DE102020118242B3 - Multi-level inverter for generating a multi-level output voltage - Google Patents

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Abstract

Mehrebenen-Wechselrichter zur Erzeugung einer mehrstufigen Ausgangsspannung (23), umfassend eine Zentraleinrichtung (2) und mehrere durch die Zentraleinrichtung (2) steuerbare Spannungsmodule (3 - 6), wobei die Zentraleinrichtung (2) dazu eingerichtet ist, die Spannungsmodule (3 - 6) zur Ausgabe eines periodisches Signal als Ausgangsspannung (23) anzusteuern, wobei die Spannungsmodule (3 - 6) eine jeweilige Steuereinrichtung (10) aufweisen, die dazu eingerichtet ist, zu prüfen ob eine Aktivierungsbedingung erfüllt ist und ausschließlich bei Erfüllung der Aktivierungsbedingung eine Ausgangsstufe (19) des jeweiligen Spannungsmoduls (3 - 6) anzusteuern, um die Ausgangsspannung (23) um einen vorgegebenen Betrag zu erhöhen oder zu erniedrigen, wobei die Erfüllung der Aktivierungsbedingung von einer von der Zentraleinrichtung (2) empfangenen Steuernachricht (30) abhängt, wobei die Steuernachricht (30) eine Sollphase (29) des periodischen Signals beschreibt, die das periodische Signal zu einem bestimmten Zeitpunkt (24) aufweisen soll, wobei die jeweilige Steuereinrichtung (10) einen Zeitzähler (21) aufweist und dazu eingerichtet ist, nach Empfang der Steuernachricht (30) wiederholt die Erfüllung der Aktivierungsbedingung zu prüfen, wobei die Erfüllung der Aktivierungsbedingung zusätzlich von der Änderung des Wertes des Zeitzählers (21) seit dem bestimmten Zeitpunkt (24) und einer vorgegebenen Frequenz oder Schwingungsperiode (27, 28) des periodischen Signals abhängt.Multi-level inverter for generating a multi-level output voltage (23), comprising a central device (2) and several voltage modules (3 - 6) controllable by the central device (2), the central device (2) being set up to convert the voltage modules (3 - 6) ) to output a periodic signal as output voltage (23), wherein the voltage modules (3 - 6) have a respective control device (10) which is set up to check whether an activation condition is met and only if the activation condition is met an output stage ( 19) of the respective voltage module (3-6) to increase or decrease the output voltage (23) by a predetermined amount, the fulfillment of the activation condition depending on a control message (30) received from the central device (2), the Control message (30) describes a target phase (29) of the periodic signal, which the periodic signal to a m certain point in time (24), wherein the respective control device (10) has a time counter (21) and is set up to repeatedly check the fulfillment of the activation condition after receiving the control message (30), the fulfillment of the activation condition additionally being dependent on the Change in the value of the time counter (21) since the specific time (24) and a predetermined frequency or oscillation period (27, 28) of the periodic signal depends.

Description

Die Erfindung betrifft einen Mehrebenen-Wechselrichter zur Erzeugung einer mehrstufigen Ausgangsspannung, umfassend eine Zentraleinrichtung und mehrere durch die Zentraleinrichtung, insbesondere über ein Netzwerk oder einen Bus, steuerbare Spannungsmodule, wobei die Zentraleinrichtung dazu eingerichtet ist, die Spannungsmodule zur Ausgabe eines periodischen Signals, insbesondere eines Sinussignals, als Ausgangsspannung anzusteuern, wobei die Spannungsmodule eine jeweilige Steuereinrichtung aufweisen, die dazu eingerichtet ist, zu prüfen ob eine Aktivierungsbedingung erfüllt ist und ausschließlich bei Erfüllung der Aktivierungsbedingung eine Ausgangsstufe des jeweiligen Spannungsmoduls anzusteuern, um die Ausgangsspannung um einen vorgegebenen Betrag zu erhöhen oder zu erniedrigen, wobei die Erfüllung der Aktivierungsbedingung von einer von der Zentraleinrichtung empfangenen Steuernachricht abhängt.The invention relates to a multi-level inverter for generating a multi-level output voltage, comprising a central device and several voltage modules that can be controlled by the central device, in particular via a network or a bus, the central device being set up to output the voltage modules for outputting a periodic signal, in particular a Sinusoidal signal, to be controlled as output voltage, the voltage modules having a respective control device which is set up to check whether an activation condition is fulfilled and to control an output stage of the respective voltage module only when the activation condition is fulfilled in order to increase or to increase the output voltage by a predetermined amount decrease, the fulfillment of the activation condition depending on a control message received from the central device.

Mehrebenen-Wechselrichter dienen dazu, stufenförmige Ausgangsspannungen zu erzeugen, die in ihrer Form meist einer Sinuskurve entsprechen sollen. Im Unterschied zu herkömmlichen Zwei- bzw. Dreipunktumrichtern, bei denen jeweils nur zwei bzw. drei unterschiedliche Spannungsniveaus realisierbar sind, kann eine deutlich höhere Anzahl von Spannungslevel ausgegeben werden. Hierdurch kann eine gewünschte Spannungskurve deutlich feiner nachgebildet werden und es resultiert eine geringere Verzerrung der ausgegebenen Kurve gegenüber den pulsbreitenmodulierten und somit rechteckförmigen Ausgangssignale üblicher Wandler. Hierdurch kann die sogenannte „Total Harmonic Distortion“ bereitgestellter Ströme in einer Leistungselektronik, beispielsweise für eine angeschlossene Maschine, beispielsweise einen Antriebsmotor eines Kraftfahrzeugs, verringert werden. Hierdurch können eine Beanspruchung von angeschlossenen Komponenten und Verlustleistungen minimiert werden.Multi-level inverters are used to generate step-shaped output voltages, the shape of which should usually correspond to a sine curve. In contrast to conventional two-point or three-point converters, in which only two or three different voltage levels can be implemented, a significantly higher number of voltage levels can be output. As a result, a desired voltage curve can be simulated much more finely and there is less distortion of the output curve compared to the pulse-width-modulated and thus square-wave output signals of conventional converters. As a result, the so-called “Total Harmonic Distortion” of currents made available in power electronics, for example for a connected machine, for example a drive motor of a motor vehicle, can be reduced. In this way, stress on connected components and power losses can be minimized.

Mehrebenen-Wechselrichter können modular aufgebaut sein und mehrere Submodule bzw. Spannungsmodule umfassen, die gleichartig aufgebaut sind und durch eine Zentraleinrichtung angesteuert werden. Beispielsweise können die Spannungsquellen der einzelnen Submodule durch Schalter in Serie geschaltet bzw. überbrückt werden, um eine Ausgangsspannung anzupassen. Die Submodule können zusätzlich eine Sensorik zur Fehler- und Zustandsüberwachung umfassen. Entsprechende Messdaten können an die Zentraleinrichtung kommuniziert werden. Die Zentraleinrichtung regelt beispielsweise den Gesamtstrom bzw. die Ausgangsspannung, führt ein Balancing der einzelnen Submodule durch, überwacht Fehler und Ähnliches. Zudem stellt die Zentraleinrichtung Steuersignale für die einzelnen Submodule bereit, die insbesondere jeweilige Pulsbreiten für die Submodule vorgeben.Multi-level inverters can have a modular structure and comprise a plurality of submodules or voltage modules which are constructed in the same way and which are controlled by a central device. For example, the voltage sources of the individual submodules can be connected in series or bridged by switches in order to adapt an output voltage. The submodules can also include sensors for error and status monitoring. Corresponding measurement data can be communicated to the central facility. The central device regulates, for example, the total current or the output voltage, balances the individual submodules, monitors errors and the like. In addition, the central device provides control signals for the individual submodules which, in particular, specify respective pulse widths for the submodules.

Im einfachsten Fall kann unmittelbar ein pulsbreitenmoduliertes Steuersignal an die einzelnen Submodule bereitgestellt werden, um Schalter der Submodule zu schalten. Hieraus resultiert jedoch der Nachteil, dass die einzelnen Submodule sternförmig mit der Zentraleinrichtung verbunden sein müssen, wodurch bei zunehmender Modulzahl auch der Verkabelungsaufwand erheblich steigt.In the simplest case, a pulse-width-modulated control signal can be provided directly to the individual submodules in order to switch switches of the submodules. However, this results in the disadvantage that the individual submodules have to be connected to the central device in a star shape, which means that the cabling effort increases considerably as the number of modules increases.

Alternativ könnten entsprechende Steuersignale über an sich bekannte Datennetze von der Zentraleinrichtung an die einzelnen Submodule übertragen werden, beispielsweise über EtherCAT oder CAN. Da die Trägerfrequenzen der einzelnen Submodule zur Pulsbreitenmodulation meist im Bereich zwischen 1 kHz und 10 KHz liegen, muss für eine exakte Vorgabe der jeweiligen Pulsbreite ca. alle 100 µs ein aktueller Wert empfangen werden. Bereits relativ geringe Abweichungen im Mikrosekunden- bzw. Submikrosekundenbereich können zu einer Signalverzerrung führen. Somit sind in entsprechenden Datennetzen sehr hohe Echtzeitanforderungen gegeben. Da bei diesem Vorgehen jedes Submodul ein eigenes Steuersignal, also die jeweilige Pulsbreite, empfängt, steigt der Kommunikationsdurchsatz zudem mit der Anzahl der Submodule linear an. Dadurch entstehen bei hohen Anzahlen von Submodulen auch hohe Anforderungen an die Datenrate des Datennetzes.Alternatively, corresponding control signals could be transmitted from the central device to the individual submodules via data networks known per se, for example via EtherCAT or CAN. Since the carrier frequencies of the individual submodules for pulse width modulation are mostly in the range between 1 kHz and 10 kHz, a current value must be received approximately every 100 µs for an exact specification of the respective pulse width. Even relatively small deviations in the microsecond or sub-microsecond range can lead to signal distortion. This means that there are very high real-time requirements in corresponding data networks. Since with this procedure each submodule receives its own control signal, i.e. the respective pulse width, the communication throughput also increases linearly with the number of submodules. With a high number of submodules, this also places high demands on the data rate of the data network.

