Title:
Spannungswandler, Verfahren zu dessen Betrieb und Computerprogramm
Document Type and Number:
Kind Code:
A1

Abstract:

Die Erfindung betrifft einen Spannungswandler zur Wandlung einer ersten Gleichspannung, die an einer Primärseite des Spannungswandlers anliegt, in eine zweite Gleichspannung, die an einer Sekundärseite des Spannungswandlers anliegt, wobei der Spannungswandler modular mit einer Vielzahl von Wandlermodulen ausgebildet ist, die einerseits auf der Primärseite miteinander verschaltet sind und andererseits auf der Sekundärseite miteinander verschaltet sind, wobei die Wandlermodule jeweils als Multiple Active Bridge, Full-resonant-Topologie, Stromquellen-Topologie oder Impedanzquellen-Topologie mit einem jeweiligen zwischen der Primärseite und der Sekundärseite eines Wandlermoduls geschalteten Transformator ausgebildet sind, wobei die Transformatoren der Wandlermodule miteinander magnetisch gekoppelt sind. Die Erfindung betrifft außerdem ein Verfahren zum Betrieb eines derartigen Spannungswandlers sowie ein Computerprogramm zur Durchführung des Verfahrens auf einem Rechner. embedded image





Inventors:
Liserre, Marco, Prof. Dr. (24248, Mönkeberg, DE)
Buticchi, Giampaolo, Dr. (24118, Kiel, DE)
Costa, Levy (24105, Kiel, DE)
Andresen, Markus (24118, Kiel, DE)
Application Number:
DE102017104138A
Publication Date:
08/30/2018
Filing Date:
02/28/2017
Assignee:
Christian-Albrechts-Universität zu Kiel, 24118 (DE)
International Classes:
H02M3/28; H01F38/00
Foreign References:
20050185429
20100314937
20140049990
Attorney, Agent or Firm:
Gramm, Lins & Partner Patent- und Rechtsanwälte PartGmbB, 30173, Hannover, DE
Claims:
Spannungswandler (1) zur Wandlung einer ersten Gleichspannung (11), die an einer Primärseite (10) des Spannungswandlers (1) anliegt, in eine zweite Gleichspannung (21), die an einer Sekundärseite (20) des Spannungswandlers (1) anliegt, wobei der Spannungswandler (1) modular mit einer Vielzahl von Wandlermodulen (2) ausgebildet ist, die einerseits auf der Primärseite (10) miteinander verschaltet sind und andererseits auf der Sekundärseite (20) miteinander verschaltet sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Wandlermodule (2) jeweils als Multiple Active Bridge, Full-resonant-Topologie, Stromquellen-Topologie oder Impedanzquellen-Topologie mit einem jeweiligen zwischen der Primärseite (12) und der Sekundärseite (22) eines Wandlermoduls (2) geschalteten Transformator (5) ausgebildet sind, wobei die Transformatoren (5) der Wandlermodule (2) miteinander magnetisch gekoppelt sind.

Spannungswandler nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die magnetische Kopplung zwischen zwei, mehreren oder allen Wandlermodulen (2) durch einen deren Transformatoren (5) magnetisch verbindenden magnetischen Kern (6, 7) gebildet ist.

Spannungswandler nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass der magnetische Kern (6, 7) als ringförmig geschlossener oder zumindest im Wesentlichen geschlossener magnetischer Kern ausgebildet ist.

Spannungswandler nach einem der Ansprüche 2 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere oder alle der Transformatoren (5) durch eine Vielzahl primärseitiger und sekundärseitiger Transformatorwicklungen (14, 24), die auf einem gemeinsamen magnetischen Kern (7) angeordnet sind, gebildet sind.

Spannungswandler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die magnetisch miteinander gekoppelten Transformatoren (5) mechanisch lösbar miteinander gekoppelt sind, sodass ein einzelner Transformator (5) oder eine einzelne Transformatorwicklung (14, 24) austauschbar ist.

Spannungswandler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eines, mehrere oder alle der Wandlermodule (2) selbst wiederum modular aufgebaut sind, indem ein solches Wandlermodul (2) eine primärseitige Wandlerzelle (13), die an eine primärseitige Transformatorwindung (14) des Transformators (5) des Wandlermoduls (2) angeschlossen ist, und eine sekundärseitige Wandlerzelle (23) aufweist, die an eine sekundärseitige Transformatorwindung (24) des Transformators (5) des Wandlermoduls (2) angeschlossen ist.

