WO2022029256A1 - Npc three-level converter comprising npc three-level compensating module for adjusting the centre potential - Google Patents

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WO2022029256A1
WO2022029256A1 PCT/EP2021/071923 EP2021071923W WO2022029256A1 WO 2022029256 A1 WO2022029256 A1 WO 2022029256A1 EP 2021071923 W EP2021071923 W EP 2021071923W WO 2022029256 A1 WO2022029256 A1 WO 2022029256A1
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WO
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connection
voltage
series
intermediate circuit
inverter
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PCT/EP2021/071923
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Jens Kaufmann
Martin Steuber
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TRUMPF Hüttinger GmbH + Co. KG
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    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M7/00—Conversion of ac power input into dc power output; Conversion of dc power input into ac power output
    • H02M7/42—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal
    • H02M7/44—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters
    • H02M7/48—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode
    • H02M7/483—Converters with outputs that each can have more than two voltages levels
    • H02M7/487—Neutral point clamped inverters
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
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    • H02M7/4833—Capacitor voltage balancing
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    • H02J7/0013—Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries acting upon several batteries simultaneously or sequentially
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    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T10/00—Road transport of goods or passengers
    • Y02T10/60—Other road transportation technologies with climate change mitigation effect
    • Y02T10/70—Energy storage systems for electromobility, e.g. batteries

Definitions

  • the invention relates to an inverter with an equalization device and the use of an equalization device in or on an inverter for charging and discharging at least two series-connected batteries in an AC network.
  • the invention also relates to a battery charging/discharging device having such an inverter and the use of such a balancing device.
  • Using a single stage inverter design is an extremely cost effective and very efficient way to connect a high voltage battery (e.g. in the range of 650V or greater for line voltages in the range of 400V or greater) to an AC mains (grid) by connecting the battery directly connected to the respective DC bus of the inverter.
  • the lower voltage limit is specified by the peak voltage of the AC voltage network and by the inverter topology used.
  • the inverter topology can be designed for connection to the voltage between two phases offset by 120°, for example, or only one phase each. With the same mains voltage, these are different voltage values for the minimum required battery voltage. In the case of an alternating voltage network with a higher voltage (eg in the USA), this voltage limit is even higher.
  • An upper voltage limit is specified by the components used and safety distances in the inverter. It can therefore be influenced by the inverter design. It is often in the range of 1 kV.
  • Lithium-ion batteries are used in electric vehicles, for example. These so-called medium-voltage batteries often have a voltage that would not be sufficient for connection to the DC bus of an inverter or the DC voltage on the DC bus, but would be half the voltage. Lithium-ion batteries, z. B. used in vehicles, when they are no longer suitable for use in the vehicle due to decreasing reliability and capacity, often have a second area of application, namely as stationary batteries for buffering excess energy in power supply networks or in island networks, a so-called “Second Life". For cost reasons, it would now be advantageous if these batteries could also be connected directly to a single-stage inverter. In order to obtain the required voltage, one would have to connect two such batteries in series.
  • the object of the invention is to provide an inverter and/or a battery charging/discharging device to which two series-connected batteries of a medium voltage range can be connected.
  • the inverter has: a. at least one AC voltage connection for connection to an AC voltage network, b. a converter stage for converting an AC voltage into a DC voltage and/or vice versa, which i. is connected to the at least one AC voltage connection and ii. has at least two controllable, in particular switching, converter stage elements connected in series, c. an intermediate circuit, the i. connected to the converter stage and ii. has two series-connected capacitors, d. a first and a second DC connection and a connection point connection, which are connected to the intermediate circuit, wherein i.
  • the first DC connection for connecting a first battery of the two series-connected batteries ii. the second DC connection for connecting a second battery of the two series-connected batteries and iii. the connection point connection is intended for the common connection of the two series-connected batteries, e. a compensating device that is set up to influence the voltage distribution on the capacitors of the intermediate circuit.
  • the compensation device can be set up to compensate for an asymmetry in the AC voltage network. For example, in a single-phase network, a consumer in a special operating state can only consume power with currents in one direction. Some household appliances, e.g. heaters, hair dryers or toasters, exhibit such behavior. In large supply networks, these play a minor role, but in an island network, such loads can produce comparatively large asymmetries.
  • a consumer can only consume power on one phase or a power supplier, such as a PV system, can only feed in power on one phase.
  • the inverter can be suitable for an island grid in which, for example, power is fed in in one phase, for example from a PV system, and a consumer, for example a washing machine, consumes power in another phase.
  • the compensating device can be set up to charge or discharge the two batteries according to their requirements, in particular individually, that is to say independently of one another, during operation.
  • the balancing device can be set up to transfer charge from one battery to the other battery.
  • connection point of the two series-connected batteries can be tapped and the voltage and/or the current flow and/or the power into and/or out of each battery can be controlled individually. This means that, for example, one battery is charged with a higher charging current than the other. One battery can also be charged longer than the other.
  • the batteries can be switched in and out of a first and a second DC connection and the connection point connection via switching devices. These switching devices can be controlled by a controller which ensures, in particular, that connection only takes place when the voltage at the terminals is equal to the battery voltage. For this purpose, the battery voltage can be measured and the measured values can be fed to the controller. This avoids high compensating currents when switching on.
  • the connection connection point is led out of the inverter and a battery can be connected to it and not just to the DC connections (DC bus). With this connection connection point it is possible to connect a first medium voltage battery (e.g. in the range of 325 V - approx. 500 V) from the positive DC voltage connection to the connection connection point and a second medium voltage battery from the connection Connection point to be connected to the negative DC voltage connection to achieve the required 650 V DC for the 400 V nominal voltage of the AC mains.
  • a first medium voltage battery e.g. in the range of 325 V - approx. 500 V
  • the voltages at the terminals can be adjusted by the equalizer.
  • the equalizing device can therefore be used twice, namely firstly to equalize unbalanced loads in the AC voltage network and secondly to equalize unequal charge states of the two batteries. One battery can be charged during operation and the other battery can be discharged at the same time.
  • both voltages at the two capacitors in the intermediate circuit should exceed a minimum voltage. But they don't have to be the same size. Therefore it can be advantageous if the balancing device can transfer charge from one battery to the other.
  • the compensation device can be designed as a program in a readable memory and/or as a compensation stage with at least one controllable, in particular switching, element.
  • the compensating device can be embodied as a computer program product comprising instructions which, when the program is executed by a computer, cause the latter to influence the voltage distribution on the capacitors of the intermediate circuit.
  • the computer program product can be stored in a computer-readable storage medium.
  • the compensation stage can have at least two controllable, in particular switching, compensation stage elements whose connection point is at the connection point of the capacitors of the intermediate circuit connected. This makes it possible to influence, in particular to control, the voltage distribution on the capacitors.
  • connection point of the two controllable, in particular switching, equalization stage elements can be connected to the connection point of the capacitors of the intermediate circuit via an inductor.
  • the inductance can be in the form of a storage inductance.
  • a control device can be provided which controls the controllable, in particular switching, equalization stage elements of the equalization stage in order to transport power in a controlled manner from the positive to the negative intermediate circuit half and vice versa, with each intermediate circuit half having one of the capacitors of the intermediate circuit, and thus via the Displacement of the intermediate circuit half voltages against each other to divide the power flow in the two intermediate circuit halves.
  • the converter stage can regulate the desired charging or discharging power bidirectionally.
  • This power can be supplied to or taken from the intermediate circuit, which tends to increase or decrease its voltage. This tendency to rise or fall in the intermediate circuit voltage causes the connected batteries to draw or release a current, the charging or discharging current.