Weiterhin ist bei einer Steuerung über ein Datennetz problematisch, dass eine Kommunikationsstörung zu sicherheitskritischen Fehlern führen kann, beispielsweise wenn einige Datenpakte verloren gehen und somit für einen gewissen Zeitraum statt eines Wechselstroms ein Gleichstrom am Ausgang bereitgestellt wird. Dies kann beispielsweise bei einem Bestromen von Motoren zu sehr hohen Strömen und somit potentiell zu einer Beschädigung von Komponenten führen.Another problem with control via a data network is that a communication disruption can lead to safety-critical errors, for example if some data packets are lost and a direct current is provided at the output instead of an alternating current for a certain period of time. When motors are energized, for example, this can lead to very high currents and thus potentially to damage to components.

In dem Mehrebenen-Wechselrichter gemäß US 2013/0088906 A1 stellt eine Hauptsteuereinrichtung ein Spannungsreferenzsignal für mehrere Zellsteuereinrichtungen bereit. Die Zellsteuereinrichtungen nutzen eine Pulsweitenmodulation zur Schaltung der einzelnen Zellen auf Basis des Referenzspannungssignals. Um das Referenzspannungssignal auf eine höhere Datenrate umzusetzen, umfassen die einzelnen Zellsteuereinrichtungen eine Signalrekonstruktionseinrichtung, die eine lineare Interpolation der Sample-Daten durchführt.In the multilevel inverter according to US 2013/0088906 A1 a master controller provides a voltage reference signal to multiple cell controllers. The cell control devices use pulse width modulation to switch the individual cells on the basis of the reference voltage signal. In order to convert the reference voltage signal to a higher data rate, the individual cell control devices comprise a signal reconstruction device which carries out a linear interpolation of the sample data.

Eine fehlertolerante Steuerung für modulare Mehrebenen-Wechselrichter ist aus dem Artikel P.D. Burlacu et.al., „Implementation of a Fault Tolerant Control for Modular Multi-level Converter using EtherCAT communication“, 2015 IEEE International Conference on Industrial Technology (ICIT), 2015 , bekannt. Hierbei wird vorgeschlagen, eine Ringtopologie für ein Netzwerk zu nutzen und eine Redundanz dadurch herzustellen, dass eine Hauptsteuereinrichtung Kommunikationspakete zeitgleich über zwei Ports aussendet.A fault tolerant control for modular multilevel inverters is from the article PD Burlacu et al., "Implementation of a Fault Tolerant Control for Modular Multi-level Converter using EtherCAT communication ", 2015 IEEE International Conference on Industrial Technology (ICIT), 2015 , known. It is proposed here to use a ring topology for a network and to establish redundancy in that a main control device sends out communication packets simultaneously via two ports.

Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, einen demgegenüber verbesserten Mehrebenen-Wechselrichter anzugeben, der insbesondere den geringen Verkabelungsaufwand von netzwerkbasierten Lösungen erreicht, hierbei jedoch die genannten Nachteile vermeidet oder zumindest abmildert.The invention is therefore based on the object of specifying a multilevel inverter which is improved in comparison and which in particular achieves the low cabling expenditure of network-based solutions, but in this case avoids or at least mitigates the disadvantages mentioned.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen Mehrebenen-Wechselrichter der eingangs genannten Art gelöst, wobei die Steuernachricht eine Sollphase des periodischen Signals beschreibt, die das periodische Signal zu einem bestimmten Zeitpunkt aufweisen soll, wobei die jeweilige Steuereinrichtung einen Zeitzähler aufweist und dazu eingerichtet, nach Empfang der Steuernachricht wiederholt die Erfüllung der Aktivierungsbedingung zu prüfen, wobei die Erfüllung der Aktivierungsbedingung zusätzlich von der Änderung des Wertes des Zeitzählers seit dem bestimmten Zeitpunkt und einer vorgegebenen Frequenz oder Schwingungsperiode des periodischen Signals abhängt. Die Erfüllung der Aktivierungsbedingung hängt hierbei insbesondere von der Sollphase ab, kann optional jedoch auch von weiteren Inhalten der Steuernachricht abhängen.The object is achieved according to the invention by a multilevel inverter of the type mentioned at the outset, the control message describing a target phase of the periodic signal that the periodic signal should have at a specific point in time, the respective control device having a time counter and being set up after receiving the Control message to repeatedly check the fulfillment of the activation condition, the fulfillment of the activation condition additionally depending on the change in the value of the time counter since the specific point in time and a predetermined frequency or oscillation period of the periodic signal. The fulfillment of the activation condition depends in particular on the target phase, but can optionally also depend on further contents of the control message.

Der Erfindung liegt die Idee zugrunde, nicht mehr unmittelbar eine Pulsbreite bzw. einen Schaltzustand für die einzelnen Spannungsmodule vorzugeben, sondern stattdessen das konkret genutzte Steuermuster lokal durch die Steuereinrichtung des jeweiligen Spannungsmoduls durch Auswertung der Aktivierungsbedingung zu ermitteln. Die Zentraleinrichtung führt hierbei die Phasensynchronisation der einzelnen Spannungsmodule durch, indem für einen bestimmten Zeitpunkt eine bestimmte Sollphase vorgegeben wird. Anhand der bekannten Frequenz oder Schwingungsperiode des periodischen Signals kann die jeweilige Steuereinrichtung der einzelnen Spannungsmodule die jeweilige Ausgangsstufe dann über längere Zeiten, als beispielsweise auch über mehrere Schwingungszyklen des periodischen Signals oder zumindest über Teile des Schwingungszyklus des periodischen Signals, hinweg selbst steuern.The invention is based on the idea of no longer directly specifying a pulse width or a switching state for the individual voltage modules, but instead determining the actually used control pattern locally by the control device of the respective voltage module by evaluating the activation condition. The central device carries out the phase synchronization of the individual voltage modules by specifying a specific target phase for a specific point in time. Using the known frequency or oscillation period of the periodic signal, the respective control device of the individual voltage modules can then control the respective output stage itself over longer times, for example over several oscillation cycles of the periodic signal or at least over parts of the oscillation cycle of the periodic signal.

Die erfindungsgemäße Ausgestaltung des Mehrebenen-Wechselrichters erreicht mehrere Vorteile. Zum einen wird die Menge der zu übertragenden Daten erheblich reduziert, da Steuernachrichten in relativ großem Abstand gesendet werden können, beispielsweise nur dann, wenn sich die Amplitude oder Frequenz bzw. Schwingungsperiode des periodischen Signals ändern soll, bzw. in gewissen Abständen um eine Phasensynchronisation der einzelnen Spannungsmodule sicherzustellen. Die Synchronisation der Zeitzähler untereinander bzw. mit einem Zeitzähler der Zentraleinrichtung kann hierbei bereits durch ein zur Kommunikation in dem Netzwerk oder über den Bus genutztes Kommunikationsprotokoll selbst realisiert sein. Beispielweise ist eine solche Zeitsynchronisation bei dem FlexRay- und EtherCAT-Protokoll vorgesehen. Erfolgt die Kommunikation beispielsweise über einen CAN-Bus oder CAN-FD-Bus, kann eine Zeitsynchronisation beispielsweise über die an sich bekannte AUTOSAR time synchronization over CAN erfolgen.The embodiment of the multilevel inverter according to the invention achieves several advantages. On the one hand, the amount of data to be transmitted is significantly reduced, since control messages can be sent at a relatively large interval, for example only if the amplitude or frequency or oscillation period of the periodic signal is to change, or at certain intervals around a phase synchronization of the ensure individual voltage modules. The synchronization of the time counters with one another or with a time counter of the central device can in this case already be implemented by a communication protocol itself used for communication in the network or via the bus. For example, such a time synchronization is provided for the FlexRay and EtherCAT protocol. If the communication takes place, for example, via a CAN bus or CAN FD bus, time synchronization can take place, for example, via the known AUTOSAR time synchronization over CAN.

Der beschriebene Mehrebenen-Wechselrichter ist zudem erheblich fehlertoleranter als bekannte Mehrebenen-Wechselrichter, die Netzwerke oder Busse zur Kommunikation nutzen. Geht in dem erfindungsgemäßen Mehrebenen-Wechselrichter eine Steuernachricht oder gehen mehrere Steuernachrichten verloren, so wird durch die Prüfung der Aktivierungsbedingungen durch die einzelnen Steuereinrichtungen der Spannungsmodule zunächst weiter erreicht, dass das bisherige periodische Signal weiter ausgegeben wird. Hierbei nimmt zwar über längere Zeiten die Verzerrung des Signals aufgrund eines relativen Drifts der verschiedenen Zeitzähler geringfügig zu, so dass sehr lange Kommunikationsausfälle weiterhin problematisch sind. Bei kurzen Kommunikationsausfällen wird jedoch robust vermieden, dass beispielsweise eine Gleichspannung ausgegeben wird, die zu einer Beschädigung von bestromten Komponenten führen könnte.The multi-level inverter described is also significantly more fault-tolerant than known multi-level inverters that use networks or buses for communication. If a control message is lost in the multilevel inverter according to the invention or several control messages are lost, the checking of the activation conditions by the individual control devices of the voltage modules initially ensures that the previous periodic signal continues to be output. In this case, the distortion of the signal increases slightly over longer times due to a relative drift of the various time counters, so that very long communication failures continue to be problematic. In the event of brief communication failures, however, it is robustly avoided that, for example, a DC voltage is output that could damage components that are energized.

Die beschriebenen Vorteile führen dazu, dass die Kommunikation über ein Netzwerk oder einen Bus erfolgen kann, der gegenüber dem üblichen Vorgehen mit geringerer technischer Komplexität umgesetzt werden kann, da einerseits niedrigere Datendurchsätze erforderlich sind und andererseits auftretende Fehler der Kommunikation weniger kritisch sind.The advantages described mean that communication can take place via a network or a bus, which can be implemented with less technical complexity than the usual procedure, since lower data throughputs are required on the one hand and communication errors that occur on the other hand are less critical.

