zumindest einen zweiten Schalter über die von dem Schalter umfasste Diode ein vorwärts leitendes und rückwärts sperrendes Verhalten aufgeprägt werden. Ein vorwärts leitendes Verhalten kann in diesem Zusammenhang bei einem ersten Schalter als ein Leitverhalten verstanden werden, das einen Leistungsfluss aus dem dem ersten Schalter zugeordneten Zweipol heraus ermöglicht, während es bei einem zweiten Schalter ein Leitverhalten bezeichnet, das einen Leistungsfluss in den dem zweiten Schalter zugeordneten Zweipol hinein ermöglicht. Entsprechend kann ein rückwärts sperrendes Verhalten in diesem Zusammenhang bei einem ersten Schalter als ein Sperrverhalten verstanden werden, das einen Leistungsfluss in den dem ersten Schalter zugeordneten Zweipol hinein blockiert, während es bei einem zweiten Schalter ein Sperrverhalten bezeichnet, das einen Leistungsfluss aus den dem zweiten Schalter zugeordneten Zweipol heraus blockiert.

Damit können unerwünschte Schaltzustände, d.h. Schaltzustände, die dem gewünschten unidirektionalen Leistungsfluss durch die ström limitierende Komponente entgegenstehen, über das rückwärtssperrende Verhalten der entsprechenden ersten Schalter und/oder zweiten Schalter unterdrückt werden. Dabei können die Schaltzustände der entsprechenden ersten und/oder zweiten Schalter, die jeweils eine Diode aufweisen oder jeweils als eine Diode ausgebildet sind, durch die an den ersten Anschlüssen relativ zum GND Potential anliegenden Spannungen, also die jeweiligen Spannungen der Zweipole, eingestellt werden und es ist nicht erforderlich, die Schaltzustände über eine Steuerungseinheit zu steuern. Bei einer Vielzahl von jeweils als Diode ausgebildeten ersten Schaltern nimmt stets diejenige Diode einen leitfähigen Schaltzustand ein, bei der der Diode zugeordnete Zweipol im Vergleich zu den anderen Zweipolen eine maximale Spannung oder eine minimale Spannung aufweist. Das gleiche gilt so auch für die zweiten Schalter, die jeweils als Diode ausgebildet sind. Daher kann eine Steuerungseinheit gegebenenfalls gänzlich entfallen, beispielsweise wenn jeder der ersten Schalter und zweiten Schalter als eine Diode ausgebildet ist, oder eine aus anderen Gründen notwendige Steuerungseinheit kann einfacher ausgebildet sein, da sie weniger Funktionen abarbeiten muss, was sich vorteilhaft auf die entstehenden Kosten einer entsprechenden Vorrichtung auswirkt. Zudem ist eine Diode üblicherweise kostengünstiger als ein aktiv ansteuerbarer Halbleiterschalter, wodurch ebenfalls ein Kostenvorteil der entsprechenden Vorrichtung generiert wird. Es versteht sich von selbst, dass bei der Vorrichtung auch mehrere, gegebenenfalls auch jeder der ersten Schalter jeweils eine Diode aufweisen kann oder als eine Diode ausgebildet sein kann. Alternativ oder kumulativ dazu können auch mehrere der zweiten Schalter, gegebenenfalls kann auch jeder der zweiten Schalter jeweils eine Diode aufweisen oder als eine Diode ausgebildet sein.

In einer Ausführungsform kann jeder der ersten Schalter und jeder der zweiten Schalter der Vorrichtung als Diode ausgeführt sein. In diesem Fall können die Dioden als fertig erhältliche Diodenbrücken ausgeführt werden, wodurch sich weitere Platz- und Kosteneinsparungen ergeben. Die Unterdrückung temporär unerwünschter Leistungsflüsse innerhalb der Vorrichtung ist dabei über dritte Schalter möglich. Alternativ oder kumulativ dazu ist es jedoch auch möglich, dass zumindest einer, gegebenenfalls auch mehrere, der ersten Schalter und/oder zumindest einer, gegebenenfalls auch mehrere, der zweiten Schalter jeweils einen durch die Steuerungseinheit ansteuerbaren Schalter umfasst. Dabei kann es sich insbesondere um einen Halbleiterschalter oder einen elektromechanischen Schalter handeln. In einem solchen Fall ist es selbstverständlich, dass die Vorrichtung eine Steuerungseinheit zur Ansteuerung der entsprechenden ersten und/oder zweiten Schalters umfasst. So kann ein über die Steuerungseinheit ansteuerbarer Schalter unabhängig von einer Spannung gesteuert werden, die an dem ihm zugeordneten ersten Anschluss relativ zum Bezugspotential GND anliegt, was einen größeren Freiheitsgrad bei der Durchführung des Verfahrens ermöglicht. In diesem Fall kann ein unidirektionaler Leistungsfluss durch die ström limitierende Komponente mittels geeigneter Schaltzustände der ersten und zweiten Schalter über die Steuereinheit eingestellt werden.

Alternativ oder kumulativ zu den vorgenannten Fällen ist es auch möglich, einen bidirektionalen Leistungsfluss durch die ström limitierende Komponente dadurch zu unterdrücken, dass einer, mehrere oder jeder der ersten Schalter und/oder einer, mehrere oder jeder der zweiten Schalter einen unidirektionalen Schalter umfassen. Ein unidirektionaler Schalter im Sinne der Anmeldung ist ein Schalter mit mindestens einem Ansteuerzustand, welcher ausgelegt ist, einen Leistungsfluss in einer Richtung zu ermöglichen und in der entgegengesetzten Richtung zu unterdrücken. Ein derartiger unidirektionaler Schalter weist somit in dem betreffenden Ansteuerzustand - ähnlich wie eine Diode - ein rückwärts sperrendes und vorwärts leitendes Verhalten auf. Dabei ist zwischen Ansteuerzustand und Schaltzustand des unidirektionalen Schalters zu unterscheiden. So kann ein Ansteuerzustand nämlich mehrere Schaltzustände umfassen. Beispielsweise umfasst der oben genannte betreffende Ansteuerzustand, der durch ein vorwärts leitendes und rückwärts sperrendes Verhalten gekennzeichnet ist, zwei Schaltzustände, nämlich den Schaltzustand „geschlossen“ bzw. „leitend“ für einen vorwärts gerichteten Leistungsfluss und den Schaltzustand „geöffnet“ bzw. „sperrend“ für einen rückwärts gerichteten Leistungsfluss. Zur Einnahme der Ansteuerzustände kann der unidirektionale Schalter mehrere unterschiedliche Schalter umfassen oder aus diesen aufgebaut sein. Ein unidirektionaler Schalter kann, muss aber nicht zwingenderweise, aktiv ansteuerbar sein und hierzu einen Steueranschluss zur Einnahme des Ansteuerzustandes aufweisen. Ein unidirektionaler Schalter, der nicht aktiv ansteuerbar ist, weist nur einen einzigen Ansteuerzustand auf. Ein aktiv ansteuerbarer unidirektionaler Schalter hingegen kann weitere Ansteuerzustände aufweisen, die im Betrieb der Vorrichtung vorteilhaft genutzt werden können. Als Beispiel für einen unidirektionalen Schalter sind exemplarisch und nicht limitierend zu nennen:

• eine Serienschaltung aus einem elektromechanischen Schalter und einer Diode,

• eine Serienschaltung aus einem bidirektional leitenden Halbleiterschalter und einer Diode

• eine Parallelschaltung eines rückwärtssperrenden Halbleiterschalters und einer Diode,

• ein rückwärtssperrender Halbleiterschalter, z.B. ein reverse blocking IGBT,

• eine Diode, und

• ein Thyristor.

Einige unidirektionale Schalter und ihre vorteilhaften Eigenschaften für den Betrieb der Vorrichtung werden in Fig. 4a - 4c näher beschrieben.

Bei der Vorrichtung kann nun zumindest einer der ersten Schalter als unidirektionaler Schalter ausgebildet sein, der sich in dem betreffenden Ansteuerzustand wie eine Diode verhält, deren Durchflussrichtung so orientiert ist, dass ein Leistungsfluss von dem dem ersten Schalter zugeordneten ersten Anschluss zum Eingang der ström limitierenden Komponente ermöglicht wird, ein Leistungsfluss von dem Eingang der ström limitierenden Komponente zu dem betreffenden ersten Anschluss jedoch unterdrückt wird. Auf diese Weise wird in dem betreffenden Ansteuerzustand auch ein Leistungsfluss über den ersten Schalter in den zugeordneten ersten Anschluss, und damit auch ein direkter Leistungsfluss aus einem anderen Zweipol in den an den betreffenden ersten Anschluss angeschlossenen Zweipol unter Umgehung der ström limitierenden Komponente unterbunden.

Entsprechend kann bei der Vorrichtung zumindest einer der zweiten Schalter als unidirektionaler Schalter ausgebildet sein, der sich zumindest in dem betreffenden Ansteuerzustand wie eine Diode verhält, deren Durchflussrichtung so orientiert ist, dass ein Leistungsfluss von dem Ausgang der ström limitierenden Komponente zu dem dem zweiten Schalter zugeordneten ersten Anschluss ermöglicht wird, ein Leistungsfluss von dem entsprechenden ersten Anschluss zum Ausgang der stromlimitierenden Komponente jedoch unterdrückt wird. Auf diese Weise wird in dem betreffenden Ansteuerzustand ebenfalls ein Leistungsfluss über den zweiten Schalter aus dem ihm zugeordneten ersten Anschluss, und damit auch ein direkter Leistungsfluss aus dem an den ersten Anschluss angeschlossenen Zweipol in einen anderen Zweipol unter Umgehung der ström limitierenden Komponente unterbunden.

Wenn vorteilhaft alle ersten und zweiten Schalter der Vorrichtung als unidirektionale Schalter ausgeführt sind, kann zumindest dann, wenn alle diese Schalter den betreffenden Ansteuerzustand einnehmen, sichergestellt werden, dass ein Leistungsfluss weder in unerwünschter Richtung über die ström limitierende Komponente noch direkt zwischen zwei Zweipolen erfolgt.

Weitere Ansteuerzustände eines unidirektional ausgebildeten ersten und/oder zweiten Schalter können dazu dienen

• eine Durchflussspannung und somit eine Verlustleistung des entsprechenden unidirektionalen Schalters herabzusetzen, wie z. B. bei einem selbstsperrenden MOSFET, bei dem parallel zu einer Bodydiode der Kanal aufgesteuert werden kann

• nach Abschluss der Spannungsangleichung eine direkte Verbindung zwischen den ersten Anschlüssen zweier Zweipole herzustellen

• temporär unerwünschte Leistungsflüsse durch den unidirektionalen Schalter zu unterdrücken, indem z.B. in Reihe zur Diode noch ein elektromechanischer oder ein Halbleiterschalter angeordnet ist.

In einer vorteilhaften Ausführungsform kann die ström limitierende Komponente als Bauteil einen ohmschen Widerstand RVL, einen Thermistor, beispielsweise einen Heißleiter (NTC) oder einen Kaltleiter (PTC), und/oder einen durch die Steuerungseinheit aktiv steuerbaren Halbleiterschalter TVL umfassen. Es ist auch möglich, dass die ström limitierende Komponente eine Reihenschaltung von zwei unterschiedlichen dieser Bauteile umfasst. In einerweiteren Ausführungsform kann die stromlimitierende Komponente als ein DC/DC-Wandler, insbesondere als ein vom Eingang zum Ausgang hin tiefsetzender DC/DC-Wandler ausgelegt sein. Relativ zu einem ohmschen Widerstand als ström limitierende Komponente ermöglicht dies, den Leistungsfluss durch die ström limitierende Komponente feinabgestimmter zu steuern, wodurch ein größerer Freiheitsgrad bei der Durchführung des Verfahrens zur Spannungsangleichung resultiert.

