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Laden und Entladen von Batterien mit blockförmigen Netzströmen

IP.com Disclosure Number: IPCOM000202285D
Publication Date: 2010-Dec-13
Document File: 2 page(s) / 85K

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Abstract

Zum Laden und Entladen von Batterien in beispielsweise Elektroautos wird in derzeitigen Lösungen oftmals die Potentialtrennung und bei Einphasigkeit die Technik der Leistungsfaktorkorrekturfilter (Power Factor Correction) angewendet. Bei großen Leistungen an 3-Phasen-Netzen wird dazu häufig ein pulsfrequent modulierter Wechselrichter eingesetzt, der nahezu sinusförmige Netzströme mit einstellbarer Phasenlage ermöglicht. Die Nachteile dieser Lösung liegen in den höheren Schaltverlusten, in den zusätzlich nötigen Netzdrosseln und der Notwendigkeit eines hochkapazitiven Zwischenkreiskondensators.
Es wird vorgeschlagen, das Laden bzw. Entladen eines Energiespeichers, wie beispielsweise von Kondensatoren und Batterien, an einem dreiphasigen Drehstromnetz unter Nutzung eines niederkapazitiven Zwischenkreises durchzuführen. Dies führt zu blockförmigen Netzströmen. Diese Blockströme sind immer in Phase mit der Spannung und verfügen über einen verhältnismäßig hohen Leistungsfaktor.

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Laden und Entladen von Batterien mit blockförmigen Netzströmen

Idee: Dr. Benno Weis, DE-Erlangen; Dr. Stefan Völkel, DE-Erlangen

Zum Laden und Entladen von Batterien in beispielsweise Elektroautos wird in derzeitigen Lösungen oftmals die Potentialtrennung und bei Einphasigkeit die Technik der Leistungsfaktorkorrekturfilter (Power Factor Correction) angewendet. Bei großen Leistungen an 3-Phasen-Netzen wird dazu häufig ein pulsfrequent modulierter Wechselrichter eingesetzt, der nahezu sinusförmige Netzströme mit einstellbarer Phasenlage ermöglicht. Die Nachteile dieser Lösung liegen in den höheren Schaltverlusten, in den zusätzlich nötigen Netzdrosseln und der Notwendigkeit eines hochkapazitiven Zwischenkreiskondensators.

Es wird vorgeschlagen, das Laden bzw. Entladen eines Energiespeichers, wie beispielsweise von Kondensatoren und Batterien, an einem dreiphasigen Drehstromnetz unter Nutzung eines niederkapazitiven Zwischenkreises durchzuführen. Dies führt zu blockförmigen Netzströmen. Diese Blockströme sind immer in Phase mit der Spannung und verfügen über einen verhältnismäßig hohen Leistungsfaktor.

Abbildung 1 zeigt eine Anordnung, mit der ein Energiespeicher der Spannung U2 aufgeladen werden kann. Zu diesem Zweck wird der Gleichspannungswandler (DC/DC-Wandler) derart angesteuert, dass sich ein geregelter Ladestrom I1>0 ergibt. Die Spannung U1 entspricht dann - abgesehen von den Durchlassspannungsabfällen in den Dioden des Gleichrichters - der gleichgerichteten Netzspannung. Der Strom I1 erscheint in Form von 120°-Blöcken als Strom in den Netzzuleitungen. Der Leistungstransport erfolgt vom Netz zum Energiespeicher der Spannung U2. Der Zwischenkreis für U1 wird dabei mit einer kleinen Zwischenkreiskapazität C1 versehen, die hauptsächlich zur Realisierung eines niederinduktiven Kommutierungspfades für den DC/DC-Wandler dient.

Abbildung 2 ermöglicht das Laden genau wie für Abbildung 1 beschrieben. Der Strom I1>0 fließt dann über die Freilaufdioden des F3E (Fundamental Frequency Front End). Wird allerdings der Gleichspannungswandler derart angesteuert, dass sich ein Strom I1<0 ergibt, fließt dieser Strom ebenfalls in 120°-Blöcken zum Netz zurück. In diesem Fall leiten die IGBTs (Insulated Gate Bipolar Transistors) des F3E den Strom. Die Stromblöcke sind gegenphasig zur Netzspannung. Der Leistungstransport erfolgt vom Energiespeicher der Spannung U2 zum Netz.

Die vorschlagsgemäße Lösung zum Laden und Entladen von Batterien mit blockförmigen Netzströmen führt zur Einsparung der pulsfrequenten Schaltverluste. Die grundfrequenten Schaltvorgänge sind hierbei zu vernachlässigen. Zudem fallen die Netzdrosseln weg. Im Zwischenkreis der Spannung U1 genügt ein Kondensator mit kleiner Kapazität.

Zur Kontrolle des Stromes und zur Anpassung der beiden Spannungen wird ein zusätzlicher...