DE102011075927A1

DE102011075927A1 - Multifunktionaler stromrichter von gleichspannung zu gleichspannung, von gleichspannung zu wechselspannung und von wechselspannung zu gleichspannung

Info

Publication number: DE102011075927A1
Application number: DE102011075927A
Authority: DE
Inventors: Marco Jung
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2011-05-16
Filing date: 2011-05-16
Publication date: 2012-11-22

Abstract

Eine Stromrichterschaltung umfasst eine Brückenschaltung mit drei Halbbrücken, drei Drosseln, die jeweils in einem Mittelknoten der Halbbrücken angeschlossen sind, ein Schaltnetzwerk, welches ausgebildet ist, um die drei Drosseln in schaltbarer Weise mit einem Wechselspannungsanschluss und einem ersten Gleichspannungsanschluss zu verbinden, und einen zweiten Gleichspannungsanschluss, der mit einer ersten gemeinsamen Potenzialführung der Brückenschaltung und einer zweiten gemeinsamen Potenzialführung der Brückenschaltung verbunden ist. Die Stromrichterschaltung ist dazu ausgebildet, um das Schaltnetzwerk in einen ersten Schaltzustand zu versetzen, in dem die drei Drosseln über das Schaltnetzwerk mit drei unterschiedlichen Phasenanschlüssen des Wechselspannungsanschlusses gekoppelt sind, um basierend auf einer an dem zweiten Gleichspannungsanschluss anliegenden Gleichspannung an dem Wechselspannungsanschluss eine Wechselspannung bereitzustellen oder basierend auf einer an dem Wechselspannungsanschluss anliegenden Wechselspannung an dem zweiten Gleichspannungsanschluss eine Gleichspannung bereitzustellen. Darüber hinaus ist die Stromrichterschaltung ausgebildet, um das Schaltnetzwerk in einen zweiten Schaltzustand zu versetzen, in dem eine erste Drossel der drei Drosseln über das Schaltnetzwerk mit einem der Phasenanschlüsse des Wechselspannungsanschlusses gekoppelt ist, um basierend auf einer an dem zweiten Gleichspannungsanschluss anliegenden Gleichspannung an dem Wechselspannungsanschluss eine Wechselspannung bereitzustellen oder basierend auf einer an dem Wechselspannungsanschluss anliegenden Wechselspannung an dem zweiten Gleichspannungsanschluss eine Gleichspannung bereitzustellen, und gleichzeitig in dem eine weitere mit dem ersten Gleichspannungsanschluss gekoppelt ist, um basierend auf einer an dem zweiten Gleichspannungsanschluss anliegenden Gleichspannung an dem ersten Gleichspannungsanschluss eine Gleichspannung bereitzustellen oder basierend auf einer an dem ersten Gleichspannungsanschluss anliegenden Gleichspannung an dem zweiten Gleichspannungsanschluss eine Gleichspannung bereitzustellen.

Description

Technisches Gebiet
Ausführungsbeispiele gemäß der vorliegenden Erfindung beziehen sich auf eine Stromrichterschaltung zur multifunktionalen Stromrichtung, wie z. B. von Gleichspannung zu Gleichspannung (DC/DC), von Gleichspannung zu Wechselspannung (DC/AC) und von Wechselspannung zu Gleichspannung (AC/DC), mittels eines Schaltnetzwerks, einer Brückenschaltung, zum Beispiel in Form einer Leistungselektronik, und Drosseln. Mögliche Anwendungsgebiete für derartige Stromrichterschaltungen sind Vorrichtungen zum Laden bzw. Entladen von Batterien in Elektrofahrzeugen oder ähnlichen Anwendungen. Ein Ausführungsbeispiel gemäß der vorliegenden Erfindung schafft einen multifunktionalen Stromrichter zur Stromrichtung von Gleichspannung zu Gleichspannung, von Gleichspannung zu Wechselspannung und von Wechselspannung zu Gleichspannung.
Hintergrund der Erfindung
Derzeit werden die Batterien in Elektrofahrzeugen oftmals mit einem entsprechenden Ladegerät über ein (Niederspannungsnetz-)Wechselspannungsnetz-Kabel geladen. Eine solche Ladung erfolgt beispielsweise entweder ein- oder drei-phasig. Durch den Einsatz von Batteriewechselrichtern kann Energie in ein Wechselspannungsnetz oder in ein Inselnetz zurückgespeist werden bzw. es kann ein Inselnetz gebildet werden.
Die meisten AC/DC-Wandler können auch direkt mit einem Gleichspannungsnetz oder anderen Gleichspannungsquellen, wie zum Beispiel einem Gleichspannungsgenerator oder induktiven Energieübertrager, verbunden werden und dadurch die Batterie laden. Eine Rückspeisung in das Gleichspannungsnetz ist herkömmlicherweise nur durch einen zusätzlichen DC/DC-Wandler möglich.
Die meisten derzeitigen Ladegeräte können mit beiden Spannungsformen ein entsprechendes Laden vornehmen. Es wurde allerding herausgefunden, dass im Zuge der zukünftig geplanten Netzrückspeisung (z. B. aus zuvor mittels erneuerbaren Energien geladenen Batterien), zur Netzunterstützung bzw. als Zwischenspeicherung ein bidirektionales, intelligentes Ladegerät benötigt wird, welches die aufgenommenen Energie dem Stromnetz kabelgebunden, aber auch kontaktlos wieder zur Verfügung stellen kann.
Zur Bereitstellung einer solchen Ladeinfrastruktur mit den Möglichkeiten, Energie in Gleichspannungsnetze und Wechselspannungsnetze zurückzuspeisen, kommen herkömmlicherweise mehrere Baugruppen zum Einsatz. Diese sind kostenintensiv, haben einen hohen Platzbedarf und ein hohes Gewicht, wie es im Folgenden an dem Stand der Technik erläutert wird.
4 zeigt eine herkömmlicherweise zum Einsatz kommende Ladeinfrastruktur 10, die einen ersten Gleichspannungs-Gleichspannungs-Wandler 12, einen Wechselspannungs-Gleichspannungs-Wandler 14 und einen zweiten Gleichspannungs-Gleichspannungs-Wandler 16 umfasst. Die drei Wandler 12, 14 und 16 sind über ein gemeinsames Gleichspannungsnetz 15 miteinander verbunden. Das gemeinsame Gleichspannungsnetz 15 besteht strukturell aus einer ersten Y-Verbindung 15a zwischen den drei Wandlern 12, 14 und 16 für den ersten Pol des gemeinsamen Gleichspannungsnetzes und aus einer zweiten Y-Verbindung 15b für den zweiten Pol des gemeinsamen Gleichspannungsnetzes.
Der erste Gleichspannungs-Gleichspannungs-Wandler 12 ist über einen ersten Gleichspannungsanschluss 18, welcher einen ersten Pol 18a und einen zweiten Pol 18b aufweist, mit einem Gleichspannungsnetz 20 verbunden und kann so eine Gleichspannung V_18ab von einer Gleichspannungsquelle 20 beziehen. Der Wechselspannungs-Gleichspannungs-Wandler 14 ist über drei Phasenanschlüsse 24a, 24b und 24c eines drei-phasigen Wechselspannungsanschlusses 24 für jeweils eine Phase der Wechselspannung V_24a, V_24b und V_24c mit einem Wechselspannungsnetz 26 verbunden. Der zweite Gleichspannungs-Gleichspannungs-Wandler 16 verfügt über einen zweiten Gleichspannungsanschluss 32, der einen ersten Pol 32a und einen zweiten Pol 32b umfasst, und kann so z. B. mit einer Batterie 30 verbunden sein. Der Gleichspannungs-Gleichspannungs-Wandler 16 dient zur Anpassung einer Gleichspannung V_32ab bzw. eines Ladestroms für die Batterie 30.
Somit ermöglicht die Ladeinfrastruktur 10 eine Ladung der Batterie 30 aus einem Wechselspannungsnetz 26 und aus einem Gleichspannungsnetz 20, wie zum Beispiel einem Generator, einem Super-Kondensator (auch als Super-Cap bezeichnet) oder einer ähnlichen Einrichtung. Alle Komponenten der Ladeinfrastruktur 10 arbeiten bidirektional und können somit die Energie aus der Batterie 30 konform in das Wechselspannungsnetz 26 bzw. das Gleichspannungsnetz 20 rückspeisen. Eine derartige Ladeinfrastruktur, welche drei einzelne Wandler 12, 14 und 16 umfasst, hat einen hohen Platzbedarf, einen hohen Gewichtsbedarf und verursacht hohe Kosten.
Im Folgenden wird der Stand der Technik anhand von fünf Offenlegungsschriften für Ladesysteme und Verfahren zum Laden einer Batterie eines Fahrzeugs und/oder für ein Fahrzeug mit einem solchen Ladesystem beschrieben. In einigen der Offenlegungsschriften werden vorhandene Komponenten in einem Fahrzeug für die Ladung bzw. die Rückspeisung eingesetzt, um das Platz- bzw. Gewichtsproblem zu lösen. Diese sind beispielsweise Leistungselektronik des Antriebsumrichters und Motorwicklungen.
In der Offenlegungsschrift DE 10 2009 033 185 A1 wird eine Vorrichtung beschrieben, die die Batterie über die Leistungselektronik des Antriebsumrichters lädt. Der Umrichter wird als passiver Gleichrichter verwendet. Hierbei findet im Wesentlichen eine Wechsel-Gleich-Richtung statt; diese wird im Antriebsmodus Amplituden- und Frequenz-variabel betrieben. Durch eine Umschaltvorrichtung wird entweder der Motor oder das Wechselstromnetz an den Antriebsumrichter zugeschaltet. Es wurde allerdings erkannt, dass dieses System nicht rückspeisefähig ist. Des Weiteren wurde erkannt, dass offensichtlich kein bidirektionaler Austausch, gleichzeitig oder nicht gleichzeitig, mit einer anderen Gleichspannungsquelle erfolgen kann.
In der Offenlegungsschrift DE 10 2009 017 087 A1 wird ebenfalls davon ausgegangen, dass die Batterie über die Leistungselektronik des Antriebsumrichters und die Motorwicklungen geladen wird. Hierbei findet im Wesentlichen eine Gleichspannungs-Gleichspannungs-Wandlung statt. Eine kontaktlose Energieübertragungsstrecke wird an einen Sternpunkt des Motors geschaltet. Hierbei bilden die Motorwicklungen die Induktivitäten. Der Umrichter wird in Verbindung mit den Motorwicklungen als Hochsetzer verwendet. Im Antriebsmodus wird eine Gleichspannungs-Wechselspannungs-Wandlung Amplituden- und Frequenz-variabel betrieben. Es wurde allerdings erkannt, dass dieses galvanisch getrennte System nicht rückspeisefähig ist und auch kein bidirektionaler Austausch, gleichzeitig oder nicht gleichzeitig, mit einer Wechselspannungsquelle erfolgen kann.
Die Offenlegungsschrift DE 10 2009 021 797 A1 beschreibt ebenfalls ein Konzept zur Ladung der Batterie über die Leistungselektronik des Antriebsumrichters und die Motorwicklungen, wobei im Wesentlichen eine Gleichspannungs-Gleichspannungs-Wandlung stattfindet. Eine galvanisch trennende und kabelgebundene Netzladungsvorrichtung wird an einen Sternpunkt des Motors geschaltet. Ähnlich wie bei dem Konzept gemäß der Offenlegungsschrift DE 10 2009 017 087 A1 wird der Umrichter als Hochsetzer verwendet, wobei die Motorwicklungen die Induktivitäten bilden. Im Antriebsmodus wird eine Wechselspannungs-Gleichspannungs-Wandlung Amplituden- und Frequenz-variabel betrieben.
Es wurde erkannt, dass das System nicht rückspeisefähig ist und auch nicht bidirektional, gleichzeitig oder nicht gleichzeitig, betreibbar ist.
Ein weiteres Konzept zur Ladung der Batterie über die Leistungselektronik des Antriebumrichters und der Motorwicklungen wird in der Offenlegungsschrift DE 10 2009 007 960 A1 beschrieben. Die Netzladevorrichtung beruht auf einer Gleichspannungs-Gleichspannungs-Wandlung, die an den Sternpunkt des Motors geschaltet wird und nicht galvanisch trennend ist. Der Umrichter wird als Hochsetzer verwendet, wobei die Motorwicklungen die Induktivitäten bilden. Im Antriebsmodus wird ebenfalls, analog zu den beschriebenen Systemen, eine Gleichspannungs-Wechselspannungs-Wandlung Amplituden- und Frequenz-variabel betrieben. Es wurde erkannt, dass das System nicht rückspeisefähig ist und auch kein bidirektionaler Austausch, gleichzeitig oder nicht gleichzeitig, mit anderen Gleichspannungsquellen erfolgen kann.
