DE102019119223A1 - Method and charger for power supply with a three-phase transformer - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betr. ein Verfahren u. Ladegerät zur Einspeisung von Strom in ein Versorgungsnetz, bei dem das Versorgungsnetz an einen ersten Matrixumrichter angeschlossen wird, bei dem der erste Matrixumrichter mit einem Drei-Phasen-Transformator verbunden wird, bei dem der Drei-Phasen-Transformator mit einem Umrichter verbunden wird und bei dem der Umrichter mittelbar an eine Batterie angeschlossen wird, wodurch sich eine Versorgungsnetzseite und eine Batterieseite des Drei-Phasen-Transformators ergeben, bei dem der erste Matrixumrichter und der Umrichter mit durch Steuerung gesteuerten Schaltelementen ausgestattet werden, welche bidirektionalen Energiefluss ermöglichen, bei dem der Drei-Phasen-Transformator in einem Betrieb Streuinduktivitäten aufweist, wobei auf der Batterieseite dem Drei-Phasen-Transformator mind. ein integriertes Speicherelement zugefügt wird, wobei durch die Streuinduktivitäten und/oder durch das mind. eine integrierte Speicherelement während einer Einschaltzeit eines jew. Schaltelementes des Umrichters elektr. Energie gespeichert wird, wobei die gespeicherte elektr. Energie während einer Ausschaltzeit des jew. Schaltelementes des Umrichters, sowie während einer Einschaltzeit eines jeweiligen Schaltelementes des ersten Matrixumrichters zu einer Spannungsüberhöhung auf Versorgungsnetzseite führt und sich durch Stromeinspeisung ins Versorgungsnetz abbaut.The invention relates to a method and charger for feeding electricity into a supply network, in which the supply network is connected to a first matrix converter, in which the first matrix converter is connected to a three-phase transformer, in which the three-phase Transformer is connected to a converter and in which the converter is connected indirectly to a battery, resulting in a supply network side and a battery side of the three-phase transformer, in which the first matrix converter and the converter are equipped with control-controlled switching elements, which Enable bidirectional energy flow in which the three-phase transformer has leakage inductances in one operation, with at least one integrated storage element being added to the three-phase transformer on the battery side, with the leakage inductances and / or the at least one integrated storage element during a switch-on time a respective switching element of the converter electr. Energy is stored, the stored electr. Energy during a switch-off time of the respective switching element of the converter, as well as during a switch-on time of a respective switching element of the first matrix converter, leads to an increase in voltage on the supply network side and is reduced by feeding current into the supply network.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zu einer Netzeinspeisung durch ein Ladegerät einer Batterie eines Elektrofahrzeuges. Ferner wird ein Ladegerät, mit dem diese Netzeinspeisung ermöglicht wird, vorgestellt.The present invention relates to a method for feeding into the network through a charger for a battery of an electric vehicle. In addition, a charger that enables this power supply is presented.

Für das Laden von Batterien aus Elektrofahrzeugen stellen Ladestationen entweder Gleichstrom oder Wechselstrom bereit. Beim Wechselstrom laden wird normalerweise ein im Elektrofahrzeug mitgeführtes Ladegerät, ein sogenannter On-Board-Charger, verwendet. Der On-Board-Charger erzeugt eine Gleichspannung bzw. einen Gleichstrom zum Laden der Batterie. Seine Eingangsspannung bezieht er aus einer sogenannten Wallbox, die bspw. von einem Energieversorger an einer Ladestation zu Verfügung gestellt wird. Allerdings ist ein Eingangsspannungsbereich des On-Board-Chargers begrenzt und muss vorsorglich bzgl. verschiedenphasiger Wechselspannungssysteme, bspw. einphasig oder dreiphasig, ausgelegt sein. Weiter nachteilig ist auch, dass beim Wechselstromladen mehrere Wandlerstufen eingesetzt werden, mit jeder Wandlerstufe aber ein elektrischer Verlust einhergeht. Beide Ladestandards benötigen separate Installationen von Ladegräten, die jeweils auf Anforderungen der Elektrofahrzeuge bzw. Spezifikationen der Energieversorger zugeschnitten sein müssen. Hohe Installationskosten sind die Folge.Charging stations provide either direct current or alternating current for charging batteries from electric vehicles. When charging alternating current, a charger carried in the electric vehicle, a so-called on-board charger, is normally used. The on-board charger generates a direct voltage or a direct current to charge the battery. It draws its input voltage from a so-called wallbox, which is made available, for example, by an energy supplier at a charging station. However, an input voltage range of the on-board charger is limited and must be designed as a precaution with regard to different-phase AC voltage systems, for example single-phase or three-phase. Another disadvantage is that several converter stages are used for alternating current charging, but an electrical loss is associated with each converter stage. Both charging standards require separate installations of charging devices, each of which has to be tailored to the requirements of the electric vehicles or the specifications of the energy providers. The result is high installation costs.

Beim Gleichstromladen, welches auch als Schnellladen bezeichnet wird, wird die Gleichspannung bzw. der Gleichstrom direkt von der Ladestation zur Verfügung gestellt und kein On-Board-Charger benötigt. Obwohl letzterer ein zusätzliches Gewicht darstellt, wird er in dem Elektrofahrzeug aber mitgeführt, da prinzipiell auch das Wechselstromladen möglich sein soll. Auch beim Gleichstromladen kommt eine Mehrzahl von Wandlerstufen zum Einsatz.With direct current charging, which is also known as fast charging, the direct voltage or direct current is provided directly by the charging station and no on-board charger is required. Although the latter represents an additional weight, it is carried in the electric vehicle, since in principle AC charging should also be possible. A large number of converter stages are also used for direct current charging.

