DE102007058681A1

DE102007058681A1 - Hoch-/Tiefsetzsteller, insbesondere zur Einspeisung mit Brennstoffzellen in ein elektrisches Netz, sowie geeignete Verwendungen

Info

Publication number: DE102007058681A1
Application number: DE102007058681A
Authority: DE
Inventors: Etienne Fogang Tchonla
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2007-12-06
Filing date: 2007-12-06
Publication date: 2009-06-10

Abstract

Ein Hoch-/Tiefsetzsteller (1) weist einen ersten Anschluss (11) für eine Eingangsgleichspannung (uE), einen zweiten Anschluss (12) für eine erste Ausgangsgleichspannung (uA1) und einen dritten Anschluss (13) für eine zweite Ausgangsgleichspannung (uA2) auf. Er weist eine eingangsseitig an den ersten Anschluss (11) und ausgangsseitig an den zweiten Anschluss (12) geschaltete Hochsetzstellereinheit (2) mit einer ersten Ladespule (21), einer ersten Freilaufdiode (22), einem ersten Ladekondensator (23) und einem ersten Schaltelement (24) auf. Er weist weiterhin eine der Hochsetzstellereinheit (2) nachgeschaltete und ausgangsseitig an den dritten Anschluss (13) geschaltete Tiefsetzstellereinheit (3) mit einer zweiten Ladespule (31), einer zweiten Freilaufdiode (32), einem zweiten Ladekondensator (33) und einem zweiten Schaltelement (34) auf. Der Hoch-/Tiefsetzsteller (1) weist zudem eine Steuereinheit (4) zur getakteten Ansteuerung des ersten und zweiten Schaltelements (24, 34) auf. Erfindungsgemäß weisen die Hochsetz- und Tiefsetzstellereinheit (2, 3) jeweils eine Halbbrücke (5, 6) zur Übernahme der schaltungstechnischen Funktion einer jeweils in der Hochsetz- und Tiefsetzstellereinheit (2, 3) vorhandenen Reihenschaltung aus Freilaufdiode (22, 32) und Schaltelement (24, 34) auf.

Description

Die Erfindung betrifft einen Hoch-/Tiefsetzsteller mit einem ersten Anschluss für eine Eingangsgleichspannung, einem zweiten Anschluss für eine erste Ausgangsgleichspannung und einem dritten Anschluss für eine zweite Ausgangsgleichspannung. Er weist eine eingangsseitig an den ersten Anschluss und ausgangsseitig an den zweiten Anschluss geschaltete Hochsetzstellereinheit mit einer ersten Ladespule, einer ersten Freilaufdiode, einem ersten Ladekondensator und einem ersten Schaltelement auf. Er weist weiterhin eine der Hochsetzstellereinheit nachgeschaltete und ausgangsseitig an den dritten Anschluss geschaltete Tiefsetzstellereinheit mit einer zweiten Ladespule, einer zweiten Freilaufdiode, einem zweiten Ladekondensator und einem zweiten Schaltelement auf. Zudem weist der Hoch-/Tiefsetzsteller eine Steuereinheit zur getakteten Ansteuerung des ersten und zweiten Schaltelements auf.
Die Erfindung betrifft weiterhin geeignete Verwendungen.
Hoch-/Tiefsetzsteller sind allgemein bekannt. Sie setzen sich aus einer Hochsetzstellereinheit und einer nachgeschalteten Tiefsetzstellereinheit zusammen. Mittels der Hochsetzstellereinheit wird eine eingangsseitige Eingangsgleichspannung, wie z. B. von 200 V, in eine erste Ausgangsgleichspannung umgewandelt, wie z. B. mit einem Spannungswert von 800 V. Die hochgesetzte erste Ausgangsgleichspannung wird eingangsseitig der nachgeschalteten Tiefsetzstellereinheit zugeführt, welche diese in eine im Vergleich zur ersten Ausgangsgleichspannung niedrigere zweite Ausgangsgleichspannung umsetzt, wie z. B. mit einem Spannungswert von 200 V.
Die bekannten Hoch-/Tiefsetzsteller weisen je Stellereinheit ein Schaltelement und eine Freilaufdiode auf. Das Schalt element ist typischerweise ein elektronisches Schaltelement, insbesondere ein MOSFET (für Metal Oxide Semiconductor Field-Effect Transistor) oder ein IGBT (für Insulated-Gate Bipolar Transistor). Die Freilaufdiode ist typischerweise als diskretes Bauteil ausgeführt. Wesentliche Kenngrößen einer solchen Freilaufdiode sind der maximale Strom sowie die maximale Sperrspannung.
Die betrachteten Hoch-/Tiefsetzsteller sind vorzugsweise für einen Leistungsbereich von 10 kW und mehr, insbesondere von 50 kW und mehr, vorgesehen.
Es ist somit ausgehend von dem eingangs genannten Stand der Technik eine Aufgabe der Erfindung, einen Hoch-/Tiefsetzsteller anzugeben, welcher auf besonders einfache Weise realisiert werden kann.