Die Offenlegungsschrift DE 10 2009 033 955 A1 beschreibt eine Ladevorrichtung für eine Batterie über die Leistungselektronik des Antriebumrichters und die Motorwicklungen, welche rückspeisefähig ist. Bei der Ladung findet im Wesentlichen eine Wechselspannungs-Gleichspannungs-Wandlung statt. Die Vorrichtung zur Netzverbindung ist mit einer Umschalteinheit gekoppelt, welche den Sternpunkt des Motors trennt und gleichzeitig die Wicklungen des Motors verbindet. Der Umrichter wird als aktiver Gleichrichter verwendet, wobei die Motorwicklungen die Induktivitäten bilden. Im Antriebsmodus wird eine Gleichspannungs-Wechselspannungs-Wandlung Amplituden- und Frequenz-variabel betrieben. Das beschriebene System ist ein- oder drei-phasig rückspeisefähig, wobei es aber schwierig ist, bei der Netzrückspeisung die entsprechenden Normen einzuhalten, da die Motorwicklungen oftmals nicht für einen derartigen Einsatz ausgelegt sind. Es wurde allerdings erkannt, dass keine gleichzeitige Ladung der Batterie durch ein-phasige Wechselspannung und eine Gleichspannung mit der gleichen Leistungselektronik möglich ist; infolgedessen wäre entweder eine Anbindung einer Wechselspannungsquelle ein-phasig oder eine Anbindung einer Wechselspannungsquelle drei-phasig oder eine Anbindung einer Gleichspannungsquelle möglich. Des Weiteren ist zu erkennen, dass eine Gleichspannungs-Quellen-Ladung bzw. Rückspeisung von Energie in ein Gleichspannungsnetz mit großen Verlusten, bedingt durch die Topologie, verbunden wäre.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Stromrichterschaltung zu schaffen, die einen besseren Kompromiss aus Platzbedarf, Gewichtsbedarf, Kosten und Vielseitigkeit schafft.
Zusammenfassung der Erfindung
Die Aufgabe wird durch eine Stromrichterschaltung gemäß Anspruch 1 gelöst.
Eine Stromrichterschaltung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung umfasst eine Brückenschaltung mit drei Halbbrücken, drei Drosseln, die jeweils in einem Mittelknoten einer Halbbrücke angeschlossen sind und ein Schaltnetzwerk, welches ausgebildet ist, um die drei Drosseln in schaltbarer Weise mit einem Wechselspannungsanschluss und einem ersten Gleichspannungsanschluss zu verbinden. Die Stromrichterschaltung umfasst ferner einen zweiten Gleichspannungsanschluss, der mit einer ersten gemeinsamen Potenzialführung der Brückenschaltung und einer zweiten gemeinsamen Potenzialführung der Brückenschaltung verbunden ist.
Die Stromrichterschaltung ist ausgebildet, um das Schaltnetzwerk in einen ersten Schaltzustand zu versetzen, in dem die drei Drosseln über das Schaltnetzwerk mit drei unterschiedlichen Phasenanschlüssen des Wechselspannungsanschlusses gekoppelt sind, um basierend auf einer an dem zweiten Gleichspannungsanschluss anliegenden Gleichspannung an dem Wechselspannungsanschluss eine Wechselspannung bereitzustellen oder basierend auf einer an dem Wechselspannungsanschluss anliegenden Wechselspannung an dem zweiten Gleichspannungsanschluss eine Gleichspannung bereitzustellen.
Die Stromrichterschaltung ist zudem ausgebildet, um das Schaltnetzwerk in einen zweiten Schaltzustand zu versetzen, in dem eine erste Drossel der drei Drosseln über das Schaltnetzwerk mit einem der Phasenanschlüsse des Wechselspannungsanschlusses gekoppelt ist, um basierend auf einer an dem zweiten Gleichspannungsanschluss anliegenden Gleichspannung an dem Wechselspannungsanschluss eine Wechselspannung bereitzustellen oder basierend auf einer an dem Wechselspannungsanschluss anliegenden Wechselspannung an dem zweiten Gleichspannungsanschluss eine Gleichspannung bereitzustellen, und in dem eine weitere Drossel der drei Drosseln über das Schaltnetzwerk mit dem ersten Gleichspannungsanschluss gekoppelt ist, um basierend auf einer an dem zweiten Gleichspannungsanschluss anliegenden Gleichspannung an dem ersten Gleichspannungsanschluss eine Gleichspannung bereitzustellen oder basierend auf einer an dem ersten Gleichspannungsanschluss anliegenden Gleichspannung an dem zweiten Gleichspannungsanschluss eine Gleichspannung bereitzustellen.
Die Erkenntnis der vorliegenden Erfindung liegt darin, dass die Stromrichterschaltung durch eine geschickte Verschaltung des Schaltnetzwerkes die drei Drosseln und die Brückenschaltung mit den drei Halbbrücken sowohl für die Gleichspannungs-Gleichspannungs-Wandlung zwischen dem ersten Gleichspannungsanschluss und dem zweiten Gleichspannungsanschluss oder umgekehrt als auch für die Wechselspannungs-Gleichspannungs-Wandlung von dem Wechselspannungsanschluss zu dem zweiten Gleichspannungsanschluss oder umgekehrt benutzt und darüber hinaus auch über diese drei Drosseln und die Brückenschaltung eine gleichzeitige Gleichspannungs-Gleichspannungs-Wandlung und Wechselspannungs-Gleichspannungs-Wandlung unter Verwendung des ersten und des zweiten Gleichspannungsanschlusses und des Wechselspannungsanschlusses ermöglicht.
Es wurde erkannt, dass die Reichweite eines Fahrzeugs und insbesondere eines Elektrofahrzeugs auch im Wesentlichen von dem mitgeführten Gewicht abhängt; deshalb werden bei vorteilshaften Ausführungsbeispielen vorhandene Komponenten wie z. B. Drosseln oder Brückenschaltungen für mehrere Anwendungen genutzt. In einem Fahrzeug ist der Bauraum begrenzt und kann durch eine weitere Integrierung der Leistungselektronik z. B. für die Batterie genutzt werden. Ein weiterer Vorteil besteht in der Kostenminimierung, die durch eine Reduzierung der Komponentenzahl infolge einer Doppelbenutzung vorhandener Komponenten erreicht wird.
Weitere Ausführungsbeispiele der vorliegenden Stromrichterschaltung sind ausgebildet, um das Schaltnetzwerk in auswählbarer Weise, abhängig von einer Zustandsauswahlinformation, in einen von zumindest fünf durch die Stromrichterschaltung erzielbaren Schaltzuständen, bei denen jeweils eine unterschiedliche Spannungswandlung unter Zuhilfenahme der drei Drosseln und der drei Halbbrücken bereitgestellt wird, zu versetzen:
Der erste Schaltzustand dient zur Wandlung von drei-phasiger Wechselspannung, die an drei unterschiedlichen Phasenanschlüssen des Wechselspannungsanschlusses anliegt, in Gleichspannung an dem zweiten Gleichspannungsanschluss oder umgekehrt. Der zweite Schaltzustand dient zur gleichzeitigen Wandlung zwischen ein-phasiger Wechselspannung, die an einem Phasenanschluss des Wechselspannungsanschlusses in Bezug auf einen Nullleiter bzw. zwischen zwei Phasenanschlüssen des Wechselspannungsanschlusses anliegt, und Gleichspannung an dem zweiten Gleichspannungsanschluss, bei gleichzeitiger Bereitstellung bzw. Abgriff einer Gleichspannung an dem ersten Gleichspannungsanschluss. Dadurch dass eine oder mehrere Halbrücken der Brückenschaltung, die zwischen die gemeinsamen Potenzialführungen und den Wechselspannungsanschluss geschaltet sind bzw. die zwischen die gemeinsamen Potenzialführungen und den ersten Gleichspannungsanschluss geschaltet sind, so angesteuert werden können, dass sich eine entgegengesetzte Energieflussrichtung ergibt, sind in diesem zweiten Schaltzustand insgesamt vier verschiedene Wandlungsmodi möglich, wie zum Beispiel die Umwandlung von Gleichspannung an dem zweiten Gleichspannungsanschluss in Gleichspannung an dem ersten Gleichspannungsanschluss, bei gleichzeitiger Bereitstellung von Wechselspannung an dem Wechselspannungsanschluss, oder die Umwandlung von Wechselspannung an dem Wechselspannungsanschluss in Gleichspannung an dem zweiten Gleichspannungsanschluss, bei gleichzeitiger Umwandlung von Gleichspannung an dem ersten Gleichspannungsanschluss in Gleichspannung an dem zweiten Gleichspannungsanschluss; die zwei weiteren Modi sind Umwandlung von Gleichspannung an dem ersten Gleichspannungsanschluss in Gleichspannung an dem zweiten Gleichspannungsanschluss, bei gleichzeitiger Bereitstellung von Wechselspannung an dem Wechselspannungsanschluss oder Umwandlung von Wechselspannung an dem Wechselspannungsanschluss in Gleichspannung an dem zweiten Gleichspannungsanschluss, bei gleichzeitiger Umwandlung von Gleichspannung an dem zweiten Gleichspannungsanschluss in Gleichspannung an dem ersten Gleichspannungsanschluss.
Ein dritter Schaltzustand ermöglicht die Umwandlung von ein-phasiger Wechselspannung an dem Wechselspannungsanschluss in Gleichspannung an dem zweiten Gleichspannungsanschluss oder umgekehrt. In einem vierten Schaltzustand wird über die drei Drosseln und die Brückenschaltung eine Umwandlung einer sogenannten „Splitphase” ermöglicht, also einer zweiphasigen Wechselspannung, wobei die erste Phase zwischen einem ersten Phasenanschluss und einem zweiten Phasenanschluss des Wechselspannungsanschlusses anliegt und wobei die zweite um 180° gedrehte Phase der Wechselspannung zwischen einem dritten Phasenanschluss und dem zweiten Phasenanschluss des Wechselspannungsanschlusses anliegt, in Gleichspannung an dem zweiten Gleichspannungsanschluss oder umgekehrt ermöglicht. Der zweite Phasenanschluss des Wechselspannungsanschlusses dient dabei als Nullleiteranschluss. Der fünfte Schaltzustand dient zur Umwandlung von Gleichspannung in Gleichspannung zwischen dem ersten und zweiten Gleichspannungsanschluss. An dieser Stelle wird darauf hingewiesen, dass unter der Umwandlung von Gleichspannung in Gleichspannung zwischen dem ersten und zweiten Gleichspannungsanschluss sowohl die Bereitstellung von Gleichspannung an dem ersten Gleichspannungsanschluss auf Basis von Gleichspannung an dem zweiten Gereichspannungsanschluss als auch umgekehrt verstanden wird. Vorteilig bei der durch die verschiedenen Schaltzustände geschafften Multifunktionalität ist, dass beispielsweise eine Batterie an dem zweiten Gleichstromanschluss über verschiedenen Spannungsformen wie ein-phasiger oder dreiphasiger Wechselspannung oder Gleichspannung, z. B. über einen induktiven Energieübertrager oder ein Solarpanel, geladen werden kann. Bei Bedarf ist auch eine gleichzeitig Ladung über verschiedene Energieformen, also Gleich- und Wechselspannung, möglich. Ein weiterer vorteilhafter Anwendungsfall ist die Zwischenspeicherung der Energie in einen weiteren Energiespeicher, wie z. B. ein Super-Kondensator, der eine andere Energiespeichercharakteristik aufweist, mittels des ersten Gleichspannungsanschlusses. Vorteilhaft darüber hinaus ist, dass der Stromrichter auch mit Splitphase betreibbar ist, was besonders hinsichtlich eines Einsatzes auf dem nordamerikanischen Markt wichtig ist. Ein weiterer Vorteil ist es, dass im fünften Schaltzustand die Gleichspannungs-Gleichspannungs-Wandlung mit maximaler Leistung erfolgen kann, auch wenn jeweils eine der drei Halbbrücken nur für ein Drittel der maximalen Leistung ausgelegt sein sollten, da in diesem Schaltzustand alle drei Halbbrücken zusammen mit den drei Drosseln genutzt werden können.
Bei Ausführungsbeispielen der Stromrichterschaltung werden für die Brückenschaltung drei Halbbrücken mit jeweils mindestens zwei Brückenschaltern, die vorzugsweise durch Halbleiterbausteine realisiert sind, eingesetzt. Vorteilhaft hierbei ist, dass Halbleiterbausteine kostengünstig sind und durch eine (z. B. externe) Logik ansteuerbar sind, um zum Beispiel durch geeignete Ansteuerung der Brückenschalter die Umwandlung von Wechselspannung in Gleichspannung und umgekehrt unter Zuhilfenahme der Drosseln zu ermöglichen, wobei beispielsweise durch geeignete Wahl der Zeitverhältnisse eine Richtung eines Energieflusses einstellbar ist.
Zur Festlegung des jeweiligen Schaltzustandes kann das Schaltnetzwerk drei Schalter zur schaltbaren, selektiven Ankopplung der drei Drosseln an die drei Phasenanschlüsse des Wechselspannungsanschlusses umfassen. Des Weiteren wird bei Ausführungsbeispielen die Ankopplung des ersten Gleichspannungsanschlusses an die drei Drosseln über drei Schalter zur schaltbaren, selektiven Ankopplung realisiert. Diese Schalter für die Ankopplung des Gleichspannungsanschlusses und die Ankopplung des Wechselspannungsanschlusses können jeweils einzeln angesteuert werden. Hierdurch ergibt sich die vorteilhafte Eigenschaft, dass besonders viele Wandlungsmodi und insbesondere auch Wandlungsmodi zur gleichzeitigen Wandlung verschiedener Energieformen, wie z. B. von ein-phasiger Wechselspannung in Gleichspannung und von Gleichspannung in Gleichspannung, einstellbar sind.