Vorteilhaft verwendet die Druckschrift US 2007/0274109 A1 in einem Elektrofahrzeug einen Matrixkonverter zum direkten Übertragen von Wechselstrom zwischen zwei Elektromaschinen. Da keine Umwandlung von Wechselstrom zu Gleichstrom und wieder in Wechselstrom benötigt wird, können so Energieverluste vermieden werden.The publication advantageously uses US 2007/0274109 A1 a matrix converter in an electric vehicle for the direct transfer of alternating current between two electric machines. Since no conversion from alternating current to direct current and back into alternating current is required, energy losses can be avoided.

Neuerdings werden Anforderungen betreffend einen bidirektionalen Energiefluss erhoben, um an eine Ladestation angeschlossene Batterien auch zu einer Netzstabilisierung in einem Niederspannungsnetz heranzuziehen, oder auch zu weiteren Netzdienstleistungen zu verwenden. Hierbei müssen alle Wandlerstufen mit entsprechend geeigneten Leistungshalbleiterschaltern ausgestattet werden.
In den Druckschriften D1 bis D7 wird ein Ladesystem für ein Elektrofahrzeug offenbart, das parasitär vorhandene Streuinduktivitäten verwendet. Mit Ausnahme des Systems gemäß D6 enthält jede der Vorrichtungen zudem einen Transformator und einen Hochsetzsteller. Die Systeme der D1, D2 sowie D6 können zudem Energie in das elektrische Netz zurückspeisen.Recently, requirements regarding a bidirectional energy flow have been raised in order to also use batteries connected to a charging station for network stabilization in a low-voltage network, or to use them for other network services. All converter stages must be equipped with suitable power semiconductor switches.
In the documents D1 to D7 a charging system for an electric vehicle is disclosed which uses parasitic leakage inductances. With the exception of the system according to D6, each of the devices also contains a transformer and a step-up converter. The systems of the D1, D2 and D6 can also feed energy back into the electrical network.

Die US-amerikanische Druckschrift US 2016/0268916 A1 offenbart ein Ladesystem für ein Elektrofahrzeug, welches eine Möglichkeit aufweist, Energie in das Versorgungsnetz zurückzuspeisen. Das Ladesystem verwendet hierzu einen Transformator und einen Hochsetzsteller, sowie Streuinduktivitäten.The American pamphlet US 2016/0268916 A1 discloses a charging system for an electric vehicle which has the option of feeding energy back into the supply network. The charging system uses a transformer and a step-up converter, as well as leakage inductances.

Streuinduktivitäten einer Antriebsmaschine werden in der europäischen Druckschrift EP 2 702 667 B1 für das Ladesystem eines Elektrofahrzeuges genutzt. Eine Rückspeisung in das Versorgungsnetz findet jedoch nicht statt.Stray inductances of a prime mover are in the European publication EP 2 702 667 B1 used for the charging system of an electric vehicle. However, there is no feed back into the supply network.

In der Druckschrift WO 2019/020803 A1 wird ein Wechselstrom-Wechselstrom-Konverter mit einer Primärwicklung und der Wechselstrom-Gleichstrom-Konverter mit einer Sekundärwicklung des Transformators verbunden. Dabei handelt es sich bei dem Transformator erfindungsgemäß um einen Drei-Phasen-Transformator.In the pamphlet WO 2019/020803 A1 an AC-to-AC converter is connected to a primary winding and the AC-to-DC converter is connected to a secondary winding of the transformer. According to the invention, the transformer is a three-phase transformer.

Vor diesem Hintergrund ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zu einer Netzeinspeisung durch ein Ladegerät für eine Batterie eines Elektrofahrzeuges bereitzustellen. Ferner soll das Ladegerät, mit dem diese Netzeinspeisung durchgeführt werden kann, vorgestellt werden.Against this background, it is an object of the present invention to provide a method for a power supply by a charger for a battery of an electric vehicle. Furthermore, the charger with which this power supply can be carried out will be presented.

Zur Lösung der voranstehend genannten Aufgabe wird ein Verfahren zur Einspeisung von Strom in ein Versorgungsnetz vorgeschlagen, bei dem das Versorgungsnetz an einen ersten Matrixumrichter angeschlossen wird, bei dem der erste Matrixumrichter mit einem Drei-Phasen-Transformator verbunden wird, bei dem der Drei-Phasen-Transformator mit einem Umrichter verbunden wird und bei dem der Umrichter mittelbar an eine Batterie angeschlossen wird. Dadurch ergeben sich eine Versorgungsnetzseite und eine Batterieseite des Drei-Phasen-Transformators. Der erste Matrixumrichter und der Umrichter werden mit durch eine Steuerung gesteuerten Schaltelementen ausgestattet, welche einen bidirektionalen Energiefluss ermöglichen. Der Drei-Phasen-Transformator weist in einem Betrieb Streuinduktivitäten auf. Auf der Batterieseite wird dem Drei-Phasen-Transformator mindestens ein integriertes Speicherelement zugefügt, wobei durch die Streuinduktivitäten und/oder durch das mindestens eine integrierte Speicherelement während einer Einschaltzeit eines jeweiligen Schaltelementes des Umrichters elektrische Energie gespeichert wird. Die gespeicherte elektrische Energie führt während einer Ausschaltzeit des jeweiligen Schaltelementes des Umrichters, sowie während einer Einschaltzeit eines jeweiligen Schaltelementes des ersten Matrixumrichters zu einer Spannungsüberhöhung auf der Versorgungsnetzseite und baut sich durch Stromeinspeisung in das Versorgungsnetz ab.To solve the above-mentioned object, a method for feeding current into a supply network is proposed in which the supply network is connected to a first matrix converter, in which the first matrix converter is connected to a three-phase transformer, in which the three-phase -Transformer is connected to a converter and in which the converter is connected indirectly to a battery. This results in a supply network side and a battery side of the three-phase transformer. The first matrix converter and the converter are equipped with switching elements controlled by a controller, which enable a bidirectional flow of energy. The three-phase transformer has leakage inductances in operation. On the battery side, at least one integrated storage element is added to the three-phase transformer, with the leakage inductances and / or the at least one integrated storage element during a switch-on time of a respective switching element Converter electrical energy is stored. The stored electrical energy leads to an increase in voltage on the supply network side during a switch-off time of the respective switching element of the converter, as well as during a switch-on time of a respective switching element of the first matrix converter and is reduced by feeding current into the supply network.

