DE102017121759A1 - Serienresonante Leistungsumwandlungsvorrichtung sowie Ansteuerverfahren - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft eine serienresonante Leistungsumwandlungsvorrichtung für elektrochemische Energiespeicher mit einer Serienresonanzeinheit enthaltend eine Resonanzinduktivität und einer in Reihe zu derselben angeordneten Resonanzkapazität, wobei ein Übersetzungsverhältnis aus einem Quotienten zwischen einer Ausgangsspannung und einer Eingangsspannung der Serienresonanzeinheit gebildet ist, und mit mindestens einer der Serienresonanzeinheit zugeordneten Schalteinheit, wobei die Serienresonanzeinheit derart ansteuerbar ist, dass die Ausgangsspannung während eines ersten Zeitintervalls, das einer halben Resonanzperiodendauer oder einem Vielfachen der halben Resonanzperiodendauer der Resonanzelemente der Serienresonanzeinheit entspricht, abwechselnd auf einen positiven Spannungswert und auf einen negativen Spannungswert geschaltet wird und dass die Ausgangsspannung in einem zweiten Zeitintervall für eine Anzahl von halben Resonanzperiodendauern auf null geschaltet wird, so dass ein Spannungsübersetzungsverhältnis der Serienresonanzeinheit von größer EINS gebildet ist.
Description
- Die Erfindung betrifft eine serienresonante Leistungsumwandlungsvorrichtung für elektrochemische Energiespeicher mit einer Serienresonanzeinheit enthaltend eine Resonanzinduktivität und einer in Reihe zu derselben angeordneten Resonanzkapazität, wobei ein Übersetzungsverhältnis aus einem Quotienten zwischen einer Ausgangsspannung und einer Eingangsspannung der Serienresonanzeinheit gebildet ist, und mit mindestens einer der Serienresonanzeinheit zugeordneten Schalteinheit.
- Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Ansteuern einer Serienresonanzeinheit enthaltend eine Resonanzinduktivität und eine Resonanzkapazität, die in Reihe geschaltet sind, an deren Eingang eine Eingangsspannung und an deren Ausgang eine Ausgangsspannung anliegt.
- Aus der
DE 196 45 740 A1 ist eine serienresonante Leistungsumwandlungsvorrichtung bekannt, die eine Eingangsschalteinheit mit steuerbaren Schaltbauteilen, eine Serienresonanzeinheit mit einer Resonanzinduktivität und einer Resonanzkapazität, eine Transformatoreinheit, eine Ausgangsschalteinheit mit steuerbaren Schaltbauteilen sowie eine Ansteuereinheit zur Ansteuerung der steuerbaren Schaltbauteile der Eingangsschalteinheit aufweist. Die Ansteuereinheit schaltet die schaltbaren Bauteile derart an, dass ausgangsseitig der Eingangsschalteinheit bzw. eingangsseitig der Serienresonanzeinheit positive oder negative Spannungspegel anliegen. Im Betrieb schwingt der Strom in der Serienresonanzeinheit mit einem sinusförmigen Signalverlauf bei der Resonanzfrequenz. Um schnell auf Lastveränderungen anzusprechen, verwendet die Ansteuereinheit bei einer niedrigen Ausgangsleistung Phasenmodulation zum Schalten der schaltbaren Schaltbauteile und bei einer hohen Ausgangsleistung Frequenzmodulation zur Steuerung der steuerbaren Schaltbauteile. - Weiterhin ist aus der
DE 10 2012 212 291 A1 eine serienresonante Leistungsumwandlungsvorrichtung bekannt, die für eine leistungsfähige Gleichstrom-Schnellladestationen eingesetzt wird. Die serienresonante Leistungsumwandlungsvorrichtung weist eine Eingangsschalteinheit, eine Serienresonanzeinheit, eine Transformatoreinheit und eine Ausgangsschalteinheit auf. Ein Spannungsübersetzungsverhältnis zwischen dem Eingang und dem Ausgang wird allein durch das Übersetzungsverhältnis der Transformatoreinheit eingestellt und ist somit nicht zur Laufzeit aktiv regelbar/anpassbar. - Aus der
US 7 843 708 B2 ist eine serienresonante Leistungsumwandlungsvorrichtung bekannt, die eine Eingangsschalteinheit mit steuerbaren Schaltbauteilen, eine Serienresonanzeinheit mit einer Resonanzinduktivität und mit einer Resonanzkapazität, eine Transformatoreinheit, eine Ausgangsschalteinheit mit steuerbaren Schaltbauteilen sowie eine Ansteuereinheit zur Ansteuerung der Einschalteinheit aufweist. Die Ansteuereinheit ist derart ausgelegt, dass die Schaltverluste minimiert werden. Die Serienresonanzeinheit wird bei einer Resonanzfrequenz betrieben, wobei sich ein sinusförmiger Strom einstellt. Im stationären Betrieb der Serienresonanzeinheit ist das Spannungsübersetzungsverhältnis zwischen einer Eingangsspannung und einer Ausgangsspannung der Serienresonanzeinheit stets eins. Laständerungen am Ausgang der Leistungsumwandlungsvorrichtung werden über eine die Serienresonanzeinheit aufschwingende Spannung so lange selbststabilisierend ausgeglichen, bis sich der stationäre Zustand wieder eingestellt hat. Nachteilig hieran ist, dass das Spannungsverhältnis in der Serienresonanzeinheit bei eins liegt und daher im Wesentlichen nur über die Transformatoreinheit eine Veränderung des Spannungsverhältnisses zwischen Ausgang und Eingang der Leistungsumwandlungsvorrichtung gewährleistet ist. - Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine serienresonante Leistungsumwandlungsvorrichtung sowie ein Verfahren zum Ansteuern einer Serienresonanzeinheit anzugeben, dass auf einfache Weise ein relativ weiter Spannungsstellbereich bereitgestellt und die zu übertragende Leistung gezielt geregelt werden kann.