Es ist eine weitere Aufgabe der Erfindung, geeignete Verwendungen anzugeben.
Die Aufgabe der Erfindung wird mit einem Hoch-/Tiefsetzsteller mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen des Hoch-/Tiefsetzstellers sind in den abhängigen Ansprüchen 2 bis 13 angegeben. In den Ansprüchen 14 bis 16 sind geeignete Verwendungen genannt.
Erfindungsgemäß weisen die Hochsetz- und Tiefsetzstellereinheit jeweils eine Halbbrücke zur Übernahme der schaltungstechnischen Funktion einer jeweils in der Hochsetz- und Tiefsetzstellereinheit vorhandenen Reihenschaltung aus Freilaufdiode und Schaltelement auf.
Der besondere Vorteil ist, dass nun eine auf dem Gebiet der Leistungselektronik typischerweise zum Aufbau eines Zweiquadrantenstellers verwendete Halbbrücke eingesetzt werden kann. Derartige Halbbrücken sind besonders kompakt, in hoher Stückzahl und in großer Typenvielfalt verfügbar. Dadurch kann der erfindungsgemäße Hoch-/Tiefsetzsteller einfacher und kompakter ausgeführt werden.
Nach einer Ausführungsform sind ein jeweiliges, die Funktion der Freilaufdiode übernehmendes Brückenschaltelement und ein jeweiliges, die Funktion des Schaltelementes übernehmendes Brückenschaltelement zumindest in einem Gegentaktbetrieb sperrend angesteuert. Mit anderen Worten werden die Brückenschaltelemente entsprechend der übernommenen Funktion der Freilaufdioden dann sperrend angesteuert, wenn sich ein Stromfluss entgegen der Durchlassrichtung der entsprechenden Freilaufdiode einstellen würde.
Nach einer besonders vorteilhaften Ausführungsform sind in einem ersten Betriebsmodus alle Brückenschaltelemente derart getaktet angesteuert, dass an dem zweiten Anschluss die erste Ausgangsgleichspannung und an dem dritten Anschluss die zweite Ausgangsgleichspannung ausgebbar ist. Es sind in einem zweiten Betriebsmodus die Brückenschaltelemente der Hochsetzstellereinheit sperrend angesteuert und die Brückenschaltelemente der Tiefsetzstellereinheit derart getaktet angesteuert, dass eine am zweiten Anschluss anliegende zweite Eingangsgleichspannung mittels der Tiefsetzstellereinheit in die zweite Ausgangsgleichspannung umwandelbar ist. Es sind in einem dritten Betriebsmodus die Brückenschaltelemente der Hochsetzstellereinheit sperrend angesteuert und die Brückenschaltelemente der Tiefsetzstellereinheit derart getaktet angesteuert, dass eine am dritten Anschluss anliegende dritte Eingangsgleichspannung mittels der Tiefsetzstellereinheit in die erste Ausgangsgleichspannung umwandelbar ist.
Mit anderen Worten ist es in einem ersten Betriebsmodus möglich, elektrische Energie, die beispielsweise von einer Brennstoffzelle über den ersten Anschluss in den Hoch-/Tiefsetzsteller eingespeist wird, über den zweiten Anschluss z. B. in ein elektrisches Netz einzuspeisen. Dagegen wird in einem zweiten Betriebsmodus, wie z. B. bei Ausfall der einspeisenden Quelle, über den zweiten Anschluss Energie in den Hoch-/Tiefsetzsteller eingespeist, wie z. B. aus dem gleichen elektrischen Netz, um insbesondere die zweite Ausgangsgleichspannung an dem dritten Anschluss unterbrechungsfrei zur Verfügung zu stellen. An dem dritten Anschluss sind typischerweise die Verbraucher geschaltet, welche eine fortlaufende elektrische Versorgung benötigen. Die Verbraucher können Steuereinheiten, Stellglieder oder Heizwiderstände sein. Letzte werden z. B. benötigt, um eine Brennstoffzelle auf Betriebstemperatur vorzuheizen. Schließlich ist es auch möglich, bei einem weiteren Ausfall, d. h. insbesondere bei Ausfall der ersten Ausgangsgleichspannung oder Netzspannung, eine an dem dritten Anschluss anliegende Eingangsgleichspannung zur unterbrechungsfreien Einspeisung in das Netz zu verwenden. Vorzugsweise ist in diesem Fall ein Energiespeicher, insbesondere ein Akkumulator, am dritten Anschluss zur Pufferung der zweiten Ausgangsgleichspannung angeschlossen, die dann bei dem weiteren Ausfall zur dritten Eingangsgleichspannung wird.
Nach einer weiteren Ausführungsform weist der Hoch-/Tiefsetzsteller je eine Spannungsmesseinheit zur Erfassung der an den jeweiligen Anschlüssen anliegenden Spannungen auf. Die Steuereinheit ist mit den jeweiligen Spannungsmesseinheiten zur Spannungsregelung verbunden. Eine derartige Ausführungsform ist insbesondere bei schwankender Eingangsgleichspannung und bei sich ändernden Lasten am zweiten und dritten Anschluss vorteilhaft.