Vorteilhafterweise kann die Vorrichtung zusätzlich eine Schalteinheit zum schaltbaren niederohmigen Verbinden von zwei oder mehreren der ersten Anschlüsse miteinander, sowie eine Steuerungseinheit zur Steuerung der Schalteinheit umfassen. Die Steuerungseinheit der Schalteinheit kann dieselbe sein, die auch zur Steuerung der ersten und zweiten Schalter verwendet wird. Dabei kann die Steuerungseinheit ausgelegt sein, zwei oder mehrere der ersten Anschlüsse in Abhängigkeit einer zwischen den betreffenden ersten Anschlüssen herrschenden Spannung niederohmig miteinander zu verbinden. Konkret können beispielsweise zwei erste Anschlüsse, mehr als zwei erste Anschlüsse, oder alle ersten Anschlüsse der n Zweipole mittels der Schalteinheit niederohmig miteinander verbunden werden, wenn ein Absolutbetrag einer zwischen den betreffenden ersten Anschlüssen anliegenden Spannung einen Spannungsschwellwert UTH erreicht oder unterschreitet. Hierzu ist es möglich, die Spannung von jedem der ersten Anschlüsse separat zu detektieren. Alternativ dazu ist es jedoch auch möglich, dass die Vorrichtung einen, insbesondere lediglich einen Spannungssensor zur Detektion einer an der ström limitierenden Komponente anliegenden Spannung U umfasst, also einer Spannung U, die zwischen dem Eingang und dem Ausgang der stromlimitierenden Komponente anliegt. Dabei ist die Steuerungseinheit ausgelegt, die Schalteinheit in Abhängigkeit der an der stromlimitierenden Komponente anliegenden Spannung U zu betreiben. Auf diese Weise kann eine Anzahl der erforderlichen Spannungssensoren und damit der Kostenaufwand der Vorrichtung weiter reduziert werden.

Die Schalteinheit zum schaltbaren niederohmigen Verbinden von zwei oder mehreren der ersten Anschlüsse der n Zweipole miteinander kann auch über zwei oder mehrere der durch die Steuerungseinheit ansteuerbaren ersten Schalter oder über zwei oder mehrere der durch die Steuerungseinheit ansteuerbaren zweiten Schalter gebildet werden. Dies kann aus Kostengründen vorteilhaft sein, wenn aktiv steuerbare erste und/oder zweite Schalter ohnehin vorhanden sind und von ihrer Stromtragfähigkeit auch ausreichend dimensioniert sind. Alternativ dazu ist es jedoch auch möglich, zusätzliche separate Schalter für die Schalteinheit vorzusehen. Dabei kann die Schalteinheit so ausgebildet sein, dass sie mehrere Schalter umfasst, so dass jeder erste Anschluss mit jedem anderen der verbleibenden ersten Anschlüsse separat niederohmig verbunden werden kann.

In einer weiteren Ausführungsform kann die Vorrichtung einen oder mehrere durch die Steuerungseinheit ansteuerbare dritte Schalter aufweisen, wobei jeder der dritten Schalter jeweils zwischen dem ersten Anschluss und dem ihm zugeordneten ersten Schalter und/oder zwischen dem ersten Anschluss und dem ihm zugeordneten zweiten Schalter angeordnet ist. Auf diese Weise lassen sich auf Wunsch einzelne Zweipole von einer Spannungsangleichung entkoppeln, um mit diesen gegebenenfalls zu einem späteren Zeitpunkt und gegebenenfalls mit anderen an die Vorrichtung angeschlossenen Zweipolen eine Spannungsangleichung durchzuführen. Insbesondere kann damit der Vorgang der Spannungsangleichung weitgehend automatisiert werden, indem alle ersten und zweiten Schalter als Dioden ausgeführt werden, und nur noch diejenigen Zweipole temporär abgetrennt werden, die den gewünschten zeitlichen Ablauf des Verfahrens stören würden. Auf diese Weise wird nur eine minimale Anzahl an ansteuerbaren Schaltern benötigt. So ist es dann nämlich ausreichend, nur die dritten Schalter als aktiv ansteuerbare Schalter auszuführen.

In einer Ausführungsform des Verfahrens können zwei oder mehr leistungsabgebende Zweipole mit zunächst unterschiedlichen Spannungen an die Vorrichtung angeschlossen sein. Dabei kann zunächst für denjenigen Zweipol die Leistungsabgabe ermöglicht werden, dessen absolute Spannung, also der Betrag der Spannung zwischen seinem ersten Anschluss und dem Bezugspotential GND, maximal ist. Die Leistungsabgaben für die weiteren Zweipole können dann jeweils zeitversetzt, beispielsweise in Abhängigkeit einer Spannung zwischen dem ihnen zugeordneten ersten Anschluss und dem Eingang der ström limitierenden Komponente ermöglicht werden. Ein derartiges Verhalten kann beispielsweise dann vorliegen, wenn die leistungsabgebenden Zweipole jeweils eine anschlussseitig wirksame Kapazität aufweisen, die sich in Abhängigkeit der Leistungsabgabe der Zweipole zumindest teilweise zeitlich entlädt. In einer weiteren Ausführungsform können alternativ oder kumulativ zwei oder mehr leistungsaufnehmende Zweipole mit unterschiedlichen Spannungen an die Vorrichtung angeschlossen sein, wobei zunächst für denjenigen Zweipol die Leistungsaufnahme ermöglicht wird, dessen absolute Spannung, also der Betrag der Spannung zwischen seinem ersten Anschluss und dem Bezugspotential GND, minimal ist. Die Leistungsaufnahmen für die weiteren Zweipole können dann zeitversetzt, beispielsweise in Abhängigkeit einer Spannung zwischen dem ihnen zugeordneten ersten Anschluss und dem Ausgang der stromlimitierenden Komponente ermöglicht werden. Dieses Verhalten kann beispielsweise dann vorliegen, wenn die leistungsaufnehmenden Zweipole jeweils eine anschlussseitig wirksame Kapazität aufweisen, die sich abhängig von der Leistungsaufnahme der Zweipole zumindest teilweise auflädt. Bei der Vorrichtung wie auch dem Verfahren ist es möglich, dass die positiven Pole der Zweipole jeweils mit einem der ersten Anschlüsse und die negativen Pole der Zweipole jeweils mit einem der zweiten Anschlüsse der Vorrichtung verbunden werden oder verbunden sind. In diesem Fall wird das gemeinsame Bezugspotential GND durch die negativen Pole der Zweipole gebildet. Alternativ dazu ist es jedoch auch möglich, dass die negativen Pole der Zweipole jeweils mit einem der ersten Anschlüsse und die positiven Pole der Zweipole jeweils mit einem der zweiten Anschlüsse der Vorrichtung verbunden werden oder verbunden sind. In diesem Fall wird das gemeinsame Bezugspotential GND durch die positiven Pole der Zweipole gebildet. Dies ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn die stromlimitierende Komponente als spezieller DC/DC-Wandler wie beispielsweise ein Tiefsetzsteller ausgebildet ist. Hier kann nämlich ein aktiv steuerbarer Schalter als sogenannter Low- Side Schalter des DC/DC-Wandlers ein ruhendes Emitter-Potential beziehungsweise Source-Potential aufweisen, wodurch - wie auch nochmals in Fig. 3c näher erläutert - eine einfachere Ansteuerung des aktiv steuerbaren Schalters ermöglicht wird.