- Zur Lösung dieser Aufgabe ist die serienresonante Leistungsumwandlungsvorrichtung in Verbindung mit dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 dadurch gekennzeichnet, dass die Serienresonanzeinheit derart ansteuerbar ist, dass die Ausgangsspannung während eines ersten Zeitintervalls, das einer halben Resonanzperiodendauer oder einem Vielfachen der halben Resonanzperiodendauer der Resonanzelemente der Serienresonanzeinheit entspricht, abwechselnd auf einen positiven Spannungswert und auf einen negativen Spannungswert geschaltet wird und dass die Ausgangsspannung in einem zweiten Zeitintervall für eine Anzahl von halben Resonanzperiodendauern auf null geschaltet wird, so dass ein Spannungsübersetzungsverhältnis der Serienresonanzeinheit von größer EINS gebildet ist.
- Der besondere Vorteil der Erfindung besteht darin, dass eine Serienresonanzeinheit durch entsprechende Ansteuerung zur Einstellung eines Spannungsstellbereiches genutzt werden kann, bei dem eine Ausgangsspannung der Serienresonanzeinheit in einem weiten Bereich größer ist als eine Eingangsspannung derselben. Nach der Erfindung entsteht ein neues Modulationsmuster, dessen Makroperiodendauer ein Vielfaches der halben Resonanzperiodendauer der Serienresonanzeinheit entspricht. Die Ausgangsspannung der Serienresonanzeinheit weist nicht nur positive und negative Spannungspegel, sondern auch den Nullspannungspegel auf.
- Nach einer Weiterbildung der Erfindung werden Schaltbauteile einer Ausgangsschalteinheit derart angesteuert, dass die Ausgangsspannung der Serienresonanzschalteinheit nicht nur positive und negative Pegel annehmen kann, sondern auch einen Nullwert. Die positiven und negativen Spannungspegel liegen in einem ersten Zeitintervall vor, das einem Vielfachen der halben Resonanzperiodendauer entspricht. Die Nullwerte der Eingangsspannung bzw. Ausgangsspannung liegen in einem zweiten Zeitintervall vor, der einer vorgegebenen Anzahl der halben Resonanzperiodendauer entspricht. Das erste Zeitintervall und das zweite Zeitintervall liegen in einer Makroperiodendauer, wobei aus dem Verhältnis aus dem zweitem Zeitintervall zu dem ersten Zeitintervall ein Spannungsübersetzungsverhältnis der Serienresonanzeinheit abgeleitet werden kann. Nach der Erfindung entsteht somit eine Makroperiodendauer, die einem Vielfachen der halben Resonanzperiodendauer entspricht. Vorteilhaft kann die Serienresonanzeinheit somit zu einer Erhöhung einerseits oder zur Erhöhung und Verringerung eines Spannungsübersetzungsverhältnisses der Leistungsumwandlungsvorrichtung andererseits beitragen. Es kann somit ein schnelleres und effektiveres Laden von elektrischen Speichersystemen, beispielsweise von Elektrofahrzeugen, erfolgen.
- Nach einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist ein Hochsetz-Betrieb der Serienresonanzeinheit gewährleistet, wobei die Spannung ausgangsseitig erhöht werden kann im Vergleich zur Eingangsspannung. Vorteilhaft kann hierdurch die Serienresonanzeinheit nach Art eines Hochsetzstellers eingesetzt werden.
- Nach einer Weiterbildung der Erfindung ist einer Eingangsspannung der Serienresonanzeinheit eine Eingangsschalteinheit und/oder einer Ausgangsspannung der Serienresonanzeinheit eine Ausschalteinheit zugeordnet, so dass vorzugsweise durch Ausbildung jeweils derselben als Voll- bzw. Halbbrückenschaltung der Nullspannungspegel eingangsseitig- und/oder ausgangsseitig eingestellt werden kann.
- Nach einer Weiterbildung der Erfindung sind die Eingangsschalteinheit und/oder die Ausgangsschalteinheit derart ansteuerbar, dass der Resonanzstrom innerhalb der Makroperiodendauer zur Null gebracht werden kann, so dass die Serienresonanzeinheit eine Regelfunktion ausüben kann.
- Nach einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die Serienresonanzeinheit eingangsseitig unmittelbar mit der Eingangsschalteinheit und ausgangsseitig über eine Transformatoreinheit mit der Ausgangsschalteinheit und/oder eingangsseitig mit der Transformatoreinheit und ausgangsseitig mit der Ausgangsschalteinheit verbunden. Gegebenenfalls kann die Induktivität der Serienresonanzeinheit ganz oder teilweise durch die Streuinduktivität der Transformatoreinheit gebildet sein. Die Reihenfolge der Induktivität der Serienresonanzeinheit, der Kapazität der Serienresonanzeinheit und der Transformatoreinheit kann in Leistungsrichtung beliebig sein. Der Gegenstand der Erfindung ist in allen Fällen gegeben, insbesondere bei bidirektionalem Betrieb mit wechselnder Richtung des Leistungsflusses ändert sich die Betrachtungsweise von Eingang und Ausgang, und damit auch die Reihenfolge von Transformatoreinheit, Kapazität und Induktivität der Serienresonanzeinheit. Vorteilhaft kann der Spannungsstellungsbereich erhöht werden, da das Windungsverhältnis der Transformatoreinheit und/oder die Art der Eingangsschalt- bzw. Ausgangsschalteinheit zusätzlich zur Spannungsübersetzung genutzt werden kann.
- Zur Lösung der Aufgabe ist das erfindungsgemäße Verfahren in Verbindung mit dem Oberbegriff des Patentanspruchs 9 dadurch gekennzeichnet, dass die die Ausgangsspannung periodisch in einem ersten Zeitintervall, welches eine Anzahl einer halben Resonanzperiodendauer entspricht, abwechselnd auf einen positiven Spannungswert und auf einen negativen Spannungswert geschaltet wird, dass die Ausgangsspannung in einem zweiten Zeitintervall, welches eine Anzahl von halben Resonanzperiodendauern auf null geschaltet wird, so dass in einem stationären Zustand das Übersetzungsverhältnis zwischen der Ausgangsspannung und der Eingangsspannung von dem Verhältnis der Dauer des ersten Zeitintervalls zu dem zweiten Zeitintervall abhängt.
- Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht die dynamische Einstellung eines Spannungsübersetzungsverhältnisses an einem Serienresonanzwandler. Vorteilhaft wird die Erhöhung einer Ausgangsspannung im Vergleich zu einer Eingangsspannung dieses Serienresonanzwandlers möglich. Nach der Erfindung kann durch ausgangsseitige Ansteuerung für eine bestimmte Anzahl von Resonanz-Halbperioden ein Freilauf bei einer Ausgangsspannung von 0 V erfolgen, so dass dem Serienresonanzkreis Energie entnommen oder eingeprägt wird. Vorteilhaft können in einem bestimmten Spannungsstellbereich beliebig große Spannungsübersetzungsverhältnisse eingestellt werden. Die Möglichkeit der dynamischen Einstellbarkeit erlaubt z.B. eine Leistungsregelung des Wandlers zu implementieren.
- Nach einer Weiterbildung der Erfindung kann der Resonanzstrom in Arbeitspunkten geringer Leistung auf Null abgesenkt werden (Diskontinuierlicher Modus). In den gleichen Arbeitspunkten erlaubt die Erfindung jedoch auch den regulären Betrieb, in dem ein Mindest-Resonanzstrom im Freilauf weiter schwingt (Kontinuierlicher Modus). Der Entwickler kann die spezifisch vorteilhaftere Variante wählen. In allen Fällen ist weiterhin die Regelbarkeit gegeben, um z.B. gezielt einen Batterielade- oder entladestrom einzustellen.
- Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den weiteren Unteransprüchen.
- Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand der Zeichnungen näher erläutert.
- Es zeigen:
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1 ein Blockschaltbild einer erfindungsgemäßen serienresonanten Leistungsumwandlungsvorrichtung mit einer Eingangsschalteinheit, mit einer Serienresonanzeinheit, mit einer Transformatoreinheit, mit einer Ausgangsschalteinheit und mit einer Ansteuereinheit, -
2a ein Schaltbild der serienresonanten Leistungsumwandlungsvorrichtung mit einer in drei Spannungspegel schaltbaren Ausgangsschalteinheit für einen Hochsetz-Betrieb, -
2b ein Spannungs- und Stromverlauf bei Ansteuerung der Ausgangsschalteinheit gemäß2a , -
3a ein Schaltbild der serienresonanten Leistungsumwandlungsvorrichtung mit einer in drei Spannungspegel schaltbaren Eingangsschalteinheit für einen Tiefsetz-Betrieb, -
3b ein Spannungs- und Stromverlauf bei Ansteuerung der Eingangsschalteinheit gemäß3a , -
4a ein Schaltbild einer Eingangs- und/oder Ausgangsschaltung als eine Vollbrücke mit zwei Schaltzweigen, -
4b ein Schaltbild einer Eingangsschalteinheit im Tiefsetzbetrieb oder einer Ausgangsschalteinheit in einem Hochsetzbetrieb als Halbbrückenschaltung, wobei ein Diodenzweig statt eines Schalterzweigs für einen unidirektionalen Leitungsfluss im Hochsetz-Betrieb vorgesehen werden kann, -
4c ein Schaltbild für eine Eingangsschalteinheit im Hochsetz-Betrieb und einer Ausgangsschalteinheit für den Tiefsetz-Betrieb (Dioden statt MOSFET's möglich), -
4d ein Schaltplan für eine Ausgangsschalteinheit im Hochsetz-Betrieb oder eine Eingangsschalteinheit für den Tiefsetz-Betrieb zum Anschluss an eine Transformatoreinheit mit Anzapfung und -
4e ein Schaltbild der serienresonanten Leistungsumwandlungsvorrichtung für einen kombinierten Hochsetz- und Tiefsetz-Betrieb. - Eine erfindungsgemäße serienresonante Leistungsumwandlungsvorrichtung wird vorzugsweise für elektrochemische Energiespeicher eingesetzt, um diese in einem Spannungsbereich von 250 V bis 920 V zu laden. Der Energiespeicher kann beispielsweise die Batterie eines Elektrofahrzeuges sein. Die Nennleistung ist höher als 50 kW. Alternativ könnten unter anderem Energiespeicher in Haushalten mit einer Nennleistung von 1kW und einem Spannungsbereich von 35V bis 55V betrieben werden.