Bei einem Ladevorgang wird mit dem ersten Matrixumrichter aus der Versorgungsspannung eine hochfrequente Wechselspannung erzeugt und diese über den Drei-Phasen-Transformator, der ein Hochtransformator sein kann, zum Umrichter geleitet, der einen Ladestrom erzeugt, welcher zumindest mittelbar, d. h. gegebenenfalls über eine weitere Wandlerstufe zur Batterie geleitet wird. Ein solcher Energiefluss funktioniert für jede Batteriespannung, da eine Amplitude der Wechselspannung mit dem ersten Matrixumrichter geeignet moduliert werden kann.During a charging process, a high-frequency AC voltage is generated from the supply voltage with the first matrix converter and this is conducted via the three-phase transformer, which can be a step-up transformer, to the converter, which generates a charging current which is at least indirectly, i.e. H. if necessary, is fed to the battery via a further converter stage. Such an energy flow works for every battery voltage, since an amplitude of the alternating voltage can be suitably modulated with the first matrix converter.

Zu einer Einspeisung bzw. Rückspeisung von Energie aus der Batterie in das Versorgungsnetz muss auf der Versorgungsnetzseite eine Wechselspannung erzeugt werden, welche höher als eine Netzwechselspannung ist, so dass Strom ins Versorgungsnetz zurückfließen kann. Das erfindungsgemäße Verfahren gewährleistet nun, dass dies auch bei einem niedrigen Ladezustand der Batterie, bei dem die Batteriespannung kleiner ist als die Amplitude der Wechselspannung, möglich ist. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren wird somit vorteilhaft ein bidirektionaler Energiefluss zwischen Versorgungsnetz und Batterie ermöglicht, durch den einerseits die Batterie geladen werden kann, andererseits eine Rückspeisung in das Versorgungsnetz bspw. zu einer Netzstabilisierung oder weiteren Netzdienstleistungen durchgeführt werden kann. Im Vergleich mit dem Ladevorgang sind hierzu weiter vorteilhaft keine weiteren Schaltelemente notwendig.To feed or feed energy from the battery back into the supply network, an AC voltage must be generated on the supply network side that is higher than a network AC voltage so that current can flow back into the supply network. The method according to the invention now ensures that this is possible even with a low state of charge of the battery, in which the battery voltage is lower than the amplitude of the alternating voltage. The method according to the invention thus advantageously enables a bidirectional flow of energy between the supply network and the battery, through which the battery can be charged on the one hand and fed back into the supply network, for example for network stabilization or other network services, on the other. In comparison with the charging process, no further switching elements are necessary for this purpose.

Die Steuerung der Schaltelemente des ersten Matrixumrichters und des Umrichters nimmt Einfluss auf die Rückspeisung, indem bei einem jeweiligen Schaltvorgang während der Ausschaltzeit oder Einschaltzeit von Schaltelementen entweder eine Energiespeicherung oder eine Energieabgabe möglich ist. Je nach Steuerung kann damit in den Streuinduktivitäten und/oder dem integrierten Speicherelement Energie aufgebaut werden sowie zu den richtigen Zeitpunkten, d. h. während der Einschaltzeiten des von der Steuerung gesteuerten ersten Matrixumrichters, mittels der Spannungsüberhöhung in das Versorgungsnetz abgegeben werden.The control of the switching elements of the first matrix converter and the converter has an influence on the energy recovery, in that either energy storage or energy output is possible during a respective switching process during the switch-off time or switch-on time of switching elements. Depending on the control, energy can thus be built up in the leakage inductances and / or the integrated storage element and at the right times, ie. H. during the switch-on times of the first matrix converter controlled by the controller, by means of the voltage increase in the supply network.

In einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird als Umrichter ein zweiter Matrixumrichter gewählt. Der zweite Matrixumrichter kann aus dem vom Drei-Phasen-Transformator kommenden Wechselstrom sowohl wiederum einen Wechselstrom erzeugen, der dann mittelbar über einen direkt mit der Batterie verbundenen Wandler diese lädt, als auch einen Gleichstrom, der unmittelbar zur Batterie geleitet werden kann.In one embodiment of the method according to the invention, a second matrix converter is selected as the converter. The second matrix converter can generate an alternating current from the alternating current coming from the three-phase transformer, which then charges the battery indirectly via a converter connected directly to the battery, and a direct current that can be fed directly to the battery.