Bei Ausführungsbeispielen kann zusätzlich durch einen Schalter ein Nullleiter über drei Kapazitäten an die drei Drosseln angekoppelt werden, was eine vorteilhafte Filterung der zurückgespeisten ein-phasigen, split-phasigen und/oder dreiphasigen Wechselspannung ermöglicht, sodass die entsprechenden Normen für die Netzrückspeisung eingehalten werden können.
Bei den beschrieben Ausführungsbeispiel dient die Stromrichterschaltung beispielsweise als Ersatz für ein Onboard-Ladegerät, was den Vorteil hat, dass eine Verbesserung des Wirkungsgrades erreicht wird, da die Leistungselektronik und die Drosseln optimal für die bidirektionale Umwandlung von Gleichspannung in Gleichspannung und Gleichspannung in Wechselspannung und somit optimal für die benötigten Leistungen zur Ladung der Batterie bzw. zur Rückspeisung von Gleichspannung bzw. von Wechselspannung ausgelegt werden können. Des Weiteren ist es vorteilhaft, dass bei diesem Ausführungsbeispiel unter Verwendung einer zusätzlichen Leistungselektronik für den Antriebsumrichter während eines Antriebsbetriebs auch eine Ladung bzw. eine Rückspeisung von Energie ermöglicht wird. Im Gegensatz dazu wird bei folgendem Ausführungsbeispiel die Stromrichterschaltung auch als Leistungselektronik für den Antriebsumrichter verwendet.
Es kann bei Ausführungsbeispielen auf eine zusätzliche Leistungselektronik für die Antriebsumrichterschaltung verzichtet werden, wenn eine Elektro-Maschine, auch E-Maschine genannt, angekoppelt wird. Hierzu umfasst das Schaltnetzwerk drei Wechselschalter, wobei die Stromrichterschaltung ausgebildet ist, um in einer ersten Schaltstellung der Wechselschalter die drei Phasen des Wechselspannungsanschlusses an die Drosseln zu koppeln und um in einer zweiten Schaltstellung eine ein- oder drei-phasige E-Maschine an die Drosseln zu koppeln, wobei die E-Maschine bevorzugt, aber nicht notwendigerweise, in einem Antriebsbetrieb und in einem Generatorbetrieb betreibbar ist. Hierbei ist es vorteilig, dass keine zusätzliche, Bauraum-, Kosten- und Gewichtsintensive Leistungselektronik für den Antriebsumrichter benötigt wird. Ein weiterer Vorteil hieran ist die Möglichkeit einer Stromglättung für den Antrieb über die drei Drosseln.
Bei Ausführungsbeispielen kann neben der Umwandlung von Gleichspannung in Wechselspannung oder umgekehrt gleichzeitig eine Spannungswandlung in eine höhere oder eine niedrigere Spannung erfolgen, die beispielsweise um 10% höher oder niedriger ist als der entsprechende Ausgangswert (Vergleich der Beträge der Gleichspannungen bzw. Vergleich des Betrages der Gleichspannung mit Effektivwert der Wechselspannung). Ebenfalls kann bei Ausführungsbeispielen eine Spannungswandlung zwischen der Gleichspannung an dem ersten Gleichspannungsanschluss gegenüber der Gleichspannung an dem zweiten Gleichspannungsanschluss erfolgen, wobei hierzu bei einem weiteren Ausführungsbeispiel ein Gleichspannungs-Gleichspannungs-Wandler an dem zweiten Gleichspannungsanschluss zur weiteren Spannungswandlung vorgesehen werden kann. Dies bietet den Vorteil, dass eine Veränderung der Gleichspannung, z. B. für eine Hochvoltbatterie, bei gleichzeitig hohen Wirkungsgraden möglich ist und eine Ladung der Batterie mit konstanter Stromstärke und konstantem Ladestrom erfolgen kann. Dies hat des Weiteren den Vorteil, dass eine Gleichspannung (Ausgangsspannung) kleiner der passiv gleichgerichteten Wechselspannung (Netzspannung) bereitgestellt werden kann.
Zusammenfassend ist festzustellen, dass Ausführungsbeispiele gemäß der vorliegenden Erfindung eine Vorrichtung schafft, die mehrere Stromrichter für die unterschiedlichen Umwandlungsformen (bidirektionale Gleichspannungs-Gleichspannungs-Wandlung, bidirektionale Wechselspannungs-Gleichspannungs-Wandlung inklusive bidirektionaler Gleichspannungs-Wechselspannungs-Wandlung und einer Kombination aus den unterschiedlichen Wandlungsformen) vereint, wobei diese Vorrichtung kosteneffizient, platzeffizient und/oder gewichtseffizient ist.
Figurenkurzbeschreibung
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend Bezug nehmend auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
1 eine schematische Darstellung einer Stromrichterschaltung gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel;
2a ein Schaltbild einer Stromrichterschaltung gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel;
2b ein Schaltbild einer Stromrichterschaltung gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel;
3a–3d Ersatz-Schaltbilder zur Darstellung von Schaltzuständen einer Stromrichterschaltung gemäß einem der Ausführungsbeispiele; und
4 eine schematische Darstellung einer Stromrichterschaltung gemäß dem Stand der Technik.
Detaillierte Beschreibung der Ausführungsbeispiele
Im Folgenden werden unterschiedliche Ausführungsbeispiele gemäß der vorliegenden Erfindung anhand von 1–3 beschrieben, wobei in den Figuren identische Bezugszeichen für die Objekte vergeben werden, die identische oder ähnliche Funktionen aufweisen, so dass Objekte mit gleichen Bezugszeichen in unterschiedlichen Ausführungsbeispielen austauschbar sind und deren Beschreibungen einander entsprechen.
Es wird darauf hingewiesen, dass im Folgenden Gleichspannungen und Wechselspannungen, die an dem selben Anschluss der Schaltung anliegen, mit denselben Bezugszeichen versehen werden, auch wenn abhängig von dem Betriebszustand der Schaltung die Höhe, Phase und Polarität der Spannungen variieren kann.
Stromrichterschaltung gemäß Fig. 1
1 zeigt ein Blockschaltbild einer Stromrichterschaltung 40 mit drei Anschlüssen, nämlich mit dem Wechselspannungsanschluss 24, mit dem ersten Gleichspannungsanschluss 18 und mit dem zweiten Gleichspannungsanschluss 32. Des Weiteren weist die Stromrichterschaltung 40 eine Brückenschaltung 42 zwischen dem zweiten Gleichspannungsanschluss 32 und einer Drossel-Anordnung 44 auf, die wiederum über ein Schaltnetzwerk 46 mit dem Wechselspannungsanschluss 24 und dem ersten Gleichspannungsanschluss 18 verbunden ist.
Die Brückenschaltung 42 umfasst drei Halbbrücken 42a, 42b und 42c, die über eine erste gemeinsame Potenzialführung 48a mit dem ersten Pol 32a des Gleichspannungsanschlusses 32 und über eine zweite gemeinsame Potenzialführung 48b mit dem zweiten Pol 32b des zweiten Gleichspannungsanschlusses 32 verbunden sind. Die Drossel-Anordnung 44 weist drei Drosseln 44a, 44b und 44c auf, deren erster Anschluss jeweils an einem Mittelknoten 45a, 45b und 45c der zugehörigen Halbbrücke 42a, 42b und 42c mit der zugehörigen Halbbrücke 42a, 42b und 42c verbunden sind. Jeweilige zweite Anschlüsse der drei Drosseln 44a, 44b und 44c sind in schaltbarer Weise über ein Schaltnetzwerk 46 mit dem Wechselspannungsanschluss 24, der drei Phasenanschlüsse 24a, 24b und 24c aufweist, und mit dem ersten Gleichspannungsanschluss 18, der den Anschluss 18a für den ersten Pol und den Anschluss 18b für den zweiten Pol umfasst, verbunden. Zudem ist eine Masseverbindung 47 vorgesehen, die das Schaltnetzwerk 46 mit der zweiten gemeinsamen Potenzialführung 48b der Brückenschaltung 42 über einen Knoten 45d ankoppelt.
Des Weiteren sind für das Schaltnetzwerk 46 symbolisch zwei Schaltzustände dargestellt. Ein erster Schaltzustand 50 ermöglicht die Umwandlung von drei-phasiger Wechselspannung V_24a, V_24b und V_24c in Gleichspannung V_32ab an dem zweiten Gleichspannungsanschluss 32 oder umgekehrt. Ein zweiter Schaltzustand 52 ermöglicht die Umwandlung zwischen ein-phasiger Wechselspannung V_24ab an dem ersten Phasenanschluss 24a und an dem zweiten Phasenanschluss 24b des Wechselspannungsanschlusses 24 und Gleichspannung V_18ab an dem ersten Gleichspannungsanschluss 18 sowie, bevorzugt gleichzeitig dazu, die Umwandlung zwischen Gleichspannung V_32ab an dem zweiten Gleichspannungsanschluss 32 und Gleichspannung V_18ab an dem ersten Gleichspannungsanschluss 18.
Nachdem im Vorherigen die Struktur der Stromrichterschaltung 40 beschrieben wurde, wird im Folgenden die Funktionsweise dieser Stromrichterschaltung im Detail erörtert.
Die Stromrichterschaltung 40 ist ausgebildet, um das Schaltnetzwerk 46 in zumindest zwei der fünf oder mehr Schaltzustände, nämlich z. B. in einen ersten oder zweiten Schaltzustand, zu versetzen. Optional kann die Stromrichterschaltung 40 dazu ausgelegt sein, um das Schaltnetzwerk 46 in einen dritten, vierten, fünften und/oder weiteren Schaltzustand zu versetzen. Die Schaltzustände werden im Folgenden exemplarisch beschrieben.
Der erste Schaltzustand 50 dient zur drei-phasigen Wechselspannungs-Gleichspannungs-Wandlung bzw. zur drei-phasigen Gleichspannungs-Wechselspannungs-Wandlung. Hier werden die drei Drosseln 44a, 44b und 44c über das Schaltnetzwerk 46 mit drei unterschiedlichen Phasenanschlüssen 24a, 24b und 24c des Wechselspannungsanschlusses 24 gekoppelt, um durch geeignete Ankopplung der Brückenschaltung 42 basierend auf einer an dem zweiten Gleichspannungsanschluss 32 anliegenden Gleichspannung V_32ab an dem Wechselspannungsanschluss 24 bzw. an den Phasenanschlüssen 24a, 24b und 24c eine Wechselspannung V_24a, V_24b und V_24c mit drei Phasen bereitzustellen oder basierend auf einer an dem Wechselspannungsanschluss 24 anliegenden Wechselspannung V_24a, V_24b und V_24c mit drei Phasen an dem zweiten Gleichspannungsanschluss 32 eine Gleichspannung V_32ab zwischen dem ersten Pol 32a und dem zweiten Pol 32b bereitzustellen. In diesem ersten Schaltzustand 50 erfolgt die Umwandlung von Wechselspannung V_24a, V_24b und V_24c mit den drei Phasen in Gleichspannung V_32ab über die drei Drosseln 44a, 44b und 44c durch eine geeignete Ankopplung der drei Halbbrücken 42a, 42b und 42c bzw. durch geeignetes Schalten von Schaltbauteilen in den Halbbrücken 42a, 42b und 42c. Unter einer geeigneten Ankopplung wird beispielsweise, bei Wechselspannungs-Gleichspannungs-Wandlung, eine derartige zeitliche Ansteuerung der Halbbrücken 42a, 42b und 42c verstanden, so dass positive Halbwellen der drei Phasen, die an den Phasenanschlüssen 24a, 24b und 24c anliegen, an die erste gemeinsame Potenzialführung 48a angekoppelt werden, während die negativen Halbwellen der drei Phasen der Phasenanschlüssen 24a, 24b und 24c an die zweite gemeinsame Potenzialführung 48b angekoppelt werden.
Die Stromrichterschaltung 40 ist dazu ausgebildet, um das Schaltnetzwerk 46 in den zweiten Schaltzustand 52 zu versetzen, der zur gleichzeitigen Gleichspannungs-Gleichspannungs-Wandlung und Wechselspannungs-Gleichspannungs-Wandlung bzw. Gleichspannungs-Wechselspannungs-Wandlung dient, und in dem die erste Drossel 44a über das Schaltnetzwerk 46 mit einem der Phasenanschlüsse, z. B. dem Phasenanschluss 24a, des Wechselspannungsanschlusses 24 gekoppelt ist, um basierend auf einer an dem zweiten Gleichspannungsanschluss 32 anliegender Gleichspannung V_32ab an dem Wechselspannungsanschluss 24 – oder genauer an dem Phasenanschluss 24a – die ein-phasige Wechselspannung V_24ab bereitzustellen oder basierend auf der an dem Phasenanschluss 24a anliegenden ein-phasigen Wechselspannung V_24ab an dem zweiten Gleichspannungsanschluss 32 eine Gleichspannung V_32ab bereitzustellen. Da die Stromrichterschaltung 40 dieses Ausführungsbeispiels nicht notwendiger Weise einen Nullleiteranschluss, wie zum Beispiel eine Erdung, aufweist, gegenüber welchem eine Wechselspannung V_24ab über den Phasenanschluss 24a angelegt bzw. abgegriffen werden kann, wird erforderlichenfalls, aber nicht notwendigerweise über das Schaltnetzwerk 46 die zweite Drossel 44b an den zweiten Phasenanschluss 24b gekoppelt, um eine Wechselspannung V_24ab zwischen dem ersten Phasenanschluss 24a und dem zweiten Phasenanschluss 24b bereitzustellen oder abzugreifen. Die Stromrichterschaltung 40 ist dazu ausgebildet, um die Halbbrücken 42a, 42b und 42c so anzusteuern, dass durch Zusammenwirken der Halbbrücken 42a und ggf. 42b mit den Drosseln 42a und ggf. 42b eine Gleichrichtung bzw. Wechselrichtung erreicht wird, wobei auch ggf. gleichzeitig eine Spannungserhöhung oder Spannungsverringerung um mindestens 50% des Ausgangswertes, also eine Erhöhung oder Verringerung des Betrages Gleichspannung V_32ab gegenüber dem Effektivwert V_24ab, stattfinden kann.