- Die serienresonante Leistungsumwandlungsvorrichtung besteht im Wesentlichen aus einer Eingangsschalteinheit
1 , einer ausgangsseitig mit derselben verbundenen Serienresonanzeinheit2 , einer ausgangsseitig zu der Serienresonanzeinheit2 angeordneten Transformatoreinheit3 , einer ausgangsseitig mit der Transformatoreinheit3 verbundenen Ausgangsschalteinheit4 und einer Ansteuereinheit5 zur Ansteuerung der Eingangsschalteinheit1 und/oder der Ausgangsschalteinheit4 . Alternativ kann die Transformatoreinheit3 auch mit dem Ausgang der Eingangsschalteinheit1 und die Ausgangsschalteinheit4 mit dem Ausgang der Serienresonanzeinheit2 verbunden sein, oder die Serienresonanzeinheit2 kann vor und nach dem Transformator3 verteilt aufgebaut sein, oder die Resonanzinduktivität L ist (teilweise) durch die Streuinduktivität der Transformatoreinheit realisiert, dabei sind die Schaltungen in der Regel bidirektional. - Die Eingangsschalteinheit
1 und die Ausgangsschalteinheit4 können als Vollbrücken- oder Halbrückenschaltung ausgebildet sein. Eingangsseitig ist die Eingangsschalteinheit1 mit einer Eingangs-GleichspannungUdc,in einer Gleichspannungsbatterie verbunden. Durch entsprechende Ansteuerung der Ansteuereinheit5 wird die Eingangs-GleichspannungUdc,in in eine rechteckige WechselspannungU1 umgewandelt. - Die Serienresonanzeinheit
2 weist einen Serienresonanzkreis auf mit Resonanzelementen, nämlich einer Resonanzinduktivität L und einer Resonanzkapazität C. Die Resonanzinduktivität L ist als eine Resonanzspule oder ganz oder teilweise als Streuinduktivität der Transformatoreinheit und die Resonanzkapazität C als ein Resonanzkondensator ausgebildet. - Die Transformatoreinheit
3 ist in üblicher Weise mit zwei gekoppelten Spulen ausgebildet, wobei das Windungsverhältnis3 zwischen einer der Serienresonanzeinheit2 zugewandten Primärseite und einer der Ausschalteinheit4 zugewandten Sekundärseite der Transformatoreinheit3 wiedergibt. Auf der Primärseite der Transformatoreinheit3 liegt die AusgangsspannungU2 der Serienresonanzeinheit2 an. - Die Ausgangsschalteinheit
4 ist im Wesentlichen als Gleichrichter ausgebildet zur Wandlung der AusgangsspannungU2 der Serienresonanzeinheit2 oder der Transformatoreinheit3 in eine Ausgangs-GleichspannungUdc,out , die zum Beispiel an einer zu ladenden Batterie anliegt. Die Eingangsschalteinheit1 ist im Wesentlichen als Wechselrichter ausgebildet, die eine GleichspannungUdc,in in eine Wechselspannung umwandelt, die an einem Eingang der Transformatoreinheit3 oder der Serienresonanzeinheit2 anliegt. Wie oben gilt, dass Eingangsseite und Ausgangsseite der Leistungsumwandlungsvorrichtung in Richtung des Leistungsflusses betrachtet werden. Betrachtet man eine in den4a bis4e dargestellte Topologie, sind die Eingangs-/Ausgangsschalteinheiten1 ,4 in Abhängigkeit des Leistungsflusses Gleichrichter oder Wechselrichter. - In Abhängigkeit von einer Betriebsart der serienresonanten Leistungsumwandlungsvorrichtung, nämlich Hochsetz-Betrieb und/oder Tiefsetz-Betrieb oder dem kombinierten Hoch-Tiefsetzbetrieb, können die Eingangsschalteinheit
1 und/oder die Ausgangsschalteinheit4 steuerbare und/oder nicht steuerbare Schaltbauteile, vorzugsweise Transistoren (MOS-FET-Transistoren, IGBT's), aufweisen. - Nach einer ersten Ausführungsform der Erfindung gemäß den
2a und2b weist die Transformatoreinheit3 primärseitig eine Anzapfung, insbesondere eine Mittelpunktanzapfung, auf. Die Transformatoreinheit3 ist primärseitig an der Eingangsschalteinheit1 angeschlossen. Sekundärseitig ist die Transformatoreinheit3 mit der Serienresonanzeinheit2 verbunden. Ausgangsseitig der Serienresonanzeinheit ist die Ausgangsschalteinheit4 angeordnet, die steuerbare Schaltbauteile aufweist, derart, dass sie mittels der Ansteuereinheit5 drei Spannungspegel, nämlich -U0,2 , +U0,2 und Null einstellen kann, die am Eingang der Ausgangsschalteinheit4 anliegt bzw. die Ausgangsspannung der Serienresonanzeinheit2 bildet. Es gilt: - Die serienresonante Leistungsumwandlungsvorrichtung befindet sich in einem Hochsetz-Betrieb, bei der die Ausgangsspannung
U0,2 der Serienresonanzeinheit2 größer ist als die EingangsspannungU0,1 derselben. Ein Spannungsübersetzungsverhältnis M= U0,2/U0,1 der Serienresonanzeinheit2 ist größer als Eins und berechnet sich als:
mmax = Anzahl der halben Resonanzperiodendauer Tres, in denen abwechselnd positive und negative Spannungswerte der AusgangsspannungU2 vorliegen, in dem ersten Zeitintervall Δt1, Imax= Anzahl der halben Resonanzperiodendauern Tres, in dem die AusgangsspannungU2 null ist. - Wie aus
2b zu ersehen ist, sind die Schalter T der Eingangsschalteinheit2 durch die Ansteuereinheit5 derart angesteuert, dass sich eine periodische RechteckspannungU1 mit einer PeriodeTres identisch zur Eigenresonanz von L und C einstellt. Der bidirektionale SchalterTbi und der Transistorzweig der Ausgangsschalteinheit4 werden durch die Ansteuereinheit5 derart angesteuert, dass die AusgangsspannungU2 der Serienresonanzeinheit2 in einem ersten ZeitintervallΔt1 abwechselnd den positiven SpannungswertU0,2 und -U0,2 annimmt und in einem zweiten ZeitintervallΔt2 den Spannungswert Null einnimmt. Die Länge des ersten ZeitintervallsΔt1 beträgt im Beispiel mitmmax = 2 - 2 x der halben Resonanzperiodendauer. Die Dauer des zweiten ZeitintervallsΔt2 entspricht z.B. mit Imax= 3 - 3 x der halben Resonanzperiodendauer. - Während des zweiten Zeitintervalls