Spannungswandler nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass wahlweise die primärseitige Wandlerzelle (13) und/oder die sekundärseitige Wandlerzelle (23) austauschbar ist.

Spannungswandler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wandlermodule (2) auf ihrer Primärseite (12) miteinander in Reihenschaltung oder in Parallelschaltung verbunden sind, und/oder die Wandlermodule (2) auf ihrer Sekundärseite (22) in Reihenschaltung oder Parallelschaltung miteinander verbunden sind.

Spannungswandler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Spannungswandler (1) eine Steuereinrichtung (3) aufweist, die dazu eingerichtet ist, den Transfer elektrischer Leistung von einem Wandlermodul (2) des Spannungswandlers (1) zu einem anderen Wandlermodul (2) des Spannungswandlers (1) oder mehreren anderen Wandlermodulen (2) des Spannungswandlers (1) gemäß einem Vorgabewert zu steuern oder zu regeln.

Spannungswandler nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung (3) dazu eingerichtet ist, bei einem im Betrieb des Spannungswandlers (1) auftretenden Fehler eines Wandlermoduls (2) dieses Wandlermodul (2) im laufenden Betrieb des Spannungswandlers (1) ganz oder teilweise zu deaktivieren.

Spannungswandler nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung (3) dazu eingerichtet ist, ein zu deaktivierendes Wandlermodul (2) nur auf der fehlerhaften Seite des Wandlermoduls (2), d.h. der Primärseite (12) oder der Sekundärseite (22), zu deaktivieren und die jeweils andere Seite weiter zu betreiben.

Spannungswandler nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung (3) dazu eingerichtet ist, bei ansteigendem Leistungsbedarf des Spannungswandlers (1) und/oder im Falle einer Deaktivierung eines Wandlermoduls (2) oder eines Teils davon ein als Reserve vorhandenes Wandlermodul (2) oder eine Wandlerzelle (13, 23) zu aktivieren und in den Betrieb des Spannungswandlers (1) zu integrieren.

Verfahren zum Betrieb eines Spannungswandlers (1) nach einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung (3) einen oder mehrere Verfahrensschritte zur Steuerung oder Regelung der Übertragung elektrischer Leistung von einem Wandlermodul (2) des Spannungswandlers (1) zu einem anderen Wandlermodul (2) des Spannungswandlers (1) oder mehreren anderen Wandlermodulen (2) des Spannungswandlers (1) gemäß einem Vorgabewert des Spannungswandlers (1) ausführt.

Computerprogramm mit Programmcodemitteln, eingerichtet zur Durchführung des Verfahrens nach dem vorhergehenden Anspruch, wenn das Computerprogramm auf einem Rechner der Steuereinrichtung (3) ausgeführt wird.

Description:

Die Erfindung betrifft einen Spannungswandler zur Wandlung einer ersten Gleichspannung, die an einer Primärseite des Spannungswandlers anliegt, in eine zweite Gleichspannung, die an einer Sekundärseite des Spannungswandlers anliegt, wobei der Spannungswandler modular mit einer Vielzahl von Wandlermodulen ausgebildet ist, die einerseits auf der Primärseite miteinander verschaltet sind und andererseits auf der Sekundärseite miteinander verschaltet sind. Die Erfindung betrifft außerdem ein Verfahren zum Betrieb eines derartigen Spannungswandlers sowie ein Computerprogramm zur Durchführung des Verfahrens auf einem Rechner.

Spannungswandler dienen zur Wandlung einer hohen Gleichspannung in eine niedrige Gleichspannung oder umgekehrt. Die Gleichspannungen, d.h. die erste Gleichspannung und die zweite Gleichspannung, können auch gleich groß oder im Wesentlichen gleich groß sein, wenn ein Spannungswandler z.B. zur galvanischen Trennung zwischen Gleichspannungsnetzen eingesetzt werden soll.