  • the converter stage can be designed to regulate the power and/or the current in the batteries and/or in the AC voltage network.
  • the converter stage can be designed as an inverter.
  • the compensating stage can now, for its part also be controlled, transport power from the positive to the negative intermediate circuit half and vice versa, and thus via the shifting of the intermediate circuit halves Voltages against each other divide the power flow in the two halves accordingly.
  • the compensation stage can switch one of the controllable, in particular switching, compensation stage elements on and off in a clocked manner.
  • a controllable, in particular switching, equalization stage element is switched on, an increasing current can be generated in the inductance, which decays when the controllable, in particular switching, equalization stage element, which caused the current increase when switched on, is switched off again.
  • charge is transferred from one capacitor to the other. This influences the voltage in or at the capacitors.
  • the voltage across one or both capacitors can be monitored by one or more voltage measuring devices and fed to the controller of the compensation stage.
  • the current through the inductance can be monitored by a current measuring device and fed to the control device of the compensation stage.
  • the converter stage can have one or more strands, each of which has four series-connected controllable, in particular switching, converter stage elements, in particular transistors, particularly preferably IGBTs.
  • Both ends of each strand can be connected to the intermediate circuit, in particular to the two DC connections.
  • the controllable, in particular switching, converter stage and/or compensation stage elements can be controlled individually by a control and/or regulating device. As a result, the switching times of the controllable, in particular switching, converter stage and/or compensation stage elements can be specified individually and, in particular, switching losses can be avoided.
  • Each strand can be connected to an AC voltage connection at its strand midpoint, in particular can be connected to a phase of the mains voltage.
  • Each phase can be designed to alternately connect the center point of the phase to the positive terminal of the intermediate circuit voltage and the negative terminal of the intermediate circuit voltage through suitable activation of the controllable, in particular switching, converter stage elements, and thus to convert the DC voltage of the intermediate circuit to AC voltage at the mains connection and vice versa.
  • Each phase can additionally be designed to connect the center point of the phase to the connection point of the capacitors of the intermediate circuit by suitable activation of the controllable, in particular switching, converter stage elements. During operation, this can in particular always take place between the two connections with the positive and negative intermediate circuit voltage and/or between the two connections with the negative and positive intermediate circuit voltage. As a result, a particularly low-noise conversion can take place.
  • two controllable, in particular switching, converter stage elements can be connected in series between the center point of the phase and a positive connection of the intermediate circuit (the so-called two upper transistors) and also two controllable, in particular switching, converter stage elements can be connected in series between the strand center point and a negative connection of the intermediate circuit (the so-called two lower transistors). If the converter stage is designed for a 3-phase AC network, for example, three such strands can be provided.
  • a rectifying element in particular a diode, can be connected from the connection point of the two upper controllable, in particular switching, converter stage elements and from the connection point of the two lower controllable, in particular switching, converter stage elements to the connection point of the capacitors of the intermediate circuit.
  • An anti-parallel diode can be connected in parallel with each of the controllable, in particular switching, converter stage and/or compensation stage elements of the strands.
  • the compensation stage can be constructed analogously to one of the strands. This results in a particularly simple and cost-effective construction of the inverter.
  • the equalization stage elements can also have transistors, particularly preferably IGBTs.
  • the inverter can have exactly one converter stage. This converter stage can convert the mains voltage into a DC voltage and vice versa. If only one converter stage is provided, the inverter can be implemented inexpensively. In terms of costs, there are further advantages if the inverter is constructed without a transformer.
  • the inverter can be operated bidirectionally in order to both charge and discharge the battery, i.e. to conduct power from the grid into the battery (rectifier operation) or vice versa to conduct power from the battery into the grid (inverter operation).
  • the invention relates to a battery charging/discharging device comprising an inverter as described above and two batteries connected in series, with a) the first DC connection to the first battery, b) the second DC connection to the second battery and c) the junction point terminal is connected to the common terminal of the two series connected batteries.
  • the invention relates to the use of a compensating device in or on a, in particular single-stage, inverter according to the invention or an aforementioned battery charger-discharge device for individual charging and / or discharging two series-connected batteries the compensating device are connected.
  • the inverter is designed as a single-stage 3L (3-level) NPC (neutral point clamped) inverter or has such an inverter.
  • An at least similar unit is disclosed, for example, in published application WO 2021/047743 A1. However, this is not designed for charging or discharging two batteries connected in series. With 'single stage' it is meant here that the inverter converts the AC voltage to the DC voltage in one stage, i.e. without an additional DC-DC converter.
  • the inverter can also have a single-stage two-level inverter. Such a connection usually has no connection to the neutral conductor.
  • the intermediate circuit can also have two series-connected capacitors.
  • the inverter can then also have a compensation device according to the invention.
  • the inverter can also have a single-level three-level T-type or single-level soft-switching three-level inverter or 3-level pulse-controlled inverter with a load-relieving network, as disclosed, for example, in DE 10 2010 008 426 B4.
  • the intermediate circuit can also have two series-connected capacitors.
  • the inverter can then also have a compensation device according to the invention.
  • the compensation device can be used in particular to compensate for asymmetries in the AC voltage network.
  • the figure shows a battery charging/discharging device 1 having an inverter 13 which can be connected to an AC voltage network 20 via AC voltage terminals Ea, Eb, Ec.
  • the AC voltage network 20 has a common neutral conductor n.
  • the inverter 13 has a converter stage 14 for converting an AC voltage into a DC voltage and/or vice versa.
  • the converter stage 14 is connected via a filter 22 to the AC voltage connections Ea, Eb, Ec.
  • the filter is shown here symbolically with only one choke per line. More complex filters in a T or n shape are also conceivable. Overvoltage protection can also be provided here.
  • the converter stage 14 has three strands 15, 16, 17, which have controllable, in particular switching, converter stage elements Sal-Sc4.
  • the converter stage 14 has an intermediate circuit 12, which has two series-connected capacitors C1, C2.
  • the intermediate circuit 12 has a first and a second DC connection, DC+, DC- and a connection point connection N.
  • the first DC connection DC+ and the connection point connection N are used to connect a first battery B1 and the second DC connection DC- and the connection point connection N are used to connect a second battery B2.
  • the two batteries Bl, B2 are connected in series, with the first DC connection DC+ to the first battery Bl and the second DC connection DC- to the second battery B2 and the connection point connection N to the common connection of the two in series switched batteries Bl, B2 is connected.
  • the inverter 13 comprises a compensation stage 18 trained compensation device, which is set up to influence the voltage distribution on the capacitors C1, C2 of the intermediate circuit 12.
  • the compensation stage 18 has two upper controllable compensation stage elements. Sdl, Sd2 and two lower controllable leveling elements Sd3, Sd4.
  • the controllable compensation stage elements Sdl - Sd4 are connected in series.
  • the controllable equalization stage elements Sdl-Sd4 are in the form of transistors, in particular IGBTs.
  • the connection point Y of the controllable equalization stage elements Sd2, Sd3, which represents the midpoint of the equalization stage 18, is connected to the connection point Z of the capacitors C1, C2 of the intermediate circuit 12 via an inductance LI.
  • a simpler design of the compensation stage 18 has only an upper controllable compensation stage element (e.g. Sdl) and a lower controllable compensation stage element (e.g. Sd4) which are connected in series and connected to the inductor LI at their connection point.
  • the inductance LI is then connected at its other end to the connection point Z of the capacitors C1, C2 of the intermediate circuit 12.