Δt2 erfolgt ein Freilauf, wobei ein Aufschwingen des Stromes i(t) in der Serienresonanzeinheit2 bzw. der KondensatorspannungUc(t) erfolgt. Während in dem ersten ZeitintervallΔt1 die in der Serienresonanzeinheit2 gespeicherte Energie abnimmt (vgl. VorzeichenULC(t) und i(t)), nimmt die Energie im zweiten ZeitintervallΔt2 gleichermaßen zu (vgl. Vorzeichen), resultierend in einem eingeschwungenen Zustand für die Makroperiode T. -
- Nach einer weiteren Ausführungsform der Erfindung gemäß den
3a und3b kann die Leistungsumwandlungsvorrichtung auch in einem Tiefsetz-Betrieb betrieben werden, wobei die Eingangsschalteinheit1 ausgangsseitig mit der Serienresonanzeinheit2 verbunden ist. Ausgangsseitig der Serienresonanzeinheit2 ist diese mit der Transformatoreinheit3 verbunden. Der Transformator3 ist sekundärseitig mit einer Mittelpunktanzapfung versehen und an der Ausgangsschalteinheit4 angeschlossen. Die Eingangsschalteinheit1 weist einen Kondensatorzweig, einen zu demselben parallelen Schalterzweig sowie einen bidirektionalen SchalterTbi auf, der mit dem EingangU1 der Serienresonanzeinheit2 verbunden ist. Die Ausgangsschalteinheit4 weist zwei SchalterT1 ,T2 auf, die jeweils mit einer Massenanschlussklemme der Ausgangsschalteinheit4 einerseits und mit unterschiedlichen Endklemmen der Transformatoreinheit3 andererseits verbunden sind. Eine Mittelpunktanzapfung der Transformatoreinheit3 ist mit der positiven Ausgangsklemme der Ausgangsschalteinheit4 verbunden. - Die Ausgangsschalteinheit
4 wird derart angesteuert, dass dem AusgangU2 der Serienresonanzeinheit2 eine Rechteckspannung mit abwechselnd positiven SpannungspegelU0,2 und negativen Spannungspegel -U0,2 anliegt, wobei die PeriodendauerTres beträgt. Die Eingangsschalteinheit1 wird derart angesteuert, dass in einem ersten ZeitintervallΔt1 die EingangsspannungU1 der Serienresonanzeinheit2 mit einer Rechteckspannung angesteuert wird, wobei diese abwechselnd positive SpannungspegelU0,1 und negative Spannungspegel -U0,1 aufweist. In einem zweiten ZeitintervallΔt2 wird die Eingangsschalteinheit1 derart angesteuert, dass die EingangsspannungU0,1 Null ist. Die Leistungsumwandlungsvorrichtung befindet sich in einem Tiefsetz-Betrieb, wobei das Spannungsübersetzungsverhältnis M zwischen der AusgangsspannungU0.2 und der EingangsspannungU0.1 der Serienresonanzeinheit2 lautet:nmax : Anzahl der halben ResonanzperiodendauerTres , in dem abwechselnd positiven und negativen Spannungswerte der EingangsspannungU1 vorliegen, in einem ersten ZeitintervallΔt1 ,
kmax : Anzahl der halben ResonanzperiodendauernTres , in denen die EingangsspannungU1 den Spannungswert Null aufweist, in einem zweiten ZeitintervallΔt2 . -
- Während im ersten Zeitintervall
Δt1 der Serienresonanzeinheit2 Energie hinzugefügt wird, wird während des zweiten ZeitintervallsΔt2 derselben Energie abgeführt. Im ersten ZeitintervallΔt1 schwingen die Amplituden der KondensatorspannungUC , SpulenspannungUL bzw. des Stromes i(t) auf, während des zweiten ZeitintervallsΔt2 abschwingen. Die Spannung ΔUnklm = U0,1 - U0,2 gibt mit ihrem Vorzeichen an, ob deren Resonanzkreis Energie hinzugefügt wird (U0,1 - U0,2 = positiv) oder abgeführt wird (ΔUnklm = -U02). Die über die Serienresonanzeinheit2 anliegende SpannungULC lässt sich definieren als: - In
4a ist eine Vollbrückenschaltung dargestellt mit zwei Schaltzweigen, die parallel zueinander verlaufen. Hiermit lassen sich insbesondere als Ausgangsschalteinheit4 für den Hochsetz-Betrieb die drei Spannungspegel -U0,1 , 0 V und +U0,1 einstellen. Dasselbe gilt natürlich auch für die Ausschalteinheit1 im Tiefsetz-Betrieb. In4b ist nochmals auf der linken Seite die Ausschalteinheit4 im Hochsetz-Betrieb gemäß2a dargestellt mit einem Kondensatorzweig, einem parallelen Schalterzweig und einem bidirektionalen SchalterTbi , der an den AusgangsklemmenU2 der Serienresonanzeinheit2 angeschlossen ist. Diese Halbbrückenschaltung ermöglicht den Freilauf der Ausschalteinheit4 mit 0 V. Alternativ kann die Ausschalteinheit4 auch statt des Schalterzweiges einen Diodenzweig aufweisen, siehe rechte Seite von4b , wenn nur ein unidirektionaler Leitungsfluss im Hochsetz-Betrieb gewünscht ist. - Nach einer weiteren Ausführungsform der Erfindung gemäß der
4c kann die Eingangsschalteinheit1 oder die Ausgangsschalteinheit4 zur Bereitstellung von lediglich zwei Spannungspegeln am Eingang der Serienresonanzeinheit2 oder am Ausgang der Serienresonanzeinheit2 eine Halbbrückenschaltung gemäß4c aufweisen. Diese weist einen Schalterzweig sowie einen Kondensatorzweig auf. - Nach einer weiteren Ausführungsform der Schaltung gemäß