Im Besonderen weist die Steuereinheit nach einer weiteren Ausführungsform Mittel zum Vergleich von Eingangsspannungsmesswerten mit einem vorgebbaren ersten Mindestspannungswert auf. Die Steuereinheit schaltet dann in den zweiten Betriebsmodus, wenn die Eingangsspannungsmesswerte gleich oder kleiner sind als der erste Mindestspannungswert.
Weiterhin weist die Steuereinheit Mittel zum Vergleich von zweiten Eingangsspannungsmesswerten mit einem vorgebbaren zweiten Mindestspannungswert auf. Die Steuereinheit schaltet dann von dem zweiten in den dritten Betriebsmodus, wenn die zweiten Eingangsspannungsmesswerte gleich oder kleiner sind als der zweite Mindestspannungswert.
Der Vergleich erfolgt vorzugsweise über eine Softwareroutine, welche auf der typischerweise prozessorgestützten Steuereinheit ausgeführt wird. Alternativ kann der Vergleich mittels eines analogen Komparators erfolgen, welcher als Vergleichsergebnis ein entsprechendes digitales Signal an die Steuereinheit zur Weiterverarbeitung ausgibt. Die Spannungsmesseinheiten können alternativ bereits in der Steuereinheit integriert sein. Insbesondere ist die Steuereinheit ein Mikrocontroller, ein Mikrocomputer oder ein Mikroprozessor.
Nach einer besonders vorteilhaften Ausführungsform weisen die Hochsetz- und Tiefsetzstellereinheit jeweils mehrere parallel geschaltete und separat ansteuerbare Halbbrücken auf. Dadurch ist ein redundanter Betrieb des erfindungsgemäßen Hoch-/Tiefsetzstellers möglich. Vorzugsweise sind die Schaltelemente der Halbbrücken hinsichtlich der Stromtragefähigkeit derart bemessen, dass bei Ausfall eines oder mehrerer Brückenschaltelemente ein uneingeschränkter Weiterbetrieb des Hoch-/Tiefsetzstellers möglich ist.
Vorzugsweise weist der Hoch-/Tiefsetzsteller dazu je eine Strommesseinheit zur Messung eines jeweiligen Ladespulenstromes auf. Die jeweiligen Strommesseinheiten sind mit der Steuereinheit verbunden. Die Brückenschaltelemente einer jeweiligen Halbbrücke sind mittels der Steuereinheit sperrend angesteuert, wenn der zugehörige Ladespulenstrom signifikant von den übrigen parallelen Ladespulenströmen abweicht. Eine signifikante Abweichung kann z. B. in einem Bereich von 5% bis 20% vom Strommittelwert der übrigen Ladespulenströme liegen. Weiterhin können die Strommesseinheiten alternativ in der Steuereinheit integriert sein.
Nach einer Ausführungsform steuert die Steuereinheit die Brückenschaltelemente der jeweiligen verfügbaren Halbbrücken derart an, dass sich zumindest in etwa gleiche Ladespulenströme einstellen. Durch die Gleichverteilung der Ladespulenströme sinkt vorteilhaft die Verlustleistung des Hoch-/Tiefsetzstellers. Die Lebensdauer des erfindungsgemäßen Hoch-/Tiefsetzstellers erhöht sich.
Vorzugsweise sind die Brückenschaltelemente der Halbbrücken Schalttransistoren, insbesondere IGBTs oder MOSFETs. Derartige Bauelemente sind in hoher Stückzahl und in großer Typenvielfalt erhältlich.
Nach einer besonders vorteilhaften Ausführungsform sind die Halbbrücken als Baueinheit integrierte Leistungsmodule. Auch derartige Module gibt es in großer Typenvielfalt. Durch die bereits in dem Modul erfolgte Integration der elektronischen Schaltelemente verringert sich der Verschaltungsaufwand. Zugleich weist der erfindungsgemäße Hoch-/Tiefsetzsteller eine höhere Zuverlässigkeit auf.
Weiterhin sind jeweils eine Halbbrücke der Hochsetzstellereinheit und jeweils eine Halbbrücke der Tiefsetzstellereinheit zu einer Vollbrücke zusammengefasst. Eine Vollbrücke oder auch H-Brücke weist eine H-förmige Schaltungsstruktur auf, die typischerweise in so genannten Vierquadrantenstellern zum Einsatz kommt.
Die Vollbrücke ist insbesondere ein als Baueinheit integriertes Leistungsmodul. Auch derartige Module gibt es in großer Typenvielfalt. Sie weisen typischerweise vier Brückenschaltelemente, insbesondere vier Leistungstransistoren, auf. Darüber hinaus kann in einem solchen Leistungsmodul bereits eine Schutzbeschaltung und/oder eine Signalaufbereitungseinheit zur besonders einfachen digitalen Ansteuerung der Schaltelemente integriert sein.