In dem zweiten Schaltzustand 52 findet parallel zur Wechselspannungs-Gleichspannungs-Wandlung, worunter sowohl eine Bereitstellung einer Gleichspannung V_32ab auf Basis einer Wechselspannung V_24ab als auch, alternativ, eine Bereitstellung einer Wechselspannung V_24ab auf Basis einer Gleichspannung V_32ab verstanden wird, eine Gleichspannungs-Gleichspannungs-Wandlung statt: Hierbei ist eine weitere Drossel, also eine der Drosseln 44a, 44b und 44c, die in dem ersten Schaltzustand zwischen die Brückenschaltung 42 und den Wechselspannungsanschluss 24 geschaltet sind, wie zum Beispiel die Drossel 44c, über das Schaltnetzwerk 46 mit dem ersten Gleichspannungsanschluss 18 – oder genauer mit dem ersten Pol 18a des Gleichspannungsanschlusses 18 – gekoppelt, um basierend auf einer an dem zweiten Gleichspannungsanschluss 32 zwischen den Polen 32a und 32b anliegenden Gleichspannung V_32ab an dem ersten Gleichspannungsanschluss 18 zwischen den Polen 18a und 18b eine Gleichspannung V_18ab bereitzustellen oder basierend auf einer an dem ersten Gleichspannungsanschluss 18 anliegenden Gleichspannung V_18ab an dem zweiten Gleichspannungsanschluss 32 eine Gleichspannung V_32ab bereitzustellen. Bei dieser Gleichspannungs-Gleichspannungs-Wandlung ist der Pol 18a über die Drossel 44c mit der Brückenschaltung 42c an dem Mittelknoten 45c der Brückenschaltung 42c verbunden, während der zweite Pol 18b des ersten Gleichspannungsanschlusses 18 beispielsweise direkt oder mittels eines Schalters über die Masseverbindung 47 mit der zweiten gemeinsamen Potenzialführung 48b der Brückenschaltung 42 verbunden ist und damit auch mit dem zweiten Pol 32b des zweiten Gleichspannungsanschlusses 32. Bei dieser Gleichspannungs-Gleichspannungs-Wandlung bzw. bei der gleichzeitig dazu erfolgenden Wechselspannungs-Gleichspannungs-Wandlung oder Gleichspannungs-Wechselspannungs-Wandlung kann auch ggf. eine Erhöhung oder Reduzierung einer Spannung um beispielsweise mindestens 10% des Ausgangswertes ermöglicht werden, also eine Erhöhung oder Verringerung des Betrages der Gleichspannung V_18ab gegenüber dem Betrag der Gleichspannung V_32ab um beispielsweise mindestens 10% oder mehr. Hierbei findet eine Abwärtswandlung oder Aufwärtswandlung durch geeignete Ansteuerung der Brückenschaltung 42 bzw. der Halbbrücken 42c statt.
Im Folgenden werden optionale Erweiterungen der Grundfunktionalität der Stromrichterschaltung 40 beschrieben, die es ermöglichen, mit vergleichsweise geringem Mehraufwand einen deutlich erhöhten Funktionsumfang zu erreichen.
Die Stromrichterschaltung 40 ist optional dazu ausgebildet, um das Schaltnetzwerk 46 in einen dritten Schaltzustand zu versetzen, der dazu dient, um ein-phasige Wechsel-Spannung in Gleichspannung V_32ab oder umgekehrt zu wandeln. In dem dritten Schaltzustand, in dem eine der drei Drosseln 44a, 44b oder 44c über das Schaltnetzwerk 46 mit einem der Phasenanschlüsse 24a, 24b oder 24c des Wechselspannungsanschlusses 24 gekoppelt ist, ist die Stromrichterschaltung 40 dazu ausgebildet, um basierend auf einer an dem zweiten Gleichspannungsanschluss 32 anliegenden Gleichspannung V_32ab an dem Wechselspannungsanschluss 24 eine ein-phasige Wechselspannung V_24ab bereitzustellen oder basierend auf einer an dem Wechselspannungsanschluss 24 anliegenden ein-phasigen Wechselspannung V_24ab an dem zweiten Gleichspannungsanschluss 32 eine Gleichspannung V_32ab bereitzustellen. Hierbei gibt es, analog zu dem zweiten Schaltzustand 52, mindestens zwei alternative Möglichkeiten, wie eine ein-phasige Wechselspannung V_24a über den Phasenanschluss 24a angelegt bzw. abgegriffen werden kann: Eine erste Möglichkeit besteht darin, einen Nullleiter bzw. Rückleiter, wie zum Beispiel eine Erdung, beispielsweise an die Brückenschaltung 42 oder einen Zwischenspannungsknoten galvanisch anzukoppeln, um gegenüber dem Nullleiter eine ein-phasige Wechselspannung V_24a an dem Phasenanschluss 24a abzugreifen bzw. bereitzustellen; hierbei ist es ausreichend, dass nur die erste Drossel 44a an den ersten Phasenanschluss 24a mittels des Schaltnetzwerkes 46 an der Brückenschaltung 44 angekoppelt wird. Gemäß einer zweiten Möglichkeit, wird in diesem Ausführungsbeispiel, wenn der Nullleiter nicht mit der Brückenschaltung 44 oder einem zugehörigen Zwischenspannungsknoten statisch gekoppelt ist, erforderlichenfalls, aber nicht notwendigerweise über das Schaltnetzwerk 46 die zweite Drossel 44b an den zweiten Phasenanschluss 24b gekoppelt, um eine ein-phasige Wechselspannung V_24ab zwischen dem ersten Phasenanschluss 24a und dem zweiten Phasenanschluss 24b bereitzustellen oder abzugreifen. In anderen Worten stellt dieser dritte Schaltzustand einen analogen Schaltzustand zu dem zweiten Schaltzustand 52 dar, wobei keine Gleichspannungs-Gleichspannungs-Wandlung zwischen dem zweiten Gleichspannungsanschluss 32 und dem ersten Gleichspannungsanschluss 18 stattfindet.
Ferner kann die Stromrichterschaltung 40 optional ausgebildet sein, um das Schaltnetzwerk 46 in einen vierten Schaltzustand zu versetzen, der dazu dient, um split-phasige Wechselspannungen V_24ab und V_24cb in Gleichspannung V_32ab oder umgekehrt zu wandeln. Das Schaltnetzwerk 46 ist in dem vierten Schaltzustand dazu ausgebildet, mindestens zwei der drei Drosseln, z. B. die Drosseln 44a und 44c, mit zwei unterschiedlichen Phasenanschlüssen 24a und 24c des Wechselspannungsanschlusses zu koppeln. Diese besondere Konfiguration zwischen zwei Wechselspannungsphasen, die um 180° versetzt sind, wird Splitphase bzw. aufgeteilte Phase genannt. Bei diesem vierten Schaltzustand ist der Wechselspannungsanschluss 24 über das Schaltnetzwerk 46 und über die den zwei Drosseln 44a und 44c an die Brückenschaltung 42 angekoppelt. Hierbei gibt es wiederum, analog zu dem zweiten und dritten Schaltzustand 52, mindestens zwei alternative Möglichkeiten, gegenüber welchem Nullleiter bzw. Neutralleiter die zwei split-phasigen Wechselspannungen V_24ab und V_24cb über die Phasenanschlüsse 24a und 24c angelegt bzw. abgegriffen werden können: Eine erste Möglichkeit stellt wiederum eine Ankopplung des Nullleiters bzw. Neutralleiters beispielsweise an die Brückenschaltung 42 bzw. einem Zwischenspannungsknoten dar, gegenüber welchem die zwei split-phasigen Wechselspannungen V_24ab und V_24cb an den Phasenanschlüssen 24a und 24b abgegriffen bzw. bereitgestellt werden können; hierbei ist es ausreichend, dass nur die erste und die dritte Drossel 44a und 44c an den ersten und dritten Phasenanschluss 24a und 24c mittels des Schaltnetzwerkes 46 angekoppelt sind. Durch geeignete Beschaltung und Ansteuerung der Brückenschaltung 42 werden somit basierend auf einer an dem zweiten Gleichspannungsanschluss 32 anliegenden Gleichspannung V_32ab an dem Wechselspannungsanschluss 24 bzw. genauer an den Phasenanschlüssen 24a und 24c zwei Wechselspannungen V_24ab und V_24cb bereitgestellt oder es basierend auf zwei an den zwei Phasenanschlüssen 24a und 24c (typischerweise gegenphasig) anliegenden Wechselspannungen V_24ab und V_24cb an dem zweiten Gleichspannungsanschluss 32 eine Gleichspannung V_32ab bereitgestellt. Gemäß einer zweiten Möglichkeit, wird in diesem Ausführungsbeispiel, wenn der Nullleiteranschluss nicht mit der Brückenschaltung 42 oder einem zugehörigen Zwischenspannungsknoten statisch gekoppelt ist, erforderlichenfalls, aber nicht notwendigerweise, über das Schaltnetzwerk 46 eine weitere Drossel, nämlich die zweite Drossel 44b an den zweiten Phasenanschluss 24b gekoppelt, um die split-phasigen Wechselspannungen V_24ab und V_24cb zwischen dem ersten Phasenanschluss 24a und dem zweiten Phasenanschluss 24b und zwischen dem dritten Phasenanschluss 24c und dem zweiten Phasenanschluss 24b bereitzustellen oder abzugreifen, wobei der zweite Phasenanschluss 24b als „künstlicher” Nullleiteranschluss bzw. Neutralleiteranschluss dient.
Ferner kann die Stromrichterschaltung 40 optional gebildet sein, um das Schaltnetzwerk 46 in einen fünften Schaltzustand zu versetzen, der zur Gleichspannungs-Gleichspannungs-Wandlung dient. Das Schaltnetzwerk 46 koppelt in dem fünften Schaltzustand eine der drei Drosseln, z. B. die dritte Drossel 44c, über das Schaltnetzwerk 46 mit dem ersten Gleichspannungsanschluss 18, um basierend auf einer an dem zweiten Gleichspannungsanschluss 32 anliegenden Gleichspannung V_32ab an dem ersten Gleichspannungsanschluss eine Gleichspannung V_18ab bereitzustellen oder basierend auf einer an dem ersten Gleichspannungsanschluss 18 anliegenden Gleichspannung V_18ab gab an dem zweiten Gleichspannungsanschluss 32 eine Gleichspannung V_32ab bereitzustellen. Über die Masseverbindung 47, die optional einen Schalter aufweisen kann, wird zur Gleichspannungs-Gleichspannungs-Wandlung eine Verbindung zwischen den zweiten Polen der Gleichspannungsanschlüsse, nämlich zwischen dem zweiten Pol 18b des ersten Gleichspannungsanschlusses 18 und dem zweiten Pol 32b des zweiten Gleichspannungsanschlusses 32 über den Knoten 45d und die zweite gemeinsame Potenzialführung 48b der Brückenschaltung 42, hergestellt. Bei dieser Gleichspannungs-Gleichspannungs-Wandlung, die durch geeignete Ansteuerung der Brückenschaltung 42 erreicht wird, kann analog zu der Gleichspannungs-Gleichspannungs-Wandlung des zweiten Schaltzustands 52 eine Spannungsänderung auf ein höheres oder niedrigeres Spannungsniveau, also eine Erhöhung oder Verringerung des Betrages der Gleichspannung V_18ab gegenüber dem Betrag der Gleichspannung V_32ab um beispielsweise mindestens 10%, durch eine Abwärts- oder Aufwärts-Wandlung stattfinden.
Wie oben erwähnt ist es möglich, für den zweiten, dritten, und vierten Schaltzustand von der Ankopplung des zweiten Phasenanschlusses 24b, gegenüber welchem die Wechselspannungen V_24a, V_24b und V_24c zum Beispiel bei Fehlen eines anderweitigen Nullleiters bzw. abgegriffen bzw. bereitgestellt werden, an die Drossel 44b bzw. an die Brückenschaltung 42 abzusehen und stattdessen einen Nullleiter bzw. Neutralleiter oder eine Erdung für die Stromrichterschaltung 40 vorzusehen, gegenüber welcher die ein-phasige oder split-phasige Wechselspannung abgegriffen bzw. bereitgestellt werden kann. In diesen Fall würde in dem zweiten Schaltzustand 52, dritten Schaltzustand und vierten Schaltzustand ein Nullleiter oder eine Erdung an die Brückenschaltung 42, beispielsweise mittels eines Knotens zwischen zwei Kapazitäten, die sich elektrisch zwischen der ersten und zweite Potenzialführung 48a und 48b befinden können, ankoppelt werden (und ggf. so die Stromrichterschaltung 40 auch galvanisch zu koppeln).