Eine erfindungsgemäße DC-Energieverteilungsanlage mit spannungsangleichend verbindbaren Zweipolen beinhaltet eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Spannungsangleichung von zumindest zwei Zweipolen, sowie die Mehrzahl n (n>2) der zumindest zwei Zweipole, die an die Vorrichtung angeschlossen sind. Die DC- Energieverteilungsanlage ist zur Durchführung des Verfahrens ausgelegt und eingerichtet. Es ergeben sich die bereits im Zusammenhang mit der Vorrichtung und dem Verfahren erläuterten Vorteile.

In einer Ausführungsform der DC-Energieverteilungsanlage umfasst zumindest einer der n Zweipole eines oder mehrere der folgenden Elemente:

- einen DC-Anschluss eines eine Zwischenkreis-Kapazität und/oder eine Eingangskapazität aufweisenden Wechselrichters,

- einen Elektrolyseur,

- eine Batterie,

- ein DC-Netz mit einer daran gekoppelten Kapazität,

- einen DC-Ausgang eines an einem AC-Netz angeschlossenen Gleichrichters, und

- ein Ladekabel für ein Elektrofahrzeug.

Eine weitere Ausführungsform der DC-Energieverteilungsanlage kann einen leistungsabgebenden und nicht rückspeisefähigen Zweipol umfassen, der mit einem seiner Pole direkt mit dem Eingang der ström limitierenden Komponente und mit dem anderen seiner Anschlüsse mit dem Bezugspotential GND verbunden oder schaltbar verbunden ist. Zu diesem Zweck ist er an eines derjenigen Anschlusspaare angeschlossen, deren erster Anschluss direkt mit dem Eingang der ström limitierenden Komponente verbunden ist. Hingegen ist ein leistungsabgebender aber prinzipiell rückspeisefähiger Zweipol an ein Anschlusspaar angeschlossen, dessen erster Anschluss über einen ersten Schalter mit dem Eingang der ström limitierenden Komponente verbunden ist. Auf diese Weise kann eine Rückspeisung elektrischer Leistung in den Zweipol im Bedarfsfall verhindert werden.

Kurzbeschreibunq der Figuren

Im Folgenden wird die Erfindung mithilfe von Figuren dargestellt. Von diesen zeigen

Fig. 1 eine ersten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Spannungsangleichung, die mit einer Mehrzahl von n Zweipolen verbunden ist;

Fig. 2a eine zweite Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Spannungsangleichung;

Fig. 2b eine dritte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Spannungsangleichung;

Fig. 3a eine erste Ausführungsform einer ström limitierenden Komponente der Vorrichtung;

Fig. 3b eine zweite Ausführungsform einer stromlimitierenden Komponente der Vorrichtung; und

Fig. 3c eine dritte Ausführungsform einer ström limitierenden Komponente der Vorrichtung;

Fig. 4a eine erste Ausführungsform eines unidirektionalen Schalters;

Fig. 4b eine zweite Ausführungsform eines unidirektionalen Schalters; und

Fig. 4c eine dritte Ausführungsform eines unidirektionalen Schalters; Fiqurenbeschreibunq

In Fig. 1 ist eine erste Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 zur Spannungsangleichung einer Mehrzahl n von zumindest zwei (n>2) Zweipolen dargestellt. Zudem ist in Fig. 1 auch eine DC-Energieverteilungsanlage 50 illustriert, die einer Kombination der Vorrichtung 1 und der an die Vorrichtung 1 angeschlossenen Zweipole P1 , P2, P3 entspricht. Exemplarisch und nicht einschränkend ist die Vorrichtung 1 in Fig. 1 für einen Betrieb von drei Zweipolen P1 , P2, P3 ausgelegt, die jeweils an einen ersten Anschluss A1 und einen zweiten Anschluss A2 eines unterschiedlichen der drei Anschlusspaare A angeschlossen sind. Zwei der ersten Anschlüsse A1 , in Figur 1 beispielhaft die Anschlüsse der Zweipole P1 und P2, sind jeweils über einen ersten Schalter S1 und einen gemeinsamen ersten Verbindungspunkt 6.1 mit einem Eingang 10.1 einer stromlimitierenden Komponente 10 verbunden. Weiterhin sind die ersten Anschlüsse A1 von zwei Anschlusspaaren A jeweils über einen zweiten Schalter S2 und einen gemeinsamen zweiten Verbindungspunkt 6.2 mit einem Ausgang 10.2 der stromlimitierenden Komponente 10 verbunden. Die zweiten Anschlüsse A2 der Anschlusspaare A sind niederohmig miteinander und mit einem gemeinsamen Bezugspotenzial GND verbunden. Die Verbindung der zweiten Anschlüsse A2 mit dem Bezugspotential GND ist in Fig. 1 jeweils als direkte Verbindung dargestellt. Alternativ ist es jedoch auch möglich, dass die Verbindung für einen oder mehrere der zweiten Anschlüsse A2, optional auch für alle zweiten Anschlüsse A2, schaltbar ausgeführt ist.

In Figur 1 ist einer der Zweipole P1 , P2, P3 (hier: P2) ausgelegt, zu einer Zeit leistungsabgebend und zu einer anderen Zeit leistungsaufnehmend zu operieren. Zu diesem Zweck ist der ihm zugeordnete erste Anschluss A1 sowohl über einen der ersten Schalter S1 mit dem Eingang 10.1 als auch über einen der zweiten Schalter S2 mit dem Ausgang 10.2 der ström limitierenden Komponente 10 verbunden. Dabei sind der erste Schalter S1 und der zweite Schalter S2 in einem Brückenzweig 5.2 in Reihe geschaltet, wobei ein Zweigabgriff 3.2 des Brückenzweiges 5.2 mit dem dem Zweipol P2 zugeordneten ersten Anschluss A1 verbunden ist.