Die vorliegende Erfindung geht dabei von einem modularen Aufbau des Spannungswandlers mit einer Vielzahl von Wandlermodulen aus, was den Vorteil hat, dass durch entsprechende Verschaltung der Wandlermodule primärseitig und sekundärseitig (Parallelschaltung/Reihenschaltung) eine jeweils geeignete Anpassung an die Erfordernisse der zu wandelnden Gleichspannungen möglich ist und der gesamte Bauteilaufwand, insbesondere für Leistungshalbleiter, vergleichsweise moderat gehalten werden kann. Allgemein liegt der Vorteil solcher modularen Systeme in geringen Kosten und einem potentiell höheren Wirkungsgrad des Systems.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen solchen modularen Spannungswandler hinsichtlich der Funktionalität und Skalierbarkeit fortzubilden.

Diese Aufgabe wird bei dem eingangs genannten Spannungswandler dadurch gelöst, dass die Wandlermodule jeweils als Multiple Active Bridge, Full-resonant-Topologie, Stromquellen-Topologie, Impedanzquellen-Topologie oder ähnliches mit einem jeweiligen zwischen der Primärseite und der Sekundärseite eines Wandlermoduls geschalteten Transformator ausgebildet sind, wobei die Transformatoren der Wandlermodule miteinander magnetisch gekoppelt sind.

Die vorliegende Erfindung betrifft daher Spannungswandler, die auf der Funktionalität einer Multiple Active Bridge oder einer ähnlichen Wandlertechnologie beruhen, die einen Transformator erfordert. Eine Multiple Active Bridge kann z.B. in Form einer Dual Active Bridge, wie in der US 5,027,264 beschrieben, oder einer Quadruple Active Bridge realisiert sein, wobei auch andere Topologien oder Technologien benutzt werden können. Bei dieser Art von Spannungswandlern werden geschaltete Leistungshalbleiter eingesetzt. Zur Energieübertragung zwischen der Primärseite und der Sekundärseite werden über die Leistungshalbleiter auf beiden Seiten, d.h. Primärseite und Sekundärseite, durch getaktetes Schalten der Leistungshalbleiter gepulste, rechteckförmige Signale erzeugt. Die Energieübertragung erfolgt über einen Phasenversatz zwischen den Signalen der Primärseite und der Sekundärseite (Phase Shift Modulation). Auch andere Regelungen, wie z.B. Tastgrad-Regelung oder ähnlich, können vorteilhaft eingesetzt werden. Im Vergleich zu konventionellen Spannungswandlern, die mit vergleichsweise geringer Frequenz betrieben werden, kommt bei der Multiple Active Bridge eine Hochfrequenzübertragung zum Einsatz. Der hierfür benötigte Transformator benötigt im Vergleich zur Niedrigfrequenzübertragung wenig Platz, sodass solche Spannungswandler kompaktbauend und dementsprechend kostengünstig realisiert werden können.

Bei der vorliegenden Erfindung ist somit eine hocheffiziente Energieübertragung bei minimiertem Platzbedarf und Kosten möglich.

Ein zusätzlicher synergetischer Effekt mit der modularen Struktur des Spannungswandlers wird dadurch erzielt, dass die Transformatoren der Wandlermodule miteinander magnetisch gekoppelt sind. Auf diese Weise kann elektrische Leistung nicht nur zwischen der Primärseite und der Sekundärseite innerhalb eines Wandlermoduls übertragen werden, sondern es ist auch ein Leistungstransfer zwischen den auf diese Weise miteinander magnetisch gekoppelten Wandlermodulen möglich. Hierdurch kann die Skalierbarkeit, Ausfallunempfindlichkeit und Reparaturfreundlichkeit des Systems weiter verbessert werden. Allgemein gesagt wird der Spannungswandler im Hinblick auf die Fehlertoleranz, die Skalierbarkeit der übertragbaren Spannung und Leistung und der Reparaturfähigkeit deutlich verbessert. Durch die Modularität des Spannungswandlers müssen im Defektfall nur das betroffene Wandlermodul oder Teile davon ausgetauscht werden. Durch die Modularität wird zudem eine Redundanz bereitgestellt, die es ermöglicht, den Spannungswandler bei Defekt bspw. eines einzelnen Wandlermoduls weiter zu betreiben. Dementsprechend wird die Ausfallsicherheit erhöht. Eine Reparatur kann dann zu einem geeigneten Zeitpunkt erfolgen und muss nicht zwingend sofort durchgeführt werden. Zudem wird durch die Modularität die Wartung insgesamt vereinfacht.