Ausführungsbeispiele gemäß Fig. 2
2a zeigt ein Schaltbild einer Stromrichterschaltung 60 gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. Der Aufbau der Stromrichterschaltung 60 entspricht grundsätzlich dem Aufbau der Stromrichterschaltung 40.
Die Stromrichterschaltung 60 weist drei Anschlüsse, nämlich den Wechselspannungsanschluss 24, den ersten Gleichspannungsanschluss 18 und den zweiten Gleichspannungsanschluss 32 auf. Die Stromrichterschaltung 60 weist eine Serienschaltung der Brückenschaltung 42, die mit dem zweiten Gleichspannungsanschluss 32 verbunden ist, der Drossel-Anordnung 44 und des Schaltnetzwerks 46 auf, wobei das Schaltnetzwerk 46 sowohl mit dem Wechselspannungsanschluss 24 als auch mit dem ersten Gleichspannungsanschluss 18 verbunden ist.
Die Brückenschaltung 42 besteht aus drei Halbbrücken 42a, 42b und 42c, die jeweils parallel zueinander zwischen die erste gemeinsame Potenzialführung 48a und die zweite gemeinsame Potenzialführung 48b geschaltet sind. Die gemeinsame Potenzialführung 48a der Brückenschaltung 42 dient zu dem Anschluss der Brückenschaltung 42 an den ersten Pol 32a des Gleichspannungsanschlusses 32, die zweite gemeinsame Potenzialführung 48b zu dem Anschluss der Brückenschaltung 42 an den zweiten Pol 32b. Die Halbbrücken 42a, 42b und 42c werden in diesem Ausführungsbeispiel jeweils durch mindestens zwei Brückenschalter realisiert, nämlich durch zwei erste Brückenschalter 42a_1 und 42a_2 in der ersten Halbbrücke 42a, durch zwei zweite Brückenschalter 42b_1 und 42b_2 in der zweiten Halbbrücke 42b und zwei dritte Brückenschalter 42c_1 und 42c_2 in der dritten Halbbrücke 42c. Diese Brückenschalter 42a_1 bzw. 42a_2, 42b_1 bzw. 42b_2 und 42c_1 und 42c_2 können beispielsweise aus Halbleiterelementen gebildet sein und ggf. auch mittels einer Logik (nicht dargestellt) ansteuerbar sein. Zwischen den Brückenschaltern 42a_1 bzw. 42a_2, 42b_1 bzw. 42b_2 und 42c_1 und 42c_2 sind jeweils die Mittelknoten 45a, 45b und 45c vorgesehen, über die die Drosseln 44a, 44b und 44c der Drosselanordnung 44 an einer ersten Seite angekoppelt sind bzw. mit deren ersten Anschlüssen der Drosseln 44a, 44b und 44c gekoppelt sind. Über den Mittelknoten 45a der Halbbrücke 42a ist die Drossel 44a angekoppelt, über den Mittelknoten 45b der Halbbrücke 42b die Drossel 44b und über den Mittelknoten 45c der Halbbrücke 42c die Drossel 44c.
Die Drosselanordnung 44 mit den drei Drosseln 44a, 44b und 44c ist an einer zweiten Seite, also auf der Seite der zweiten Anschlüsse der jeweiligen Drosseln 44a, 44b und 44c, in schaltbarer Weise mit dem Wechselspannungsanschluss 24 über eine Schalteranordnung 62 und einen in Serie zu der Schalteranordnung 62 geschalteten Netzschalter 66a verbunden. Der Schalter 62a der Schalteranordnung 62 verbindet die Drossel 44a mit dem Netzschalter 66a und damit, über den Netzschalter 66a, mit dem ersten Phasenanschluss 24a, der Schalter 62b der Schalteranordnung 62 verbindet die Drossel 44b mit dem Netzschalter 66a und damit, über den Netzschalter 66a, mit dem zweiten Phasenanschluss 24b und der Schalter 62c der Schalteranordnung 62 verbindet die Drossel 44c mit dem Netzschalter 66a und damit, über den Netzschalter 66a, mit dem dritten Phasenanschluss 24c. Die Schalter 62a, 62b und 62c sind ausgebildet, um, abhängig von dem jeweiligen Schaltzustand, entweder alle der drei Drosseln 44a, 44b und 44c an die drei Phasenanschlüsse 24a, 24b und 24c anzukoppeln oder eine echte Teilmenge der drei Drosseln, zum Beispiel die Drosseln 44a und 44c, an eine echte Teilmenge der drei Phasenanschlüsse, zum Beispiel an die Phasenanschlüsse 24a und 24c, anzukoppeln oder alle drei Drosseln 44a, 44b und 44c von dem Wechselspanungsanschluss 24 abzukoppeln. Der Netzschalter 66a koppelt gleichzeitig alle drei Phasenanschlüsse 24a, 24b und 24c an die drei Schalter 62a, 62b und 62c an oder von den drei Schalter 62a, 62b und 62c ab.
Die Drosselanordnung 44 ist an der zweiten Seite zudem in schaltbarer Weise über eine Schalteranordnung 64 mit dem ersten Pol 18a des ersten Gleichspannungsanschlusses 18 verbunden, so dass die erste Drossel 44a über den ersten Schalter 64a der Schalteranordnung 64 an den Pol 18a ankoppelbar ist bzw. so dass die zweite Drossel 44b über den zweiten Schalter 64b der Schalteranordnung 64 an den Pol 18a ankoppelbar ist und bzw. so dass die dritte Drossel 44c über den dritten Schalter 64c der Schalteranordnung 64 an den ersten Pol 18a ankoppelbar ist. Die Schalteranordnung 62 ist ausgebildet, um alle der drei Drosseln 44a, 44b und 44c oder eine echte Teilmenge der drei Drosseln, zum Beispiel nur die dritte Drosseln 44c, an den ersten Pol 18a des ersten Gleichspannungsanschlusses 18 anzukoppeln oder abzukoppeln. Zudem umfasst das Schaltnetzwerk 46 einen weiteren Schalter 65 für die Masseverbindung 47, mit dem die zweite gemeinsame Potenzialführung 48b der Brückenschaltung 42 über den Knoten 45d an den zweiten Pol 18b des ersten Gleichspannungsanschlusses 18 angekoppelt werden kann.
Für jeden der Phasenanschlüsse 24a, 24b und 24c ist jeweils eine Kapazität 68a, 68b und 68c vorgesehen. Die drei Kapazitäten 68a, 68b und 68c bzw. Netzkondensatoren einer Filteranordnung 68 sind auf einer ersten Seite in schaltbarer Weise mittels eines Schalters 66b an einen Nullleiter über einen Nullleiteranschluss 24d ankoppelbar. An einer zweiten Seite der Filteranordnung 68 sind jeweils die Kondensatoren 68a, 68b und 68c über den Netzschalter 66a mit dem jeweiligen zugeordneten Phasenanschluss 24a, 24b und 24c verbunden bzw. über die Schalter 62a, 62b und 62c mit den Drosseln 44a, 44b und 44c. Alternativ ist es auch möglich, dass die Filteranordnung 68 nicht durch die drei Kapazitäten 68a, 68b und 68c gebildet wird, sondern beispielsweise durch Widerstände oder andere elektronische Bauelemente bzw. durch eine Kombination aus elektronischen Bauelementen mit einer Topologie, die das Filtern einer Wechselspannung bzw. einer drei-phasigen Wechselspannung ermöglicht.
Des Weiteren umfasst die Stromrichterschaltung 60 einen Gleichspannungs-Gleichspannungs-Wandler 70, der zwischen den zweiten Gleichspannungsanschluss 32 und die Brückenschaltung 42 geschaltet ist, so dass der Gleichspannungs-Gleichspannungs-Wandler 70 auf der einen Seite an die zwei Potenzialführungen 48a und 48b angeschlossen ist und auf der andern Seite an die zwei Pole 32a und 32b. Zwischen der ersten und der zweiten Potenzialführung 48a, 48b ist eine Zwischenkreiskapazität 72, die beispielsweise aus zwei in Serie geschalteten Kondensatoren oder einer Super-Kapazität bestehen kann, vorgesehen. Eine weitere Kapazität 74 für den ersten Gleichspannungsanschluss 18 ist zwischen dem ersten Pol 18a und dem zweiten Pol 18b des Gleichspannungsanschlusses 18 vorgesehen, wobei die Kapazität 74 ebenfalls als Super-Kapazität realisiert sein kann.
Im Folgenden wird auf die Funktionsweise der Stromrichterschaltung 60 eingegangen.
Die grundsätzliche Funktionsweise der Stromrichterschaltung 60 entspricht der Funktionsweise der Stromrichterschaltung 40. Die Gleichspannungs-Gleichspannungs-Wandlung, die Gleichrichtung (Wechselspannung zu Gleichspannung) und die Wechselrichtung (Wechselspannung zu Gleichspannung) erfolgen über die drei Drosseln 44a, 44b und 44c sowie über die Halbbrückenschaltung 42 unter geeigneter Ansteuerung der Brückenschalter 42a_1, 42a_2, 42b_1, 42b_2, 42c_1 und 42c_2. Die Ansteuerung der Brückenschalter erfolgt über eine nicht dargestellte Ansteuerungsschaltung bzw. Logik und ist abhängig von der jeweiligen Art der Energie-Wandlung, die über die einzelnen Schaltzustände eingestellt wird. Die Ansteuerung der Halbbrücken 42a, 42b und 42c wird zudem typischerweise abhängig von der Frequenz der Wechselspannung V_24a, V_24b und V_24c, den Stromstärken und Spannungen der Wechselspannung V_24a, V_24b und V_24c an dem Wechselspannungsanschluss 24 und der Gleichspannung V_18ab an dem ersten Gleichspannungsanschluss 18 und der Gleichspannung V_32ab an dem zweiten Gleichspannungsanschluss 32 gewählt bzw. eingestellt. Des Weiteren haben die Induktivitäten 44a, 44b und 44c ebenso typischerweise einen erheblichen Einfluss auf die Auslegung bzw. Einstellung der Ansteuerung bzw. auf die Wahl der Ansteuerung der Halbbrücken 42a, 42b und 42c.
Die Schaltzustände werden wie bei der Stromrichterschaltung 40 über das Schaltnetzwerk 46 eingestellt. Im Folgenden werden die fünf Schaltzustände anhand der Schaltkombinationen in dem Schaltnetzwerk 46 erläutert. Für jeden Schaltzustand werden die geschlossenen Schalter genannt, während davon ausgegangen wird, dass die nicht-erwähnten Schalter in dem Schalternetzwerk 46 nicht-geschlossen bzw. geöffnet sind.
In dem ersten Schaltzustand 50 zur drei-phasigen Ladung, beispielsweise der Batterie 30, bzw. zur drei-phasigen Rückspeisung und ggf. Inselnetzbildung sind die Drosseln 44a, 44b und 44c über die geschlossenen Schalter 62a, 62b und 62c und den geschlossenen Netzschalter 66a mit dem drei-phasigen Wechselspannungsanschluss 24 bzw. den Phasenanschlüssen 24a, 24b und 24c gekoppelt. Bei der Netzrückspeisung einer Wechselspannung V_24a, V_24b und V_24c ist der Schalter 66b vorzugsweise geschlossen, um unter Verwendung des Nullleiteranschlusses 24d und unter Verwendung der Filteranordnung 68 bzw. der Netzkondensatoren 68a, 68b und 68c für die jeweiligen Phasen eine Filterung der zurückgespeisten Wechselspannungen V_24a, V_24b und V_24c zu erreichen.
In dem zweiten Schaltzustand 52 sind die zwei Schalter 62a und 62b zur Ankopplung der Drosseln 44a und 44b an die Phasenanschlüsse 24a und 24b sowie der Netzschalter 66a geschlossen. Des Weiteren ist der erste Pol 18a des ersten Gleichspannungsanschlusses 18 über den geschlossenen Schalter 64c und die Drossel 44c an die Brückenschaltung 42 gekoppelt, während der zweite Pol 18b des ersten Gleichspannungsanschlusses 18 über den Schalter 65 an die Brückenschaltung 42 bzw. genauer an die Potenzialführung 48b der Brückenschaltung 42 gekoppelt ist. Analog zu dem ersten Schaltzustand 50 ist im Falle von Rückspeisung von Wechselspannungen V_24ab, wenn also durch die Stromrichterschaltung 40 Energie über den Wechselspannungsanschluss V_24ab abgegeben wird, der Schalter 66b zur Filterung der Wechselspannung V_24ab geschlossen. Optional könnte der Schalter 62b auch geöffnet sein, wenn ein Nulleiteranschluss an die Brückenschaltung 42 angeschlossen ist, beispielsweise zwischen den zwei in Serie geschalteten Kapazitäten des Zwischenkreises 72.
In dem dritten Schaltzustand sind die Schalter 62a und 62b sowie der Netzschalter 66a geschlossen und die Drosseln 44a und 44b sind somit mit den Phasenanschlüssen 24a und 24b gekoppelt, wodurch eine ein-phasige Ladung (bzw. basierend auf ein-phasiger Wechselspannung), beispielsweise einer Batterie 30, ermöglicht wird. Zur ein-phasigen Rückspeisung oder ein-phasigen Inselnetzbildung oder Ladung wird optional zusätzlich der Schalter 66b geschlossen, so dass die Kapazitäten 68a und 68b die Wechselspannung V_24ab unter Verwendung des Nulleiteranschlusses 24d in ähnlicher Weise filtern. Optional könnte der Schalter 62b auch geöffnet sein, wenn ein Nulleiteranschluss an die Brückenschaltung 42 angeschlossen ist, beispielsweise zwischen den zwei in Serie geschalteten Kapazitäten des Zwischenkreises 72.