Die Vorrichtung 1 weist einen Spannungssensor 8 auf, der mit einer Steuerungseinheit 9 der Vorrichtung 1 verbunden ist. Der Spannungssensor 8 ist ausgelegt, eine an der stromlimitierenden Komponente 10 anliegende Spannung U zu detektieren. Die Steuerungseinheit 9 kann - wie in Fig. 1 auch explizit dargestellt - zur Ansteuerung der ström limitierenden Komponente 10 steuerungstechnisch mit dieser verbunden sein. Dies kann insbesondere dann der Fall sein, wenn die ström limitierende Komponente 10 aktiv ansteuerbare Bauteile, beispielsweise einen aktiv steuerbaren Halbleiterschalter beinhaltet. Alternativ dazu kann die Ansteuerung eines Halbleiterschalters der ström limitierenden Komponente auch autonom und ohne Verbindung zu einem Spannungssensor 8 erfolgen. Dies ist beispielsweise bei einer Stromregelung, insbesondere einer Regelung des Ausgangsstroms der stromlimitierenden Komponente 10 der Fall. Generell sind steuerungstechnische Verbindungen in Fig. 1 , wie auch in den Fig. 2a und 2b jeweils über eine gestrichelte Linie symbolisiert. Die Vorrichtung 1 beinhaltet weiterhin eine Schalteinheit 7, die mehrere Schalter S12, S13, S23 zur niederohmigen Verbindung einzelner erster Anschlüsse A1 miteinander umfasst. Die Steuerungseinheit 9 ist ausgelegt, die Schalteinheit 7, insbesondere deren Schalter S12, S13, S23 in Abhängigkeit der zwischen den ersten Anschlüssen A1 jeweils herrschenden Spannungen und/oder der über der ström limitierenden Komponente 10 abfallenden Spannung U anzusteuern. Die ersten Anschlüsse A1 von einzelnen Zweipolen (in Fig. 1 exemplarisch P1 und P3) sind zusätzlich jeweils über einen aktiv steuerbar ausgebildeten dritten Schalter S3 mit den ihnen zugeordneten ersten Schaltern S1 beziehungsweise zweiten Schalter S2 verbunden. Über den dritten Schalter S3 lässt sich der entsprechende Zweipol P1 , P3 im Bedarfsfall in Bezug auf seine Abgabe oder Aufnahme eines Leistungsflusses bei der Spannungsangleichung entkoppeln, was einer temporären Aktivierung oder Deaktivierung des entsprechenden Zweipols P1 , P3 während der Spannungsangleichung gleichkommt. Der an den ersten Anschluss des ersten Zweipols angeschlossene dritte Schalter ist über eine Diode mit dem ersten Verbindungspunkt 6.1 verbunden, so dass die Kombination aus drittem Schalter und Diode wirkungsgleich zu einem als unidirektionaler Schalter ausgebildeten ersten Schalter ist.

Wie in Fig. 1 dargestellt, können optional die ersten Anschlüsse A1 von zwei Zweipolen (hier: die Zweipole P2 und P3) auch über eine zusätzliche Impedanz in Form eines weiteren Vorladewiderstandes RVL,2 verbunden, insbesondere schaltbar verbunden werden. Dies ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn ein zur Spannungsangleichung der betreffenden Zweipole P2, P3 benötigter Stromfluss eine Stromtragfähigkeit der stromlimitierenden Komponente 10 übersteigt. Da der weitere Vorladewiderstand RVL,2 eine optionale Komponente ist, ist er in Fig.1 gestrichelt dargestellt. Im Folgenden wird eine mögliche Ausführungsform eines Verfahrens zum Betrieb am Beispiel der Vorrichtung 1 erläutert. Hierfür wird exemplarisch angenommen, dass der Zweipol P1 einen DC-Anschluss eines Netzteils kleiner Leistung, also im einfachsten Fall eines Gleichrichters, der Zweipol P2 eine DC-Seite eines bidirektional ausgebildeten AC/DC-Wandlers großer Leistung und der Zweipol P3 einen DC- Eingang eines Elektrolyseurs darstellt. Im Ausgangszustand sind alle dritten Schalter S3 und alle Schalter S12, S13, S23 der Schalteinheit 7 geöffnet. Eine DC-Seite des bidirektionalen AC/DC-Wandlers (i.e. der Zweipol P2) ist spannungsfrei, da der AC/DC-Wandler mit seiner AC-Seite noch nicht mit einem AC-Netz (in Fig. 1 nicht dargestellt) verbunden ist. Der den Elektrolyseur darstellende Zweipol P3 ist ebenfalls spannungsfrei. Im Rahmen einer mehrstufig erfolgenden Spannungsangleichung soll nun zuerst die DC-Seite des bidirektionalen AC/DC-Wandlers (i.e. der Zweipol P2) durch den Zweipol P1 , und danach der DC-Eingang des Elektrolyseurs (i.e. der Zweipol P3) für seinen normalen Betrieb durch den Zweipol P2 aufgeladen werden:

Hierfür wird zunächst der dem ersten Zweipol P1 zugeordnete dritte Schalter S3 geschlossen. Aufgrund der Spannungen U(P1), U(P2) des ersten Zweipols P1 und des zweiten Zweipols P2 werden der dem ersten Zweipol P1 zugeordnete erste Schalter S1 und der dem zweiten Zweipol P2 zugeordnete zweite Schalter S2 in einen leitfähigen Schaltzustand versetzt. Es ergibt sich ein Leistungsfluss P über die stromlimitierende Komponente 10 von dem ersten Anschluss A1 des ersten Zweipols P1 zu dem ersten Anschluss A1 des zweiten Zweipols P2, wodurch dieser aufgeladen wird und wodurch sich dessen Spannung U(P2) der Spannung U(P1 ) des ersten Zweipols P1 angleicht. Danach wird der bidirektionale AC/DC-Wandler großer Leistung mit dem AC-Netz synchronisiert und mit diesem verbunden. Damit ist die erste Stufe der mehrstufig erfolgenden Spannungsangleichung der drei Zweipole P1 , P2, P3 beendet. Für die folgende zweite Stufe der Spannungsangleichung wird der dem Elektrolyseur (Zweipol P3) zugeordnete dritte Schalter S3 geschlossen. Die Spannungen des ersten P1 und des zweiten Zweipols P2 sind nahezu gleich und größer als die Spannung U(P3) des dritten Zweipols P3, d.h. es gilt nun U(P1 )«U(P2) > U(P3). Aufgrund der Spannungsverhältnisse werden nun die ersten Schalter S1 des ersten P1 und des zweiten Zweipols P2, sowie der zweite Schalter S2 des dritten Zweipols P3 in den leitfähigen Schaltzustand versetzt bzw. in dem leitfähigen Schaltzustand gehalten. Es ergibt sich ein Leistungsfluss P über die ström limitierende Komponente 10 von den nun leistungsabgebenden Zweipolen P1 , P2 zu dem nun leistungsaufnehmenden Zweipol P3, wodurch der DC-Eingang des Elektrolyseurs aufgeladen wird und sich dessen Spannung U(P3) den Spannungen U(P1), U(P2) der Zweipole P1 , P2 annähert. Zusätzlich kann ein Leistungsfluss über den optionalen Vorladewiderstand RVL,2 die Spannungsangleichung unterstützen. Erreicht oder Unterschreitet ein Absolutbetrag der Differenz beider Spannungen der Zweipole P2, P3 einen Spannungsschwellwert UTH, gilt also |U(P3) - U(P2)| < UTH, SO können deren erste Anschlüsse A1 durch die Schalteinheit 7, genauer dessen Schalter S23 niederohmig miteinander verbunden werden. Damit ist die zweite Stufe der Spannungsangleichung und damit auch die mehrstufige Spannungsangleichung als solches beendet.