4d kann der bidirektionale SchalterTbi an Endklemmen der Transformatoreinheit3 angeschlossen sein. Eine erste Endklemme der Transformatoreinheit3 ist an einem ersten SchalterT1 und eine zweite Endklemme der Transformatoreinheit3 an einem zweiten SchalterT2 angeschlossen. Eine Anzapfklemme der Transformatoreinheit3 ist an einem positiven Anschluss der Ausschalteinheit4 oder der Einschalteinheit1 angeschlossen. Vorteilhaft ist diese Schaltung für Hochstromanwendung bei kleiner Spannung vorgesehen. Vorteilhaft ist die Transformatoreinheit3 einfacher zu bauen. Die SchalterT1 ,T2 können auf einer dem Transformator3 abgewandt an einem Masseanschluss der Eingangs- oder Ausgangsschalteinheit, s. linke Seite in4d oder an positiven Anschluss der Ausgangsspannung, s. rechte Seite von4d , angeschlossen sein. - Nach einer weiteren Ausführungsform der Erfindung gemäß
4e ist eine Leistungsumwandlungsvorrichtung vorgesehen, die zum einen einen Hochsetz-Betrieb und zum anderen einen Tiefsetz-Betrieb ermöglicht. Die ausgangsseitige SpannungU2 kann somit erhöht und gesenkt werden. Hierzu weist die Eingangsschalteinheit1 eine Vollbrücke mit zwei parallelen Schaltzweigen und die Ausgangsschalteinheit4 die in4d , linke Seite dargestellte Schaltung auf. Mit dieser Schaltung kann insbesondere der unter Effizienzgesichtspunkten vorteilhafte Betrieb z.B. an einer Batterie erfolgen, die z.B. von 300V auf 400V aufgeladen wird, wobei das Trafo-Übersetzungsverhältnis regulär ohne die Gegenstände der Erfindung eine Spannung von 350V einstellen würde. Zugehörige Kurvenformen sind nicht im Detail abgebildet, für diesen kombinierten Hochsetz-Tiefsetz-Betrieb werden die vier Parameternmax ,kmax ,lmax ,mmax analog zu den2b und3b definiert, diese können unabhängig voneinander von der Ansteuereinheit5 im allgemeinen frei gewählt werden. Durch die zur Laufzeit dynamische Veränderung der vier Parameter können Regelungsfunktionen erzielt werden. - Vorzugsweise werden die Parameter so eingestellt, dass nmax+kmax =lmax+mmax gilt. Unter dieser Voraussetzung werden vorzugsweise die Zeitspannen von eingangs und ausgangsseitigen Freilauf-Resonanzhalbperioden bei null Volt, also
Δt2,Eingang undΔt2,Ausgang , zeitlich möglichst mittig zentriert eingestellt. - Die in den
4a bis4e dargestellten Schaltungen können sowohl für die Eingangsschalteinheit1 als auch für die Ausgangsschalteinheit4 genutzt werden. - Im Hochsetz-Tiefsetz-Betrieb kann Hochsetz-Betrieb und der Tiefsetz-Betrieb wahlweise erfolgen, d.h. die Leistungsumwandlungsvorrichtung wird zeitlich versetzt im Hochsetz-Betrieb und Tiefsetz-Betrieb betrieben. Alternativ kann die Leistungsumwandlungsvorrichtung auch gleichzeitig im Hochsetz-Betrieb und Tiefsetz-Betrieb betrieben werden. Hierbei ist das Spannungs- Übersetzungsverhältnis M größer.
-
- Wenn die Leistungsumwandlungsvorrichtung für kleine Ströme verwendet werden soll, soll sie vorzugsweise im diskontinuierlichen Modus (DCM) betrieben werden. Alternativ kann bei kleinen Strömen auch die Schaltung gemäß
4e verwendet werden, diese kann ebenso im kontinuierlichen Betriebsmodus (CCM) angesteuert werden. Ein Freilauf kann primär- und sekundärseitig erfolgen, wobei die Schaltverluste relativ klein sind. - Die Schaltbauteile der Eingangsschalteinheit
1 und der Ausgangsschalteinheit4 sind vorzugsweise als MOSFETs-Schaltbauteile ausgebildet. Die Schaltverluste sind relativ gering. Vorzugsweise werden diese Schaltbauteile nach dem Zero-Voltage-Switching (ZVS)-Betrieb betrieben. Um beide Halbbrücken zu entlasten, werden die Methoden verglichen: - a. Betrieb bei Resonanzfrequenz und Nutzung der Transformator-Magnetisierungsinduktivität für den ZVS-Strom (Ausgangsschalteinheit als Synchrongleichrichter),
- b. geringer zeitlicher Versatz der Pulsmuster beider Hallbrücken. Der Resonanzstrom liegt dann mit dem Nulldurchgang zwischen den Schaltflanken der Halbbrücken, so dass ZVS für beide Halbbrücken vorliegt.
- ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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- Zitierte Patentliteratur
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- DE 19645740 A1 [0003]
- DE 102012212291 A1 [0004]
- US 7843708 B2 [0005]
Claims (18)
- Serienresonante Leistungsumwandlungsvorrichtung für elektrochemische Energiespeicher mit einer Serienresonanzeinheit (2) enthaltend eine Resonanzinduktivität (L) und einer in Reihe zu derselben angeordneten Resonanzkapazität (C), wobei ein Übersetzungsverhältnis (M) aus einem Quotienten zwischen einer Ausgangsspannung (U0,2) und einer Eingangsspannung (U0,1) der Serienresonanzeinheit (2) gebildet ist, und mit mindestens einer der Serienresonanzeinheit (2) zugeordneten Schalteinheit (1, 4), dadurch gekennzeichnet, dass die Serienresonanzeinheit (2) derart ansteuerbar ist, - dass die Ausgangsspannung (U2) während eines ersten Zeitintervalls (Δt1), das einer halben Resonanzperiodendauer (Tres) oder einem Vielfachen der halben Resonanzperiodendauer der Resonanzelemente (L, C) der Serienresonanzeinheit (2) entspricht, abwechselnd auf einen positiven Spannungswert +U0,2) und auf einen negativen Spannungswert (-U0,2) geschaltet wird und - dass die Ausgangsspannung (U2) in einem zweiten Zeitintervall (Δt2) für eine Anzahl von halben Resonanzperiodendauern (Tres) auf null geschaltet wird, so dass ein Spannungsübersetzungsverhältnis (M) der Serienresonanzeinheit (2) von größer EINS gebildet ist.