Eine Halbbrücke mit jeweils zwei Brückenschaltelementen, insbesondere mit jeweils zwei Schalttransistoren, ist besonders vorteilhaft zur Realisierung der schaltungstechnischen Funk tion einer jeweils in einer Hochsetz- und Tiefsetzstellereinheit eines Hoch-/Tiefsetzstellers vorhandenen Reihenschaltung aus Freilaufdiode und Schaltelement verwendbar.
In entsprechender Weise ist eine Vollbrücke mit jeweils vier Brückenschaltelementen, insbesondere mit jeweils vier Schalttransistoren, zur Realisierung der schaltungstechnischen Funktion einer jeweils in einer Hochsetzstellereinheit und jeweils in einer Tiefsetzstellereinheit eines Hoch-/Tiefsetzstellers vorhandenen Reihenschaltung aus Freilaufdiode und Schaltelement verwendbar.
Der erfinderische Gedanke hierbei ist, dass eine typischerweise zur Verwendung eines Vierquadrantenstellers vorgesehene Vollbrücke zur Realisierung der Hochsetz- und der Tiefsetzstellereinheit verwendet wird. Anzumerken ist in diesem Zusammenhang, dass die beiden Halbbrücken der Vollbrücke im Vergleich zu einem Vierquadrantensteller unabhängig voneinander angesteuert werden, entsprechend ihrer jeweiligen Funktion als Teil einer Hochsetzstellereinheit bzw. einer Tiefsetzstellereinheit.
Der erfindungsgemäße Hoch-/Tiefsetzsteller ist vorteilhaft zum Umwandeln einer von zumindest einer Brennstoffzelle stammenden Eingangsgleichspannung in eine netzseitige erste Ausgangsgleichspannung sowie in eine zweite Ausgangsgleichspannung zur elektrischen Versorgung zumindest eines zum Betrieb der zumindest einen Brennstoffzelle erforderlichen Heizwiderstandes verwendbar. Er ist zudem zur elektrischen Weiterversorgung des zumindest einen Heizwiderstandes durch eine netzseitige Einspeisung über den zweiten elektrischen Anschluss bei zu geringer Eingangsgleichspannung verwendbar.
Die Brennstoffzellen sind vorzugsweise zur Einspeisung in ein elektrisches Netz vorgesehen. Typischerweise ist eine Vielzahl von Brennstoffzellen vorgesehen, welche in eine gemeinsame Sammelschiene einspeisen. Das elektrische Netz kann ein Energieversorgungsnetz eines Energieversorgungsunternehmens, ein Inselnetz oder ein Bordnetz eines Fahrzeugs sein. Es kann zwischen dem zweiten Anschluss des Hoch-/Tiefsetzstellers und dem elektrischen Netz ein Umrichter vorhanden sein, welcher die erste Ausgangsgleichspannung des oder der erfindungsgemäßen Hoch-/Tiefsetzsteller in eine ein- oder dreiphasige Netzspannung, wie z. B. in eine dreiphasige 400 V/50 Hz-Wechselspannung, umwandelt beziehungsweise welcher auf umgekehrtem Wege elektrische Energie aus dem Netz über den zweiten Anschluss in den oder in die Hoch-/Tiefsetzsteller zur Weiterversorgung der Heizwiderstände der Brennstoffzellen einspeist. Dadurch kann die Brennstoffzelle für einen zuverlässigen Betrieb auf die erforderliche Betriebstemperatur sicher vorgeheizt werden, unabhängig davon, ob eine Einspeisung durch die Brennstoffzellen in ein elektrisches Netz gerade möglich ist oder nicht. Durch die netzseitige Rückspeisung ist sozusagen eine „Standby-Funktion" der Brennstoffzelle möglich.
Die Erfindung sowie vorteilhafte Ausführungen der Erfindung werden im Weiteren anhand der nachfolgenden Figuren näher beschrieben. Es zeigen:
1 ein Prinzipschaltbild eines Hoch-/Tiefsetzstellers nach dem Stand der Technik,
2 ein Prinzipschaltbild eines erfindungsgemäßen Hoch-/Tiefsetzstellers,
3 ein erstes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Hoch-/Tiefsetzstellers,
4 ein zweites Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Hoch-/Tiefsetzstellers und
5 ein drittes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Hoch-/Tiefsetzstellers.