In einer anderen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird als Umrichter eine aktive Drehstrombrücke gewählt. Die aktive Drehstrombrücke kann einen Gleichsstrom erzeugen und unmittelbar mit der Batterie verbunden sein.In another embodiment of the method according to the invention, an active three-phase bridge is selected as the converter. The active three-phase bridge can generate a direct current and be directly connected to the battery.

In einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die Batterie in einem Elektrofahrzeug angeordnet.In a further embodiment of the method according to the invention, the battery is arranged in an electric vehicle.

In einer noch weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird das Versorgungsnetz zu einer Ladestation für ein Elektrofahrzeug geführt.In yet another embodiment of the method according to the invention, the supply network is led to a charging station for an electric vehicle.

Ferner wird ein Ladegerät zum Energieaustausch zwischen einem Versorgungsnetz und einer Batterie beansprucht, bei dem das Versorgungsnetz an einen ersten Matrixumrichter angeschlossen ist, bei dem der erste Matrixumrichter mit einem Drei-Phasen-Transformator verbunden ist, bei dem der Drei-Phasen-Transformator mit einem Umrichter verbunden ist und bei dem der Umrichter mittelbar an eine Batterie angeschlossen ist. Dadurch ergeben sich eine Versorgungsnetzseite und eine Batterieseite des Drei-Phasen-Transformators. Der erste Matrixumrichter und der Umrichter sind mit durch eine Steuerung gesteuerten Schaltelementen ausgestattet und dazu konfiguriert, einen bidirektionalen Energiefluss zu ermöglichen. Der Drei-Phasen-Transformator weist in einem Betrieb Streuinduktivitäten auf. Der Drei-Phasen-Transformator umfasst auf der Batterieseite mindestens ein integriertes Speicherelement, wobei die Streuinduktivitäten und/oder das mindestens eine integrierte Speicherelement während einer Einschaltzeit eines jeweiligen Schaltelementes des Umrichters elektrische Energie speichern. Die gespeicherte elektrische Energie führt während einer Ausschaltzeit des jeweiligen Schaltelementes des Umrichters, sowie während einer Einschaltzeit eines jeweiligen Schaltelementes des ersten Matrixumrichters zu einer Spannungsüberhöhung auf der Versorgungsnetzseite und baut sich durch Stromeinspeisung in das Versorgungsnetz ab.Furthermore, a charger for exchanging energy between a supply network and a battery is claimed, in which the supply network is connected to a first matrix converter, in which the first matrix converter is connected to a three-phase transformer, in which the three-phase transformer is connected to a Converter is connected and in which the converter is indirectly connected to a battery. This results in a supply network side and a battery side of the three-phase transformer. The first matrix converter and the converter are equipped with switching elements controlled by a controller and configured to enable a bidirectional flow of energy. The three-phase transformer has leakage inductances in operation. The three-phase transformer comprises at least one integrated storage element on the battery side, the leakage inductances and / or the at least one integrated storage element storing electrical energy during a switch-on time of a respective switching element of the converter. The stored electrical energy leads to an increase in voltage on the supply network side during a switch-off time of the respective switching element of the converter, as well as during a switch-on time of a respective switching element of the first matrix converter and is reduced by feeding current into the supply network.

In einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Ladegerätes ist der Umrichter ein zweiter Matrixumrichter.In one embodiment of the charger according to the invention, the converter is a second matrix converter.

In einer anderen Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Ladegerätes ist der Umrichter eine aktive Drehstrombrücke.In another embodiment of the charger according to the invention, the converter is an active three-phase bridge.

In einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Ladegerätes ist die Batterie in einem Elektrofahrzeug angeordnet.In a further embodiment of the charger according to the invention, the battery is arranged in an electric vehicle.

In einer noch weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Ladegerätes ist das Ladegerät in einer Ladestation für ein Elektrofahrzeug angeordnet.In yet another embodiment of the charger according to the invention, the charger is arranged in a charging station for an electric vehicle.

Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und den beiliegenden Zeichnungen.Further advantages and configurations of the invention emerge from the description and the accompanying drawings.

Es versteht sich, dass die voranstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.It goes without saying that the features mentioned above and those yet to be explained below can be used not only in the respectively specified combination, but also in other combinations or on their own, without departing from the scope of the present invention.

Die Figuren werden zusammenhängend und übergreifend beschrieben, gleichen Komponenten sind dieselben Bezugszeichen zugeordnet.

  • 1 zeigt schematisch zwei typische Schaltungsanordnungen zu Ladegeräten aus dem Stand der Technik.
  • 2 zeigt eine schematische Darstellung gemäß einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Ladegerätes mit einem zweiten Matrixumrichter.
  • 3 zeigt eine schematische Darstellung gemäß einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Ladegerätes mit einer aktiven Drehstrombrücke.
  • 4 zeigt ein Ersatzschaltbild zu einem Transformator mit integriertem Speicherelement gemäß einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens.
The figures are described coherently and comprehensively; the same components are assigned the same reference symbols.
  • 1 shows schematically two typical circuit arrangements for charging devices from the prior art.
  • 2 shows a schematic representation according to an embodiment of the charger according to the invention with a second matrix converter.
  • 3 shows a schematic representation according to an embodiment of the charger according to the invention with an active three-phase bridge.
  • 4th shows an equivalent circuit diagram for a transformer with an integrated storage element according to an embodiment of the method according to the invention.