  • a simpler construction of the compensation stage 18 can be imagined if the diodes D7, D8 and the controllable compensation stage elements Sd2, Sd3 are omitted and replaced by direct connections.
  • a control device 24 is provided, which controls the controllable equalization stage elements Sdl to Sd4 of equalization stage 18 in order to transport controlled power from the positive to the negative intermediate circuit half and vice versa, each intermediate circuit half having one of the capacitors C1, C2 of intermediate circuit 12 , and can thus divide the power flow in the two halves of the intermediate circuit by shifting the voltages of the intermediate circuit halves against one another.
  • the controllable compensation stage elements Sdl to Sd4 can be switched on and off in a clocked manner.
  • an increasing current can be generated in the inductance LI, which decays when the controllable equalization stage element Sdl - Sd4, which caused the current increase when it was switched on, is switched off again .
  • charge is passed from one capacitor C1, C2 to the other. This influences the voltage in or at the capacitors C1, C2.
  • the capacitors C1, C2 can be monitored with regard to their voltage by one or more voltage measuring devices (not shown). This information can be made available to the control device 24 in order to control the controllable compensation stage elements Sdl to Sd4 on the basis of the measured values determined.
  • connection point Z of the capacitors C1, C2 is from the inverter
  • connection point connection N Between the Connection point Z of the capacitors C1, C2 to the connection point of the two upper controllable equalization stage elements Sdl, Sd2 is a rectifying element D7 designed as a diode. A rectifying element D8 designed as a diode is also provided between the connection point Z and the connection point of the two lower controllable equalization stage elements Sd3, Sd4.
  • the strands 15, 16, 17 are designed analogously to the compensation stage 18.
  • two controllable converter stage elements Sal, Sa2, Sbl, Sb2, Sei, Sc2 are connected in series in each phase 15-17 between the respective phase center point Ma, Mb, Mc and the positive terminal DC+ of the intermediate circuit 12.
  • Two controllable converter stage elements Sa3, Sa4, Sb3, Sb4, Sc3, Sc4 are also connected in series between the winding center Ma, Mb, Mc and a negative connection DC- of the intermediate circuit 12 .
  • the strand centers Ma, Mb, Mc are each connected to an AC voltage terminal Ea, Eb, Ec. This means that they can be connected to one phase of the mains voltage. From the connection point of the two upper controllable converter stage elements Sal, Sa2, Sbl, Sb2, Sei, Sc2 and from the connection point of the two lower controllable converter stage elements Sa3, Sa4, Sb3, Sb4, Sc3, Sc4 to the connection point Z of the capacitors Cl, C2 des Intermediate circuit 12 is connected in the form of a diode rectifying element D1-D6. The connection point Z can be connected to the neutral conductor n of the AC network 20 (not shown).
  • Phases 15 - 17 each have an anti-parallel diode Dal to Dc4 connected.
  • Strand 18 is an anti-parallel diode Ddl - Dd4 connected.
  • the controllable converter stage elements Sal-Sc4 can be controlled individually by a control and/or regulating device 26 .
  • the converter stage 14 can be designed in particular as a single-stage 3L-NPC inverter.
  • the regulating device 24 and the control and/or regulating device 26 can be connected to one another.
  • the regulating device 24 and the control and/or regulating device 26 can be a single component.
  • the regulating device 24 can be integrated into the control and/or regulating device 26 .
  • the batteries B1, B2 can be connected to and disconnected from a first DC connection DC+ and a second DC connection DC- and the connection point connection N via, in particular, controllable switching devices (not shown). These switching devices can be controlled by a controller which ensures that connection only takes place when the voltage at the terminals is equal to the battery voltage. For this purpose, the battery voltage can be measured and the measured values can be fed to the controller.
  • the control can be integrated in the regulating device 24 or the control and/or regulating device 26 . In particular, a component can be provided which combines the controller, the regulating device 24 and the control and/or regulating device 26 .
  • the voltage VDC1, VDC2 across one or both of the capacitors Cl, C2 can be measured by one or more voltage measuring devices (not shown) are monitored and fed to the control device 24 of the compensation stage.
  • the current through the inductance LI can be monitored by a current measuring device and fed to the control device 24 of the compensation stage.
  • a pre-charging circuit (not shown) may be provided
  • Capacitors Cl, C2 pre-charges. This means that a black start can take place in an island grid.
  • a discharge circuit (not shown) for discharging the capacitors C1, C2 can be provided, which is designed to discharge the capacitors when the converter stage is switched off. This increases safety when the device is switched off.

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  • Power Engineering (AREA)
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  • Charge And Discharge Circuits For Batteries Or The Like (AREA)
  • Dc-Dc Converters (AREA)

Abstract

The invention relates to an inverter (13) for charging and discharging at least two series-connected batteries (B1, B2) comprising: a) at least one AC voltage connection (Ea, Eb, Ec) for connection to an AC voltage network; b) a converter stage (14) for converting an AC voltage to a DC voltage and/or vice versa, which converter stage i. is connected to the at least one AC voltage connection (Ea, Eb, Ec) and ii. has at least two series-connected, controllable, in particular switching, converter-stage elements (Sa1-Sc4); c) an intermediate circuit (12) which i. is connected to the converter stage (14) and ii. has two series-connected capacitors (C1, C2); d) a first and a second DC connection (DC+, DC-) and a connecting-point connection (N), which are connected to the intermediate circuit (12), wherein i. the first DC connection (DC+) is provided for connecting a first battery of the two series-connected batteries (B1, B2), ii. the second DC connection (DC-) is provided for connecting a second battery of the two series-connected batteries (B1, B2) and iii. the connecting-point connection (N) is provided for the common connection of the two series-connected batteries (B1, B2); and e) a compensating device which is configured to influence the voltage distribution across the capacitors (C1, C2) of the intermediate circuit (12).

Description

NPC DREIPUNKTUMRICHTER MIT NPC DREIPUNKT AUSGLEICHSMODUL ZUR REGELUNG DES MITTENPOTENTIALS NPC THREE-POSITION INVERTER WITH NPC THREE-POSITION COMPENSATION MODULE FOR CENTER POTENTIAL CONTROL
Hintergrund der Erfindung Background of the Invention
Die Erfindung betrifft einen Inverter mit einer Ausgleichsvorrichtung und die Verwendung einer Ausgleichsvorrichtung in oder an einem Inverter zum Laden und Entladen von zumindest zwei in Serie geschalteten Batterien an einem Wechselstromnetz. Die Erfindung betrifft außerdem eine Batterie-Lade-Entlade-Vorrichtung aufweisend einen solchen Inverter sowie die Verwendung einer solchen Ausgleichsvorrichtung. Die Verwendung eines einstufigen Wechselrichter-Designs ist eine äußerst kostengünstige und sehr effiziente Möglichkeit, um eine Hochspannungs- Batterie (z.B. im Bereich größer gleich 650 V bei Netzspannungen im Bereich größer gleich 400 V) an ein Wechselspannungsnetz (Grid) anzuschließen, indem die Batterie direkt an den jeweiligen DC-Bus des Wechselrichters angeschlossen wird. Die untere Spannungsgrenze ist dabei vorgegeben durch die Scheitelspannung des Wechselspannungsnetzes und durch die verwendete Wechselrichtertopologie. So kann die Wechselrichtertopologie ausgelegt sein zum Anschluss an die Spannung zwischen zwei z.B. um 120° versetzten Phasen oder jeweils immer nur einer Phase. Das sind bei der gleichen Netzspannung unterschiedliche Spannungswerte für die mindestens erforderliche Batteriespannung. Bei einem Wechselspannungsnetz mit einer höheren Spannung (z.B. in USA) liegt diese Spannungsgrenze dann noch höher. Eine obere Spannungsgrenze ist durch die verwendeten Bauteile und Sicherheitsabstände im Wechselrichter vorgegeben. Sie kann also durch das Wechselrichter-Design beeinflusst werden. Sie liegt häufig im Bereich von 1 kV. The invention relates to an inverter with an equalization device and the use of an equalization device in or on an inverter for charging and discharging at least two series-connected batteries in an AC network. The invention also relates to a battery charging/discharging device having such an inverter and the use of such a balancing device. Using a single stage inverter design is an extremely cost effective and very efficient way to connect a high voltage battery (e.g. in the range of 650V or greater for line voltages in the range of 400V or greater) to an AC mains (grid) by connecting the battery directly connected to the respective DC bus of the inverter. The lower voltage limit is specified by the peak voltage of the AC voltage network and by the inverter topology used. The inverter topology can be designed for connection to the voltage between two phases offset by 120°, for example, or only one phase each. With the same mains voltage, these are different voltage values for the minimum required battery voltage. In the case of an alternating voltage network with a higher voltage (eg in the USA), this voltage limit is even higher. An upper voltage limit is specified by the components used and safety distances in the inverter. It can therefore be influenced by the inverter design. It is often in the range of 1 kV.