In diesem Ausführungsbeispiel dient der vierte Schaltzustand zum Anschluss an ein Split-Phasen-Netz zur Ladung der Batterie 30 oder zur Entladung der Batterie 30 bzw. zur Rückspeisung oder Inselnetzbildung. In dem vierten Schaltzustand sind die Schalter 62a, 62b und 62c sowie der Netzschalter 66a geschlossen. In diesem vierten Schaltzustand ist eine Split-Phasen-Rückspeisung möglich, wobei dann wiederum die Filteranordnung 68 mittels des geschlossenen Schalters 66b mit dem Nulleiteranschluss 24d gekoppelt ist und zur Filterung der Wechselspannungen V_24ab und V_24cb genutzt wird. Mit diesem vierten Schaltzustand kann ein Inselnetz oder eine Netzrückspeisung gemäß den nordamerikanischen Anforderungen bereitgestellt werden. Optional könnte der Schalter 62b auch geöffnet sein, wenn ein Nulleiteranschluss an die Brückenschaltung 42 angeschlossen ist, beispielsweise zwischen den zwei in Serie geschalteten Kapazitäten des Zwischenkreises 72.
Alternativ ist es auch für den ersten, zweiten, dritten und vierten Schaltzustand möglich, dass eine Rückspeisung von Energie über den Wechselspannungsanschluss 24, ohne Filterung der Wechselspannungen V_24ab, V_24a, V_24b, V_24c bzw. V_24cb, also mit geöffnetem Schalter 66b, stattfindet.
In dem fünften Schaltzustand, der zur Gleichspannungsladung, beispielsweise der Batterie 30, oder zur Gleichspannungs-Rückspeisung bzw. zur Bereitstellung einer Gleichspannungsversorgung dient, sind die Schalter 64a, 64b und 64c geschlossen und so der erste Pol 18a des ersten Gleichspannungsanschluss 18 an die Mittelknoten 45a, 45b und 45c über die drei Drosseln 44a, 44b und 44c angekoppelt. In diesem fünften Schaltzustand ist der (optionale) Schalter 65 geschlossen und so der zweite Pol 18b des ersten Gleichspannungsanschlusses 18 an die zweite Potentialführung 48b angekoppelt. Durch die Verwendung aller drei Drosseln 44a, 44b und 44c in dem fünften Schaltzustand ist eine besonders Leistungsfähige Energieübertragung zwischen der Batterie 30 und dem ersten Gleichspannungsanschluss möglich.
Für den Fachmann ist es ersichtlich, dass eine veränderte Kopplungs-Kombination, z. B. eine überkreuzte Ankopplung der drei Drosseln 44a, 44b und 44c an die drei Phasenanschlüsse 24a, 24b und 24c, zusammen mit einer Variation der einzelnen Schalterstellungen in dem Schaltungsnetzwerk 46 nichts an der grundsätzlichen Funktionsweise ändern würde, wenn in dem jeweiligen Schaltzustand an den einzelnen Anschlüssen 18, 24 und 32 die jeweiligen Spannungen V_18ab, V_24ab und V_32ab in den jeweiligen Wandlungsmodi bereitgestellt werden. Ein Beispiel hierfür ist eine Wechselspannungs-Gleichspannungs-Wandlung von ein-phasiger Wechselspannung V_24bc, die zwischen den zwei Phasenanschlüssen 24b und 24c anliegt, in Gleichspannung V_32ab an dem zweiten Gleichspannungsanschluss 32. Diese Funktionsweise für ein-phasige Wechselspannungs-Gleichspannungs-Wandlung, die der eben beschriebenen Funktionsweise in dem dritten Schaltungszustand entspricht, könnte beispielsweise mittels einer Ankopplung der Drosseln 44b und 44c über die Schalter 62b und 62c zusammen mit dem Netzschalter 66a an die zwei Phasenanschlüsse 24b und 24c erreicht werden.
Das in 2a diskutierte Ausführungsbeispiel wird bevorzugt in einer Vorrichtung mit einer separaten Leistungselektronik für die Antriebsumrichtung benutzt, bzw. benutzt optional eine separate Leistungselektronik für die Antriebsumrichtung, und stellt sozusagen als Ersatz für ein in einem Fahrzeug befindliches Ladegerät, welches auch als Onboard-Ladegerät bezeichnet wird, eine zusätzliche Leistungselektronik bereit. Eine derartige Stromrichterschaltung 60 ist vorteilhaft, da die Normen für die Einspeisung von Strom in das öffentliche Netz eingehalten werden, bzw. da bei Netzrückspeisung die Einhaltung der Normen mit vergleichsweise geringen Aufwand möglich ist, und eine Verbesserung des Wirkungsgrades erreicht wird, bzw. erreicht werden kann, indem die Brückenschaltungen 42a, 42b und 42c (Leistungselektronik) und die Drosseln 44a, 44b und 44c optimal für die bidirektionale Wandlung von Gleichspannung in Gleichspannung und von Gleichspannung in Wechselspannung bzw. umgekehrt und die entsprechenden Leistungen ausgelegt werden bzw. sind. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass bei diesem Ausführungsbeispiel und bei Verwendung einer zusätzlichen Leistungselektronik für die Antriebsumrichtung ein gleichzeitiger Antriebsbetrieb und Ladebetrieb, z. B. durch eine an dem Fahrzeug angebrachte Gleichspannungsquelle 20, wie beispielsweise ein induktiver Energieübertrager, eine Solarzelle oder Brennstoffzelle, oder Wechselspannungsquelle 26, wie beispielsweise eine Drehstromlichtmaschine, die mit einem Hilfsmotor gekoppelt ist, möglich ist.
2b zeigt eine Stromrichterschaltung 80, die die Leistungselektronik für die Antriebsumrichtung nutzt bzw. umfasst. Grundsätzlich entspricht die Topologie der Stromrichterschaltung 80 der Topologie der Stromrichterschaltung 60, wobei das Schaltnetzwerk 46 drei Wechselschalter 82a, 82b und 82c anstelle der Schalter 62a, 62b und 62c umfasst. Die Stromrichterschaltung 80 ist infolgedessen ausgebildet, um in einer ersten Schaltstellung der Wechselschalter 82a, 82b und 82c die drei Phasen 24a, 24b und 24c des Wechselspannungsanschlusses 24 an die Drosseln 44a, 44b und 44c zu koppeln und um in einer zweiten Schaltstellung der Wechselschalter 82a, 82b und 82c eine ein- oder drei-phasige Elektro-Maschine (E-Maschine) 84 an die Drosseln 44a, 44b und 44c anzukoppeln. Im Übrigen wird darauf hingewiesen, dass die drei Wechselschalter 82a, 82b und 82c optional mehr als zwei Schalterstellungen umfassen können, um zu ermöglichen, dass die Drosseln 44a, 44b und 44c in einer dritten Schalterstellung sowohl von der E-Maschine 84 als auch von den drei Phasenanschlüssen 24a, 24b und 24c des Wechselspannungsanschlusses 24 abgetrennt sind.
Im Antriebsbetrieb wird die E-Maschine mit Wechselspannung V_84a, V_84b und V_84c entweder ein-phasig oder drei-phasig basierend auf einer Gleichspannung V_32ab an dem zweiten Gleichspannungsanschluss 32 versorgt. Die Wechselspannungen zur Versorgung der E-Maschine 84 werden in derselben Weise bereitgestellt wie die Wechselspannungen V_24a, V_24b und V_24c, wenn die Stromrichterschaltung 60 bzw. die Stromrichterschaltung 80 Energie in das Wechselspannungsnetz 26 einspeist bzw. rückspeist. Im Generatorbetrieb stellt die E-Maschine 84 ein-phasige oder drei-phasige Wechselspannungen V_84ab, V_84a, V_84b und/oder V_84c bereit, die über die drei Drosseln 44a, 44b und 44c sowie die Brückenschaltung 42 in Gleichspannung V_32ab an dem zweiten Gleichspannungsanschluss 32 gewandelt werden. Vorteilhaft ist es, dass die Induktivitäten 44a, 44b und 44c, die in Serie zu den Motorwicklungen der E-Maschine 84 geschaltet sind, den Motorstrom im Antriebsbetrieb glätten können. Beim ein-phasigen Betrieb der E-Maschine 84 wird beispielsweise über die Wechselschalter 82a und 82b eine echte Teilmenge der Drosseln 44a, 44b und 44c an die E-Maschine 84 gekoppelt, nämlich beispielsweise die Drosseln 44a und 44b.
Alternativ bzw. optional ist es in einer weiteren Schalterstellung der drei Wechselschalter 82a, 82b und 82c möglich, die E-Maschine 84 ein-phasig oder drei-phasig an den Wechselspannungsanschluss 24 bzw. an die drei Phasenanschlüsse 24a, 24b und 24c zu koppeln, um auf Basis der Wechselspannung V_84a, V_84b und V_84c eine Wechselspannung V_24a, V_24b und V_24c oder auf Basis der Wechselspannung V_84ab eine Wechselspannung V_24ab bereitzustellen. Diese Alternative würde beispielsweise die Ankopplung eines Dieselgenerators zur Rückspeisung von Wechselspannung in Wechselspannungsnetz ermöglichen.
Eine weitere Alternative, neben der oben genannten, wäre es, in einer weiteren Schalterstellung der drei Wechselschalter 82a, 82b und 82c, die E-Maschine 84 ein-phasig oder drei-phasig an den Wechselspannungsanschluss 24 und gleichzeitig an die Drosseln 44a, 44b und 44c zu koppeln, um auf Basis der Wechselspannung V_84a, V_84b und V_84c eine Wechselspannung V_24a, V_24b und V_24c oder auf Basis der Wechselspannung V_84ab eine Wechselspannung V_24ab bereitzustellen und gleichzeitig auf Basis der Wechselspannung V_84a, V_84b und V_84c oder der Wechselspannung V_84ab eine Gleichspannung V_32ab an dem Gleichspannungsanschluss 32 und/oder eine Gleichspannung V_18ab an dem Gleichspannungsanschluss 18 bereitzustellen. Diese Alternative würde darüber hinaus beispielsweise die Ankopplung eines Dieselgenerators zur Rückspeisung von Wechselspannung in Wechselspannungsnetz bei gleichzeitiger Ladung einer Batterie ermöglichen.
Alternativ bzw. optional kann bei ein-phasigen Betrieb der E-Maschine 84, gleichzeitig zum Motorbetrieb oder Generatorbetrieb der E-Maschine 84, auch eine Umwandlung, beispielsweise einer Gleichspannung V_32ab an dem zweiten Gleichspannungsanschluss 32 in eine Gleichspannung V_18ab an dem ersten Gleichspannungsanschluss 18 erfolgen, in Analogie zu dem zweiten Schaltzustand 52.
Anwendungsszenarien gemäß Fig. 3
Im Folgenden werden verschiedene Anwendungsszenarien für die Stromrichterschaltungen 40 und 60 anhand der 3a bis 3d beschrieben, wobei je nach Anwendungsszenario unterschiedliche Beschaltungen vorliegen.
3a zeigt ein vereinfachtes Schaubild einer Stromrichterschaltung 90, die einen Gleichspannungs-Gleichspannungs-Wandler 70 und eine multifunktionale Stromrichtereinheit 92 aufweist, wobei die multifunktionale Stromrichtereinheit 92 die Drosseln 44, die Brückenschaltung 42 sowie das Schaltnetzwerk 46 umfasst. An dem Gleichspannungs-Gleichspannungs-Wandler 70 ist der zweite Gleichspannungsanschluss 32 vorgesehen, an den die Batterie 30 mit einer Gleichspannung V_32ab angeschlossen ist. Die Batterie 30 kann zu der Stromrichterschaltung 90 gehören oder extern sein. Der Wechselspannungsanschluss 24 mit den drei Phasenanschlüssen 24a, 24b und 24c ist mit dem Wechselspannungsnetz 26 verbunden und kann so drei-phasige Wechselspannung V_24a, V_24b und V_24c beziehen oder bereitstellen. Der erste Gleichspannungsanschluss 18 ist mit einem Gleichspannungsnetz 20 oder Gleichspannungsspeicher mit einer Gleichspannung V_18ab verbunden.
Anhand der Stromrichterschaltung 90 wird im Folgenden der erste Schaltzustand 50 (drei-phasige Batterieladung bzw. drei-phasige Wechselspannungsrückspeisung), und der fünfte Schaltzustand (Gleichspannungs-Ladung) erläutert. Die Ladung der Batterie 30 kann entweder drei-phasig über das Wechselspannungsnetz 26 oder über das Gleichspannungsnetz 20, z. B. durch einen induktiven Energieübertrager, erfolgen. Die Rückspeisung ist entweder drei-phasig in das Wechselspannungsnetz 26 oder in das Gleichspannungsnetz 20 oder z. B. in einen Gleichspannungsspeicher wie ein Super-Kondensator („Super-Cap”) möglich. Des Weiteren kann ein drei-phasiges Inselnetz, welches autark und netzparallel arbeitet, aufgebaut werden. In diesem Fall werden allerdings Wirk- und Blindleistung nur für symmetrische Verbraucher zur Verfügung gestellt. Im Vergleich zu der Stromrichtervorrichtung 10 aus 4 ersetzt die multifunktionale Stromrichtereinheit 92 in dem dargestellten Ausführungsbeispiel die Wandler 12 und 14.