In 1 werden zwei Schaltbilder 110, 120 zu Ladegeräten 110, 120 aus dem Stand der Technik gezeigt, welche volle Flexibilität gewährleisten und sowohl als Wallbox wie auch als On-Board-Charger eingesetzt werden können. Bei einem ersten Schaltbild 110 befindet sich an einem dreiphasigen Versorgungsnetzanschluss 101 ein erster Matrixumrichter 111, danach ein dreiphasiger Hochfrequenztransformator 113, und weiter zum Batterieanschluss 102 ein zweiter Matrixumrichter 112. Die beiden Matrixumrichter 111 und 112 sind jeweilig mit einer Matrix von drei mal drei bidirektionalen Leistungshalbleiterschaltern ausgeführt. Hierbei erzeugt das jeweilige programmierte Steuerungsverfahren mittels des ersten Matrixumrichters 111 aus einer am Versorgungsnetzanschluss 101 anliegenden Gleich- oder Wechselspannung eine hochfrequente Wechselspannung in einem Bereich von bspw. 10 bis 50 kHz, während die im Hochfrequenztransformator 113 übertragene Wechselspannung mittels des zweiten Matrixumrichters 112 entweder gleichgerichtet oder in eine niederfrequente Wechselspannung von bspw. 50 oder 60 Hz mit steuerbarer Amplitude umgewandelt wird. Das Gleiche kann umgekehrt ausgeführt werden, indem die am Batterieanschluss 102 anliegende Gleich- oder Wechselspannung durch das jeweilige programmierte Steuerungsverfahren mittels des zweiten Matrixumrichters 112 in eine hochfrequente Wechselspannung in einem Bereich von bspw. 10 bis 50 kHz transferiert wird, und nach Übertragung im Hochfrequenztransformator 113 mittels des ersten Matrixumrichters 111 entweder gleichgerichtet oder in eine niederfrequente Wechselspannung von bspw. 50 oder 60 Hz mit steuerbarer Amplitude umgewandelt wird und am Versorgungsnetzanschluss 101 bspw. zu einer Rückspeisung in ein Versorgungsnetz vorliegt. In dem zweiten Schaltbild 120 wird ein weiteres Ladegerät 120 aus dem Stand der Technik mit einem zweiten Drehstromumrichter 122 als aktivem Gleichrichter 122 gezeigt, welches bspw. als Gleichspannungswallbox verwendet werden kann. An dem dreiphasigen Versorgungsnetzanschluss 101 befindet sich ein erster Matrixumrichter 121, danach ein dreiphasiger Hochfrequenztransformator 123, und weiter zum Batterieanschluss 103 ein Umrichter 122. Der Umrichter 122 ist in der gezeigten Ausgestaltung des Ladegerätes 120 als aktiver dreiphasiger Gleich-/Umrichter mit drei Halbbrücken von jeweils zwei bidirektionalen Leistungshalbleiterschaltern ausgebildet. Hierbei kann ein Steuerungsverfahren mittels des ersten Matrixumrichters 121 aus einer am Versorgungsnetzanschluss 101 anliegenden Gleich- oder Wechselspannung eine hochfrequente Wechselspannung in einem Bereich von bspw. 10 bis 50 kHz erzeugen, während die im Hochfrequenztransformator 123 übertragene Wechselspannung mittels des aktiven Gleich-/Umrichters 122 gleichgerichtet wird. Am Batterieausgang 103 liegt dann eine Gleichspannung vor, mit der die Batterie eines Elektrofahrzeuges geladen werden kann. Das Gleiche kann umgekehrt ausgeführt werden, in dem die Gleichspannung der am Batterieanschluss 103 angeschlossenen Batterie von einem weiteren Steuerungsverfahren mittels des aktiven Gleich-/Umrichters 122 in hochfrequente Wechselspannung von bspw. 10 bis 50 kHz transferiert wird, diese hochfrequente Wechselspannung vom Hochfrequenztransformator 123 übertragen wird und schließlich vom ersten Matrixumrichter 121 auf Netzfrequenz transferiert am Versorgungsnetzanschluss 101 vorliegt.In 1 are two circuit diagrams 110 , 120 to chargers 110 , 120 shown from the state of the art, which guarantee full flexibility and can be used both as a wallbox and as an on-board charger. With a first circuit diagram 110 is located on a three-phase power supply connection 101 a first matrix converter 111 , then a three-phase high frequency transformer 113 , and on to the battery connection 102 a second matrix converter 112 . The two matrix converters 111 and 112 are each implemented with a matrix of three times three bidirectional power semiconductor switches. The respective programmed control method is generated by means of the first matrix converter 111 from one at the mains connection 101 applied direct or alternating voltage a high-frequency alternating voltage in a range of, for example. 10 to 50 kHz, while that in the high-frequency transformer 113 AC voltage transmitted by means of the second matrix converter 112 either rectified or converted into a low-frequency alternating voltage of, for example, 50 or 60 Hz with controllable amplitude. The same thing can be done in reverse by connecting the battery connector 102 applied DC or AC voltage through the respective programmed control method using the second matrix converter 112 is transferred into a high-frequency alternating voltage in a range of, for example, 10 to 50 kHz, and after transmission in the high-frequency transformer 113 by means of the first matrix converter 111 either rectified or converted into a low-frequency alternating voltage of, for example, 50 or 60 Hz with controllable amplitude and at the supply network connection 101 for example, to feed back into a supply network. In the second schematic 120 becomes another charger 120 from the prior art with a second three-phase converter 122 as an active rectifier 122 shown, which can be used, for example, as a DC wallbox. On the three-phase power supply connection 101 there is a first matrix converter 121 , then a three-phase high frequency transformer 123 , and on to the battery connection 103 a converter 122 . The converter 122 is in the shown configuration of the charger 120 designed as an active three-phase rectifier / converter with three half bridges of two bidirectional power semiconductor switches each. A control method using the first matrix converter can be used here 121 from one at the mains connection 101 applied DC or AC voltage generate a high-frequency AC voltage in a range of, for example, 10 to 50 kHz, while that in the high-frequency transformer 123 AC voltage transmitted by means of the active rectifier / converter 122 is rectified. At the battery outlet 103 then there is a DC voltage with which the battery of an electric vehicle can be charged. The same thing can be done the other way around, in which the DC voltage is applied to the battery terminal 103 connected battery from another control method by means of the active rectifier / converter 122 is transferred into high-frequency alternating voltage of, for example, 10 to 50 kHz, this high-frequency alternating voltage from the high-frequency transformer 123 and finally from the first matrix converter 121 Transferred to mains frequency at the supply network connection 101 present.