Lithium-Ionen-Batterien werden z.B. in Elektrofahrzeugen eingesetzt. Diese sogenannten Mittelspannungs-Batterien weisen häufig eine Spannung auf, die nicht ausreichend wäre für den Anschluss an den DC-Bus eines Wechselrichters bzw. die am DC-Bus liegende Gleichspannung, wohl aber für die halbe Spannung. Lithium-Ionen- Batterien, die z. B. in Fahrzeugen eingesetzt wurden, bekommen, wenn sie für den Einsatz im Fahrzeug auf Grund der nachlassenden Zuverlässigkeit und Kapazität nicht mehr geeignet sind, häufig ein zweites Einsatzgebiet, nämlich als stationäre Batterien zum Puffern von überschüssiger Energie in Stromversorgungsnetzen oder in Inselnetzen, ein sogenanntes „Second-Life". Aus Kostengründen wäre es nun vorteilhaft, man könnte auch diese Batterien direkt an einen einstufigen Wechselrichter anschließen. Um die erforderliche Spannung zu erhalten, müsste man zwei solcher Batterien in Serie schalten. Lithium-ion batteries are used in electric vehicles, for example. These so-called medium-voltage batteries often have a voltage that would not be sufficient for connection to the DC bus of an inverter or the DC voltage on the DC bus, but would be half the voltage. Lithium-ion batteries, z. B. used in vehicles, when they are no longer suitable for use in the vehicle due to decreasing reliability and capacity, often have a second area of application, namely as stationary batteries for buffering excess energy in power supply networks or in island networks, a so-called "Second Life". For cost reasons, it would now be advantageous if these batteries could also be connected directly to a single-stage inverter. In order to obtain the required voltage, one would have to connect two such batteries in series.
Gerade in diesem Zustand sind die Batterien bezüglich ihrer Ladekapazität und Lade-Entladecharakteristik sehr unterschiedlich. Sie können daher nicht oder nur verbunden mit sehr großen Nachteilen in Serie geschaltet werden.
Figure imgf000005_0001
It is precisely in this state that the batteries are very different in terms of their charge capacity and charge-discharge characteristics. They can therefore not be connected in series or only with very great disadvantages.
Figure imgf000005_0001
Es ist Aufgabe der Erfindung, einen Inverter und/oder eine_Batterie-Lade- Entlade-Vorrichtung bereit zu stellen, an den/die zwei in Serie geschaltete Batterien eines mittleren Spannungsbereichs angeschlossen werden können.
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The object of the invention is to provide an inverter and/or a battery charging/discharging device to which two series-connected batteries of a medium voltage range can be connected.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch einen Inverter gemäß Anspruch 1 oder eine Batterie-Lade-Entlade-Vorrichtung gemäß Anspruch 16 oder eine Verwendung gemäß Anspruch 17. Dabei weist der Inverter auf: a. zumindest einen Wechselspannungsanschluss zum Anschluss an ein Wechselspannungsnetz, b. eine Wandlerstufe zur Wandlung einer Wechselspannung in eine Gleichspannung und/oder umgekehrt, die i. an den zumindest einen Wechselspannungsanschluss angeschlossen ist und ii. zumindest zwei in Serie geschaltete, steuerbare, insbesondere schaltende Wandlerstufen-Elemente aufweist, c. einen Zwischenkreis, der i. an die Wandlerstufe angeschlossen ist und ii. zwei in Serie geschaltete Kondensatoren aufweist, d. einen ersten und einen zweiten DC-Anschluss und einen Verbindungspunkt-Anschluss, die mit dem Zwischenkreis verbunden sind, wobei i. der erste DC-Anschluss zum Anschluss einer ersten Batterie der beiden in Serie geschalteten Batterien, ii. der zweite DC-Anschluss zum Anschluss einer zweiten Batterie der beiden in Serie geschalteten Batterien und iii. der Verbindungspunkt-Anschluss zum gemeinsamen Anschluss der beiden in Serie geschalteten Batterien vorgesehen ist, e. eine Ausgleichsvorrichtung, die eingerichtet ist, die Spannungsverteilung auf die Kondensatoren des Zwischenkreises zu beeinflussen. This object is achieved according to the invention by an inverter according to claim 1 or a battery charging/discharging device according to claim 16 or a use according to claim 17. The inverter has: a. at least one AC voltage connection for connection to an AC voltage network, b. a converter stage for converting an AC voltage into a DC voltage and/or vice versa, which i. is connected to the at least one AC voltage connection and ii. has at least two controllable, in particular switching, converter stage elements connected in series, c. an intermediate circuit, the i. connected to the converter stage and ii. has two series-connected capacitors, d. a first and a second DC connection and a connection point connection, which are connected to the intermediate circuit, wherein i. the first DC connection for connecting a first battery of the two series-connected batteries, ii. the second DC connection for connecting a second battery of the two series-connected batteries and iii. the connection point connection is intended for the common connection of the two series-connected batteries, e. a compensating device that is set up to influence the voltage distribution on the capacitors of the intermediate circuit.
Die Ausgleichsvorrichtung kann dabei eingerichtet sein, eine Asymmetrie am Wechselspannungsnetz auszugleichen. So kann z.B. an einem einphasigen Netz ein Verbraucher in einem speziellen Betriebszustand Leistung nur bei Strömen in einer Richtung verbrauchen. Ein solches Verhalten weisen z.B. manche Haushaltsgeräte, z.B. Heizgeräte, Haartrockner oder Toaster auf. In großen Versorgungsnetzen spielen diese eine kleine Rolle, aber in einem Inselnetz können solche Verbraucher vergleichsweise große Asymmetrien erzeugen. The compensation device can be set up to compensate for an asymmetry in the AC voltage network. For example, in a single-phase network, a consumer in a special operating state can only consume power with currents in one direction. Some household appliances, e.g. heaters, hair dryers or toasters, exhibit such behavior. In large supply networks, these play a minor role, but in an island network, such loads can produce comparatively large asymmetries.