Die Steuernachricht umfasst vorzugsweise eine den bestimmten Zeitpunkt beschreibende Zeitinformation. Dies ermöglicht es, dass Steuernachrichten mit einem gewissen zeitlichen Vorlauf an die Spannungsmodule gesendet werden und erst später, nämlich zum bestimmten Zeitpunkt, genutzt werden, um die Ausgangsspannung zu beeinflussen. Hierdurch werden die Echtzeitanforderungen für die Steuernachrichten erheblich abgemildert, was einerseits dazu genutzt werden kann, die Komplexität eines zur Kommunikation genutzten Netzwerks oder Busses weiter zu reduzieren und andererseits dazu, beispielsweise Fehler frühzeitig zu erkennen und zu korrigieren, bevor der bestimmte Zeitpunkt eintritt.The control message preferably includes time information describing the specific point in time. This enables control messages to be sent to the voltage modules with a certain lead time and only used later, namely at a certain point in time, in order to influence the output voltage. This significantly reduces the real-time requirements for the control messages, which can be used on the one hand to further reduce the complexity of a network or bus used for communication and on the other hand to detect and correct errors early on, for example, before the specific point in time occurs.

Der bestimmte Zeitpunkt kann beispielsweise ein bestimmter Wert des Zeitzählers sein. Mit Erreichen dieses Zeitpunkts soll die Sollphase erreicht werden und es sollen optional mit der Steuernachricht mitgesandte Parameter bezüglich des Ausgangssignals berücksichtigt werden. Insbesondere kann anhand der bekannten Frequenz bzw. Schwingungsperiode des periodischen Signals ab dem bestimmten Zeitpunkt ausgehend von der Sollphase zum bestimmten Zeitpunkt eine aktuelle Phase bestimmt werden und die Aktivierungsbedingung bzw. die Ansteuerung der Ausgangsstufe kann von der aktuellen Phase abhängen.The specific point in time can, for example, be a specific value of the time counter. When this point in time is reached, the target phase is to be reached and parameters sent with the control message with regard to the output signal are to be taken into account. In particular, a current phase can be determined based on the known frequency or oscillation period of the periodic signal from the specific point in time starting from the target phase at the specific point in time, and the activation condition or the control of the output stage can depend on the current phase.

Wird der Mehrebenen-Wechselrichter zur Ausgabe mehrerer Ausgangsspannungen genutzt, beispielsweise eines dreiphasigen Wechselstroms, wäre eine denkbare Netzwerktopologie eine Aufteilung der drei Phasen auf drei separate Netzwerke bzw. Busse, beispielsweise auf drei CAN- bzw. CAN-FD-Busse. Hierdurch könnte die Kommunikationslast in den einzelnen Netzwerken bzw. Bussen weiter reduziert werden. Es ist hierbei möglich, dass für die drei Gruppen von Spannungsmodulen, die jeweilige Phase des Dreiphasenstroms bereitstellen, separate Sollphasen von der Zentraleinrichtung bereitgestellt werden. Alternativ können die Spannungsmodule den Phasenversatz von +120° bzw. -120° selbst auf die übertragene Sollphase aufschlagen.If the multilevel inverter is used to output several output voltages, for example a three-phase alternating current, a conceivable network topology would be to split the three phases into three separate networks or buses, for example three CAN or CAN FD buses. This could further reduce the communication load in the individual networks or buses. It is possible here for separate target phases to be provided by the central device for the three groups of voltage modules that provide the respective phase of the three-phase current. Alternatively, the voltage modules can add the phase offset of + 120 ° or -120 ° to the transferred nominal phase themselves.

Die Zentraleinrichtung kann derart eingerichtet sein, dass die gleiche Steuernachricht an alle Spannungsmodule gesendet wird. Sind Spannungsmodule mehreren Stromphasen eines mehrphasigen Stroms zugeordnet, kann durch die Zentraleinrichtung alternativ die gleiche Steuernachricht auch nur an die Spannungsmodule für eine jeweilige Stromphase gesendet werden. Das Senden der gleichen Steuernachricht kann beispielsweise durch einen Broadcast im Netz erfolgen. Die Steuereinrichtungen der einzelnen Spannungsmodule können vorangehend oder auch, wie später noch erläutert werden wird, durch eine entsprechende Kommunikationsnachricht der Zentraleinrichtung, eine bestimmte Rolle oder Funktion zugewiesen bekommen, so dass die Steuereinrichtung des einzelnen Spannungsmoduls selbst für die übermittelte Sollphase bzw. für eine hieraus anhand des Zeitzählers ermittelte aktuelle Phase ein Sollverhalten ermitteln kann, also insbesondere ob die Aktivierungsbedingung für die empfangene Sollphase bzw. die ermittelte aktuelle Phase momentan erfüllt ist, nicht erfüllt ist oder periodisch mit einer bestimmten Pulsbreite erfüllt sein soll.The central device can be set up in such a way that the same control message is sent to all voltage modules. If voltage modules are assigned to several current phases of a multiphase current, the central device can alternatively only send the same control message to the voltage modules for a respective current phase. The same control message can be sent, for example, by means of a broadcast in the network. The control devices of the individual voltage modules can be assigned a specific role or function beforehand or, as will be explained later, by means of a corresponding communication message from the central device, so that the control device of the individual voltage module itself can be used for the transmitted nominal phase or for one based on it the current phase determined by the time counter can determine a target behavior, in particular whether the activation condition for the received target phase or the determined current phase is currently fulfilled, not fulfilled or should be fulfilled periodically with a certain pulse width.

Die Steuernachricht kann eine die vorgegebene Frequenz oder Schwingungsperiode beschreibende Frequenzinformation umfassen. Alternativ oder ergänzend kann die Steuernachricht eine die Amplitude des periodischen Signals beschreibende Amplitudeninformation umfassen, wobei die Erfüllung der Aktivierungsbedingung zusätzlich von der Amplitudeninformation abhängt. Alternativ könnte die Frequenz bzw. Schwingungsperiode bzw. Amplitude fest vorgegeben sein.The control message can include frequency information describing the predefined frequency or oscillation period. Alternatively or in addition, the control message can include amplitude information describing the amplitude of the periodic signal, the fulfillment of the activation condition additionally depending on the amplitude information. Alternatively, the frequency or oscillation period or amplitude could be fixed.

Durch einen Steuer- oder Regelalgorithmus zur Vorgabe der Ausgangsspannung des Mehrebenen-Wechselrichters wird eine solche Amplitude meist als physikalische Größe vorgegeben, also beispielsweise in Volt. Prinzipiell kann die Amplitude auch als physikalische Größe an die Spannungsmodule bereitgestellt werden. Besonders vorteilhaft ist es hingegen, durch die Zentraleinrichtung zunächst zu ermitteln, welcher Anzahl von betriebenen Spannungsmodulen die gewünschte Amplitude entspricht, wobei diese Anzahl auch als Fließ- bzw. Festkommazahl ermittelt werden kann, und diese Anzahl an die Spannungsmodule zu übermitteln. Dies hat den Vorteil, dass in den einzelnen Spannungsmodulen für eine aktuelle ermittelte Sollphase bei der gegebenen Amplitude direkt ermittelt werden kann, wie viele der Spannungsmodule bei der aktuellen Sollphase aktiv sein sollen, ohne dass das einzelne Spannungsmodul seine eigene Ausgangsspannung bzw. die Ausgangsspannungen der weiteren Spannungsmodule kennen muss. Diese Zahl kann dann mit einem Rang des einzelnen Spannungsmoduls verglichen werden und die Aktivierungsbedingung kann beispielsweise nur dann erfüllbar sein, wenn die Anzahl der aktivierten Module gleich dem Rang oder gleich den um eins verringerten Rang ist.By means of a control or regulation algorithm for specifying the output voltage of the multilevel inverter, such an amplitude is usually specified as a physical variable, for example in volts. In principle, the amplitude can also be made available to the voltage modules as a physical variable. On the other hand, it is particularly advantageous to first determine by the central device what number of operated voltage modules corresponds to the desired amplitude, this number also being able to be determined as a floating or fixed point number, and to transmit this number to the voltage modules. This has the advantage that it can be determined directly in the individual voltage modules for a currently determined target phase at the given amplitude how many of the voltage modules should be active in the current target phase without the individual voltage module having its own output voltage or the output voltages of the others Must know voltage modules. This number can then be compared with a rank of the individual voltage module and the activation condition can only be fulfilled, for example, if the number of activated modules is equal to the rank or equal to the rank reduced by one.

Ein solcher Rang könnte prinzipiell für die einzelnen Spannungsmodule fest vorgegeben sein. Um jedoch beispielsweise einen gleichmäßigen Ladezustand von Spannungsquellen der einzelnen Spannungsmodule im Rahmen eines Balancing zu erreichen bzw. bei einem Ausfall einzelner Spannungsmodule diese durch redundante Spannungsmodule ersetzen zu können, ist vorteilhaft, eine entsprechende Rangfolge dynamisch zu konfigurieren.In principle, such a rank could be fixed for the individual voltage modules. However, in order to achieve a steady state of charge of voltage sources of the individual voltage modules within the scope of balancing or to be able to replace them with redundant voltage modules in the event of failure of individual voltage modules, it is advantageous to dynamically configure a corresponding ranking.

Die jeweilige Aktivierungsbedingung kann zusätzlich von einem Rang des jeweiligen Spannungsmoduls in einer Rangfolge abhängen, wobei die Zentraleinrichtung dazu eingerichtet ist, den Spannungsmodulen durch eine oder durch eine jeweilige Konfigurationsnachricht einen jeweiligen Rang zuzuweisen. Die Nutzung eines solchen Rangs wurde bereits obig erläutert. Ein entsprechendes Vorgehen ist insbesondere relevant, wenn es sich bei dem genutzten Modulationsverfahren zur Ansteuerung der Ausgangsstufen der einzelnen Spannungsmodule um ein Level-Shifted-PWM-Verfahren handelt, bei dem zum Erreichen höherer Ausgangsspannungen im Rahmen der Erzeugung des periodischen Signals für einen bestimmten Bereich von Sollphasen für eines oder mehrere Spannungsmodule die Aktivierungsbedingung dauerhaft erfüllt ist, womit diese die Ausgangsspannung dauerhaft um den vorgegebenen Betrag erhöhen oder erniedrigen, und für ein weiteres der Spannungsmodule die Erfüllung der Aktivierungsbedingung und somit die Erhöhung bzw. Erniedrigung der Ausgangsspannung pulsartig wechselt, um ein pulsbreitenmoduliertes Spannungssignal zu der Ausgangsspannung zu addieren bzw. von dieser abzuziehen. Hierdurch können Zwischenstufen zwischen den Spannungen der einzelnen Spannungsmodule eingestellt werden, insbesondere wenn die Ausgangsspannung zusätzlich gefiltert wird. Level-Shifted-PWM-Verfahren sind im Bereich der Mehrebenen-Wechselrichter prinzipiell bekannt und soll daher nicht detailliert erläutert werden.The respective activation condition can additionally depend on a rank of the respective voltage module in a ranking order, the central device being set up to assign a respective rank to the voltage modules by means of a configuration message or by means of a respective configuration message. The use of such a rank has already been explained above. A corresponding procedure is particularly relevant if the modulation method used to control the output stages of the individual voltage modules is a level-shifted PWM method, in which to achieve higher output voltages in the context of generating the periodic signal for a specific range of Target phases for one or more voltage modules, the activation condition is permanently fulfilled, which means that the output voltage is permanently increased by the increase or decrease predetermined amount, and for another of the voltage modules the fulfillment of the activation condition and thus the increase or decrease of the output voltage changes in a pulse-like manner in order to add or subtract a pulse-width-modulated voltage signal from the output voltage. This allows intermediate levels between the voltages of the individual voltage modules to be set, especially if the output voltage is additionally filtered. Level-shifted PWM processes are known in principle in the field of multi-level inverters and should therefore not be explained in detail.