3b zeigt eine vereinfachte Darstellung einer Stromrichterschaltung 94, die analog zu Stromrichterschaltung 90 der 3a die multifunktionale Stromrichtereinheit 92 und den Gleichspannungs-Gleichspannungs-Wandler 70 umfasst. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist im Unterschied zu dem in 3a dargestellten Ausführungsbeispiel ein Wechselspannungsnetz 26 mit einer ein-phasigen Wechselspannung V_24ab über die zwei Phasenanschlüsse 24a und 24b mit der Stromrichterschaltung 94 verbunden. Das Gleichspannungsnetz 20 ist bei diesem Ausführungsbeispiel gemäß 3b, wie auch bei dem in 3a gezeigten Ausführungsbeispiel, an den ersten Gleichspannungsanschluss 18 der Stromrichterschaltung 94 angeschlossen und die Batterie 30 an den zweiten Gleichspannungsanschluss 32.
Anhand dieses Ausführungsbeispiels wird der zweite Schaltzustand 52 bzw. der dritten Schaltzustand erläutert, in dem die Batterie 30 ein-phasig über das Wechselspannungsnetz 26 geladen wird; gleichzeitig ist in dem zweiten Schaltzustand 52 eine Ladung mittels einer Gleichspannung V_18ab aus dem Gleichspannungsnetz 20 möglich, so dass beispielsweise gleichzeitig Energie von dem Wechselspannungsnetz 26 und Energie von dem Gleichspannungsnetz 20 in der Batterie 30 gespeichert wird. Ebenso ist eine Ladung der Batterie 30 über das Wechselspannungsnetz 26, bei gleichzeitiger Rückspeisung einer Gleichspannung V_18ab in das Gleichspannungsnetz 20 möglich.
Eine Rückspeisung ist ein-phasig in das Wechselspannungsnetz 26 und/oder gleichzeitig in das Gleichspannungsnetz 20 bzw. einen Gleichspannungsspeicher, z. B. einen Super-Kondensator, möglich. Des Weiteren kann auch eine ein-phasige Rückspeisung in das Wechselspannungsnetz 26 bei gleichzeitiger Ladung der Batterie 30 mittels des Gleichspannungsnetzes 20 erfolgen. Mit der Stromrichterschaltung 94 kann ein Gleichspannungsnetz 20 bzw. eine Gleichspannungsversorgung oder ein ein-phasiges Inselnetz 26 bereitgestellt werden, wobei diese autark und netzparallel arbeiten können. Für das Wechselspannungsnetz 26 wird, sofern erforderlich, Wirk- und Blindleistung zu Verfügung gestellt.
Diese beschriebenen Anwendungsszenarien der Stromrichterschaltungen 90 und 94 können beispielsweise genutzt. werden, um die Batterie 30 eines Elektrofahrzeugs mittels einer Gleichspannung V_18ab aus Solarzellen bzw. aus einem DC-Netz bzw. aus einem induktiven Energieübertrager, die an dem Gleichspannungsanschluss 18 angeschlossen sind, und gleichzeitig zur Leistungserhöhung mittels einer ein-phasigen Wechselspannung V_24ab über den Wechselspannungsanschluss 24 zu laden, was dem zweiten Schaltzustand entspricht. Wenn die Gleichspannung V_18ab aus den Solarzellen nicht mehr ausreicht, könnte in den ersten Schaltzustand umgeschaltet werden, so dass die Batterie 30 mit drei-phasiger Wechselspannung V_24a, V_24b und V_24c geladen wird. Eine derartige umschaltbare Stromrichterschaltung ermöglicht, bei geringer Bauteilanzahl, sozusagen eine Ladung einerseits mittels Solarstroms bzw. mittels Stroms aus einem induktiven Energieübertrager und mittels ein-phasigen Wechselstroms oder andererseits eine schnellere Ladung mittels drei-phasigen Wechselstroms.
3c zeigt eine vereinfachte Darstellung einer Stromrichterschaltung 96, die der Stromrichterschaltung 90 entspricht und der multifunktionalen Stromrichtereinheit 92 und den Gleichspannungs-Gleichspannungs-Wandler 70 umfasst. An dem ersten Gleichspannungsanschluss 18 ist wiederum das Gleichspannungsnetz 20 mit einer Gleichspannung V_18ab angeschlossen und an dem zweiten Gleichspannungsanschluss 32 ist die Batterie 30 mit der Gleichspannung V_32ab angeschlossen. An dem Wechselspannungsanschluss 24 ist ein Wechselspannungsnetz 26 mit einer geteilten Phase, auch Splitphase genannt, angeschlossen, d. h. die erste Phase des Wechselspannungsnetzes 26 ist über den ersten Phasenanschluss 24a und die zweite um 180° gedrehte Phase über den dritten Phasenanschluss 24c mit der Stromrichterschaltung 94 verbunden, während der „zweite Pol” des Wechselspannungsnetzes 26, z. B. der Nullleiter, an den zweiten Phasenanschluss 24b angeschlossen ist.
Bei diesem Ausführungsbeispiel befindet sich die multifunktionale Stromrichtereinheit 92 und insbesondere das Schaltnetzwerk 46 in dem vierten bzw. fünften Schaltzustand. Hierbei ist die Ladung der Batterie 30 entweder über das Wechselspannungsnetz 26 mit der Netzform „Splitphase” möglich oder über das Gleichspannungsnetz 20. Eine Rückspeisung ist umgekehrt über die gesplitteten Phasen in das Wechselspannungsnetz 26 oder in das Gleichspannungsnetz 20 bzw. einen Gleichspannungsenergiespeicher, wie z. B. einen Super-Kondensator, möglich. Es kann ein Inselnetz mit der Netzform „Splitphase” gebildet werden. Dieses System ist schieflastfähig und stellt Wirk- und Blindleistung zur Verfügung.
3d zeigt eine Stromrichterschaltung 98, die der Stromrichterschaltung 90 entspricht, bei der allerdings zusätzlich die E-Maschine 84 an die multifunktionale Stromrichtereinheit 92 angekoppelt ist. Die multifunktionale Stromrichtereinheit 92 kann in diesem Ausführungsbeispiel die E-Maschine 84 wie z. B. einen Elektromotor antreiben oder über die E-Maschine 84, z. B. ein Generator, Wechselspannung beziehen. Die E-Maschine 84 kann hierbei ein-phasig oder drei-phasig betrieben werden. Abhängig von dem jeweiligen Schaltzustand des Schaltnetzwerks 46 der multifunktionalen Stromrichtereinheit 92 kann ein Wechselspannungsnetz 26 entweder ein-phasig, drei-phasig oder split-phasig angekoppelt werden. Ferner können die Gleichspannungen V_18ab und V_32ab über die jeweiligen Gleichspannungsanschlüsse 18 und 32 angekoppelt werden.
Obwohl manche Aspekte im Zusammenhang mit einer Vorrichtung beschrieben wurden, versteht es sich, dass diese Aspekte auch eine Beschreibung des entsprechenden Verfahrens darstellen, sodass ein Block oder ein Bauelement einer Vorrichtung auch als ein entsprechender Verfahrensschritt oder als ein Merkmal eines Verfahrensschrittes zu verstehen ist. Analog dazu stellen Aspekte, die im Zusammenhang mit einem oder als ein Verfahrensschritt beschrieben wurden, auch eine Beschreibung eines entsprechenden Blocks oder Details oder Merkmals einer entsprechenden Vorrichtung dar.
Zusammenfassend ist in anderen Worten festzustellen, dass bei einigen Ausführungsbeispielen die Innovation in der Verwendung der gleichen Leistungshalbleiter 42a_1, 42a_2, 42b_1, 42b_2, 42c_1 und 42c_2 (Brückenschalter) und Induktivitäten 44a, 44b und 44c (Drosseln) für alle Energieflussrichtungen sowie Spannungsformen gesehen wird. Es werden nur die gleichen Halbleiter oder die gleichen Drosseln für DC/DC-, AC/DC- und DC/AC-Wandlung verwendet, wobei auch AC-Quellen ohne zusätzliche Wandlungseinheit verwendet werden können. Infolge dessen bietet die Erfindung die Möglichkeit, Baugruppen einzusparen. Bei anderen Anwendungen kamen bis jetzt nur modular verschaltete Baugruppen zum Einsatz, die allerdings keinen so guten Kompromiss zwischen Kosten, Platzbedarf, Gewichtsbedarf und Funktionalität schaffen.
Zur Nutzung der gleichen Komponenten ist eine Umschaltvorrichtung (Schaltnetzwerk 46) vorgesehen. Eine interne Umschaltvorrichtung (Schaltnetzwerk 46) besteht derzeit aus den Schaltern 62a, 62b und 62c sowie aus den Schaltern 64a, 64b und 64c. Auch wenn diese Umschaltvorrichtung oder Schaltertopologie (Schaltnetzwerk 46) extern vorgesehen wird, ändert es nichts an der grundsätzlichen Idee bzw. dem Kern der Erfindung. Der Einsatz von Induktivitäten, die in Serie zu den Motorwicklungen geschaltet sind, glättet den Motorstrom. Im Wesentlichen dienen die Induktivitäten allerdings zur Einhaltung der Normen für die Einspeisung in das öffentliche Netz, so dass bei dieser Erfindung ggf. Motorwicklungen verwendet werden können, die nicht für einen solchen Einsatz ausgelegt sind. Ausführungsbeispiele gemäß der vorliegenden Erfindung ermöglichen demzufolge eine gleichzeitige und nicht gleichzeitige Wandlung der unterschiedlichen Energieformen in unterschiedliche Energierichtungen mit minimaler Leistungselektronik.
Ein wesentliches Anwendungsgebiet der Erfindung ist in der Automobilindustrie zu sehen, speziell in Anwendungen für Elektrofahrzeuge zum Laden nicht nur von dem öffentlichen Netz, sondern auch von einer DC-Quelle, wie zum Beispiel mittels einer induktiven Energieübertragung. Durch diese Maßnahme können Kosten, Platzbedarf und Gewicht gemindert werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102009033185 A1 [0010]
DE 102009017087 A1 [0011, 0012]
DE 102009021797 A1 [0012]
DE 102009007960 A1 [0014]
DE 102009033955 A1 [0015]

Claims

Stromrichterschaltung (40, 60, 80, 90, 94, 96, 98) mit folgenden Merkmalen: einer Brückenschaltung (42) mit drei Halbbrücken (42a, 42b, 42c); drei Drosseln (44a, 44b, 44c), die jeweils an einem Mittelknoten (45a, 45b, 45c) der Halbbrücken (42a, 42, 42c) angeschlossen sind; einem Schaltnetzwerk (46), welches ausgebildet ist, um die drei Drosseln (44a, 44b, 44c) in schaltbarer Weise mit einem Wechselspannungsanschluss (24) und einem ersten Gleichspannungsanschluss (18) zu verbinden; und einem zweiten Gleichspannungsanschluss (32), der mit einer ersten gemeinsamen Potenzialführung (48a) der Brückenschaltung (42) und einer zweiten gemeinsamen Potenzialführung (48b) der Brückenschaltung (42) verbunden ist; wobei die Stromrichterschaltung (40, 60, 80, 90, 94, 96, 98) ausgebildet ist, um das Schaltnetzwerk (46) in einen ersten Schaltzustand (50) zu versetzen, in dem die drei Drosseln (44a, 44b, 44c) über das Schaltnetzwerk (46) mit drei unterschiedlichen Phasenanschlüssen (24a, 24b, 24c) des Wechselspannungsanschlusses (24) gekoppelt sind, um basierend auf einer an dem zweiten Gleichspannungsanschluss (32) anliegenden Gleichspannung (V_32ab) an dem Wechselspannungsanschluss (24) eine Wechselspannung (V_24a, V_24b, V_24c) bereitzustellen oder basierend auf einer an dem Wechselspannungsanschluss (24) anliegenden Wechselspannung (V_24a, V_24b, V_24c) an dem zweiten Gleichspannungsanschluss (32) eine Gleichspannung (V_32ab) bereitzustellen, und wobei die Stromrichterschaltung (40, 60, 80, 90, 94, 96, 98) ausgebildet ist, um das Schaltnetzwerk (46) in einen zweiten Schaltzustand (52) zu versetzen, in dem eine erste Drossel (44a) der drei Drosseln (44a, 44b, 44c) über das Schaltnetzwerk (46) mit einem der Phasenanschlüsse (24a, 24b, 24c) des Wechselspannungsanschlusses (24) gekoppelt ist, um basierend auf einer an dem zweiten Gleichspannungsanschluss (32) anliegenden Gleichspannung (V_32ab) an dem Wechselspannungsanschluss (24) eine Wechselspannung (V_24ab) bereitzustellen oder basierend auf einer an dem Wechselspannungsanschluss (24) anliegenden Wechselspannung (V_24ab) an dem zweiten Gleichspannungsanschluss (32) eine Gleichspannung (V_32ab) bereitzustellen, und in dem eine weitere Drossel der drei Drosseln (44a, 44b, 44c) über das Schaltnetzwerk (46) mit dem ersten Gleichspannungsanschluss (18) gekoppelt ist, um basierend auf einer an dem zweiten Gleichspannungsanschluss (32) anliegenden Gleichspannung (V_32ab) an dem ersten Gleichspannungsanschluss (18) eine Gleichspannung (V_18ab) bereitzustellen oder basierend auf einer an dem ersten Gleichspannungsanschluss (18) anliegenden Gleichspannung (V_18ab) an dem zweiten Gleichspannungsanschluss (32) eine Gleichspannung (V_32ab) bereitzustellen.