In 2 wird eine schematische Darstellung 200 gemäß einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Ladegerätes 200 mit einem zweiten Matrixumrichter 230 gezeigt. An seinem Versorgungsnetzanschluss 201 befindet sich ein erster Matrixumrichter 210, an seinem Batterieanschluss 202 ein zweiter Matrixumrichter 230, und zwischen den beiden Matrixumrichtern 210 und 230 ein Hochfrequenztransformator mit erfindungsgemäß zusätzlich angeordnetem integriertem Speicherelement 220. Der Doppelpfeil 203 deutet an, dass die jeweiligen Bauteile 210, 220 und 230 des Ladegerätes 200 bidirektional genutzt werden können, d. h. bei einem Batterieladen mit einem Ladestrom aus dem Versorgungsnetzanschluss 201 durch die Bauteile 210, 220, 230 zu dem Batterieanschluss 202, und bei einer Netzeinspeisung mit einem Entladestrom aus dem Batterieanschluss 202 durch die Bauteile 230, 220, 210 zu dem Versorgungsnetzanschluss 201. Auch ist der erste Matrixumrichter 210 und der zweite Matrixumrichter 230 jeweilig mit bidirektionalen Leistungshalbleiterschaltern ausgestattet, die von einem Steuergerät, auf dem ein Steuerungsverfahren ausgeführt wird, gesteuert werden und Strom und Spannung in beide Richtungen leiten bzw. sperren können. Auf dem Steuergerät kann eine große Vielzahl an programmierten Steuerungsverfahren, die jeweilig ausgewählt werden können, um eine für ein jeweiliges Fahrzeug benötigte Ladespannung bereitzustellen, oder die jeweilig ausgewählt werden können, um eine für die Netzeinspeisung benötigte Spannungshöhe bereitzustellen, abrufbar hinterlegt sein. Auch ist je nach gewähltem programmiertem Steuerungsverfahren ein Einsatz der jeweiligen Matrixumrichter 210 und 230 als Wechselstrom-Wechselstromumrichter oder Gleichstrom-Wechselstromwandler möglich. An dem Versorgungsnetzanschluss 201 oder an dem Batterieanschluss 202 können so sowohl Gleichspannung oder einphasige Wechselspannung oder mehrphasige Wechselspannung anliegen oder erzeugt werden. Eine Zahl an Reihen von bidirektionalen Leistungshalbleiterschaltern der jeweiligen Matrixumrichter 210 und 230 muss jedoch so groß sein wie eine Phasenzahl des an dem jeweiligen Matrixumrichter anliegenden Stromes, also drei bei einem Drehstrom, auf den sich das erfindungsgemäße Verfahren bezieht.In 2 becomes a schematic representation 200 according to one embodiment of the charger according to the invention 200 with a second matrix converter 230 shown. At its power supply connection 201 there is a first matrix converter 210 , on its battery connector 202 a second matrix converter 230 , and between the two matrix converters 210 and 230 a high-frequency transformer according to the invention additionally arranged integrated storage element 220 . The double arrow 203 indicates that the respective components 210 , 220 and 230 of the charger 200 Can be used bidirectionally, ie when the battery is being charged with a charging current from the supply network connection 201 through the components 210 , 220 , 230 to the battery connector 202 , and in the case of a power supply with a discharge current from the battery connection 202 through the components 230 , 220 , 210 to the supply network connection 201 . Also is the first matrix converter 210 and the second matrix converter 230 each equipped with bidirectional power semiconductor switches that are controlled by a control device on which a control process is carried out and that can conduct or block current and voltage in both directions. A large number of programmed control methods, which can be selected to provide a charging voltage required for a particular vehicle, or which can be selected to provide a voltage level required for the grid feed, can be retrieved on the control unit. Depending on the programmed control method selected, the respective matrix converter can also be used 210 and 230 possible as AC / AC converter or DC / AC converter. At the power supply connection 201 or at the battery connection 202 both DC voltage or single-phase AC voltage or multi-phase AC voltage can be applied or generated. A number of rows of bidirectional power semiconductor switches of the respective matrix converters 210 and 230 however, it must be as large as a number of phases of the current applied to the respective matrix converter, that is to say three in the case of a three-phase current to which the method according to the invention relates.