Die Konfigurationsnachricht könnte prinzipiell für jedes der Spannungsmodule separat generiert und dann an das jeweilige Spannungsmodul adressiert werden. Bevorzugt umfasst die Konfigurationsnachricht jedoch einen Vektor, der für jedes der Spannungsmodule an einer definierter Position in diesem Vektor den Rang des jeweiligen Spannungsmoduls umfasst. Dieser Vektor kann auch als Permutationsvektor bezeichnet werden, da durch das Senden eines anderen Vektors die Rangfolge der Spannungsmodule und somit die Zeiten, wann welches der Spannungsmodule im Rahmen der Erzeugung des periodischen Signals betrieben wird, permutiert werden.The configuration message could in principle be generated separately for each of the voltage modules and then addressed to the respective voltage module. However, the configuration message preferably includes a vector which includes the rank of the respective voltage module for each of the voltage modules at a defined position in this vector. This vector can also be referred to as a permutation vector, since sending another vector permutes the order of precedence of the voltage modules and thus the times when which of the voltage modules is operated as part of the generation of the periodic signal.

Es ist möglich, dass die jeweilige Aktivierungsbedingung nur dann erfüllbar ist, wenn das jeweilige Spannungsmodul in einem aktiven Zustand ist, wobei die Zentraleinrichtung dazu eingerichtet ist, die Spannungsmodule durch eine oder durch eine jeweilige Aktivierungsnachricht wahlweise in einen aktiven oder einen passiven Zustand zu versetzen. Beispielsweise kann im entsprechenden Spannungsmodul ein entsprechendes Flag gesetzt bzw. gelöscht werden. Die Aktivierungsnachrichten können an die einzelnen Spannungsmodule adressiert werden. Wie zu der Konfigurationsnachricht erläutert kann jedoch auch ein Vektor als Aktivierungsnachricht an alle Spannungsmodule gesendet werden, der ein Eintrag für jedes der Spannungsmodule umfasst, der den jeweiligen zu wählenden Zustand beschreibt.It is possible that the respective activation condition can only be fulfilled if the respective voltage module is in an active state, the central device being set up to switch the voltage modules into an active or a passive state by means of a respective activation message. For example, a corresponding flag can be set or deleted in the corresponding voltage module. The activation messages can be addressed to the individual voltage modules. As explained in relation to the configuration message, however, a vector can also be sent to all voltage modules as an activation message which includes an entry for each of the voltage modules that describes the respective state to be selected.

Die Nutzung von Aktivierungsnachrichten kann vorteilhaft sein, wenn wenigstens ein redundantes Spannungsmodul vorhanden ist. Beispielsweise kann die maximale gewünschte Amplitude bereits mit 80 % oder 90 % der vorhandenen Spannungsmodule erreicht werden. In diesem Fall können die nicht benötigten Spannungsmodule in den passiven Zustand versetzt werden und erst im Rahmen eines Load Balancing herangezogen werden oder beispielsweise dann, wenn eine Fehlfunktion eines anderen der Spannungsmodule erkannt wird.The use of activation messages can be advantageous if at least one redundant voltage module is available. For example, the maximum desired amplitude can be achieved with 80% or 90% of the existing voltage modules. In this case, the voltage modules that are not required can be switched to the passive state and only used in the context of load balancing or, for example, when a malfunction of another of the voltage modules is detected.

Konfigurationsnachrichten und/oder Aktivierungsnachrichten können mit erheblich geringerer Häufigkeit ausgesandt werden, als Steuernachrichten, da sich die entsprechenden Konfigurationen eher selten ändern. Hierdurch kann die Kommunikationslast in einem zur Kommunikation genutzten Netzwerk oder Bus weiter reduziert werden.Configuration messages and / or activation messages can be sent out with a significantly lower frequency than control messages, since the corresponding configurations tend to change rarely. This can further reduce the communication load in a network or bus used for communication.

Die jeweilige Steuereinrichtung kann dazu eingerichtet sein, in Abhängigkeit des oder eines Rangs des jeweiligen Spannungsmoduls in der oder einer Rangfolge der Spannungsmodule als einen Aktivierungsbereich und/oder einen Abschaltbereich und/oder einen Modulationsbereich wenigstens einen jeweiligen Phasenbereich der Phase der periodischen Schwingung oder einen dem jeweiligen Phasenbereich zugeordneten Wertbereich des Zeitzählers zu bestimmen, wobei in dem Aktivierungsbereich die Aktivierungsbedingung dauerhaft oder bei Betrieb des Spannungsmoduls im aktiven Zustand dauerhaft erfüllt ist, in dem Abschaltbereich die Aktivierungsbedingung dauerhaft nicht erfüllt ist und in dem Modulationsbereich die Erfüllung der Aktivierungsbedingung stets oder bei Betrieb des Spannungsmoduls im aktiven Zustand periodisch mit einer festen oder veränderlichen Pulsbreite wechselt. Die Ermittlung des Phasenbereichs bzw. Wertbereichs für den jeweiligen Aktivierungsbereich, Abschaltbereich und/oder Modulationsbereich kann zusätzlich in Abhängigkeit der Amplitude erfolgen.The respective control device can be set up, depending on the or a rank of the respective voltage module in the or a ranking of the voltage modules as an activation area and / or a switch-off area and / or a modulation area at least one respective phase range of the phase of the periodic oscillation or one of the respective To determine the value range of the time counter assigned to the phase range, whereby the activation condition is permanently fulfilled in the activation area or permanently when the voltage module is operated in the active state, the activation condition is permanently not fulfilled in the switch-off area and the activation condition is always fulfilled in the modulation area or when the voltage module is in operation changes periodically in the active state with a fixed or variable pulse width. The phase range or value range for the respective activation range, switch-off range and / or modulation range can also be determined as a function of the amplitude.

Beispielsweise kann der oder ein weiterer Zeitzähler der jeweiligen Steuereinrichtung jeweils derart erhöht werden, dass sein Zählwert mit der Schwingungsperiode bzw. Frequenz des periodischen Signals jeweils wieder den gleichen Wert erreicht, also mit einem Überlauf erhöht werden. In diesem Fall beschreibt der Zählerwert unmittelbar die aktuelle Phase des periodischen Signals und kann beispielsweise zum bestimmten Zeitpunkt auf einen Zählerwert gesetzt werden, der der Sollphase entspricht.For example, the or another time counter of the respective control device can be increased in each case in such a way that its count value again reaches the same value with the oscillation period or frequency of the periodic signal, that is to say increased with an overflow. In this case, the counter value directly describes the current phase of the periodic signal and can, for example, be set at a specific point in time to a counter value that corresponds to the target phase.

Aus dem Rang des Spannungsmoduls in der Rangfolge, der Form des periodischen Signals, typischerweise einer Sinusform, und insbesondere der Amplitude ergibt sich eindeutig und unmittelbar, ab welcher Phase und somit ab welchem Zählerwert des Zeitzählers das entsprechende Spannungsmodul genutzt werden soll. Da hierbei die Spannung typischerweise kontinuierlich steigen bzw. fallen soll, ergibt sich hierdurch jedoch zunächst ein Modulationsbereich, in dem die Erfüllung der Aktivierungsbedingung mit veränderlicher Pulsbreite wechselt. Mit Erreichen jener Phase, bei der das nächste Spannungsmodul in der Rangfolge aktiviert würde, beginnt der Aktivierungsbereich, in dem die Aktivierungsbedingung dauerhaft erfüllt ist. Entsprechend schließt sich bei einer weiteren Phase bzw. bei einem weiteren Zählerwert an den Aktivierungsbereich ein weiterer Modulationsbereich an, indem die Pulsbreite kontinuierlich verringert werden kann, um den Beitrag des Spannungsmoduls zur Ausgangsspannung kontinuierlich zu reduzieren, wonach bei einer bestimmten weiteren Phase bzw. bei einem bestimmten weiteren Zählerwert der Abschaltbereich erreicht wird, und somit das Spannungsmodul zunächst nicht zur Ausgangsspannung beiträgt.From the rank of the voltage module in the order of precedence, the form of the periodic signal, typically a sinusoidal shape, and in particular the amplitude, the phase and thus the counter value of the time counter from which the corresponding voltage module is to be used is clearly and directly derived. Since the voltage should typically rise or fall continuously in this case, however, this initially results in a modulation range in which the fulfillment of the activation condition changes with a variable pulse width. When the phase in which the next voltage module in the ranking is activated is reached, the activation area begins in which the activation condition is permanently fulfilled. Correspondingly, in the case of a further phase or in the case of a further counter value, the activation area is followed by a further modulation area in which the pulse width can be continuously reduced by the contribution of the To continuously reduce the voltage module to the output voltage, after which the switch-off range is reached at a certain further phase or at a certain further counter value, and thus the voltage module initially does not contribute to the output voltage.