- Serienresonante Leistungsumwandlungsvorrichtung nach
Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, - dass eine Eingangsschalteinheit (1) mit steuerbaren und/oder nicht steuerbaren Schaltbauteilen (T1, T2, T3, Tn) zur Wandlung einer Eingangs-Gleichspannung (Udc,in) in eine Wechselspannung (U1) vorgesehen ist, wobei die Wechselspannung (U1) am Eingang der Serienresonanzeinheit (2) oder am Eingang einer Transformatoreinheit (3) anliegt, - dass eine mit einem Eingang (U1) oder mit einem Ausgang (U2) der Serienresonanzeinheit (2) verbundenen Transformatoreinheit (3) enthaltend eine Primärseite und eine Sekundärseite zum Transformieren der am Ausgang der Serienresonanzeinheit (2) anliegenden Ausgangsspannung (U2) oder der am Ausgang der Eingangsschalteinheit (1) anliegenden Spannung in eine Sekundärspannung in einer Höhe entsprechend einem Windungsverhältnis der Transformatoreinheit (3) vorgesehen ist, - dass eine Ausgangsschalteinheit (4) mit nicht steuerbaren und/oder steuerbaren Schaltbauteilen zur Wandlung der Sekundärspannung der Transformatoreinheit (3) in eine Ausgangs-Gleichspannung (Udc,out) oder am Ausgang (U2) der Serienresonanzeinheit (2) vorgesehen ist, - dass eine Ansteuereinheit (5) zur Ansteuerung der Schaltbauteile der Eingangsschalteinheit (1) und/oder der Ausgangsschalteinheit (4) vorgesehen ist. - Serienresonante Leistungsumwandlungsvorrichtung nach
Anspruch 1 oder2 , dadurch gekennzeichnet, dass in einem Hochsetz-Betrieb das Spannungsübersetzungsverhältnis (M) der Serienresonanzeinheit (2) als Quotient aus Ausgangsspannung (U0,2) und Eingangsspannung (U0,1) bestimmbar ist durch - Serienresonante Leistungsumwandlungsvorrichtung nach einem der
Ansprüche 1 bis3 , dadurch gekennzeichnet, dass in einem Tiefsetz-Betrieb das Spannungsübersetzungsverhältnis (M) der Serienresonanzeinheit (2) als Quotient aus der Ausgangsspannung (U0,2) zu der Eingangsspannung (U0,1) bestimmbar ist durch - Serienresonante Leistungsumwandlungsvorrichtung nach einem der
Ansprüche 1 bis4 , dadurch gekennzeichnet, dass in einem Hoch-Tiefsetz-Betrieb die Leistungsumwandlungsvorrichtung wahlweise im Hochsetz-Betrieb und wahlweise im Tiefsetz-Betrieb betreibbar ist, oder dass die Leistungsumwandlungseinheit in dem Hoch-Tiefsetz-Betrieb gleichzeitig im Hochsetz-Betrieb und im Tiefsetz-Betrieb Betreiber ist, wobei sowohl die Eingangsschalteinheit (1) als auch die Ausgangsschalteinheit (1) simultan für eine Anzahl (kmax bzw. lmax, i.A. ungleich) halber Resonanzperioden auf null Volt geschaltet sind und wobei das Spannungsübersetzungsverhältnis (M) der Serienresonanzeinheit (2) als Quotient aus der Ausgangsspannung (U0,2) zu der Eingangsspannung (U0,1) bestimmbar ist durch - Serienresonante Leistungsumwandlungsvorrichtung nach einem der
Ansprüche 1 bis5 , dadurch gekennzeichnet, dass die Eingangsschalteinheit (1) und die Ausgangsschalteinheit (4) derart ansteuerbar sind, das der Hochsetz-Betrieb mit einem Spannungsübersetzungsverhältnis (M) der Serienresonanzeinheit (2) von größer Eins und der Tiefsetz-Betrieb mit einem Spannungsübersetzungsverhältnis (M) der Serienresonanzeinheit (2) von kleiner Eins wahlweise einstellbar ist. - Serienresonante Leistungsumwandlungsvorrichtung nach einem der
Ansprüche 1 bis6 , dadurch gekennzeichnet, dass die Transformatoreinheit (3) in dem Hochsetz-Betrieb eingangsseitig eine Anzapfung, insbesondere eine Mittelpunktanzapfung, aufweist und dass die Ausgangsschalteinheit (4) einen bidirektionalen Schalter (Tbi) an dem Ausgang der Serienresonanzeinheit (2) aufweist. - Serienresonante Leistungsumwandlungsvorrichtung nach einem der
Ansprüche 1 bis7 , dadurch gekennzeichnet, dass im Hochsetzbetrieb die Ausgangsschalteinheit (4) und in dem Tiefsetz-Betrieb die Eingangsschalteinheit (1) eine Vollbrückenschaltung aufweist. - Serienresonante Leistungsumwandlungsvorrichtung nach einem der
Ansprüche 1 bis8 , dadurch gekennzeichnet, dass die Eingangsschalteinheit (1) im Tiefsetz-Betrieb oder die Ausgangsschalteinheit (4) im Hochsetz-Betrieb als eine Halbbrückenschaltung mit einem Diodenzweig oder mit einem Schalterzweig, einem parallelen Kondensatorzweig und einem bidirektionalen Schalter (Tbi) am Ausgang der Serienresonanzeinheit (2) ausgebildet ist. - Serienresonante Leistungsumwandlungsvorrichtung nach einem der
Ansprüche 1 bis9 , dadurch gekennzeichnet, dass die Eingangsschalteinheit (1) im Tiefsetz-Betrieb oder die Ausgangsschalteinheit (4) im Hochsetzbetrieb eine Halbbrückenschaltung mit einem Schaltzweig und einem parallelen Kondensatorzweig aufweist. - Serienresonante Leistungsumwandlungsvorrichtung nach einem der
Ansprüche 1 bis10 , dadurch gekennzeichnet, dass die Transformatoreinheit (3) eine Anzapfung, insbesondere eine Mittelpunktanzapfung, aufweist und dass ein bidirektionaler Schalter (Tbi) an Endklemmen der Transformatoreinheit (3), eine erste Endklemme der Transformatoreinheit an einem ersten Schalter (T1), eine zweite Endklemme der Transformatoreinheit (3) an einem zweiten Schalter (T2) und eine Anzapfklemme der Transformatoreinheit (3) an eine Anschlussklemme der Ausgangsschalteinheit (4) angeschlossen ist. - Serienresonante Leistungsumwandlungsvorrichtung nach einem der