Sowohl die ersten Schalter S1 als auch die zweiten Schalter S2 sind in Figur 1 beispielhaft als Dioden D ausgebildet, deren Schaltzustände sich jeweils in Abhängigkeit der an den entsprechenden ersten Anschlüssen A1 und den zweiten Anschlüssen A2 anliegenden Spannungen, konkret also in Abhängigkeit der an den Zweipolen P1 , P2, P3 anliegenden Spannungen einstellen. Alternativ dazu ist es jedoch auch möglich, dass einer oder auch mehrere der ersten Schalter S1 als aktiv steuerbare Schalter ausgebildet sind.

In Fig. 2a ist eine zweite Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 dargestellt, die in vielen Punkten der schon in der Fig. 1 erläuterten ersten Ausführungsform ähnelt. Im Folgenden werden daher lediglich die Unterschiede zu der Ausführungsform in Figur 1 beschrieben. Zu den übereinstimmenden Merkmalen wird auf die Figurenbeschreibung der Fig. 1 verwiesen.

Im Unterschied zu der in Figur 1 dargestellten ersten Ausführungsform sind in der Ausführungsform der Fig. 2a sämtliche Zweipole P1 , P2, P3 sowohl für einen leistungsaufnehmenden als auch für einen leistungsabgebenden Betrieb ausgebildet. Dies kann beispielsweise dann vorliegen, wenn jeder der Zweipole P1 , P2, P3 mittels der Vorrichtung 1 über die ström limitierende Komponente 10 nicht nur aufgeladen (also seine Spannung U(P1 ), U(P2), U(P3) vergrößert), sondern auch entladen (d.h. seine Spannung U(P1 ), U(P2), U(P3) verkleinert) werden soll. Daher ist jeder der Zweipole P1 , P2, P3 über einen Zweigabgriff 3.1 , 3.2, 3.3 eines ihm jeweils zugeordneten Brückenzweiges 5.1 , 5.2, 5.3 angeschlossen, und damit sowohl über einen ersten Schalter S1 mit dem Eingang 10.1 , als auch über einen zweiten Schalter S2 mit dem Ausgang 10.2 der ström limitierenden Komponente 10 verbunden. Die Brückenzweige 5.1 , 5.2, 5.3 sind jeweils parallel zu der ström limitierenden Komponente 10 angeordnet und bilden zusammen eine Brücke 5 mit einem ersten Verbindungspunkt 6.1 , über den die ersten Schalter S1 mit dem Eingang 10.1 verbunden sind, und einem zweiten Verbindungspunkt 6.2, über den die zweiten Schalter S2 mit dem Ausgang 10.2 der ström limitierenden Komponente 10 verbunden sind.

In Fig. 2b ist eine dritte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 dargestellt. Auch diese ähnelt in vielen Punkten der schon in der Fig. 1 erläuterten ersten Ausführungsform, weswegen im Folgenden lediglich auf die Unterschiede zu der in Figur 1 erläuterten Ausführungsform eingegangen wird.

In den Figuren 1 und 2a sind die positiven (+) Pole der Zweipole P1 , P2, P3 jeweils mit einem der ersten Anschlüssen A1 und die negativen (-) Pole der Zweipole P1 , P2, P3 jeweils mit einem der zweiten Anschlüssen A2 der Vorrichtung 1 verbunden. Im Gegensatz dazu sind in der Ausführungsform nach Fig. 2b die positiven (+) Pole der Zweipole P1 , P2, P3 jeweils mit einem der zweiten Anschlüssen A2 und die negativen (-) Pole der Zweipole P1 , P2, P3 jeweils mit einem der ersten Anschlüsse A1 der Vorrichtung 1 verbunden. Das Bezugspotential GND wird hier durch die positiven Pole der Zweipole P1 , P2, P3 gebildet. Exemplarisch sind in den Brückenzweigen 5.1 - 5.3 lediglich einzelne der ersten Schalter S1 (hier: die der Brückenzweige 5.1 und 5.2) und der zweiten Schalter S2 als Diode D ausgebildet (hier: die der Brückenzweige 5.1 und 5.3), während die anderen als aktiv steuerbare Schalter ausgebildet sind. Die Durchflussrichtung der als Dioden D ausgebildeten ersten und zweiten Schalter ist entgegengesetzt zu der in Fig. 2a dargestellten Ausführungsform, sodass sich bezüglich der Leistungsflüsse das gleiche vorwärts leitende und rückwärts sperrende Verhalten ergibt. Wie auch in Verbindung mit der Fig. 3c näher beschrieben wird, resultiert aus dieser Art der Verbindung der Zweipole P1 , P2, P3 mit den Anschlusspaaren A eine besonders einfache Realisierung der ström limitierenden Komponente 10. Konkret kann hier eine als spezieller DC/DC-Wandler ausgebildete stromlimitierende Komponente 10, nämlich ein DC/DC-Wandler mit einem Low-Side Schalter, einfacher angesteuert und betrieben werden.