In einem mehrphasigen Netz, z.B. in einem dreiphasigen Netz, kann ein Verbraucher nur auf einer Phase Leistung verbrauchen oder ein Leistungslieferant, wie z.B. eine PV Anlage, nur auf einer Phase Leistung einspeisen. Mit einer solchen Ausgleichvorrichtung kann der Inverter geeignet sein für ein Inselnetz, in dem z.B. in einer Phase eine Leistungseinspeisung, z.B. von einer PV-Anlage, erfolgt und auf einer anderen Phase ein Verbraucher, z.B. eine Waschmaschine, Leistung verbraucht. Die Ausgleichsvorrichtung kann zugleich eingerichtet sein, im Betrieb die beiden Batterien gemäß ihren Erfordernissen insbesondere individuell, also unabhängig voneinander, zu laden oder zu entladen. Dabei kann die Ausgleichsvorrichtung eingerichtet sein, Ladung von einer Batterie zur anderen Batterie zu transferieren. In a multi-phase network, for example in a three-phase network, a consumer can only consume power on one phase or a power supplier, such as a PV system, can only feed in power on one phase. With such a balancing device, the inverter can be suitable for an island grid in which, for example, power is fed in in one phase, for example from a PV system, and a consumer, for example a washing machine, consumes power in another phase. At the same time, the compensating device can be set up to charge or discharge the two batteries according to their requirements, in particular individually, that is to say independently of one another, during operation. In this case, the balancing device can be set up to transfer charge from one battery to the other battery.
Mit der erfindungsgemäßen Anordnung ist es möglich, zwei Batterien mittlerer Spannung in Serie zu schalten und die Batterien trotzdem individuell zu laden und zu entladen. Dazu kann der Verbindungspunkt der zwei in Serie geschalteten Batterien abgegriffen werden und die Spannung und/oder der Stromfluss und/oder die Leistung in und/oder aus jeder Batterie individuell gesteuert werden. Damit ist gemeint, dass z.B. eine Batterie mit einem größeren Ladestrom geladen wird als die andere. Es kann auch eine Batterie länger geladen werden als die andere. With the arrangement according to the invention, it is possible to connect two medium-voltage batteries in series and still charge and discharge the batteries individually. For this purpose, the connection point of the two series-connected batteries can be tapped and the voltage and/or the current flow and/or the power into and/or out of each battery can be controlled individually. This means that, for example, one battery is charged with a higher charging current than the other. One battery can also be charged longer than the other.
Die Batterien können einem ersten und einem zweiten DC-Anschluss und dem Verbindungspunkt-Anschluss über Schaltvorrichtungen zu- und weggeschaltet werden. Diese Schaltvorrichtungen können gesteuert werden von einer Steuerung, die insbesondere dafür sorgt, dass eine Zuschaltung nur erfolgt, wenn die Spannung an den Anschlüssen gleich der Batteriespannung ist. Dazu kann die Batteriespannung gemessen werden und die Messwerte der Steuerung zugeführt werden. Somit werden hohe Ausgleichsströme beim Zuschalten vermieden. Erfindungsgemäß ist also der Verbindungs-Anschlusspunkt aus dem Inverter herausgeführt und eine Batterie kann daran und nicht nur an die DC-Anschlüsse (DC-Bus) angeschlossen werden. Mit diesem Verbindungs-Anschlusspunkt ist es möglich, eine erste Mittelspannungsbatterie (z.B. im Bereich von 325 V - ca. 500 V) vom positiven DC-Spannungsanschluss an den Verbindungs-Anschlusspunkt und eine zweite Mittelspannungsbatterie vom Verbindungs- Anschlusspunkt an den negativen DC-Spannungsanschluss anzuschließen, um die erforderlichen 650 V DC für die 400 V Nennspannung des Wechselspannungsversorgungsnetzes zu erreichen. The batteries can be switched in and out of a first and a second DC connection and the connection point connection via switching devices. These switching devices can be controlled by a controller which ensures, in particular, that connection only takes place when the voltage at the terminals is equal to the battery voltage. For this purpose, the battery voltage can be measured and the measured values can be fed to the controller. This avoids high compensating currents when switching on. According to the invention, the connection connection point is led out of the inverter and a battery can be connected to it and not just to the DC connections (DC bus). With this connection connection point it is possible to connect a first medium voltage battery (e.g. in the range of 325 V - approx. 500 V) from the positive DC voltage connection to the connection connection point and a second medium voltage battery from the connection Connection point to be connected to the negative DC voltage connection to achieve the required 650 V DC for the 400 V nominal voltage of the AC mains.
Die Spannungen an den Anschlüssen können durch die Ausgleichsvorrichtung eingestellt werden. Die Ausgleichsvorrichtung kann demnach doppelt genutzt werden, nämlich erstens zum Ausgleich von unsymmetrischen Belastungen im Wechselspannungsnetz und zweitens zum Ausgleich von ungleichen Ladezuständen der beiden Batterien. Dabei kann im Betrieb eine Batterie geladen und zugleich die andere Batterie entladen werden. The voltages at the terminals can be adjusted by the equalizer. The equalizing device can therefore be used twice, namely firstly to equalize unbalanced loads in the AC voltage network and secondly to equalize unequal charge states of the two batteries. One battery can be charged during operation and the other battery can be discharged at the same time.
Um Leistung von den Batterien in das Wechselspannungsnetz liefern zu können, sollten beide Spannungen an den beiden Kondensatoren im Zwischenkreis eine Mindestspannung übersteigen. Sie müssen aber nicht gleich groß sein. Deswegen kann es vorteilhaft sein, wenn die Ausgleichsvorrichtung Ladung von einer Batterie in die andere transferieren kann. In order to be able to supply power from the batteries to the AC voltage network, both voltages at the two capacitors in the intermediate circuit should exceed a minimum voltage. But they don't have to be the same size. Therefore it can be advantageous if the balancing device can transfer charge from one battery to the other.
Die Ausgleichsvorrichtung kann als ein Programm in einem auslesbaren Speicher und/oder als Ausgleichsstufe mit mindestens einem steuerbaren, insbesondere schaltenden, Element, ausgelegt sein. Insbesondere kann die Ausgleichsvorrichtung als Computerprogrammprodukt umfassend Befehle, die bei der Ausführung des Programms durch einen Computer diesen veranlassen, die Spannungsverteilung auf die Kondensatoren des Zwischenkreises zu beeinflussen, ausgebildet sein. Das Computerprogrammprodukt kann in einem computerlesbaren Speichermedium gespeichert sein. The compensation device can be designed as a program in a readable memory and/or as a compensation stage with at least one controllable, in particular switching, element. In particular, the compensating device can be embodied as a computer program product comprising instructions which, when the program is executed by a computer, cause the latter to influence the voltage distribution on the capacitors of the intermediate circuit. The computer program product can be stored in a computer-readable storage medium.
Die Ausgleichsstufe kann mindestens zwei steuerbare, insbesondere schaltende, Ausgleichsstufen-Elemente aufweisen, deren Verbindungspunkt an den Verbindungspunkt der Kondensatoren des Zwischenkreises angeschlossen ist. Dadurch ist es möglich, die Spannungsverteilung auf die Kondensatoren zu beeinflussen, insbesondere zu steuern. The compensation stage can have at least two controllable, in particular switching, compensation stage elements whose connection point is at the connection point of the capacitors of the intermediate circuit connected. This makes it possible to influence, in particular to control, the voltage distribution on the capacitors.
Der Verbindungspunkt der zwei steuerbaren, insbesondere schaltenden, Ausgleichsstufen-Elemente kann über eine Induktivität an den Verbindungspunkt der Kondensatoren des Zwischenkreises angeschlossen sein. Die Induktivität kann als Speicherinduktivität ausgebildet sein. The connection point of the two controllable, in particular switching, equalization stage elements can be connected to the connection point of the capacitors of the intermediate circuit via an inductor. The inductance can be in the form of a storage inductance.