1 zeigt ein Prinzipschaltbild eines Hoch-/Tiefsetzstellers 1 nach dem Stand der Technik. Er weist eine Hochsetzstellereinheit 2 sowie eine dieser nachgeschaltete Tiefsetzstellereinheit 3 auf. Die Hochsetzstellereinheit 2 ist eingangsseitig an einen ersten Anschluss 11 geschaltet, an welchem eine Eingangsgleichspannung uE anliegt. Letztere stammt von einer mit dem Bezugszeichen 10 stammenden Spannungsquelle, wie z. B. von einer Brennstoffzelle. Mit dem Bezugszeichen iE ist ein in die Hochsetzstellereinheit 2 hineinfließender Eingangsstrom bezeichnet. An einem zweiten Anschluss 12 liegt eine von der Hochsetzstellereinheit 2 umgewandelte erste Ausgangsgleichspannung uA1 an. Mit dem zweiten Anschluss 12 ist zugleich eingangsseitig die Tiefsetzstellereinheit 3 verbunden, welche ausgangsseitig eine zweite Ausgangsgleichspannung uA2 an einem dritten Anschluss 13 bereitstellt. Die Eingangsgleichspannung uE liegt in einem Spannungsbereich von einigen Volt bis mehreren Hundert Volt, wie z. B. 200 V. Die erste Ausgangsgleichspannung uA1 ist typischerweise um ein Vielfaches höher als die Eingangsgleichspannung uE. Sie kann z. B. 800 V betragen, wenn die Eingangsgleichspannung uE z. B. 200 V beträgt. Die zweite Ausgangsgleichspannung uA2 ist durch die Tiefsetzstellung betragsmäßig kleiner als die erste Ausgangsgleichspannung uA1. Sie ist vorzugsweise größer als die Eingangsgleichspannung UE und kann z. B. 600 V betragen.
Beide Stellereinheiten 2, 3 weisen zumindest jeweils eine Ladespule 21, 31, eine Freilaufdiode 22, 32, einen Ladekondensator 23, 33 sowie ein Schaltelement 24, 34 auf. Die Verschaltung der gezeigten Komponenten ist grundsätzlich bekannt. Im Beispiel der 1 kommt ein IGBT als Schaltelement 24, 34 zum Einsatz. Es kann alternativ ein MOSFET oder ein anderer Schalttransistor sein. Die getaktete Ansteuerung erfolgt über zwei Ansteuersignale S1, S2. Diese stammen vorzugsweise von einer Steuereinheit.
2 zeigt ein Prinzipschaltbild eines erfindungsgemäßen Hoch-/Tiefsetzstellers 1. Bei der gezeigten Schaltung sind die Komponenten im Vergleich zur Schaltung gemäß 1 zeichnerisch umgeordnet. In schaltungstechnischer Hinsicht ist sie im Wesentlichen gleich zur Schaltung gemäß 1, wobei gemäß der Erfindung nun die schaltungstechnische Funktion einer jeweils in der Hochsetz- und Tiefsetzstellereinheit 2, 3 vorhandenen Reihenschaltung aus Freilaufdiode 22, 32 und Schaltelement 24, 34 jeweils durch eine Halbbrücke 5, 6 übernommen ist. Dies sollen die in der 2 eingezeichneten Symbole einer Diode verdeutlichen. Erst in dieser zeichnerischen Umordnung sind die beiden Halbbrücken 5, 6 als solche erkennbar, welche erfindungsgemäß die Funktion der Schaltelemente 24, 34 und der Freilaufdioden 22, 32 übernehmen können. Die beiden nebeneinander zeichnerisch angeordneten Halbbrücken 5, 6 sollen andeuten, dass beide Halbbrücken 5, 6 auch zu einer Vollbrücke zusammengefasst sein können. Derartige Vollbrücken finden typischerweise beim Aufbau eines Vierquadrantenstellers, jedoch nicht beim Aufbau eines Hoch-/Tiefsetzstellers Verwendung.
Im Beispiel der 2 sind die Brückenschaltelemente 51, 62, welche die Funktion der Freilaufdiode 22, 32 übernehmen, durch das Schaltungssymbol einer Diode gekennzeichnet. Weiterhin sind die Halbbrücken 5, 6 vorzugsweise als Baueinheit integrierte Leistungsmodule. Anstelle der beiden Halbbrücken 5, 6 kann auch eine Vollbrücke verwendet werden.
3 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Hoch-/Tiefsetzstellers 1. Im oberen Teil der 3 ist eine Steuereinheit 4 dargestellt. Sie weist eine Reihe von Ausgängen für die Ansteuersignale S1–S4 zur Ansteuerung aller als IGBT ausgeführten Brückenschaltelemente 51, 52, 61, 62 auf. Sie weist weiterhin eine Reihe von Eingängen zur Erfassung von Spannungsmesswerten UE, UA1, UA2 auf, die von den zugehörigen Spannungsmesseinheiten 7 ausgegeben werden.
Gemäß einer Ausführungsform werden in einem ersten Betriebsmodus alle Brückenschaltelemente 51, 52, 61, 62 über die Steuereinheit 4 derart getaktet angesteuert, dass an dem zweiten und dritten Anschluss 12, 13 die erste und zweite Ausgangsgleichspannung uA1, uA2 ausgebbar ist. Mit dem Bezugszeichen iA1 ist der zur ersten Ausgangsgleichspannung uA1 zugehörige Ausgangsstrom bezeichnet, welcher in eine am ersten Anschluss 12 angeschlossene, gestrichelt gezeichnete erste Last L1 hineinfließt.