Stromrichterschaltung (40, 60, 80, 90, 94, 96, 98) gemäß Anspruch 1, wobei die Stromrichterschaltung (40, 60, 80, 90, 94, 96, 98) ausgebildet ist, um das Schaltnetzwerk (46) in einen dritten Schaltzustand zu versetzen, in dem eine der drei Drosseln (44a, 44b, 44c) über das Schaltnetzwerk (46) mit einem der drei Phasenanschlüsse (24a, 24b, 24c) des Wechselspannungsanschlusses (24) gekoppelt ist, um basierend auf einer an dem zweiten Gleichspannungsanschluss (32) anliegenden Gleichspannung (V_32ab) an dem Wechselspannungsanschluss (24) eine ein-phasige Wechselspannung (V_24ab) bereitzustellen oder basierend auf einer an dem Wechselspannungsanschluss (24) anliegenden ein-phasige Wechselspannung (V_24ab) an dem zweiten Gleichspannungsanschluss (32) eine Gleichspannung (V_32ab) bereitzustellen, wobei der erste Gleichspannungsanschluss (18) in dem dritten Schaltzustand von der Brückenschaltung (42) abgekoppelt ist.
Stromrichterschaltung (40, 60, 80, 90, 94, 96, 98) gemäß einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei die Stromrichterschaltung (40, 60, 80, 90, 94, 96, 98) ausgebildet ist, um das Schaltnetzwerk (46) in einen vierten Schaltzustand zu versetzen, in dem zwei der drei Drosseln (44a, 44b, 44c) über das Schaltnetzwerk (46) mit zwei unterschiedlichen Phasenanschlüssen (24a, 24c) des Wechselspannungsanschlusses (24) gekoppelt sind, um basierend auf einer an dem zweiten Gleichspannungsanschluss (32) anliegenden Gleichspannung (V_32ab) an dem Wechselspannungsanschluss (24) eine Wechselspannung (V_24ab, V_24b) mit zwei um 180° versetzte Phasen bereitzustellen oder basierend auf einer an dem Wechselspannungsanschluss (24) anliegenden Wechselspannung (V_24ab, V_24b) mit zwei um 180° versetzte Phasen an dem Gleichspannungsanschluss (32) eine Gleichspannung (V_32ab) bereitzustellen, wobei der erste Gleichspannungsanschluss (18) in dem vierten Schaltzustand von der Brückenschaltung (42) abgekoppelt ist.
Stromrichterschaltung (40, 60, 80, 90, 94, 96, 98) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Stromrichterschaltung (40, 60, 80, 90, 94, 96, 98) ausgebildet ist, um das Schaltnetzwerk (46) in einen fünften Schaltzustand zu versetzen, in dem mindestens eine der drei Drosseln (44a, 44b, 44c) über das Schaltnetzwerk (46) mit dem ersten Gleichspannungsanschluss (18) gekoppelt ist, um basierend auf einer an dem zweiten Gleichspannungsanschluss (32) anliegenden Gleichspannung (V_32ab) an dem ersten Gleichspannungsanschluss (18) eine Gleichspannung (V_18ab) bereitzustellen oder basierend auf einer an dem ersten Gleichspannungsanschluss (18) anliegenden Gleichspannung (V_18ab) an dem zweiten Gleichspannungsanschluss (32) eine Gleichspannung (V_32ab) bereitzustellen, wobei der Wechselspannungsanschluss (24) in dem fünften Schaltzustand von der Brückenschaltung (42) abgekoppelt ist.
Stromrichterschaltung (40, 60, 80, 90, 94, 96, 98) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die drei Halbbrücken (42a, 42b, 42c) jeweils mindestens zwei Brückenschalter (42a_1, 42a_2, 42b_1, 42b_2, 42c_1, 42c_2) aufweisen.
Stromrichterschaltung (40, 60, 80, 90, 94, 96, 98) gemäß Anspruch 5, wobei die Brückenschalter (42a_1, 42a_2, 42b_1, 42b_2, 42c_1, 42c_2) durch Halbleiter realisiert sind.
Stromrichterschaltung (40, 60, 80, 90, 94, 96, 98) gemäß einem der Ansprüche 5 oder 6, wobei die Stromrichterschaltung (40, 60, 80, 90, 94, 96, 98) ausgebildet ist, um mittels einer Logik die Brückenschalter (42a_1, 42a_2, 42b_1, 42b_2, 42c_1, 42c_2) anzusteuern.
Stromrichterschaltung (40, 60, 80, 90, 94, 96, 98) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die Stromrichterschaltung (40, 60, 80, 90, 94, 96, 98) drei Schalter (62a, 62b, 62c) zur schaltbaren, selektiven Ankopplung der drei Drosseln (44a, 44b, 44c) an die drei Phasenanschlüsse (24a, 24b, 24c) des Wechselspannungsanschlusses (24) umfasst, wobei die Schalter (62a, 62b, 62c) ausgebildet sind, um in auswählbarer Weise entweder alle der drei Drosseln (44a, 44b, 44c) an die drei Phasenanschlüsse (24a, 24b, 24c) anzukoppeln oder eine echte Teilmenge der drei Drosseln (44a, 44b, 44c) an eine echte Teilmenge der drei Phasenanschlüsse (24a, 24b, 24c) anzukoppeln oder die drei Drosseln (44a, 44b, 44c) von den drei Phasenanschlüsse (24a, 24b, 24c) abzukoppeln.
Stromrichterschaltung (40, 60, 80, 90, 94, 96, 98) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei das Schaltnetzwerk (46) drei Schalter (64a, 64b, 64c) zur schaltbaren, selektiven Ankopplung der drei Drosseln (44a, 44b, 44c) an den ersten Gleichspannungsanschluss (18) umfasst, wobei die Schalter (64a, 64b, 64c) ausgebildet sind, um in auswählbarer Weise entweder alle der drei Drosseln (44a, 44b, 44c) an den ersten Gleichspannungsanschluss (18) oder eine echte Teilmenge der drei Drosseln (44a, 44b, 44c) an den ersten Gleichspannungsanschluss (18) anzukoppeln oder die drei Drosseln (44a, 44b, 44c) von dem ersten Gleichspannungsanschluss (18) abzukoppeln.
Stromrichterschaltung (40, 60, 80, 90, 94, 96, 98) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei das Schaltnetzwerk (46) zusätzlich einen Schalter (66b) zur schaltbaren Ankopplung eines Nullleiters über eine Filteranordnung (68) an die drei Drosseln (44a, 44b, 44c) umfasst.
Stromrichterschaltung (80, 98) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei das Schaltnetzwerk (46) drei Wechselschalter (82a, 82b, 82c) umfasst, wobei die Stromrichterschaltung (80, 98) ausgebildet ist, um in einer ersten Schaltstellung der Wechselschalter (82a, 82b, 82c) die drei Phasenanschlüsse (24a, 24b, 24c) des Wechselspannungsanschlusses (24) an die drei Drosseln (44a, 44b, 44c) zu koppeln und um in einer zweiten Schaltstellung der Wechselschaltung (82a, 82b, 82c) eine ein-phasige oder drei-phasige Elektro-Maschine (84) an die Drosseln (44a, 44b, 44c) anzukoppeln, die im Antriebsbetrieb und im Generatorbetrieb betreibbar ist.
Stromrichterschaltung (80, 98) gemäß Anspruch 11, wobei die Stromrichterschaltung (80, 98) ausgebildet ist, um in einer weiteren Schaltstellung der Wechselschalter (82a, 82b, 82c) die drei Phasenanschlüsse (24a, 24b, 24c) des Wechselspannungsanschlusses (24) an die Elektro-Maschine (84) anzukoppeln oder an die Elektro-Maschine (84) und die drei Drosseln (44a, 44b, 44c) anzukoppeln.
Stromrichterschaltung (40, 60, 80, 90, 94, 96, 98) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 12, wobei die Stromrichterschaltung (40, 60, 80, 90, 94, 96, 98) ausgebildet ist, um in dem ersten, zweiten, dritten und/oder vierten Schaltzustand (50, 52) an dem zweiten Gleichspannungsanschluss (32) eine Gleichspannung (V_32ab) bereitzustellen, deren Betrag um mindestens 10% größer oder kleiner als ein Effektivwert einer an dem Wechselspannungsanschluss (24) anliegenden Wechselspannung (V_24ab, V_24cb), oder um an dem Wechselspannungsanschluss (24) eine Wechselspannung (V_24ab, V_24cb) bereitzustellen, deren Effektivwert um mindestens 10% größer oder kleiner ist als ein Betrag einer an dem zweiten Gleichspannungsanschluss (32) anliegenden Gleichspannung (V_32ab).
Stromrichterschaltung (40, 60, 80, 90, 94, 96, 98) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 13, wobei die Stromrichterschaltung (40, 60, 80, 90, 94, 96, 98) ausgebildet ist, um in dem zweiten und/oder fünften Schaltzustand (50, 52) an dem zweiten Gleichspannungsanschluss (32) eine Gleichspannung (V_32ab) bereitzustellen, deren Betrag um mindestens 10% größer oder kleiner als ein Betrag einer an dem ersten Gleichspannungsanschluss (18) anliegenden Gleichspannung (V_18ab), oder um an dem ersten Gleichspannungsanschluss (18) eine Gleichspannung (V_18ab) bereitzustellen, deren Betrag um mindestens 10% größer oder kleiner ist als ein Betrag einer an dem zweiten Gleichspannungsanschluss (32) anliegenden Gleichspannung (V_32ab).
Stromrichterschaltung (60, 80, 90, 94, 96, 98) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 14, wobei an dem zweiten Gleichspannungsanschluss ein Gleichspannungs-Gleichspannungs-Wandler (70) vorgesehen ist.
Verfahren zum Betreiben einer Stromrichterschaltung (40, 60, 80, 90, 94, 96, 98) mit einer Brückenschaltung (42) mit drei Halbbrücken (42a, 42b, 42c), drei Drosseln (44a, 44b, 44c), die jeweils in einem Mittelknoten (45a, 45b, 45c) der Halbbrücken (42a, 42, 42c) angeschlossen sind, einem Schaltnetzwerk (46), welches ausgebildet ist, um die drei Drosseln (44a, 44b, 44c) in schaltbarer Weise mit einem Wechselspannungsanschluss (24) und einem ersten Gleichspannungsanschluss (18) zu verbinden, und einem zweiten Gleichspannungsanschluss (32), der mit einer ersten gemeinsamen Potenzialführung (48a) der Brückenschaltung (42) und einer zweiten gemeinsamen Potenzialführung (48b) der Brückenschaltung (42) verbunden ist, wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst: Versetzen des Schaltnetzwerks (46) in einen ersten Schaltzustand (50), in dem die drei Drosseln (44a, 44b, 44c) über das Schaltnetzwerk (46) mit drei unterschiedlichen Phasenanschlüssen (24a, 24b, 24c) des Wechselspannungsanschlusses (24) gekoppelt sind; wobei in dem ersten Schaltzustand (50) basierend auf einer an dem zweiten Gleichspannungsanschluss (32) anliegenden Gleichspannung (V_32ab) an dem Wechselspannungsanschluss (24) eine Wechselspannung (V_24ab) bereitgestellt wird, oder wobei in dem ersten Schaltzustand (50) basierend auf einer an dem Wechselspannungsanschluss (24) anliegenden Wechselspannung (V_24ab) an dem zweiten Gleichspannungsanschluss (32) eine Gleichspannung (V_32ab) bereitgestellt wird; und Versetzen des Schaltnetzwerks (46) in einen zweiten Schaltzustand (52), in dem eine erste Drossel (44a) der drei Drosseln (44a, 44b, 44c) über das Schaltnetzwerk (46) mit einem der Phasenanschlüsse (24a, 24b, 24c) des Wechselspannungsanschlusses (24) gekoppelt ist und in dem eine weitere Drossel der drei Drosseln (44a, 44b, 44c) über das Schaltnetzwerk (46) mit dem ersten Gleichspannungsanschluss (18) gekoppelt ist; wobei in dem zweiten Schaltzustand (52) basierend auf einer an dem zweiten Gleichspannungsanschluss (32) anliegenden Gleichspannung (V_32ab) an dem Wechselspannungsanschluss (24) eine Wechselspannung (V_24ab) bereitgestellt wird, oder wobei in dem zweiten Schaltzustand (52) basierend auf einer an dem Wechselspannungsanschluss (24) anliegenden Wechselspannung (V_24ab) an dem zweiten Gleichspannungsanschluss (32) eine Gleichspannung (V_32ab) bereitgestellt wird; und wobei in dem zweiten Schaltzustand (52) basierend auf einer an dem zweiten Gleichspannungsanschluss (32) anliegenden Gleichspannung (V_32ab) an dem ersten Gleichspannungsanschluss (18) eine Gleichspannung (V_18ab) bereitgestellt wird oder basierend auf einer an dem ersten Gleichspannungsanschluss (18) anliegenden Gleichspannung (V_18ab) an dem zweiten Gleichspannungsanschluss (32) eine Gleichspannung (V_32ab) bereitgestellt wird.