Es kann eine Regeleinrichtung vorgesehen sein, die die steuerbaren, insbesondere schaltenden, Ausgleichsstufen-Elemente der Ausgleichsstufe ansteuert, um geregelt Leistung aus der positiven in die negative Zwischenkreishälfte und umgekehrt zu transportieren, wobei jede Zwischenkreishälfte einen der Kondensatoren des Zwischenkreises aufweist, und somit über die Verschiebung der Zwischenkreishälften-Spannungen gegeneinander den Leistungsfluss in den beiden Zwischenkreishälften aufzuteilen. A control device can be provided which controls the controllable, in particular switching, equalization stage elements of the equalization stage in order to transport power in a controlled manner from the positive to the negative intermediate circuit half and vice versa, with each intermediate circuit half having one of the capacitors of the intermediate circuit, and thus via the Displacement of the intermediate circuit half voltages against each other to divide the power flow in the two intermediate circuit halves.
Die Wandlerstufe kann netzseitig die gewünschte Lade- bzw. Entlade-Leis- tung bidirektional regeln. Diese Leistung kann dem Zwischenkreis zugeführt bzw. entnommen werden, was dessen Spannung tendenziell steigen bzw. fallen lässt. Dieses tendenzielle Steigen bzw. Fallen der Zwischenkreisspannung führt in den angeschlossenen Batterien zur Aufnahme bzw. Abgabe eines Stroms, dem Lade- bzw. Entladestrom. Die Wandlerstufe kann insbesondere ausgelegt sein, die Leistung und/oder den Strom in die Batterien und/oder in das Wechselspannungsnetz zu regeln. Die Wandlerstufe kann als Wechselrichter ausgebildet sein. On the mains side, the converter stage can regulate the desired charging or discharging power bidirectionally. This power can be supplied to or taken from the intermediate circuit, which tends to increase or decrease its voltage. This tendency to rise or fall in the intermediate circuit voltage causes the connected batteries to draw or release a current, the charging or discharging current. In particular, the converter stage can be designed to regulate the power and/or the current in the batteries and/or in the AC voltage network. The converter stage can be designed as an inverter.
Die Ausgleichsstufe kann nun, ihrerseits ebenfalls geregelt, Leistung aus der positiven in die negative Zwischenkreishälfte und umgekehrt transportieren, und somit über die Verschiebung der Zwischenkreishälften- Spannungen gegeneinander den Leistungsfluss in den beiden Hälften entsprechend aufteilen. The compensating stage can now, for its part also be controlled, transport power from the positive to the negative intermediate circuit half and vice versa, and thus via the shifting of the intermediate circuit halves Voltages against each other divide the power flow in the two halves accordingly.
Die Ausgleichsstufe kann eines der steuerbaren, insbesondere schaltenden, Ausgleichsstufen-Elemente getaktet ein- und ausschalten. So kann beim Einschalten eines steuerbaren, insbesondere schaltenden, Aus- gleichsstufen-Elements ein ansteigender Strom in der Induktivität erzeugt werden, der abklingt, wenn das steuerbare, insbesondere schaltende, Aus- gleichsstufen-Element, das im eingeschalteten Zustand für den Stromanstieg gesorgt hat, wieder ausgeschaltet wird. Dabei wird Ladung von einem Kondensator in den anderen geleitet. Damit wird die Spannung in bzw. an den Kondensatoren beeinflusst. The compensation stage can switch one of the controllable, in particular switching, compensation stage elements on and off in a clocked manner. Thus, when a controllable, in particular switching, equalization stage element is switched on, an increasing current can be generated in the inductance, which decays when the controllable, in particular switching, equalization stage element, which caused the current increase when switched on, is switched off again. In the process, charge is transferred from one capacitor to the other. This influences the voltage in or at the capacitors.
Die Spannung an einem oder beiden Kondensatoren kann durch eine oder mehrere Spannungsmessvorrichtungen überwacht werden und der Regeleinrichtung der Ausgleichsstufe zugeführt werden. The voltage across one or both capacitors can be monitored by one or more voltage measuring devices and fed to the controller of the compensation stage.
Der Strom durch die Induktivität kann durch eine Strommessvorrichtung überwacht werden und der Regeleinrichtung der Ausgleichsstufe zugeführt werden. The current through the inductance can be monitored by a current measuring device and fed to the control device of the compensation stage.
Die Wandlerstufe kann einen oder mehrere Stränge aufweisen, die jeweils vier in Serie geschaltete steuerbare, insbesondere schaltende, Wandler- stufen-Elemente, insbesondere Transistoren, besonders bevorzugt IGBTs, aufweisen. The converter stage can have one or more strands, each of which has four series-connected controllable, in particular switching, converter stage elements, in particular transistors, particularly preferably IGBTs.
Jeder Strang kann mit seinen beiden Enden an den Zwischenkreis, insbesondere die beiden DC-Anschlüsse, angeschlossen sein. Die steuerbaren, insbesondere schaltenden, Wandlerstufen- und/oder Ausgleichsstufen-Elemente können einzeln durch eine Steuer- und/oder Regeleinrichtung ansteuerbar sein. Dadurch können die Schaltzeitpunkte der steuerbaren insbesondere schaltenden, Wandlerstufen- und/oder Ausgleichsstufen-Elemente individuell festgelegt werden und insbesondere Schaltverluste vermieden werden. Both ends of each strand can be connected to the intermediate circuit, in particular to the two DC connections. The controllable, in particular switching, converter stage and/or compensation stage elements can be controlled individually by a control and/or regulating device. As a result, the switching times of the controllable, in particular switching, converter stage and/or compensation stage elements can be specified individually and, in particular, switching losses can be avoided.
Jeder Strang kann an seinem Strang-Mittelpunkt mit einem Wechselspannungsanschluss verbunden sein, insbesondere mit einer Phase der Netzspannung verbindbar sein. Each strand can be connected to an AC voltage connection at its strand midpoint, in particular can be connected to a phase of the mains voltage.
Jeder Strang kann ausgelegt sein, durch geeignete Ansteuerung der steuerbaren, insbesondere schaltenden, Wandlerstufen-Elemente den Strang- Mittelpunkt abwechselnd mit dem positiven Anschluss der Zwischenkreisspannung und dem negativen Anschluss der Zwischenkreisspannung zu verbinden und so die Gleichspannung des Zwischenkreises zu Wechselspannung am Netzanschluss zu wandeln und umgekehrt. Each phase can be designed to alternately connect the center point of the phase to the positive terminal of the intermediate circuit voltage and the negative terminal of the intermediate circuit voltage through suitable activation of the controllable, in particular switching, converter stage elements, and thus to convert the DC voltage of the intermediate circuit to AC voltage at the mains connection and vice versa.
Jeder Strang kann zusätzlich ausgelegt sein, durch geeignete Ansteuerung der steuerbaren, insbesondere schaltenden, Wandlerstufen-Elemente den Strang-Mittelpunkt mit dem an den Verbindungspunkt der Kondensatoren des Zwischenkreises zu verbinden. Dies kann im Betrieb insbesondere immer zwischen den beiden Verbindungen mit der positiven und negativen Zwischenkreisspannung und/oder zwischen den beiden Verbindungen mit der negativen und positiven Zwischenkreisspannung erfolgen. Dadurch kann eine besonders störungsarme Wandlung erfolgen. Each phase can additionally be designed to connect the center point of the phase to the connection point of the capacitors of the intermediate circuit by suitable activation of the controllable, in particular switching, converter stage elements. During operation, this can in particular always take place between the two connections with the positive and negative intermediate circuit voltage and/or between the two connections with the negative and positive intermediate circuit voltage. As a result, a particularly low-noise conversion can take place.