Dagegen werden die Brückenschaltelemente 51, 52 der Hochsetzstellereinheit 2 in einem zweiten Betriebsmodus sperrend angesteuert. Mit anderen Worten wird die gesamte Hochsetzstellereinheit 2 gesperrt. Weiterhin werden die Brückenschaltelemente 61, 62 der Tiefsetzstellereinheit 3 nun derart getaktet angesteuert, dass eine am zweiten Anschluss 12 anliegende weitere Eingangsgleichspannung uE2 mittels der Tiefsetzstellereinheit 3 in die zweite Ausgangsgleichspannung uA2 umwandelbar ist. Mit anderen Worten ist nun statt einer Einspeisung eines Ausgangsstromes iA1 in die erste Last L1 eine Rückspeisung eines weiteren Eingangsstromes iE2 mit umgekehrtem Vorzeichen in die Tiefsetzstellereinheit 3 möglich. Der weitere Eingangsstrom iE2 kann z. B. von einer gestrichelt dargestellten ersten Quelle Q1 stammen, wie z. B. von einem elektrischen Stromversorgungsnetz. Er kann z. B. von anderen Hoch-/Tiefsetzstellern 1 stammen, die gemeinsam mit dem gezeigten Hoch-/Tiefsetzsteller 1 in eine an dem ersten Anschluss 12 angeschlossene, in der 3 nicht gezeigte Sammelschiene einspeisen.
Im Beispiel der 3 weist der Hoch-/Tiefsetzsteller 1 je eine Spannungsmesseinheit 7 zur Erfassung der an den Anschlüssen 11–13 anliegenden Spannungen uE, uE2, uA1, uA2 auf. Die Steuereinheit 4 weist weiterhin nicht näher gezeigte Mittel zum Vergleich von erfassten Eingangsspannungsmesswerten UE mit einem vorgebbaren ersten Mindestspannungswert UMIN1 auf. Dieser erste Mindestspannungswert UMIN1 kann z. B. elektronisch in der Steuereinheit 4 hinterlegt sein. Die Steuereinheit 4 kann ausgehend von dem ersten Betriebsmodus in den zweiten Betriebsmodus schalten, wenn die Eingangsspannungswerte UE gleich oder kleiner sind als der erste Mindest spannungswert UMIN1. Dadurch ist eine automatische und unterbrechungsfreie Weiterversorgung der zweiten Ausgangsgleichspannung uA2 möglich.
4 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Hoch-/Tiefsetzstellers 1. Die Schaltung gemäß 4 unterscheidet sich von der gemäß 3 dadurch, dass an dem dritten Anschluss 13 eine zweite Last L2 sowie eine zweite Quelle Q2 geschaltet sind. Die zweite Last L2 ist insbesondere ein Heizwiderstand zum Aufheizen der Brennstoffzellen 10, bevor diese in Betrieb genommen werden können. Die zweite Quelle Q2 ist insbesondere ein Akkumulator zur Pufferung der zweiten Ausgangsspannung uA2. Mit iE3 ist der dritte Eingangsstrom bezeichnet, der im dritten Betriebsmodus von der zweiten Quelle Q2 in die Tiefsetzstellereinheit 3 eingespeist wird.
Erfindungsgemäß weist die Steuereinheit 4 Mittel zum Vergleich von zweiten Eingangsspannungsmesswerten UE2 mit einem vorgebbaren zweiten Mindestspannungswert UMIN2 auf. Sie schaltet dann ausgehend von dem zweiten Betriebsmodus in den dritten Betriebsmodus, wenn die zweiten Eingangsspannungsmesswerte UE2 gleich oder kleiner sind als der zweite Mindestspannungswert UMIN2. Dadurch kann eine sofortige Umschaltung zur Stützung der ersten Ausgangsgleichspannung uA1, insbesondere der dort anliegenden Netzspannung erfolgen.
5 zeigt ein drittes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Hoch-/Tiefsetzstellers 1'. Im oberen Teil der 5 ist eine dreifach parallel ausgeführte Hochsetzstellereinheit 2' mit drei parallel geschalteten und separat ansteuerbaren Halbbrücken 5 dargestellt. Im unteren Teil der 5 ist eine gleichfalls dreifach parallel ausgeführte Tiefsetzstellereinheit 3' mit drei parallel geschalteten und separat ansteuerbaren Halbbrücken 6 gezeigt. Mit den Bezugszeichen S11–S13, S21–S23, S31–S33 und S41–S43 sind die Ansteuersignale bezeichnet, welche die Steuereinheit 4 zur Ansteuerung aller gezeigten IGBTs 51, 52, 61, 62 ausgibt. Mit dem Bezugszeichen 41 ist eine Schnittstelle bezeichnet, über welche die Steuereinheit 4 mit einer übergeordneten Leitstelle kommunizieren kann.
Weiterhin kann der redundant ausgeführte Hoch-/Tiefsetzsteller 1' je eine Strommesseinheit zur Messung eines jeweiligen Ladespulenstromes aufweisen. Im Beispiel der 5 sind diese sowie die entsprechenden Eingänge der Steuereinheit 4 aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht dargestellt. Dadurch kann die Steuereinheit 4 die Brückenschaltelemente 51, 52, 61, 62 einer jeweiligen Halbbrücke 5, 6 sperrend ansteuern, wenn der zugehörige Ladespulenstrom signifikant von den übrigen parallelen Ladespulenströmen abweichen sollte. Auf Basis der erfassten Ladespulenstromwerte lassen sich zudem durch entsprechende Ansteuerung der Brückenschaltelemente 51, 52, 61, 62 der jeweiligen verfügbaren Halbbrücken 5, 6 in etwa gleiche Ladespulenströme einstellen. Dadurch reduziert sich vorteilhaft die Verlustleistung des erfindungsgemäßen Hoch-/Tiefsetzstellers 1'.