Die jeweilige Steuereinrichtung kann dazu eingerichtet sein, die veränderliche Pulsbreite innerhalb des Modulationsbereichs in Abhängigkeit einer Änderung des Werts des Zeitzählers seit Beginn des jeweiligen Modulationsbereichs vorzugeben. Beispielsweise kann zur kontinuierlichen Erhöhung des Spannungsbeitrags durch das jeweilige Spannungsmodul die Pulsbreite kontinuierlich erhöht bzw. zur kontinuierlichen Absenkung kontinuierlich gesenkt werden. Hierzu kann beispielsweise die Pulsbreite proportional zur Änderung des Wertes des Zeitzählers sein, um eine steigende Rampe zu implementieren oder Ähnliches. Um beispielsweise einen besseren Angleich an abzubildende Abschnitte einer Sinusfunktion zu erreichen, können auch Look-Up-Tabellen genutzt werden, um einen jeweiligen Wert der Änderung des Zeitzählers seit Beginn des Modulationsbereichs in ein Wert für die Pulsbreite umzusetzen. Hierbei kann bereits die Änderungen des Wertes des Zeitzählers mit einer Phasenänderung korrelieren oder es kann als Zwischenschritt eine der Änderung des Wertes des Zeitzählers entsprechende Phasenänderung ermittelt werden und dies zur Ermittlung der weiteren Werte genutzt werden. Für einen besseren Angleich an die Sinusfunktion können die Werte der Pulsbreite für die abzubildenden Abschnitte auch durch eine Interpolation zweiten oder höheren Grades berechnet werden.The respective control device can be set up to specify the variable pulse width within the modulation range as a function of a change in the value of the time counter since the beginning of the respective modulation range. For example, in order to continuously increase the voltage contribution by the respective voltage module, the pulse width can be continuously increased or, in order to continuously decrease, it can be continuously decreased. For this purpose, for example, the pulse width can be proportional to the change in the value of the time counter in order to implement a rising ramp or the like. In order, for example, to achieve a better match to the sections of a sine function to be mapped, look-up tables can also be used to convert a respective value of the change in the time counter since the beginning of the modulation range into a value for the pulse width. Here, the changes in the value of the time counter can already correlate with a phase change or, as an intermediate step, a phase change corresponding to the change in the value of the time counter can be determined and this can be used to determine the further values. For a better adaptation to the sine function, the values of the pulse width for the sections to be mapped can also be calculated by an interpolation of the second or higher degree.

In einer konkreten Implementierung können beispielsweise Werte des Zeitzählers, die dem Beginn eines Aktivierungs-, Abschalt- bzw. Modulationsbereichs entsprechen, an einen Capture-Compare-Kanal des Zeitzählers bereitgestellt werden, der bei Erreichen des entsprechenden Wertes einen Interrupt auslöst. Aufgrund diese Interrupts kann eine Pulsbreite, mit der die jeweilige Steuereinrichtung die Ausgangsstufe ansteuert, auf 100 % im Aktivierungsbereich bzw. auf 0 % im Abschaltbereich gestellt werden, was einem dauerhaften Erfüllen bzw. Nichterfüllen der Aktivierungsbedingung entspricht. Im Modulationsbereich kann, wie erläutert, die Pulsbreite kontinuierlich angepasst werden.In a specific implementation, for example, values of the time counter that correspond to the start of an activation, switch-off or modulation area can be provided to a capture-compare channel of the time counter, which triggers an interrupt when the corresponding value is reached. Due to these interrupts, a pulse width with which the respective control device controls the output stage can be set to 100% in the activation area or to 0% in the switch-off area, which corresponds to a permanent fulfillment or non-fulfillment of the activation condition. As explained, the pulse width can be continuously adjusted in the modulation area.

Die Ausgangsstufe des jeweiligen Spannungsmoduls kann dazu eingerichtet sein, die Ausgangsspannung wahlweise um den vorgegebenen Betrag zu erhöhen oder zu erniedrigen, wobei die jeweilige Steuereinrichtung dazu eingerichtet ist, die Auswahl zwischen der Erhöhung und der Erniedrigung der Ausgangsspannung bei Erfüllung der Aktivierungsbedingung in Abhängigkeit von der Steuernachricht, von der Änderung des Wertes des Zeitzählers seit dem bestimmten Zeitpunkt und von der vorgegebenen Frequenz oder Schwingungsperiode des periodischen Signals zu treffen. Beispielsweise kann die Ausgangsstufe je nach gewünschter Polarität die Anschlüsse des jeweiligen Spannungsmoduls wahlfrei mit Polen einer Spannungsquelle des Spannungsmoduls verbinden. Zur Ausgabe einer Sinuswelle kann beispielsweise in der ersten Hälfte der Schwingungsperiode für alle Spannungsmodule eine Erhöhung der Ausgangsspannung und in der zweiten Hälfte der Schwingungsperiode für alle Spannungsmodule eine Erniedrigung der Ausgangsspannung genutzt werden, um ein bipolares Sinussignal zu erzeugen.The output stage of the respective voltage module can be set up to optionally increase or decrease the output voltage by the specified amount, the respective control device being set up to make the selection between increasing and decreasing the output voltage when the activation condition is fulfilled depending on the control message of the change in the value of the time counter since the specified time and of the specified frequency or oscillation period of the periodic signal. For example, depending on the desired polarity, the output stage can optionally connect the connections of the respective voltage module to poles of a voltage source of the voltage module. To output a sine wave, for example, an increase in the output voltage can be used in the first half of the oscillation period for all voltage modules and a decrease in the output voltage in the second half of the oscillation period for all voltage modules in order to generate a bipolar sinusoidal signal.

Die Spannungsmodule können jeweils eine Spannungsquelle, insbesondere eine Batterie oder wenigstens eine Batteriezelle, umfassen, wobei die jeweilige Ausgangsstufe dazu eingerichtet ist, die Spannungsquelle bei Erfüllung der Aktivierungsbedingung zwischen zwei Anschlüsse der Ausgangsstufe zu schalten und bei Nichterfüllung der Aktivierungsbedingung die Anschlüsse leitend zu verbinden, wobei wenigstens ein Pol der Spannungsquelle von den Anschlüssen getrennt ist. Durch das Überbrücken der Spannungsquelle bei Nichterfüllung der Aktivierungsbedingung kann diese nicht zur Ausgangsspannung beitragen.The voltage modules can each include a voltage source, in particular a battery or at least one battery cell, the respective output stage being configured to switch the voltage source between two connections of the output stage when the activation condition is met and to conductively connect the connections when the activation condition is not met, with at least one pole of the voltage source is separated from the connections. By bridging the voltage source when the activation condition is not met, it cannot contribute to the output voltage.

Neben dem erfindungsgemäßen Mehrebenen-Wechselrichter betrifft die Erfindung ein Batteriemodul, wobei in einem Batteriegehäuse des Batteriemoduls ein erfindungsgemäßer Mehrebenen-Wechselrichter angeordnet ist, wobei wenigstens eine der Batteriezellen des Batteriemoduls die jeweilige Spannungsquelle des jeweiligen Spannungsmoduls bildet. Anders ausgedrückt kann der erfindungsgemäße Mehrebenen-Wechselrichter unmittelbar in eine Batterie integriert werden, so dass durch diese unmittelbar eine ein- oder mehrphasige Wechselspannung bereitgestellt werden kann.In addition to the multi-level inverter according to the invention, the invention relates to a battery module, a multi-level inverter according to the invention being arranged in a battery housing of the battery module, with at least one of the battery cells of the battery module forming the respective voltage source of the respective voltage module. In other words, the multi-level inverter according to the invention can be integrated directly into a battery, so that a single-phase or multi-phase alternating voltage can be provided directly by this.

Daneben betrifft die Erfindung ein Kraftfahrzeug, das einen erfindungsgemäßen Mehrebenen-Wechselrichter oder ein erfindungsgemäßes Batteriemodul umfasst. Die Ausgangsspannung kann insbesondere eine Wechselspannung für einen Antriebsmotor sein.In addition, the invention relates to a motor vehicle which comprises a multilevel inverter according to the invention or a battery module according to the invention. The output voltage can in particular be an alternating voltage for a drive motor.

Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den folgenden Ausführungsbeispielen und den zugehörigen Zeichnungen. Hierbei zeigen schematisch:

  • 1 ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Mehrebenen-Wechselrichters,
  • 2 eine mögliche Implementierung eines der in 1 gezeigten Spannungsmodule,
  • 3 beispielhaft ein durch den Mehrebenen-Wechselrichter zu erzeugendes Signal,
  • 4 ein Diagramm zum Betrieb der einzelnen Spannungsmodule zur Bereitstellung eines solchen Signals, und
  • 5 ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Kraftfahrzeugs, das ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Batteriemoduls umfasst.
Further advantages and details of the invention emerge from the following exemplary embodiments and the associated drawings. Here show schematically:
  • 1 an embodiment of a multilevel inverter according to the invention,
  • 2 a possible implementation of one of the in 1 voltage modules shown,
  • 3 for example a signal to be generated by the multilevel inverter,
  • 4th a diagram of the operation of the individual voltage modules to provide such a signal, and
  • 5 an embodiment of a motor vehicle according to the invention, which comprises an embodiment of a battery module according to the invention.

1 zeigt einen Mehrebenen-Wechselrichter 1 zur Erzeugung einer mehrstufigen Ausgangsspannung an den Anschlüssen 8, 9. Der Mehrebenen-Wechselrichter 1 umfasst eine Zentraleinrichtung 2 sowie mehrere Spannungsmodule 3 bis 6, die über ein Netzwerk oder einen Bus 7 mit der Zentraleinrichtung 2 verbunden sind. Wie in 1 durch die Punkte gezeigt ist können erheblich mehr als die vier gezeigten Spannungsmodule 3 bis 6 genutzt werden. Die einzelnen Spannungsmodule 3 bis 6 sind in Serie geschaltet. 1 shows a multilevel inverter 1 to generate a multi-level output voltage at the connections 8th , 9 . The multilevel inverter 1 includes a central facility 2 as well as several voltage modules 3 to 6th over a network or a bus 7th with the central facility 2 are connected. As in 1 shown by the dots can be considerably more than the four voltage modules shown 3 to 6th be used. The individual voltage modules 3 to 6th are connected in series.