Bei jedem Strang können zwischen dem Strang-Mittelpunkt und einem positiven Anschluss des Zwischenkreises zwei steuerbare, insbesondere schaltende, Wandlerstufen-Elemente in Serie geschaltet sein (die sogenannten zwei oberen Transistoren) und zwischen dem Strang-Mittelpunkt und einem negativen Anschluss des Zwischenkreises ebenfalls zwei steuerbare, insbesondere schaltende, Wandlerstufen-Elemente in Serie geschaltet sein (die sogenannten zwei unteren Transistoren). Wenn die Wandlerstufe z.B. für ein 3-Phasen Wechselstromnetz ausgelegt ist, können drei solcher Stränge vorgesehen sein. In each phase, two controllable, in particular switching, converter stage elements can be connected in series between the center point of the phase and a positive connection of the intermediate circuit (the so-called two upper transistors) and also two controllable, in particular switching, converter stage elements can be connected in series between the strand center point and a negative connection of the intermediate circuit (the so-called two lower transistors). If the converter stage is designed for a 3-phase AC network, for example, three such strands can be provided.
Vom Verbindungspunkt der beiden oberen steuerbaren, insbesondere schaltenden, Wandlerstufen-Elemente und vom Verbindungspunkt der beiden unteren steuerbaren, insbesondere schaltenden, Wandlerstufen-Elemente zum Verbindungspunkt der Kondensatoren des Zwischenkreises kann je ein gleichrichtendes Element, insbesondere eine Diode, geschaltet sein. A rectifying element, in particular a diode, can be connected from the connection point of the two upper controllable, in particular switching, converter stage elements and from the connection point of the two lower controllable, in particular switching, converter stage elements to the connection point of the capacitors of the intermediate circuit.
Parallel zu den steuerbaren, insbesondere schaltenden, Wandlerstufen- und/oder Ausgleichsstufen-Elementen der Stränge kann je eine antiparallele Diode geschaltet sein. An anti-parallel diode can be connected in parallel with each of the controllable, in particular switching, converter stage and/or compensation stage elements of the strands.
Die Ausgleichsstufe kann analog zu einem der Stränge aufgebaut sein. Dadurch ergibt sich ein besonders einfacher und kostengünstiger Aufbau des Inverters. Insbesondere können die Ausgleichsstufen-Elemente ebenfalls Transistoren, besonders bevorzugt IGBTs, aufweisen. The compensation stage can be constructed analogously to one of the strands. This results in a particularly simple and cost-effective construction of the inverter. In particular, the equalization stage elements can also have transistors, particularly preferably IGBTs.
Der Inverter kann genau eine Wandlerstufe aufweisen. Diese Wandlerstufe kann die Netzspannung in eine Gleichspannung umsetzen und umgekehrt. Wenn nur eine Wandlerstufe vorgesehen ist, kann der Inverter kostengünstig realisiert werden. Kostenmäßig ergeben sich weitere Vorteile, wenn der Inverter transformatorfrei aufgebaut ist. The inverter can have exactly one converter stage. This converter stage can convert the mains voltage into a DC voltage and vice versa. If only one converter stage is provided, the inverter can be implemented inexpensively. In terms of costs, there are further advantages if the inverter is constructed without a transformer.
Der Inverter kann bidirektional betreibbar sein, um die Batterie sowohl zu laden wie auch zu entladen, also Leistung aus dem Netz in die Batterie zu leiten (Gleichrichter-Betrieb) oder umgekehrt Leistung aus der Batterie in das Netz zu leiten (Wechselrichter-Betrieb). The inverter can be operated bidirectionally in order to both charge and discharge the battery, i.e. to conduct power from the grid into the battery (rectifier operation) or vice versa to conduct power from the battery into the grid (inverter operation).
In einem weiteren Aspekt betrifft die Erfindung eine Batterie-Lade-Ent- lade-Vorrichtung aufweisend einen Inverter wie zuvor beschrieben und zwei in Serie geschaltete Batterien, wobei a) der erste DC-Anschluss an die erste Batterie, b) der zweite DC-Anschluss an die zweite Batterie und c) der Verbindungspunkt-Anschluss an den gemeinsamen Anschluss der beiden in Serie geschalteten Batterien angeschlossen ist. In a further aspect, the invention relates to a battery charging/discharging device comprising an inverter as described above and two batteries connected in series, with a) the first DC connection to the first battery, b) the second DC connection to the second battery and c) the junction point terminal is connected to the common terminal of the two series connected batteries.
In einem weiteren Aspekt betrifft die Erfindung die Verwendung einer Ausgleichsvorrichtung in oder an einem, insbesondere einstufigen, erfindungsgemäßen Inverter oder einer zuvor genannten Batterie-Lade-Ent- lade-Vorrichtung zur individuellen Ladung und/oder Entladung von zwei in Serie geschalteten Batterien, die an die Ausgleichsvorrichtung angeschlossen sind. Es ergeben sich die oben beschriebenen Vorteile. In a further aspect, the invention relates to the use of a compensating device in or on a, in particular single-stage, inverter according to the invention or an aforementioned battery charger-discharge device for individual charging and / or discharging two series-connected batteries the compensating device are connected. The advantages described above result.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn der Inverter als einstufiger 3L (3-Le- vel)-NPC (neutral point clamped)-Wechselrichter ausgebildet ist oder einen solchen aufweist. Eine zumindest ähnliche Einheit ist z.B. in der Offenlegungsschrift WO 2021/047743 Al offenbart. Allerdings ist diese nicht ausgelegt zur Ladung oder Entladung von zwei in Serie geschalteten Batterien. Mit , einstufig' ist hier gemeint, dass der Wechselrichter die Wechselspannung zur Gleichspannung in einer Stufe wandelt, also frei von einem zusätzliche DC-DC Wandler. It is particularly advantageous if the inverter is designed as a single-stage 3L (3-level) NPC (neutral point clamped) inverter or has such an inverter. An at least similar unit is disclosed, for example, in published application WO 2021/047743 A1. However, this is not designed for charging or discharging two batteries connected in series. With 'single stage' it is meant here that the inverter converts the AC voltage to the DC voltage in one stage, i.e. without an additional DC-DC converter.
Der Inverter kann auch einen einstufigen Zwei-Level Wechselrichter aufweisen. Ein solcher weist üblicherweise keinen Anschluss an den Neutralleiter auf. Der Zwischenkreis kann auch bei einer solchen Wechselrichtertopologie zwei in Serie geschaltete Kondensatoren aufweisen. Der Inverter kann dann auch eine erfindungsgemäße Ausgleichsvorrichtung aufweisen. The inverter can also have a single-stage two-level inverter. Such a connection usually has no connection to the neutral conductor. In such an inverter topology, the intermediate circuit can also have two series-connected capacitors. The inverter can then also have a compensation device according to the invention.
Der Inverter kann auch einen einstufigen Drei-Level T-Type oder einstufigen Soft-Switching-Three Level-Wechselrichter oder 3-Stufen-Pulswech- selrichter mit Entlastungsnetzwerk, wie er z.B. in DE 10 2010 008 426 B4 offenbart ist, aufweisen. Der Zwischenkreis kann auch bei einer solchen Wechselrichtertopologie zwei in Serie geschaltete Kondensatoren aufweisen. Der Inverter kann dann auch eine erfindungsgemäße Ausgleichsvorrichtung aufweisen. The inverter can also have a single-level three-level T-type or single-level soft-switching three-level inverter or 3-level pulse-controlled inverter with a load-relieving network, as disclosed, for example, in DE 10 2010 008 426 B4. In such an inverter topology, the intermediate circuit can also have two series-connected capacitors. The inverter can then also have a compensation device according to the invention.