Im rechten oberen Teil der 5 ist ein Umrichter 9 gezeigt, welcher zwischen dem zweiten elektrischen Anschluss 12 und vierten Anschlüssen 14 eines elektrischen Netzes N geschaltet ist. Der Umrichter 9 kann, wie durch das Leistungssymbol „P" gekennzeichnet, ausgebildet sein, elektrische Leistung P aus dem Hoch-/Tiefsetzsteller 1' in das Netz N einzuspeisen oder elektrische Leistung P aus dem Netz N in den erfindungsgemäßen Hoch-/Tiefsetzsteller 1' einzuspeisen, um z. B. eine Weiterversorgung eines am zweiten Anschluss 13 angeschlossenen Heizwiderstandes 8 einer Brennstoffzelle 10 zu ermöglichen. Es können darüber hinaus eine Vielzahl von erfindungsgemäßen Hoch-/Tiefsetzstellern 1', welche jeweils von einer oder mehreren Brennstoffzellen 10 gespeist werden, gemeinsam in eine nicht weiter gezeigte, an dem zweiten Anschluss 12 angeschlossene Sammelschiene einspeisen bzw. aus dieser Energie entnehmen, sollte eine Einspeisung mittels der Brennstoffzellen 10 nicht möglich sein.

Claims

Hoch-/Tiefsetzsteller, insbesondere zur Einspeisung mit Brennstoffzellen (10) in ein elektrisches Netz (N), mit – einem ersten Anschluss (11) für eine erste Eingangsgleichspannung (uE1), einem zweiten Anschluss (12) für eine erste Ausgangsgleichspannung (uA1) und einem dritten Anschluss (13) für eine zweite Ausgangsgleichspannung (uA2), – einer eingangsseitig an den ersten Anschluss (11) und ausgangsseitig an den zweiten Anschluss (12) geschalteten Hochsetzstellereinheit (2) mit einer ersten Ladespule (21), einer ersten Freilaufdiode (22), einem ersten Ladekondensator (23) und einem ersten Schaltelement (24), – einer der Hochsetzstellereinheit (2) nachgeschalteten und ausgangsseitig an den dritten Anschluss (13) geschalteten Tiefsetzstellereinheit (3) mit einer zweiten Ladespule (31), einer zweiten Freilaufdiode (32), einem zweiten Ladekondensator (33) und einem zweiten Schaltelement (34) und – einer Steuereinheit (4) zur getakteten Ansteuerung des ersten und zweiten Schaltelements (24, 34), dadurch gekennzeichnet, dass die Hochsetz- und Tiefsetzstellereinheit (2, 3) jeweils eine Halbbrücke (5, 6) zur Übernahme der schaltungstechnischen Funktion einer jeweils in der Hochsetz- und Tiefsetzstellereinheit (2, 3) vorhandenen Reihenschaltung aus Freilaufdiode (22, 32) und Schaltelement (24, 34) aufweisen.
Hoch-/Tiefsetzsteller nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein jeweiliges die Funktion der Freilaufdiode (22, 32) übernehmendes Brückenschaltelement (51, 62) und ein jeweiliges die Funktion des Schaltelementes (24, 34) übernehmendes Brückenschaltelement (52, 61) zumindest in einem Gegentaktbetrieb sperrend angesteuert sind.
Hoch-/Tiefsetzsteller nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, – dass in einem ersten Betriebsmodus alle Brückenschaltelemente (51, 52, 61, 62) derart getaktet angesteuert sind, – dass an dem zweiten Anschluss (12) die erste Ausgangsgleichspannung (uA1) und an dem dritten Anschluss (13) die zweite Ausgangsgleichspannung (uA2) ausgebbar ist, oder – dass in einem zweiten Betriebsmodus die Brückenschaltelemente (51, 52) der Hochsetzstellereinheit (2) sperrend angesteuert sind und dass die Brückenschaltelemente (61, 62) der Tiefsetzstellereinheit (3) derart getaktet angesteuert sind, dass eine am zweiten Anschluss (12) anliegende zweite Eingangsgleichspannung (uE2) mittels der Tiefsetzstellereinheit (3) in die zweite Ausgangsgleichspannung (uA2) umwandelbar ist, oder – dass in einem dritten Betriebsmodus die Brückenschaltelemente (51, 52) der Hochsetzstellereinheit (2) sperrend angesteuert sind und dass die Brückenschaltelemente (61, 62) der Tiefsetzstellereinheit (3) derart getaktet angesteuert sind, dass eine am dritten Anschluss (13) anliegende dritte Eingangsgleichspannung (uE3) mittels der Tiefsetzstellereinheit (3) in die erste Ausgangsgleichspannung (uA1) umwandelbar ist.