In 3 wird eine schematische Darstellung 300 gemäß einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Ladegerätes 300 mit einer aktiven Drehstrombrücke 330 gezeigt. Batterieseitig wird durch die aktive Drehstrombrücke 330 ein Gleichspannungsanschluss 302 bereitgestellt, der unmittelbar mit der Batterie verbunden werden kann. Das erfindungsgemäße Ladegerätes 300 kann wiederum bidirektional einerseits zum Laden der Batterie wie auch zur Einspeisung von Strom in das Versorgungsnetz eingesetzt werden, was durch den Doppelpfeil 303 angedeutet wird.In 3 becomes a schematic representation 300 according to a further embodiment of the charger according to the invention 300 with an active three-phase bridge 330 shown. On the battery side, the active three-phase bridge 330 a DC voltage connection 302 provided that can be directly connected to the battery. The charger according to the invention 300 can in turn be used bidirectionally on the one hand to charge the battery and also to feed electricity into the supply network, as indicated by the double arrow 303 is indicated.

In 4 wird ein Ersatzschaltbild 400 für eine Phase (eines Drehstromes) zu einem Transformator 400 mit integriertem Speicherelement 411 gemäß einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens gezeigt. Der Transformator 400 weist einen versorgungsnetzseitigen Transformatoranschluss 401 und einen batterieseitigen Transformatoranschluss 402 auf, sowie eine erste Wicklung mit Wicklungszahl n1 und einer ersten Spuleninduktivität 431 und eine zweite Wicklung mit Wicklungszahl n2 und einer zweiten Spuleninduktivität 432. Dargestellt wird eine Hauptinduktivität Lhaupt 410 sowie eine erste Streuinduktivität Lstreu1 421 und eine zweite Streuinduktivität Lstreu2 422. Zur zusätzlichen Speicherung elektrischer Energie steht erfindungsgemäß eine Zusatzinduktivität Lzusatz des integrierten Speicherelementes 411 zur Verfügung.In 4th becomes an equivalent circuit diagram 400 for one phase (of a three-phase current) to a transformer 400 with integrated storage element 411 shown according to an embodiment of the method according to the invention. The transformer 400 has a transformer connection on the supply network side 401 and a battery-side transformer connection 402 and a first winding with a number of turns n 1 and a first coil inductance 431 and a second winding with a number of turns n 2 and a second coil inductance 432 . A main inductance L main 410 as well as a first leakage inductance L streu1 421 and a second leakage inductance L streu2 422 are shown . According to the invention, there is an additional inductance L additional of the integrated storage element for additional storage of electrical energy 411 to disposal.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturPatent literature cited

  • US 2007/0274109 A1 [0004]US 2007/0274109 A1 [0004]
  • US 2016/0268916 A1 [0006]US 2016/0268916 A1 [0006]
  • EP 2702667 B1 [0007]EP 2702667 B1 [0007]
  • WO 2019/020803 A1 [0008]WO 2019/020803 A1 [0008]

Claims (10)