In Fig. 3a ist eine erste Ausführungsform einer stromlimitierenden Komponente 10, wie sie in der Vorrichtung 1 verwendet werden kann, dargestellt. Die Richtung des Strom- 1 und des Leistungsflusses P sind in Fig. 3a (wie auch in den folgenden Figuren 3b, 3c) schematisch mithilfe von Pfeilen symbolisiert. Zum besseren Verständnis sind auch als Dioden D ausgebildete erste S1 und zweite Schalter S2 der Vorrichtung 1 (vgl. beispielsweise Fig. 2a) nochmals dargestellt, um ihre Anschlussweise mit dem Eingang 10.1 und dem Ausgang 10.2 zu verdeutlichen.

Für die folgende Erklärung der Fig. 3a (wie auch der Fig. 3b) wird angenommen, dass jeweils die positiven (+) Pole der Zweipole P1 , P2, P3 mit einem der ersten Anschlüsse A1 verbunden sind, während deren negative (-) Pole jeweils mit einem der zweiten Anschlüsse A2 - und damit mit dem Bezugspotential GND - verbunden sind. Um in diesem Fall einen unidirektionalen Leistungsfluss P vom Eingang 10.1 zum Ausgang 10.2 zu erzeugen, sind die Dioden D der ersten Schalter S1 jeweils mit ihrer Kathode mit dem Eingang 10.1 und die Dioden D der zweiten Schalter S2 jeweils mit ihrer Anode mit dem Ausgang 10.2 verbunden. Der Stromfluss I und der Leistungsfluss P durchfließen die ström limitierende Komponente 10 in derselben Richtung. In der ersten Ausführungsform kann die ström limitierende Komponente 10 lediglich ein Bauteil beinhalten. Das Bauteil kann als ohmscher Widerstand RVL ausgebildet sein. Bei dem ohmschen Widerstand RVL kann es sich um einen Thermistor, beispielsweise einen Heißleiter NTC handeln. Alternativ oder kumulativ (d.h. in Reihe zu dem ohmschen Widerstand RVL) kann die ström limitierende Komponente 10 auch einen durch die Steuerungseinheit 9 ansteuerbaren Transistor TVL beinhalten. Der Transistor TVL kann so angesteuert werden, dass er während des Leistungsflusses P in seinem linearen Bereich operiert. Vorteilhafterweise kann er jedoch taktend angesteuert werden.

In Fig. 3b ist eine zweite Ausführungsform der ström limitierenden Komponente 10 dargestellt, die als DC/DC-Wandler ausgebildet ist. Dabei handelt es sich insbesondere um einen vom Eingang 10.1 zum Ausgang 10.2 hin tiefsetzenden DC/DC-Wandler. Die zweite Ausführungsform kann in einem Fall verwendet werden, bei dem jeweils die positiven (+) Pole der Zweipole P1 , P2, P3 mit einem der ersten Anschlüsse A1 verbunden sind, während die negativen (-) Pole jeweils mit einem der zweiten Anschlüsse A2 - und damit mit dem Bezugspotential GND - verbunden sind. Der DC/DC-Wandler beinhaltet eine Reihenschaltung eines Transistors T und einer Induktivität Lw, deren Verbindungspunkt über eine Diode Dw mit dem Bezugspotential GND der Vorrichtung 1 verbunden ist. Obwohl hier exemplarisch lediglich eine bestimmte Topologie eines tiefsetzenden DC/DC-Wandlers dargestellt ist, ist alternativ auch ein Einsatz anderer bekannter Topologien tiefsetzender DC/DC-Wandler möglich. Aufgrund des durch die ersten S1 und zweiten Schalter S2 vorgegebenen lediglich unidirektionalen Leistungsflusses kann der DC/DC-Wandler jedoch in einfacher Bauweise und daher kostengünstig realisiert werden. Konkret ist es auch ausreichend, die stromlimitierende Komponente 10 als einen lediglich in einer Richtung tiefsetzenden, und nicht als einen in beiden Richtungen tiefsetzenden DC/DC-Wandler auszulegen. Durch die Ausbildung der ström limitierenden Komponente als Tiefsetzsteller kann es sein, dass ein durch den Eingang 10.1 fließender Strom und ein durch den Ausgang 10.2 fließender Strom unterschiedliche Stromstärken aufweisen (in Fig. 3b nicht dargestellt). Beide Ströme können aber durch eine geeignete Ansteuerung des Tiefsetzstellers auf eine Weise begrenzt werden, die für die Funktion der ström limitierenden Komponente sinnvoll ist.

In Fig. 3c ist eine dritte Ausführungsform der ström limitierenden Komponente 10 dargestellt, die ebenfalls als ein vom Eingang 10.1 zum Ausgang 10.2 tiefsetzender DC/DC-Wandler ausgebildet ist. Dabei kann die dritte Ausführungsform in einem Fall verwendet werden, bei dem jeweils die negativen (-) Pole der Zweipole P1 , P2, P3 mit einem der ersten Anschlüsse A1 verbunden sind, während die positiven (+) Pole der Zweipole P1 , P2, P3 jeweils mit einem der zweiten Anschlüsse A2 - und damit mit dem Bezugspotential GND - verbunden sind. Um in diesem Fall einen Leistungsfluss vom Eingang 10.1 zum Ausgang 10.2 zu generieren, sind die Dioden D der ersten Schalter S1 jeweils mit ihrer Anode mit dem Eingang 10.1 verbunden. Entsprechend sind die Dioden D der zweiten Schalter S2 jeweils mit ihrer Kathode mit dem Ausgang 10.2 verbunden. Der Stromfluss I ist in diesem Fall entgegengerichtet zum Leistungsfluss P. Beide Potentiale, das des Eingangs 10.1 und auch das des Ausgangs 10.2, sind hier kleiner (i.e. negativer) oder gleich dem Bezugspotential GND, das durch die positiven (+) Pole der Zweipole P1 , P2, P3 gebildet wird. Allerdings befindet sich der Ausgang 10.2 relativ zum Eingang 10.1 auf positiverem Potential, was den Stromfluss I vom Ausgang 10.2 zum Eingang 10.1 erzeugt, obwohl der Leistungsfluss P weiterhin vom Eingang 10.1 zum Ausgang 10.2 gerichtet ist.