Hoch-/Tiefsetzsteller nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Hoch-/Tiefsetzsteller je eine Spannungsmesseinheit (7) zur Erfassung der an den jeweiligen Anschlüssen (11–13) anliegenden Spannungen (uE, uE2, uE3, uA1, uA2) aufweist und dass die Steuereinheit (4) zur Spannungsregelung mit den jeweiligen Spannungsmesseinheiten (7) verbunden ist.
Hoch-/Tiefsetzsteller nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (4) Mittel zum Vergleich von Eingangsspannungsmesswerten (UE) mit einem vorgebbaren ersten Mindestspannungswert (UMIN1) aufweist und dass die Steuereinheit (4) in den zweiten Betriebsmodus schaltet, wenn die Eingangsspannungsmesswerte (UE) gleich oder kleiner sind als der erste Mindestspannungswert (UMIN1).
Hoch-/Tiefsetzsteller nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (4) Mittel zum Vergleich von zweiten Eingangsspannungsmesswerten (UE2) mit einem vorgebbaren zweiten Mindestspannungswert (UMIN2) aufweist und dass die Steuereinheit (4) in den dritten Betriebsmodus schaltet, wenn die zweiten Eingangsspannungsmesswerte (UE2) gleich oder kleiner sind als der zweite Mindestspannungswert (UMIN2).
Hoch-/Tiefsetzsteller nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Hochsetz- und Tiefsetzstellereinheit (2, 3) jeweils mehrere parallel geschaltete und separat ansteuerbare Halbbrücken (5, 6) aufweisen.
Hoch-/Tiefsetzsteller nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Hoch-/Tiefsetzsteller je eine Strommesseinheit zur Messung eines jeweiligen Ladespulenstromes aufweist, dass die jeweiligen Strommesseinheiten mit der Steuereinheit (4) verbunden sind und dass die Steuereinheit (4) die Brückenschaltelemente (51, 52, 61, 62) sperrend ansteuert, wenn der zugehörige Ladespulenstrom signifikant von den übrigen parallelen Ladespulenströmen abweicht.
Hoch-/Tiefsetzsteller nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (4) die Brückenschaltelemente (51, 52, 61, 62) der jeweiligen verfügbaren Halbbrücken (5, 6) derart ansteuert, dass sich zumindest in etwa gleiche Ladespulenströme einstellen.
Hoch-/Tiefsetzsteller nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Brückenschaltelemente (51, 52, 61, 62) der Halbbrücken (5, 6) Schalttransistoren, insbesondere IGBTs oder MOSFETs, sind.
Hoch-/Tiefsetzsteller nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Halbbrücken (5, 6) als Baueinheit integrierte Leistungsmodule sind.
Hoch-/Tiefsetzsteller nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass jeweils eine Halbbrücke (5) der Hochsetzstellereinheit (2) und jeweils eine Halbbrücke (6) der Tiefsetzstellereinheit (3) zu einer Vollbrücke zusammengefasst sind.
Hoch-/Tiefsetzsteller nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Vollbrücke ein als Baueinheit integriertes Leistungsmodul ist.
Verwendung einer Halbbrücke (5, 6) mit jeweils zwei Brückenschaltelementen (51, 52, 61, 62), insbesondere mit jeweils zwei Schalttransistoren, zur Übernahme der schaltungstechnischen Funktion einer jeweils in einer Hochsetz- und Tiefsetzstellereinheit (2, 3) eines Hoch-/Tiefsetzstellers (1) vorhandenen Reihenschaltung aus Freilaufdiode (22, 32) und Schaltelement (24, 34).
Verwendung einer Vollbrücke mit jeweils vier Brückenschaltelementen (51, 52, 61, 62), insbesondere mit jeweils vier Schalttransistoren, zur Übernahme der schaltungstechnischen Funktion einer jeweils in einer Hochsetzstellereinheit (2) und jeweils in einer Tiefsetzstellereinheit (3) eines Hoch-/Tiefsetzstellers (1) vorhandenen Reihenschaltung aus Freilaufdiode (22, 32) und Schaltelement (24, 34).
Verwendung eines Hoch-/Tiefsetzstellers (1, 1') nach einem der vorangegangenen Ansprüche 1 bis 13 zum Umwandeln einer von zumindest einer Brennstoffzelle (10) stammenden Eingangsgleichspannung (uE) in eine netzseitige erste Ausgangsgleichspannung (uA1) sowie in eine zweite Ausgangsgleichspannung (uA2) zur elektrischen Versorgung zumindest eines zum Betrieb der zumindest einen Brennstoffzelle (10) erforderlichen Heizwiderstandes (8) und zur elektrischen Weiterversorgung des zumindest einen Heizwiderstandes (8) durch eine netzseitige Einspeisung über den zweiten elektrischen Anschluss (12) bei zu geringer Eingangsgleichspannung (uE).