Der Aufbau der einzelnen Spannungsmodule 3 bis 6 ist in 2 beispielhaft für das Spannungsmodul 3 dargestellt. Das Spannungsmodul 3 umfasst eine Spannungsquelle 11, im Beispiel eine Batterie bzw. Batteriezelle, und eine Ausgangsstufe 19, die mehrere Schalter 14 - 18 umfasst, um die Spannungsquelle 11 mit wahlfreier Polarität mit den Anschlüssen 12, 13 des Spannungsmoduls 3 zu verbinden und somit die Ausgangsspannung an den Anschlüssen 8, 9 des Mehrebenen-Wechselrichters 1 zu erhöhen oder zu erniedrigen bzw. wahlfrei die Batterie 11 von den Anschlüssen 12, 13 zu trennen und diese Anschlüsse über den Schalter 14 zu verbinden, so dass das Spannungsmodul 3 nicht zur Ausgangsspannung an den Anschlüssen 8, 9 beiträgt.The structure of the individual voltage modules 3 to 6th is in 2 exemplary for the voltage module 3 shown. The voltage module 3 includes a voltage source 11 , in the example a battery or battery cell, and an output stage 19th who have favourited multiple switches 14th - 18th includes to the voltage source 11 with optional polarity with the connections 12th , 13th of the voltage module 3 to be connected and thus the output voltage at the connections 8th , 9 of the multilevel inverter 1 to increase or decrease or optionally the battery 11 of the connections 12th , 13th and disconnect these connections via the switch 14th to connect so that the voltage module 3 not to the output voltage at the connections 8th , 9 contributes.

Die Ausgangsstufe 19 bzw. die Schalter 14 bis 18 werden durch eine Steuereinrichtung 10 des Spannungsmoduls 3 gesteuert. Die Steuereinrichtung 10 umfasst eine Kommunikationsschnittstelle 20 zur Kommunikation mit der Zentraleinrichtung 2 über das Netzwerk bzw. den Bus 7, einen Zeitzähler 21 und eine Auswerteeinrichtung 22. Die genannten Einrichtungen können auch durch einen gemeinsamen Baustein, beispielsweise durch einen Microcontroller oder ein System on a Chip, implementiert sein. Die Synchronisation des Zeitzählers 21 zu Zeitzählern anderer Spannungsmodule 4 bis 6 einerseits und zur Zentraleinrichtung 2 andererseits kann bereits über das genutzte Netz- bzw. Busprotokoll erfolgen oder es kann ein separates Synchronisierungsprotokoll genutzt werden.The output stage 19th or the switches 14th to 18th are controlled by a control device 10 of the voltage module 3 controlled. The control device 10 includes a communication interface 20th for communication with the central facility 2 via the network or the bus 7th , a time counter 21 and an evaluation device 22nd . The devices mentioned can also be implemented by a common module, for example by a microcontroller or a system on a chip. The synchronization of the time counter 21 to time counters of other voltage modules 4th to 6th on the one hand and to the central facility 2 on the other hand, the network or bus protocol used can already be used, or a separate synchronization protocol can be used.

Ein Beispiel für die Steuerung der Spannungsmodule 3 bis 6 durch die Zentraleinrichtung 2 wird im Folgenden mit Bezug auf 3 gezeigt, die schematisch den zeitlichen Verlauf der Ausgangsspannung 23 dargestellt. Hierbei ist der zeitliche Verlauf der Ausgangsspannungen 23 bis zu einem bestimmten Zeitpunkt 24 eine periodische Sinusschwingung mit einer Schwingungsperiode 27 und einer Amplitude 25. Ab dem bestimmten Zeitpunkt 24 sollen eine andere Amplitude 26 sowie eine andere Schwingungsamplitude 28 genutzt werden.An example of the control of the voltage modules 3 to 6th through the central facility 2 will be referred to below with reference to 3 shown, the schematically the time course of the output voltage 23 shown. Here is the time profile of the output voltages 23 until a certain point in time 24 a periodic sinusoidal oscillation with an oscillation period 27 and an amplitude 25th . From the specific point in time 24 should have a different amplitude 26th as well as a different oscillation amplitude 28 be used.

Hierzu sendet die Zentraleinrichtung 2 bereits vor dem bestimmten Zeitpunkt 24 eine Steuernachricht 30 an alle Spannungsmodule 3 bis 6, die eine die Sollphase 29 zu dem bestimmten Zeitpunkt 24 betreffende Sollphaseninformation 31, eine den bestimmten Zeitpunkt 24 beschreibende Zeitinformation 32, eine die Schwingungsperiode 28 bzw. eine zugehörige Frequenz betreffende Frequenzinformation 33 und eine die Amplitude 26 betreffende Amplitudeninformation 34 umfasst. Bei Empfang einer solchen Steuernachricht konfiguriert beispielsweise die Auswerteeinrichtung 22 den Zeitzähler 21 derart, dass zum bestimmten Zeitpunkt 24 ein Interrupt ausgelöst wird, um die Konfiguration des Spannungsmoduls 3 zu diesem Zeitpunkt anzupassen.To do this, the central facility sends 2 before the specified time 24 a control message 30th to all voltage modules 3 to 6th , the one the target phase 29 at that particular time 24 relevant target phase information 31 , a specific time 24 descriptive time information 32 , one the period of oscillation 28 or frequency information relating to an associated frequency 33 and one the amplitude 26th relevant amplitude information 34 includes. When such a control message is received, the evaluation device is configured, for example 22nd the time counter 21 such that at the specified time 24 an interrupt is triggered to configure the voltage module 3 adjust at this point.

Der Betrieb der verschiedenen Spannungsmodule 3 bis 6 zur Bereitstellung des Sinussignals mit der Amplitude 26 und der Schwingungsperiode 28 wird im Folgenden mit Bezug auf 4 erläutert. Wie dort zu erkennen ist, ist der Spannungsbereich 35 durch Betrieb eines einzigen der Spannungsmodule 3 bis 6 abdeckbar, der Spannungsbereich 36 benötigten den gleichzeitigen Betrieb von zwei der Spannungsmodule 3 bis 6 und der Spannungsbereich 37 den gleichzeitigen Betrieb von drei der Spannungsmodule 3 bis 6.The operation of the various voltage modules 3 to 6th to provide the sinusoidal signal with the amplitude 26th and the period of oscillation 28 will be referred to below with reference to 4th explained. As can be seen there, the voltage range is 35 by operating a single one of the voltage modules 3 to 6th coverable, the voltage range 36 required the simultaneous operation of two of the voltage modules 3 to 6th and the voltage range 37 the simultaneous operation of three of the voltage modules 3 to 6th .

Für die Spannungsmodule 3 bis 6 wird durch eine Konfigurationsnachricht 46, die an alle Spannungsmodule 3 bis 6 gesendet werden kann, eine Rangfolge der Spannungsmodule 3 bis 6 vorgegeben. Die Konfigurationsnachricht 46 bildet eine Permutationsvektor, der für jedes der Spannungsmodule 3 bis 6 einen jeweiligen Rang 47 angibt, den dieses Spannungsmodul 3 bis 6 in der Rangfolge übernehmen soll. Liegt die Ausgangsspannung somit im Spannungsbereich 35, kann ausschließlich das Spannungsmodul mit Rang 1 genutzt werden, um die Ausgangsspannung vorzugeben. Bei einer Ausgangsspannung im Spannungsbereich 36 oberhalb des Spannungsbereichs 35 werden die Spannungsmodule mit Rang 1 und mit Rang 2 gemeinsam genutzt, um die Ausgangsspannung auszugeben, usw.For the voltage modules 3 to 6th is through a configuration message 46 connected to all voltage modules 3 to 6th can be sent, a ranking of the voltage modules 3 to 6th given. The configuration message 46 forms a permutation vector for each of the voltage modules 3 to 6th a respective rank 47 indicates which this voltage module 3 to 6th should take over in the order of precedence. If the output voltage is in the voltage range 35 , only the voltage module with rank 1 can be used to specify the output voltage. With an output voltage in the voltage range 36 above the voltage range 35 the voltage modules are ranked 1 and with rank 2 shared to output the output voltage, etc.

Die Auswerteeinrichtung 22 des jeweiligen Spannungsmoduls 3 bis 6 ermittelt nach dem bestimmten Zeitpunkt jeweils eine aktuelle Phase bzw. einen zugeordneten Zählerwert. Dies ist besonders einfach möglich, wenn die Zählrate des Zeitzählers 21 bzw. eines weiteren Zeitzählers so eingestellt wird, dass der Zähler mit einer Periode überläuft, die der Schwingungsperiode 28 entspricht. In diesem Fall ist jeder Zählerwert des Zeitzählers 21 einer bestimmten Phase des periodischen bzw. pseudoperiodischen Ausgangssignals zugeordnet. Insbesondere kann der Zeitzähler somit zum bestimmten Zeitpunkt auf einen Zählerwert gesetzt werden, der der empfangenen Sollphase entspricht. Hierdurch ist der weitere Betrieb besonders einfach implementierbar, da die Auswertung von Zählerwerten unabhängig von der Schwingungsperiode bzw. Frequenz des periodischen Signals möglich ist. Wird ein Zeitzähler mit konstanter Zählrate genutzt, kann in einem Zwischenschritt aus dessen Zählerwert eine Phase ermittelt werden.The evaluation device 22nd of the respective voltage module 3 to 6th determines a current phase or an assigned counter value after the specific point in time. This is particularly easy if the count rate of the time counter 21 or a further time counter is set so that the counter overflows with a period that corresponds to the oscillation period 28 corresponds to. In this case, each counter value is the time counter 21 a certain phase of the periodic resp. assigned pseudoperiodic output signal. In particular, the time counter can thus be set to a counter value at a specific point in time which corresponds to the received nominal phase. As a result, further operation can be implemented in a particularly simple manner, since the evaluation of counter values is possible independently of the oscillation period or frequency of the periodic signal. If a time counter with a constant counting rate is used, a phase can be determined from its counter value in an intermediate step.