Durch den bei einer Multiple Active Bridge typischen hochfrequenten Betrieb können die benötigten Transformatoren zudem klein gehalten werden. Sie haben dementsprechend ein geringeres Gewicht als bei konventionellen Spannungswandlern, was die Wartung und den Austausch von Bauteilen des Spannungswandlers vereinfacht und eine Reparatur vor Ort häufig erst ermöglicht.

Die Transformatoren können kernlos oder mit einem magnetischen Kern ausgebildet sein. Bei der magnetischen Kopplung wird davon ausgegangen, dass zwischen erfindungsgemäß miteinander magnetisch gekoppelten Transformatoren ein Kopplungsgrad von wenigstens k = 0,1 vorliegt. Bekanntlich kann der Kopplungsgrad k maximal den Wert 1 erreichen, was einem idealen Transformator entspricht. Der Kopplungsgrad k = 0 würde einer nicht vorhandenen magnetischen Kopplung der Transformatoren entsprechen.

Der Spannungswandler kann insbesondere als bidirektionaler Spannungswandler ausgebildet sein, der wahlweise die erste Gleichspannung als Eingangsspannung umwandelt in die zweite Gleichspannung, die dann eine Ausgangsspannung ist, oder die zweite Gleichspannung als Eingangsspannung verarbeitet, um die erste Gleichspannung als Ausgangsspannung bereitzustellen.

Wie sich aus den vorhergehenden Erläuterungen ergibt, weisen die Wandlermodule jeweils eine eigene Primärseite und Sekundärseite auf. Dabei sind die Primärseiten der Wandlermodule der Primärseite des Spannungswandlers zugeordnet, und die Sekundärseiten der Wandlermodule sind der Sekundärseite es Spannungswandlers zugeordnet.

Die Erfindung eignet sich allgemein für die Anbindung von Systemen der Mittelspannung oder der Hochspannung. Die Erfindung eignet sich auch in Gleichspannungsnetzen zur galvanischen Trennung. Weitere Anwendungsfelder sind bspw. leistungselektrisch basierte Transformatoren (Solid State Transformers), elektrische Schienenfahrzeuge, Ladestationen für Elektrofahrzeuge oder die Anbindung von Batteriesystemen.

Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die magnetische Kopplung zwischen zwei, mehreren oder allen Wandlermodulen durch einen deren Transformatoren magnetisch verbindenden magnetischen Kern gebildet ist. Durch einen solchen magnetischen Kern kann der Kopplungsgrad und damit die Effizienz der Leistungsübertragung von einem Wandlermodul zu einem anderen Wandlermodul über die magnetisch gekoppelten Transformatoren deutlich gesteigert werden.

Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass der magnetische Kern als ringförmig geschlossener oder zumindest im Wesentlichen geschlossener magnetischer Kern ausgebildet ist. Hierdurch kann der Kopplungsgrad und damit die Effizienz der Energieübertragung weiter gesteigert werden.

Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass mehrere oder alle der Transformatoren durch eine Vielzahl primärseitiger und sekundärseitiger Transformatorwicklungen, die auf einem gemeinsamen magnetischen Kern angeordnet sind, gebildet sind. Dies erlaubt auch einen modularen Aufbau des erfindungsgemäßen Spannungswandlers in Bezug auf die Transformatoren. Der gemeinsame magnetische Kern ermöglicht zudem Kostenvorteile gegenüber getrennten magnetischen Kernen.

Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die magnetisch miteinander gekoppelten Transformatoren mechanisch lösbar miteinander gekoppelt sind, sodass ein einzelner Transformator oder eine einzelne Transformatorwicklung austauschbar ist. Hierdurch wird die Reparaturfreundlichkeit des erfindungsgemäßen Spannungswandlers weiter verbessert.

Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass eines, mehrere oder alle der Wandlermodule selbst wiederum modular aufgebaut sind, indem ein solches Wandlermodul eine primärseitige Wandlerzelle, die an eine primärseitige Transformatorwindung des Transformators des Wandlermoduls angeschlossen ist, und eine sekundärseitige Wandlerzelle aufweist, die an eine sekundärseitige Transformatorwindung des Transformators des Wandlermoduls angeschlossen ist. Hierdurch kann die Modularität und dementsprechend die damit verbundenen Vorteile, wie Fehlertoleranz, Skalierbarkeit und Reparaturfähigkeit, weiter verbessert werden. Auf diese Weise kann die Modularität bis auf die Ebene der Wandlermodule fortgeführt werden. Der Spannungswandler kann somit baukastenartig aus einer Vielzahl einzelner Wandlerzellen aufgebaut werden, die identisch oder ähnlich ausgebildet sein können. Eine Wandlerzelle kann dann wahlweise als primärseitige Wandlerzelle oder sekundärseitige Wandlerzelle eingesetzt werden. Insbesondere kann eine primärseitige Wandlerzelle und eine sekundärseitige Wandlerzelle eines Wandlermoduls identisch ausgebildet sein. In einer solchen Wandlerzelle sind hinsichtlich der elektronischen Bauteile zumindest die erforderlichen Leistungshalbleiter vorhanden, die zum Erzeugen der geschalteten Energieübertragungssignale erforderlich sind. Die Leistungshalbleiter einer Wandlerzelle können z.B. als Vollbrücke (H-Brücke) oder als Halbbrücke miteinander verschaltet sein. Eine Wandlerzelle kann zudem eine eigene Steuereinrichtung oder zumindest einen Teil einer Steuereinrichtung aufweisen, um die Leistungshalbleiter zu steuern und zudem übergeordnete Steuerungsfunktionen für den Energietransfer zwischen verschiedenen Wandlermodulen oder Wandlerzellen zu steuern. Die lokale Steuereinrichtung einer Wandlerzelle kann mit einer zentralen Steuereinrichtung des Spannungswandlers in Verbindung stehen, z.B. durch Datenkommunikation, um hierdurch übergeordnete Steuerungsfunktionen und Regelungsfunktionen des Spannungswandlers zu realisieren.

Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass wahlweise die primärseitige Wandlerzelle und/oder die sekundärseitige Wandlerzelle austauschbar ist. Hierdurch werden Kosten und Material gespart. Es muss im Defektfall somit nicht ein komplettes Wandlermodul ausgetauscht werden. Stattdessen ist es ausreichend, eine defekte Wandlerzelle auszutauschen.

Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Wandlermodule auf ihrer Primärseite miteinander in Reihenschaltung oder in Parallelschaltung verbunden sind, und/oder die Wandlermodule auf ihrer Sekundärseite in Reihenschaltung oder Parallelschaltung miteinander verbunden sind. Durch die Wahl einer geeigneten Verschaltung (Reihe/Parallel) kann der Spannungswandler an die jeweiligen Erfordernisse der Primärseite und der Sekundärseite angepasst werden. Soll bspw. die erste Gleichspannung erheblich größer sein als die zweite Gleichspannung, ist es vorteilhaft, die Wandlermodule primärseitig in Reihe zu schalten und sekundärseitig parallel zu schalten. Auf diese Weise wird die primärseitig anliegende Spannung eines Wandlermoduls durch die Reihenschaltung auf geringere Werte reduziert, während sekundärseitig durch die Parallelschaltung hohe Ströme verarbeitet werden können.

Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Spannungswandler eine Steuereinrichtung aufweist, die dazu eingerichtet ist, den Transfer elektrischer Leistung von einem Wandlermodul des Spannungswandlers zu einem anderen Wandlermodul des Spannungswandlers oder mehreren anderen Wandlermodulen des Spannungswandlers gemäß einem Vorgabewert zu steuern oder zu regeln. Hierbei kann insbesondere vorgesehen sein, dass auch der Transfer elektrischer Leistung von einer Wandlerzelle des Spannungswandlers zu einer anderen Wandlerzelle individuell gesteuert oder geregelt wird. Der Vorgabewert kann dabei ein fester Vorgabewert oder ein variabler Vorgabewert sein, der je nach Betriebszustand des Spannungswandlers angepasst wird. Der Vorgabewert kann bspw. aus Kennlinien oder Kennlinienfeldern bestimmt werden. Durch die Möglichkeit, den Leistungstransfer jedes einzelnen Wandlermoduls oder sogar jeder einzelnen Wandlerzelle zu steuern oder zu regeln, kann die Belastung der einzelnen Bauteile in gewünschter Weise beeinflusst werden und die Bauteile damit vor Überlastung geschützt werden.

Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Steuereinrichtung dazu eingerichtet ist, bei einem im Betrieb des Spannungswandlers auftretenden Fehler eines Wandlermoduls dieses Wandlermodul im laufenden Betrieb des Spannungswandlers ganz oder teilweise zu deaktivieren. Auf diese Weise kann der Spannungswandler auch bei solchen partiellen Defekten weiter betrieben werden und fällt somit nicht aus. Die Reparatur kann zu einem geeigneten Zeitpunkt eingeplant werden.

Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Steuereinrichtung dazu eingerichtet ist, ein zu deaktivierendes Wandlermodul nur auf der fehlerhaften Seite des Wandlermoduls, d.h. der Primärseite oder der Sekundärseite, zu deaktivieren und die jeweils andere Seite weiter zu betreiben. Auf diese Weise kann die Ausfallsicherheit und Verfügbarkeit des Systems weiter gesteigert werden.

Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Steuereinrichtung dazu eingerichtet ist, bei ansteigendem Leistungsbedarf des Spannungswandlers und/oder im Falle einer Deaktivierung eines Wandlermoduls oder eines Teils davon ein als Reserve vorhandenes Wandlermodul oder eine Wandlerzelle zu aktivieren und in den Betrieb des Spannungswandlers zu integrieren. Hierdurch kann die Ausfallsicherheit des Systems noch weiter erhöht werden. Es können bspw. primärseitig eine oder mehrere Wandlerzellen als Reserve vorhanden sein, ebenso können sekundärseitig eine oder mehrere Wandlerzellen als Reserve vorhanden sein. Es können auch ganze Wandlermodule als Reserve vorhanden sein. Diese können solange inaktiv sein, solange kein erhöhter Leistungsbedarf und an den übrigen Wandlermodulen kein Defekt auftritt. Alternativ ist es aber auch möglich, als Reserve vorhandene Wandlermodule oder Wandlerzellen periodisch zu aktivieren und in den Betrieb des Spannungswandlers zu integrieren, auch wenn kein erhöhter Leistungsbedarf und keine Defekte vorhanden sind. In diesem Fall können periodisch andere Wandlermodule oder Wandlerzellen abgeschaltet werden und auf diese Weise geschont werden. Hierdurch ist es ferner möglich, periodisch die Funktionsfähigkeit der als Reserve vorhandenen Wandlermodule oder Wandlerzellen zu prüfen.

Die Steuereinrichtung kann einen Rechner oder mehrere Rechner, z.B. in Form von Mikrocomputern oder Mikrocontrollern, aufweisen. Die Steuereinrichtung kann eine zentrale Steuereinrichtung des Spannungswandlers umfassen. Die Steuereinrichtung kann alternativ oder in Kombination damit auch modular ausgebildet sein, indem einzelne lokale Teile der Steuereinrichtung in den Wandlermodulen oder den einzelnen Wandlerzellen vorhanden sind.

Insgesamt kann der erfindungsgemäße Spannungswandler damit derart gesteuert werden, dass eine Erweiterung von Wandlermodulen oder Wandlerzellen ohne weitere Eingriffe in die Software der Steuereinrichtung möglich ist. Ferner kann ein Ausfall eines Wandlermoduls oder einer Wandlerzelle mittels der Software durch ein anderes Wandlermodul oder eine andere Wandlerzelle kompensiert werden.

Beim erfindungsgemäßen Spannungswandler ist es somit durch die magnetische Kopplung möglich, zwischen allen Wandlermodulen oder allen Wandlerzellen elektrische Energie zu transferieren. Für die Erweiterung des Systems sind lediglich zusätzliche Wandlermodule oder Wandlerzellen erforderlich, wobei auch die Transformator-Anordnung erweitert werden kann, indem zusätzliche Transformatorwindungen auf einem gemeinsamen magnetischen Kern ergänzt werden. Auf diese Weise wird ein in der Leistung und Spannung skalierbares System geschaffen. Die Regelung des Leistungsflusses kann zentral durch eine Steuereinrichtung erfolgen.

Die eingangs genannte Aufgabe wird ferner gelöst durch ein Verfahren zum Betrieb eines Spannungswandlers der zuvor erläuterten Art, bei dem die Steuereinrichtung einen oder mehrere Verfahrensschritte zur Steuerung oder Regelung der Übertragung elektrischer Leistung von einem Wandlermodul des Spannungswandlers zu einem anderen Wandlermodul des Spannungswandlers oder mehreren anderen Wandlermodulen des Spannungswandlers gemäß einem Vorgabewert des Spannungswandlers ausführt. Auch hierdurch können die zuvor erläuterten Vorteile realisiert werden. Die Steuereinrichtung kann ferner die zuvor erläuterten weiteren Verfahrensschritte, zu denen die Steuereinrichtung eingerichtet ist, ausführen.