Ansprüche 1 bis11 , dadurch gekennzeichnet, dass die Transformatoreinheit (3) eine Anzapfung, insbesondere an eine Mittelpunktanzapfung, aufweist, wobei eine erste Endklemme der Transformatoreinheit (3) an einem ersten Schalter (T1), eine zweite Endklemme der Transformatoreinheit (3) an einem zweiten Schalter (T2) und eine Anzapfklemme der Transformatoreinheit (3) an einer Anschlussklemme der Eingangsschalteinheit (1) oder der Ausgangsschalteinheit (4) angeschlossen ist. - Serienresonante Leistungsumwandlungsvorrichtung nach einem der
Ansprüche 1 bis12 , dadurch gekennzeichnet, dass die Eingangsschalteinheit (1) eine Vollbrückenschaltung und die Ausgangsschalteinheit (4) an einer Transformatoreinheit (3) mit einer Anzapfung, insbesondere mit einer Mittelpunktanzapfung, angeschlossen ist, wobei ein bidirektionaler Schalter (Tbi) an Endklemmen der Transformatoreinheit (3), eine erste Endklemme der Transformatoreinheit (3) an einem Schalter (T1), eine zweite Endklemme der Transformatoreinheit an einem zweiten Schalter (T2) und eine Anzapfklemme der Transformationseinheit (3) an einer Anschlussklemme der Ausgangsschalteinheit (4) angeschlossen ist. - Verfahren zum Ansteuern einer Serienresonanzeinheit (2) enthaltend eine Resonanzinduktivität (L) und eine Resonanzkapazität (C), die in Reihe geschaltet sind, an deren Eingang eine Eingangsspannung (U1) und an deren Ausgang eine Ausgangsspannung (U2) anliegt, dadurch gekennzeichnet, - dass die Ausgangsspannung (U2) periodisch in einem ersten Zeitintervall (Δt1), das einer halben Resonanzperiodendauer (Tres) oder einem Vielfachen der halben Resonanzperiodendauer (Tres) der Resonanzelemente (L, C) der Serienresonanzeinheit (2) entspricht, abwechselnd auf einen positiven Spannungswert +U0,2) und auf einen negativen Spannungswert (-U0,2) geschaltet wird, - dass die Ausgangsspannung (U2) in einem zweiten Zeitintervall (Δt2), welches eine Anzahl von halben Periodendauern (Tres/2) der Resonanzelemente (L, C) der Serienresonanzeinheit (2) entspricht, auf Null geschaltet wird, so dass in einem stationären Zustand das Übersetzungsverhältnis (M) zwischen der Ausgangsspannung (U2) und der Eingangsspannung (U1) von dem Verhältnis der Dauer des ersten Zeitintervalls (Δt1) zu dem zweiten Zeitintervall (Δt2) abhängt, wobei das erste Zeitintervall (Δt1) kürzer ist als das zweite Zeitintervall (Δt2).
- Verfahren nach
Anspruch 14 , dadurch gekennzeichnet, dass die Eingangsspannung (U1) und die Ausgangsspannung (U2) so angesteuert werden, dass sich in einem stationären Zustand für ein vorgegebenes Spannungsübersetzungsverhältnis (M) die jeweils gleich langen ersten Zeitintervalle (Δt1) mit den jeweils gleich langen zweiten Zeitintervallen (Δt2) abwechseln. - Verfahren nach
Anspruch 14 oder15 , dadurch gekennzeichnet, dass in einem Tiefsetz-Betrieb, in dem die Ausgangsspannung (U0,2) im stationären Betrieb kleiner ist als die Eingangsspannung (U0,1), die Eingangsspannung (U1) für die Dauer des ersten Zeitintervalls (Δt1) abwechselnd zwischen einem positiven Spannungswert (+U0,1) und einem negativen Spannungswert (-U0,1) geschaltet wird und dass in dem zweiten Zeitintervall (Δt2) die Eingangsspannung (U1) auf null geschaltet wird zur Energieentnahme aus dem Serienresonanzkreis (2) und dass in einem Hochsetz-Betrieb, in dem die Ausgangsspannung (U0,2) im stationären Betrieb größer ist als die Eingangsspannung (U0,1), die Ausgangsspannung (U2) in dem ersten Zeitintervall (Δt1) abwechselnd zwischen dem positiven Spannungswert (+U0,2) und dem negativen Spannungswert (-U0,2) geschaltet wird und dass in dem zweiten Zeitintervall (Δt2) die Ausgangsspannung (U2) auf null geschaltet wird zur Energieeinprägung in den Serienresonanzkreis (2). - Verfahren nach einem der
Ansprüche 14 bis16 , dadurch gekennzeichnet, dass in dem Tiefsetz-Betrieb die Ausgangsspannung (U2) periodisch mit der Resonanzperiodendauer (Tres) zwischen der positiven Spannungsseite (U0,2) und der negativen Spannungsseite (-U0,2) hin- und her geschaltet wird und/oder dass in dem Hochsetz-Betrieb die Eingangsspannung (U1) periodisch mit der Resonanzperiodendauer (Tres) zwischen positivem Spannungswert (+U0,1) und negativen Spannungswert (-U0,1) hin- und her geschaltet wird. - Verfahren nach einem der
Ansprüche 14 bis17 , dadurch gekennzeichnet, dass dynamisch zur Laufzeit mit der Ansteuereinheit (5) das erste Zeitintervall (Δt1) und das zweite Zeitintervall (Δt2) in dem Hochsetz-Betrieb und in dem Tiefsetz-Betrieb verändert werden, um so Regelungsfunktionen zu realisieren, die eine Richtung und eine Höhe des Leistungsflusses bei variablen Spannungsübersetzungsverhältnissen einstellen.
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- 2018-09-20 EP EP18795285.8A patent/EP3685502A1/de active Pending
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Also Published As
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EP3685502A1 (de) | 2020-07-29 |
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