Ähnlich zu der Ausführungsform der Fig. 3b beinhaltet auch der DC/DC-Wandler der Fig. 3c eine Reihenschaltung aus einem Transistor T und einer Induktivität Lw, deren Verbindungspunkt über eine Diode Dw mit dem Bezugspotential GND verbunden ist. Im Betrieb ist der Transistor Tw ein sogenannter Low-Side Schalter, dessen Emitter- bzw. Source-Anschluss ein ruhendes Potential aufweist. Zur Ansteuerung des Transistors T ist eine Gate-Source Spannung erforderlich. Gegenüber einem ruhenden Emitter- bzw. Source-Potential kann die erforderliche Gate-Source Spannung deutlich einfacher erzeugt werden, als gegenüber einem Emitter- bzw. Source-Potential, welches - wie es beispielsweise bei einem High-Side Schalter der Fall wäre - vom Schaltzustand des Transistors Tw abhängt und daher mit dem Schaltvorgang des Transistors Tw springen würde. Ein Treiber zur Bereitstellung der erforderlichen Gate-Source Spannung kann daher für den in Fig. 3c dargestellten Low- Side Schalter einfacher und kostengünstiger realisiert werden.

In Fig. 4a ist eine erste Ausführungsform eines unidirektionalen Schalters 60 dargestellt, wie er als erster Schalter S1 und/oder als zweiter Schalter S2 innerhalb der Vorrichtung 1 in den Figuren 1 , 2a und 2b verwendet werden kann. Der unidirektionale Schalter 60 weist eine Serienschaltung aus einer Diode 62 und einem Schalter auf, der in seinem geschlossenen Zustand bidirektional leitend ist, also für einen bidirektionalen Leistungsfluss ausgelegt ist. In Fig. 4a ist der in geschlossenem Zustand bidirektional leitende Schalter exemplarisch als elektromechanischer Schalter 61 dargestellt. Alternativ ist zu dem elektromechanischem Schalter 62 ist aber auch ein anderer im geschlossenen Zustand bidirektional leitender Schalter, beispielsweise ein MOSFET, möglich. Der betreffende Ansteuerungszustand, bei dem sich der unidirektionale Schalter 60 in Fig. 4a wie eine Diode verhält, entspricht dem geschlossenen Zustand des elektromechanischen Schalters 61 (oder alternativ des MOSFET). Ein weiterer Ansteuerungszustand des unidirektionalen Schalter 60 ergibt sich bei geöffnetem elektromechanischem Schalter 61. In diesem Fall ist der Leistungsfluss in beide Richtungen unterdrückt. Dies kann beispielsweise für eine temporäre Unterdrückung eines zwar prinzipiell vorgesehenen, aber nicht dauerhaft gewünschten Leistungsflusses verwendet werden.

Fig. 4b zeigt eine zweite Ausführungsform eines unidirektionalen Schalters 60, der einer Parallelschaltung einer Diode 64 und eines im geschlossenen Zustand bidirektional leitenden Schalters, der hier exemplarisch als ein elektromechanischer Schalter 63 dargestellt ist, entspricht. Der Ansteuerungszustand des unidirektionalen Schalters 60, bei dem sich der unidirektionale Schalter 60 in Fig. 4b wie eine Diode verhält, also einen Leistungsfluss in einer Richtung ermöglicht und in die andere Richtung sperrt, entspricht in Fig. 4b dem geöffneten Zustand des elektromechanischen Schalters 63. Ein weiterer Ansteuerungszustand des unidirektionalen Schalters 60 gemäß Fig. 4b ergibt sich bei geschlossenem elektromechanischem Schalter 63. Der weitere Ansteuerungszustand kann genutzt werden, um eine Durchlassspannung des unidirektionalen Schalters, und damit eine durch den Leistungsfluss verursachte Verlustleistung der Diode 64, herabzusetzen. Er kann auch genutzt werden, um temporär über den unidirektionalen Schalter 60 einen bidirektionalen Leistungsfluss zu ermöglichen. Auch hier ist anstatt des exemplarisch dargestellten elektromechanischen Schalters 63 auch ein Einsatz eines im geschlossenen Zustand bidirektional leitenden Halbleiterschalters möglich. Wenn hierfür ein MOSFET verwendet wird, so beinhaltet dieser im allgemeinen bereits eine Bodydiode, so dass eine separate Diode 64 entfallen kann. Mit anderen Worten kann der unidirektionale Schalter 60 gemäß Fig. 4b als ein MOSFET ausgebildet sein.

Fig. 4c zeigt eine dritte Ausführungsform eines unidirektionalen Schalters 60, bei der der unidirektionale Schalter 60 als ein Thyristor 65 ausgebildet ist. Der Ansteuerungszustand, bei dem sich der unidirektionale Schalter 60 in Fig. 4c wie eine Diode verhält, also einen Leistungsfluss in einer Richtung ermöglicht und in die andere Richtung sperrt, ergibt sich nach erfolgtem Zündimpuls an dem Thyristor. Der Ansteuerungszustand wird durch eine Strom löschung, also ein Abklingen des durch den unidirektionalen Schalter 60 fließenden Stroms I beendet. Nach der Stromlöschung und bei Abwesenheit eines Zündimpulses nimmt der durch den Thyristor 65 gebildete unidirektionale Schalter 60 einen weiteren Ansteuerungszustand ein, der durch eine bidirektional wirkende Unterdrückung eines Leistungsfluss gekennzeichnet ist. Dies kann für eine temporäre Unterdrückung eines zwar prinzipiell vorgesehenen, aber nicht dauerhaft gewünschten, Leistungsflusses verwendet werden.

Bezuqszeichenliste

1 Vorrichtung

3.1 - 3.3 Zweigabgriff

5.1 - 5.3 Brückenzweig

6.1 , 6.2 Verbindungspunkt

7 Schalteinheit

8 Spannungssensor

9 Steuerungseinheit

10 Stromlimitierende Komponente

10.1 Eingang

10.2 Ausgang

50 DC-Energieverteilungsanlage

60 unidirektionaler Schalter

61 , 63 elektromechanischer Schalter

62, 64 Diode

65 Thyristor

A Anschlusspaar

A1 , A2 Anschluss

P1 , P2, P3 Zwei pol

S1 erster Schalter

S2 zweiter Schalter

S3 dritter Schalter

S12, S13, S23 Schalter

D Diode