Der Betrieb eines einzelnen Spannungsmoduls 3 bis 6 wird im Folgenden am Beispiel jenes Spannungsmoduls 3 bis 6 erläutert, dem der Rang 2 zugeordnet wurde. Hierbei wird nur das Verhalten für die positive Hälfte der gezeigten Sinuswelle detailliert diskutiert. Hierbei wird die Batterie 11 nur während des Phasenbereichs 38 bzw. des Wertbereichs 39 des Zeitzählers überhaupt mit den Anschlüssen 12, 13 verbunden, indem die Schalter 15, 18 zumindest zeitweise geschlossen werden, weil die Aktivierungsbedingung erfüllt ist. Außerhalb dieses Phasen- bzw. Wertbereichs 38, 39 liegt der Abschaltbereich des entsprechenden Spannungsmoduls 3 bis 6, in dem die Aktivierungsbedingung durchgehend nicht erfüllt ist, so dass die Schalter 15 bis 18 geöffnet und der Schalter 14 geschlossen ist, um das entsprechende Spannungsmodul zu überbrücken.The operation of a single voltage module 3 to 6th is in the following using the example of that voltage module 3 to 6th explained to whom the rank 2 was assigned. Here only the behavior for the positive half of the shown sine wave is discussed in detail. This is where the battery 11 only during the phase range 38 or the range of values 39 of the time counter at all with the connections 12th , 13th connected by the switch 15th , 18th be closed at least temporarily because the activation condition is met. Outside of this phase or value range 38 , 39 is the shutdown range of the corresponding voltage module 3 to 6th , in which the activation condition is continuously not met, so that the switch 15th to 18th open and the switch 14th is closed in order to bypass the corresponding voltage module.

Der Beginn des Wertbereichs 38 kann beispielsweise erkannt werden, indem der Zeitzähler 21 programmiert wird, beim Erreichen eines entsprechenden Zählerwertes einen Interrupt auszulösen. Hierbei resultiert zunächst ein Modulationsbereich 42 als Wertbereich 43, innerhalb dem die Aktivierungsbedingung periodisch mit veränderlicher Pulsbreite 45 wechselt. Hierbei wird die Pulsbreite 45 über den Wertbereich 43 des Zeitzählers hinweg kontinuierlich erhöht, beispielsweise indem eine Pulsbreite 45 gewählt wird, die proportional zur Änderung des Wertes des Zeitzählers 21 seit Beginn des Modulationsbereichs 42 ist.The beginning of the range of values 38 can for example be recognized by the time counter 21 is programmed to trigger an interrupt when a corresponding counter value is reached. This initially results in a modulation range 42 as a range of values 43 , within which the activation condition is periodic with a variable pulse width 45 changes. This is the pulse width 45 over the range of values 43 of the time counter is continuously increased, for example by a pulse width 45 is chosen proportional to the change in the value of the timer 21 since the beginning of the modulation range 42 is.

Zugleich kann der Zeitzähler 21 beispielswiese derart programmiert werden, dass zu Beginn des Wertbereichs 41, der ein Aktivierungsbereich 40 ist, in dem die Aktivierungsbedingung durchgehend erfüllt sein soll und somit die Batterie durchgehend zwischen die Anschlüsse 12 und 13 geschaltet sein soll, wiederum ein Interrupt ausgelöst wird, wobei dort ein Tastverhältnis auf 100 % gesetzt wird, so dass die Schalter 15, 18 durchgehend geschlossen sind und somit die Spannung der Spannungsquelle 11 durchgehend die Ausgangsspannung erhöht. Dies ist in 4 durch einen schraffiert Bereich dargestellt. Mit Erreichen des Wertbereichs 55 des Zeitzählers, der einem weiteren Modulationsbereich 44 entspricht, in dem die Spannung wieder abgesenkt werden soll, erfolgt erneut ein gepulstes Schalten der Schalter 15, 18, wobei die Pulsbreite 45 rampenartig abgesenkt wird.At the same time, the time counter can 21 for example are programmed in such a way that at the beginning of the value range 41 , which is an activation area 40 in which the activation condition should be fulfilled continuously and thus the battery continuously between the connections 12th and 13th should be switched, in turn an interrupt is triggered, where a duty cycle is set to 100%, so that the switch 15th , 18th are continuously closed and thus the voltage of the voltage source 11 the output voltage is continuously increased. This is in 4th represented by a hatched area. When the value range is reached 55 the time counter, which is a further modulation range 44 If the voltage is to be reduced again, the switches are pulsed again 15th , 18th , where the pulse width 45 is lowered like a ramp.

Das gleiche Steuerverhalten kann für die negative Hälfte der Sinuskurve genutzt werden, wobei dort statt den Schaltern 15, 18 die Schalter 16, 17 geschlossen werden, um die Batterie 11 mit umgekehrter Polarität mit den Anschlüssen 12, 13 zu verbinden und somit die Ausgangsspannung 23 abzusenken bzw. eine negative Ausgangsspannung zu erhöhen. Durch nicht dargestellte Filter der einzelnen Spannungsmodule 3 bis 6 bzw. zwischen den Spannungsmodulen 3 bis 6 und den Anschlüssen 8 bis 9 angeordnete Filterelemente wird die in 4 gezeigte Pulsbreitenmodulation des jeweiligen aktivierten Spannungsmoduls 3-6 mit dem höchsten Rang geglättet, so dass mit guter Genauigkeit die in 3 gezeigte Kurve reproduziert werden kann.The same control behavior can be used for the negative half of the sine curve, where instead of the switches 15th , 18th the switches 16 , 17th closed to the battery 11 with reverse polarity with the terminals 12th , 13th to connect and thus the output voltage 23 lower or increase a negative output voltage. By filters, not shown, of the individual voltage modules 3 to 6th or between the voltage modules 3 to 6th and the connections 8th to 9 arranged filter elements is the in 4th Pulse width modulation shown for the respective activated voltage module 3-6 with the highest rank, so that the in 3 curve shown can be reproduced.

Sind mehr Spannungsmodule vorhanden, als zum Erreichen der Amplitude 25, 26 bzw. einer maximal gewünschten Amplitude erforderlich sind, können einige der Spannungsmodule 3 bis 6 temporär deaktiviert werden, indem durch die Zentraleinrichtung 2 eine Aktivierungsnachricht 48 an alle Spannungsmodule 3 bis 6 gesendet wird, die für jedes der Spannungsmodule 3 bis 6 in vorgegebener Reihenfolge eine Aktivierungsinformation 49 enthält, die angibt, ob das jeweilige Spannungsmodul 3 bis 6 normal betrieben werden soll oder stets inaktiv sein soll, also die Erfüllung der Aktivierungsbedingung unmöglich sein soll. Dies ist beispielsweise zweckmäßig, um gewisse Spannungsmodule als redundante Spannungsmodule vorrätig zu halten, die genutzt werden können, wenn die Spannungsquelle eines der anderen Spannungsmodule 3 bis 6 weitgehend entladen ist oder ein anderer Fehler vorliegt.Are there more voltage modules than to achieve the amplitude 25th , 26th or a maximum desired amplitude are required, some of the voltage modules 3 to 6th temporarily deactivated by the central facility 2 an activation message 48 to all voltage modules 3 to 6th that is sent for each of the voltage modules 3 to 6th activation information in a predetermined order 49 that indicates whether the respective voltage module 3 to 6th should be operated normally or should always be inactive, i.e. the fulfillment of the activation condition should be impossible. This is useful, for example, in order to keep certain voltage modules in stock as redundant voltage modules that can be used when the voltage source is one of the other voltage modules 3 to 6th is largely discharged or there is another error.

5 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Kraftfahrzeugs 50, das ein Batteriemodul 51 umfasst, um einen Antriebsmotor 52 des Kraftfahrzeugs 50 anzutreiben. Das Batteriemodul 51 umfasst eine Variante des vorangehend erläuterten Mehrebenen-Wechselrichters, bei dem die einzelnen Spannungsmodule 53 als Spannungsquelle 11 eine jeweilige Batteriezellen 54 des Batteriemoduls 51 umfassen, wobei zusätzlich zu den Spannungsmodulen 53 die Zentraleinrichtung 2 und das aus Übersichtlichkeitsgründen nicht dargestellte Netzwerk bzw. der nicht dargestellte Bus 7 in das Batteriemodul 51 integriert sind. Somit kann ein Batteriemodul 51 bereitgestellt werden, das unmittelbar bedarfsgerecht Wechselspannungen bereitstellen kann. Aus Übersichtlichkeitsgründen ist hierbei nur die Bereitstellung einer einphasigen Wechselspannung dargestellt, wobei bedarfsgerecht auch mehrphasige Wechselspannungen bereitgestellt werden können. 5 shows an embodiment of a motor vehicle 50 that is a battery module 51 includes to a drive motor 52 of the motor vehicle 50 to drive. The battery module 51 includes a variant of the multi-level inverter explained above, in which the individual voltage modules 53 as a voltage source 11 a respective battery cell 54 of the battery module 51 include, in addition to the voltage modules 53 the central facility 2 and the network or bus, not shown, for reasons of clarity 7th into the battery module 51 are integrated. Thus, a battery module 51 be provided, which can provide AC voltages immediately as required. For reasons of clarity, only the provision of a single-phase alternating voltage is shown here, with multiphase alternating voltages also being able to be provided as required.