Die eingangs genannte Aufgabe wird außerdem gelöst durch ein Computerprogramm mit Programmcodemitteln, eingerichtet zur Durchführung des zuvor genannten Verfahrens, wenn das Computerprogramm auf einem Rechner der Steuereinrichtung ausgeführt wird. Auch hierdurch können die zuvor erläuterten Vorteile realisiert werden.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen unter Verwendung von Zeichnungen näher erläutert.

Es zeigen

  • 1 eine schematische Übersichtsdarstellung eines Spannungswandlers und
  • 2 einen mit weiteren Details dargestellten Spannungswandler in einer ersten Ausführungsform und
  • 3 einen mit weiteren Details dargestellten Spannungswandler in einer zweiten Ausführungsform und
  • 4 eine Funktionalität des Spannungswandlers von 4 im Defektfall und
  • 5 eine Wandlerzelle.

In den Figuren werden gleiche Bezugszeichen für einander entsprechende Elemente verwendet.

Der in 1 dargestellte Spannungswandler 1 weist eine Primärseite 10 und eine Sekundärseite 20 auf. An der Primärseite 10 liegt eine erste Gleichspannung 11 an, an der Sekundärseite 20 eine zweite Gleichspannung 21. Es sei beispielhaft angenommen, dass die erste Gleichspannung 11 erheblich größer ist als die zweite Gleichspannung 21. Der Spannungswandler 1 weist ferner eine Vielzahl von Wandlermodulen 2 auf, in diesem Fall fünf Stück, die jeweils eine eigene Primärseite 12 und eine eigene Sekundärseite 22 aufweisen. Die Primärseiten 12 der Wandlermodule 2 sind der Primärseite 10 des Spannungswandlers 1 zugeordnet, ebenso sind die Sekundärseiten 22 der Wandlermodule 2 der Sekundärseite 20 des Spannungswandlers 1 zugeordnet. Die Wandlermodule 2 sind primärseitig in Reihe geschaltet und sekundärseitig parallel geschaltet. Die Wandlermodule 2 sind jeweils als Multiple Active Bridge ausgebildet, z.B. als Dual Active Bridge oder Quadruple Active Bridge, oder andere Zellen.

Der Spannungswandler 1 weist ferner eine Steuereinrichtung 3 auf, die einen Rechner und ein in einem Speicher der Steuereinrichtung 3 gespeichertes Computerprogramm (Software) aufweist. Über die Steuereinrichtung 3 wird die Funktion der einzelnen Wandlermodule 2 in gewünschter Weise gesteuert.

Die 2 zeigt den Aufbau eines Spannungswandlers gemäß 1 mit den einzelnen Wandlermodulen in weiterer Detaildarstellung. Erkennbar ist, dass ein Wandlermodul 2 eine primärseitige Wandlerzelle 13 und eine sekundärseitige Wandlerzelle 23 aufweist. Diese Wandlerzelle können aus Leistungselektronik 8 mit jeglicher Art von Transistoren und jeglicher Topologie aufgebaut werden. Ein „Resonant Tank“ kann hinzugefügt werden, um das Schaltverhältnis zu verbessern. Die primärseitige Wandlerzelle 13 ist mit der sekundärseitigen Wandlerzelle 23 über einen Transformator 5 verbunden. Der Transformator 5 weist im vorliegenden Beispiel eine primärseitige Transformatorwicklung 14, die mit der primärseitigen Wandlerzelle 13 verbunden ist, und eine sekundärseitige Transformatorwicklung 24 auf, die mit der sekundärseitigen Wandlerzelle 23 verbunden ist. Der Transformator 5 kann einen magnetischen Kern 6, z.B. in Form eines Eisenkerns, aufweisen. Wie erkennbar ist, sind die einzelnen Wandlerzellen 2 mit jeweils eigenen Transformatoren 5 ausgebildet. Erfindungsgemäß sind die Transformatoren 5 der Wandlermodule 2 miteinander magnetisch gekoppelt, was z.B. dadurch realisiert sein kann, dass die einzelnen Transformatoren 5 eng beieinander angeordnet sind, sodass der Abstand zwischen ihren magnetischen Kernen 6 sehr gering ist und bspw. nur einen geringen Luftspalt aufweist, wie z.B. einen bei Transformatoren üblichen Luftspalt.