Verfahren zur Einspeisung von Strom in ein Versorgungsnetz, bei dem das Versorgungsnetz an einen ersten Matrixumrichter (111, 121, 210) angeschlossen wird, bei dem der erste Matrixumrichter (111, 121, 210) mit einem Drei-Phasen-Transformator (113, 123, 220, 400) verbunden wird, bei dem der Drei-Phasen-Transformator (113, 123, 220, 400) mit einem Umrichter (112, 122, 230, 330) verbunden wird und bei dem der Umrichter (112, 122, 230, 330) mittelbar an eine Batterie angeschlossen wird, wodurch sich eine Versorgungsnetzseite und eine Batterieseite des Drei-Phasen-Transformators (113, 123, 220, 400) ergeben, bei dem der erste Matrixumrichter (111, 121, 210) und der Umrichter (112, 122, 230, 330) mit durch eine Steuerung gesteuerten Schaltelementen ausgestattet werden, welche einen bidirektionalen Energiefluss (203, 303) ermöglichen, bei dem der Drei-Phasen-Transformator (113, 123, 220, 400) in einem Betrieb Streuinduktivitäten aufweist, wobei auf der Batterieseite dem Drei-Phasen-Transformator (113, 123, 220, 400) mindestens ein integriertes Speicherelement (411) zugefügt wird, wobei durch die Streuinduktivitäten (411) und/oder durch das mindestens eine integrierte Speicherelement während einer Einschaltzeit eines jeweiligen Schaltelementes des Umrichters (112, 122, 230, 330) elektrische Energie gespeichert wird, wobei die gespeicherte elektrische Energie während einer Ausschaltzeit des jeweiligen Schaltelementes des Umrichters (112, 122, 230, 330), sowie während einer Einschaltzeit eines jeweiligen Schaltelementes des ersten Matrixumrichters (111, 121, 210) zu einer Spannungsüberhöhung auf der Versorgungsnetzseite führt und sich durch Stromeinspeisung in das Versorgungsnetz abbaut.Method for feeding electricity into a supply network, in which the supply network is connected to a first matrix converter (111, 121, 210), in which the first matrix converter (111, 121, 210) is equipped with a three-phase transformer (113, 123 , 220, 400), in which the three-phase transformer (113, 123, 220, 400) is connected to a converter (112, 122, 230, 330) and in which the converter (112, 122, 230 , 330) is indirectly connected to a battery, resulting in a supply network side and a battery side of the three-phase transformer (113, 123, 220, 400), in which the first matrix converter (111, 121, 210) and the converter ( 112, 122, 230, 330) can be equipped with switching elements controlled by a controller, which enable a bidirectional flow of energy (203, 303) in which the three-phase transformer (113, 123, 220, 400) exhibits leakage inductances during operation , with the three-phase transforma on the battery side tor (113, 123, 220, 400) at least one integrated storage element (411) is added, with the leakage inductances (411) and / or through the at least one integrated storage element during a switch-on time of a respective switching element of the converter (112, 122, 230 , 330) electrical energy is stored, the stored electrical energy being converted to a. During a switch-off time of the respective switching element of the converter (112, 122, 230, 330) and during a switch-on time of a respective switching element of the first matrix converter (111, 121, 210) Excessive voltage on the supply network side leads and is reduced by current feed into the supply network. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem als Umrichter (112, 122, 230, 330) ein zweiter Matrixumrichter (112, 230) gewählt wird.Procedure according to Claim 1 , in which a second matrix converter (112, 230) is selected as the converter (112, 122, 230, 330). Verfahren nach Anspruch 1, bei dem als Umrichter (112, 122, 230, 330) eine aktive Drehstrombrücke (122, 330) gewählt wird.Procedure according to Claim 1 , in which an active three-phase bridge (122, 330) is selected as the converter (112, 122, 230, 330). Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, bei dem die Batterie in einem Elektrofahrzeug angeordnet wird.Method according to one of the preceding claims, in which the battery is arranged in an electric vehicle. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, bei dem das Versorgungsnetz zu einer Ladestation für ein Elektrofahrzeug geführt wird.Method according to one of the preceding claims, in which the supply network is led to a charging station for an electric vehicle. Ladegerät zum Energieaustausch zwischen einem Versorgungsnetz und einer Batterie, bei dem das Versorgungsnetz an einen ersten Matrixumrichter (111, 121, 210) angeschlossen ist, bei dem der erste Matrixumrichter (111, 121, 210) mit einem Drei-Phasen-Transformator (113, 123, 220, 400) verbunden ist, bei dem der Drei-Phasen-Transformator (113, 123, 220, 400) mit einem Umrichter (112, 122, 230, 330) verbunden ist und bei dem der Umrichter (112, 122, 230, 330) mittelbar an eine Batterie angeschlossen ist, wodurch sich eine Versorgungsnetzseite und eine Batterieseite des Drei-Phasen-Transformators (113, 123, 220, 400) ergeben, bei dem der erste Matrixumrichter (111, 121, 210) und der Umrichter (112, 122, 230, 330) mit durch eine Steuerung gesteuerten Schaltelementen ausgestattet sind und dazu konfiguriert sind, einen bidirektionalen Energiefluss (203, 303) zu ermöglichen, bei dem der Drei-Phasen-Transformator (113, 123, 220, 400) in einem Betrieb Streuinduktivitäten aufweist, wobei der Drei-Phasen-Transformator (113, 123, 220, 400) auf der Batterieseite mindestens ein integriertes Speicherelement (411) umfasst, wobei die Streuinduktivitäten und/oder das mindestens eine integrierte Speicherelement (411) während einer Einschaltzeit eines jeweiligen Schaltelementes des Umrichters (112, 122, 230, 330) elektrische Energie speichern, wobei die gespeicherte elektrische Energie während einer Ausschaltzeit des jeweiligen Schaltelementes des Umrichters (112, 122, 230, 330), sowie während einer Einschaltzeit eines jeweiligen Schaltelementes des ersten Matrixumrichters (111, 121, 210) zu einer Spannungsüberhöhung auf der Versorgungsnetzseite führt und sich durch Stromeinspeisung in das Versorgungsnetz abbaut.Charger for exchanging energy between a supply network and a battery, in which the supply network is connected to a first matrix converter (111, 121, 210), in which the first matrix converter (111, 121, 210) is equipped with a three-phase transformer (113, 123, 220, 400), in which the three-phase transformer (113, 123, 220, 400) is connected to a converter (112, 122, 230, 330) and in which the converter (112, 122, 230, 330) is indirectly connected to a battery, resulting in a supply network side and a battery side of the three-phase transformer (113, 123, 220, 400) in which the first matrix converter (111, 121, 210) and the converter (112, 122, 230, 330) are equipped with switching elements controlled by a controller and are configured to enable a bidirectional energy flow (203, 303), in which the three-phase transformer (113, 123, 220, 400) has leakage inductances in a company, the three- Phase transformer (113, 123, 220, 400) on the battery side comprises at least one integrated storage element (411), the leakage inductances and / or the at least one integrated storage element (411) during a switch-on time of a respective switching element of the converter (112, 122) , 230, 330) store electrical energy, the stored electrical energy being added during a switch-off time of the respective switching element of the converter (112, 122, 230, 330) and during a switch-on time of a respective switching element of the first matrix converter (111, 121, 210) leads to a voltage increase on the supply network side and is reduced by feeding current into the supply network. Ladegerät nach Anspruch 6, bei dem der Umrichter (112, 122, 230, 330) ein zweiter Matrixumrichter (112, 230) ist.Charger after Claim 6 , in which the converter (112, 122, 230, 330) is a second matrix converter (112, 230). Ladegerät nach Anspruch 6, bei dem der Umrichter (112, 122, 230, 330) eine aktive Drehstrombrücke (122, 330) ist.Charger after Claim 6 , in which the converter (112, 122, 230, 330) is an active three-phase bridge (122, 330). Ladegerät nach einem der voranstehenden Ansprüche, bei dem die Batterie in einem Elektrofahrzeug angeordnet ist.Charger according to one of the preceding claims, in which the battery is arranged in an electric vehicle. Ladegerät nach einem der voranstehenden Ansprüche, bei dem das Ladegerät in einer Ladestation für ein Elektrofahrzeug angeordnet ist.Charger according to one of the preceding claims, in which the charger is arranged in a charging station for an electric vehicle.
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