Claims (12)

Mehrebenen-Wechselrichter zur Erzeugung einer mehrstufigen Ausgangsspannung (23), umfassend eine Zentraleinrichtung (2) und mehrere durch die Zentraleinrichtung (2), insbesondere über ein Netzwerk oder einen Bus (7), steuerbare Spannungsmodule (3 - 6), wobei die Zentraleinrichtung (2) dazu eingerichtet ist, die Spannungsmodule (3 - 6) zur Ausgabe eines periodisches Signal, insbesondere eines Sinussignals, als Ausgangsspannung (23) anzusteuern, wobei die Spannungsmodule (3-6) eine jeweilige Steuereinrichtung (10) aufweisen, die dazu eingerichtet ist, zu prüfen ob eine Aktivierungsbedingung erfüllt ist und ausschließlich bei Erfüllung der Aktivierungsbedingung eine Ausgangsstufe (19) des jeweiligen Spannungsmoduls (3-6) anzusteuern, um die Ausgangsspannung (23) um einen vorgegebenen Betrag zu erhöhen oder zu erniedrigen, wobei die Erfüllung der Aktivierungsbedingung von einer von der Zentraleinrichtung (2) empfangenen Steuernachricht (30) abhängt, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuernachricht (30) eine Sollphase (29) des periodischen Signals beschreibt, die das periodische Signal zu einem bestimmten Zeitpunkt (24) aufweisen soll, wobei die jeweilige Steuereinrichtung (10) einen Zeitzähler (21) aufweist und dazu eingerichtet ist, nach Empfang der Steuernachricht (30) wiederholt die Erfüllung der Aktivierungsbedingung zu prüfen, wobei die Erfüllung der Aktivierungsbedingung zusätzlich von der Änderung des Wertes des Zeitzählers (21) seit dem bestimmten Zeitpunkt (24) und einer vorgegebenen Frequenz oder Schwingungsperiode (27, 28) des periodischen Signals abhängt.Multi-level inverter for generating a multi-level output voltage (23), comprising a central device (2) and several voltage modules (3 - 6) controllable by the central device (2), in particular via a network or a bus (7), the central device ( 2) is set up to control the voltage modules (3-6) for outputting a periodic signal, in particular a sinusoidal signal, as an output voltage (23), the voltage modules (3-6) having a respective control device (10) which is set up for this purpose to check whether an activation condition is met and to control an output stage (19) of the respective voltage module (3-6) only when the activation condition is met in order to increase or decrease the output voltage (23) by a specified amount, with the fulfillment of the activation condition on a control message (30) received from the central device (2), characterized in that the control message (30) describes a target phase (29) of the periodic signal that the periodic signal should have at a specific point in time (24), the respective control device (10) having a time counter (21) and being set up to do so after receiving the control message (30) to repeatedly check the fulfillment of the activation condition, the fulfillment of the activation condition additionally depending on the change in the value of the time counter (21) since the specific time (24) and a predetermined frequency or oscillation period (27, 28) of the periodic signal. Mehrebenen-Wechselrichter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuernachricht (30) eine den bestimmten Zeitpunkt (24) beschreibende Zeitinformation (32) umfasst.Multi-level inverter after Claim 1 , characterized in that the control message (30) comprises time information (32) describing the specific point in time (24). Mehrebenen-Wechselrichter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Zentraleinrichtung (2) derart eingerichtet ist, dass die gleiche Steuernachricht (30) an alle Spannungsmodule (2 - 6) gesendet wird.Multi-level inverter after Claim 1 or 2 , characterized in that the central device (2) is set up in such a way that the same control message (30) is sent to all voltage modules (2-6). Mehrebenen-Wechselrichter nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass einerseits die Steuernachricht (30) eine die vorgegebene Frequenz oder Schwingungsperiode (27, 28) beschreibende Frequenzinformation (33) umfasst, und/oder das andererseits die Steuernachricht (30) eine die Amplitude (25, 26) des periodischen Signals beschreibende Amplitudeninformation (34) umfasst, wobei die Erfüllung der Aktivierungsbedingung zusätzlich von der Amplitudeninformation (34) abhängt.Multi-level inverter according to one of the preceding claims, characterized in that on the one hand the control message (30) comprises frequency information (33) describing the predetermined frequency or oscillation period (27, 28), and / or on the other hand the control message (30) contains the amplitude (25, 26) of the periodic signal describing amplitude information (34), the fulfillment of the activation condition additionally depending on the amplitude information (34). Mehrebenen-Wechselrichter nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die jeweilige Aktivierungsbedingung zusätzlich von einem Rang (47) des jeweiligen Spannungsmoduls (2 - 6) in einer Rangfolge abhängt, wobei die Zentraleinrichtung (2) dazu eingerichtet ist, den Spannungsmodulen (3 - 6) durch eine oder durch eine jeweilige Konfigurationsnachricht (46) einen jeweiligen Rang (47) zuzuweisen.Multi-level inverter according to one of the preceding claims, characterized in that the respective activation condition additionally depends on a rank (47) of the respective voltage module (2-6) in a ranking, the central device (2) being set up to the voltage modules (3 - 6) to assign a respective rank (47) by means of a configuration message (46) or a respective configuration message. Mehrebenen-Wechselrichter nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die jeweilige Aktivierungsbedingung nur dann erfüllbar ist, wenn das jeweilige Spannungsmodul (3 - 6) in einem aktiven Zustand ist, wobei die Zentraleinrichtung (2) dazu eingerichtet ist, die Spannungsmodule (3 - 6) durch eine oder durch eine jeweilige Aktivierungsnachricht (48) wahlweise in den aktiven oder einen passiven Zustand zu versetzen.Multi-level inverter according to one of the preceding claims, characterized in that the respective activation condition can only be fulfilled when the respective voltage module (3 - 6) is in an active state, the central device (2) being set up to control the voltage modules (3 - 6) to be set either in the active or a passive state by a or by a respective activation message (48). Mehrebenen-Wechselrichter nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die jeweilige Steuereinrichtung (10) dazu eingerichtet ist, in Abhängigkeit des oder eines Rangs (47) des jeweiligen Spannungsmoduls (3 - 6) in der oder einer Rangfolge der Spannungsmodule (3 - 6) als einen Aktivierungsbereich (40) und/oder einen Abschaltbereich und/oder einen Modulationsbereich (42, 44) wenigstens einen jeweiligen Phasenbereich der Phase der periodischen Schwingung oder einen dem jeweiligen Phasenbereich zugeordneten Wertbereich (41, 43, 55) des Zeitzählers (21) zu bestimmen, wobei in dem Aktivierungsbereich (40) die Aktivierungsbedingung dauerhaft oder bei Betrieb des Spannungsmoduls (3 - 6) im aktiven Zustand dauerhaft erfüllt ist, in dem Abschaltbereich die Aktivierungsbedingung dauerhaft nicht erfüllt ist und in dem Modulationsbereich (42, 44) die Erfüllung der Aktivierungsbedingung stets oder bei Betrieb des Spannungsmoduls (3 - 6) im aktiven Zustand periodisch mit einer festen oder veränderlichen Pulsbreite (45) wechselt.Multi-level inverter according to one of the preceding claims, characterized in that the respective control device (10) is set up, depending on the or a rank (47) of the respective voltage module (3 - 6) in the or a ranking of the voltage modules (3 - 6) as an activation area (40) and / or a switch-off area and / or a modulation area (42, 44) at least one respective phase area of the phase of the periodic oscillation or a value area (41, 43, 55) of the time counter (21) assigned to the respective phase area ), whereby the activation condition is permanently fulfilled in the activation area (40) or permanently fulfilled when the voltage module (3-6) is operating in the active state, the activation condition is permanently not fulfilled in the switch-off area and the activation condition is permanently fulfilled in the modulation area (42, 44) Fulfillment of the activation condition always or periodically when the voltage module (3 - 6) is operating in the active state he changes fixed or variable pulse width (45). Mehrebenen-Wechselrichter nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die jeweilige Steuereinrichtung (10) dazu eingerichtet ist, die veränderliche Pulsbreite (45) innerhalb des Modulationsbereichs (42, 44) in Abhängigkeit einer Änderung des Wertes des Zeitzählers (21) seit Beginn des jeweiligen Modulationsbereichs (42, 44) vorzugeben.Multi-level inverter after Claim 7 , characterized in that the respective control device (10) is set up to measure the variable pulse width (45) within the modulation range (42, 44) as a function of a change in the value of the time counter (21) since the beginning of the respective modulation range (42, 44) to pretend. Mehrebenen-Wechselrichter nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass, die Ausgangsstufe (19) des jeweiligen Spannungsmoduls (3 - 6) dazu eingerichtet ist, die Ausgangsspannung (23) wahlweise um den vorgegebenen Betrag zu erhöhen oder zu erniedrigen, wobei die jeweilige Steuereinrichtung (10) dazu eingerichtet ist, die Auswahl zwischen der Erhöhung und der Erniedrigung der Ausgangsspannung (23) bei Erfüllung der Aktivierungsbedingung in Abhängigkeit von der Steuernachricht (30), von der Änderung des Wertes des Zeitzählers (21) seit dem bestimmten Zeitpunkt (24) und von der vorgegebenen Frequenz oder Schwingungsperiode (27, 28) des periodischen Signals zu treffen.Multi-level inverter according to one of the preceding claims, characterized in that the output stage (19) of the respective voltage module (3-6) is set up to optionally increase or decrease the output voltage (23) by the predetermined amount, the respective Control device (10) is set up to make the selection between increasing and decreasing the output voltage (23) when the activation condition is met as a function of the control message (30), of the change in the To meet the value of the time counter (21) since the specific time (24) and the predetermined frequency or oscillation period (27, 28) of the periodic signal. Mehrebenen-Wechselrichter nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Spannungsmodule (3 - 6) jeweils eine Spannungsquelle (11), insbesondere eine Batterie oder wenigstens eine Batteriezelle (54), umfassen, wobei die jeweilige Ausgangsstufe (19) dazu eingerichtet ist, die Spannungsquelle (11) bei Erfüllung der Aktivierungsbedingung zwischen zwei Anschlüsse (8, 9) der Ausgangsstufe (19) zu schalten und bei Nichterfüllung der Aktivierungsbedingung die zwei Anschlüsse (8, 9) leitend zu verbinden sind, wobei wenigstens ein Pol der Spannungsquelle (11) von den Anschlüssen (8, 9) getrennt ist.Multi-level inverter according to one of the preceding claims, characterized in that the voltage modules (3-6) each include a voltage source (11), in particular a battery or at least one battery cell (54), the respective output stage (19) being set up for this to switch the voltage source (11) between two connections (8, 9) of the output stage (19) when the activation condition is fulfilled and to conductively connect the two connections (8, 9) when the activation condition is not fulfilled, with at least one pole of the voltage source ( 11) is separated from the connections (8, 9). Batteriemodul, dadurch gekennzeichnet, dass in einem Batteriegehäuse des Batteriemoduls (51) ein Mehrebenen-Wechselrichter (1) nach Anspruch 10 angeordnet ist, wobei wenigstens eine der Batteriezellen (54) des Batteriemoduls die jeweilige Spannungsquelle (11) des jeweiligen Spannungsmoduls (53) bildet.Battery module, characterized in that a multi-level inverter (1) in a battery housing of the battery module (51) Claim 10 is arranged, wherein at least one of the battery cells (54) of the battery module forms the respective voltage source (11) of the respective voltage module (53). Kraftfahrzeug, dadurch gekennzeichnet, dass es einen Mehrebenen-Wechselrichter (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 10 oder ein Batteriemodul (51) nach Anspruch 11 umfasst.Motor vehicle, characterized in that it has a multilevel inverter (1) according to one of the Claims 1 to 10 or a battery module (51) according to Claim 11 includes.
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