Die einzelnen Wandlerzellen 13, 23 können separat austauschbar ausgebildet sein, sodass sie im Defektfall oder bei einer Wartung ausgewechselt werden können.

Die 3 zeigt eine weitere Ausführungsform des Spannungswandlers in einer mit der 2 vergleichbaren Darstellung. Im Unterschied zur 2 sind hier die einzelnen Transformatoren nicht mehr als separate Transformatoren ausgebildet, sondern als eine Transformatoreinheit 5, die einen gemeinsamen magnetischen Kern 7 aufweist, auf dem die einzelnen primärseitigen Transformatorwicklungen 14 und die sekundärseitigen Transformatorwicklungen 24 angeordnet sind. Hierdurch kann die magnetische Verkopplung der einzelnen Wandlermodule 2 noch weiter verbessert werden. Zudem ist diese Lösung kostengünstiger gegenüber den einzelnen magnetischen Kernen 6 der 2.

Die 4 zeigt die Funktionsweise des erfindungsgemäßen Spannungswandlers 1 im Fall des Defekts einer Wandlerzelle, in diesem Fall der links oben dargestellten primärseitigen Wandlerzelle 13. Das erfindungsgemäße System weist als zentralen Vorteil eine besondere Fehlertoleranz auf. Trotz eines auftretenden Fehlers in der dargestellten Wandlerzelle 13 kann der Spannungswandler 1 weiter in Betrieb bleiben, indem die defekte Wandlerzelle 13 deaktiviert wird, z.B. indem sie überbrückt und/oder abgeschaltet wird, wie die 4 zeigt. In diesem Fall übernehmen die verbliebenen Wandlerzellen 13 den Spannungsanteil der ausgefallenen Wandlerzelle 13. Die Steuereinrichtung 3 überführt die verbliebenen Wandlerzellen 13 dann in einen neuen Arbeitspunkt. Wie erkennbar ist, ist bei einem Fehler auf der Primärseite die Sekundärseite nicht betroffen, während bei einem Fehler auf der Sekundärseite die Primärseite nicht betroffen ist.

Die 4 kann auch dahingehend verstanden werden, dass die in diesem Fall abgeschaltete (deaktivierte) primärseitige Wandlerzelle 13 links oben als Reservezelle vorhanden ist, die nur dann aktiviert wird, wenn ein entsprechender Bedarf besteht, z.B. bei einer Erhöhung des Leistungsbedarfs des Spannungswandlers auf der Primärseite, einer Änderung der zu wandelnden ersten Gleichspannung 11 oder bei einem Defekt oder Ausfall einer anderen primärseitigen Wandlerzelle 13. Hierbei kann in der Steuereinrichtung 3 eine entsprechende Software zur Fehlererkennung, Fehlerisolation und Betrieb des Spannungswandlers ohne Unterbrechung durch den Fehler aufweisen, was von hoher Bedeutung für die Bereitstellung eines reparablen und skalierbaren Spannungswandlers ist.

Eine Wandlerzelle kann z.B. derart deaktiviert werden, dass ihre Verbindung zum Transformator aufgetrennt wird, z.B. über einen Schalter, und ihre mit der Primärseite oder Sekundärseite verbundenen Anschlüsse überbrückt werden.

Die zuvor anhand der 2 bis 4 dargestellten Wandlerzellen 13, 23 können einen inneren Aufbau 8 aufweisen, der z.B. aus Leistungselektronik-Komponenten jeglicher Art, z.B. Transistoren, zusammengesetzt ist. Wie die 5 zeigt, kann der innere Aufbau 8 auch durch eine Kombination einer Wandlerzelle 80 gemäß dem zuvor erläuterten Aufbau mit einem nachgeschalteten Resonant Tank 81 realisiert werden. Hierdurch wird das Schaltverhältnis weiter verbessert. Der Resonant Tank 81 kann eine Schaltungsanordnung aus Induktivitäten und Kondensatoren aufweisen.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG

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Zitierte Patentliteratur

  • US 5027264 [0006]