Die Ausgleichsvorrichtung kann insbesondere zum Ausgleich von Asymmetrien am Wechselspannungsnetz verwendet werden. The compensation device can be used in particular to compensate for asymmetries in the AC voltage network.
Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der Zeichnung. Ebenso können die vorstehend genannten und die noch weiter ausgeführten Merkmale erfindungsgemäß jeweils einzeln für sich oder zu mehreren in beliebigen Kombinationen Verwendung finden. Die gezeigten und beschriebenen Ausführungsformen sind nicht als abschließende Aufzählung zu verstehen, sondern haben vielmehr beispielhaften Charakter für die Schilderung der Erfindung. Detaillierte Beschreibung der Erfindung und Zeichnung Further advantages of the invention result from the description and the drawing. Likewise, the features mentioned above and those detailed below can be used according to the invention individually or collectively in any combination. The embodiments shown and described are not to be understood as an exhaustive list, but rather have an exemplary character for the description of the invention. Detailed description of the invention and drawings
Die Figur zeigt eine Batterie-Lade-Entlade-Vorrichtung 1 aufweisend einen Inverter 13, der über Wechselspannungsanschlüsse Ea, Eb, Ec an ein Wechselspannungsnetz 20 angeschlossen werden kann. Das Wechselspannungsnetz 20 weist einen gemeinsamen Neutralleiter n auf. Der Inverter 13 weist eine Wandlerstufe 14 zur Wandlung einer Wechselspannung in eine Gleichspannung und/oder umgekehrt auf. Die Wandlerstufe 14 ist über einen Filter 22 an die Wechselspannungsanschlüsse Ea, Eb, Ec angeschlossen. Der Filter ist vorliegend symbolhaft mit nur einer Drossel je Leitung dargestellt. Es sind auch aufwändigere Filter in T- oder n-Form denkbar. Auch kann hier ein Überspannungsschutz vorgesehen sein. Die Wandlerstufe 14 weist im gezeigten Ausführungsbeispiel drei Stränge 15, 16, 17 auf, die steuerbare, insbesondere schaltende, Wandlerstufen-Elemente Sal - Sc4 aufweisen. The figure shows a battery charging/discharging device 1 having an inverter 13 which can be connected to an AC voltage network 20 via AC voltage terminals Ea, Eb, Ec. The AC voltage network 20 has a common neutral conductor n. The inverter 13 has a converter stage 14 for converting an AC voltage into a DC voltage and/or vice versa. The converter stage 14 is connected via a filter 22 to the AC voltage connections Ea, Eb, Ec. The filter is shown here symbolically with only one choke per line. More complex filters in a T or n shape are also conceivable. Overvoltage protection can also be provided here. In the exemplary embodiment shown, the converter stage 14 has three strands 15, 16, 17, which have controllable, in particular switching, converter stage elements Sal-Sc4.
Weiterhin weist die Wandlerstufe 14 einen Zwischenkreis 12 auf, der zwei in Serie geschaltete Kondensatoren Cl, C2 aufweist. Zudem weist der Zwischenkreis 12 einen ersten und einen zweiten DC-Anschluss, DC+, DC- und einen Verbindungspunkt-Anschluss N auf. Der erste DC-Anschluss DC+ und der Verbindungspunkt-Anschluss N dienen zum Anschluss einer ersten Batterie Bl und der zweite DC-Anschluss DC- und der Verbindungspunkt-Anschluss N dienen zum Anschluss einer zweiten Batterie B2. Furthermore, the converter stage 14 has an intermediate circuit 12, which has two series-connected capacitors C1, C2. In addition, the intermediate circuit 12 has a first and a second DC connection, DC+, DC- and a connection point connection N. The first DC connection DC+ and the connection point connection N are used to connect a first battery B1 and the second DC connection DC- and the connection point connection N are used to connect a second battery B2.
Die zwei Batterien Bl, B2 sind in Serie geschaltet, wobei der erste DC-Anschluss DC+ an die erste Batterie Bl und der zweite DC-Anschluss DC- an die zweite Batterie B2 und der Verbindungspunkt-Anschluss N an den gemeinsamen Anschluss der beiden in Serie geschalteten Batterien Bl, B2 angeschlossen ist. The two batteries Bl, B2 are connected in series, with the first DC connection DC+ to the first battery Bl and the second DC connection DC- to the second battery B2 and the connection point connection N to the common connection of the two in series switched batteries Bl, B2 is connected.
Weiterhin umfasst der Inverter 13 eine als Ausgleichsstufe 18 ausgebildete Ausgleichsvorrichtung, die eingerichtet ist, die Spannungsverteilung auf die Kondensatoren Cl, C2 des Zwischenkreises 12 zu beeinflussen. Furthermore, the inverter 13 comprises a compensation stage 18 trained compensation device, which is set up to influence the voltage distribution on the capacitors C1, C2 of the intermediate circuit 12.
Die Ausgleichsstufe 18 weist zwei obere steuerbare Ausgleichsstufen-Ele- mente. Sdl, Sd2 und zwei untere steuerbare Ausgleichsstufen-Elemente Sd3, Sd4 auf. Die steuerbaren Ausgleichsstufen-Elemente Sdl - Sd4 sind in Serie geschaltet. Die steuerbaren Ausgleichsstufen-Elemente Sdl - Sd4 sind als Transistoren, insbesondere IGBTs ausgestaltet. Der Verbindungspunkt Y der steuerbaren Ausgleichsstufen-Elemente Sd2, Sd3, der den Mittelpunkt der Ausgleichsstufe 18 darstellt, ist über eine Induktivität LI an den Verbindungspunkt Z der Kondensatoren Cl, C2 des Zwischenkreises 12 angeschlossen. The compensation stage 18 has two upper controllable compensation stage elements. Sdl, Sd2 and two lower controllable leveling elements Sd3, Sd4. The controllable compensation stage elements Sdl - Sd4 are connected in series. The controllable equalization stage elements Sdl-Sd4 are in the form of transistors, in particular IGBTs. The connection point Y of the controllable equalization stage elements Sd2, Sd3, which represents the midpoint of the equalization stage 18, is connected to the connection point Z of the capacitors C1, C2 of the intermediate circuit 12 via an inductance LI.
Ein einfacherer Aufbau der Ausgleichsstufe 18 weist nur ein oberes steuerbares Ausgleichsstufen-Element (z.B. Sdl) und ein unteres steuerbares Ausgleichsstufen-Element (z.B. Sd4) auf, die in Serie geschaltet sind und an ihrem Verbindungspunkt mit der Induktivität LI verbunden sind. Die Induktivität LI ist dann an ihrem anderen Ende mit dem Verbindungspunkt Z der Kondensatoren Cl, C2 des Zwischenkreises 12 verbunden. Anders gesagt kann man sich einen einfacheren Aufbau der Ausgleichsstufe 18 vorstellen, wenn man die Dioden D7, D8 und die steuerbaren Ausgleichsstufen-Elemente Sd2, Sd3 wegdenkt und durch direkte Verbindungen ersetzt. A simpler design of the compensation stage 18 has only an upper controllable compensation stage element (e.g. Sdl) and a lower controllable compensation stage element (e.g. Sd4) which are connected in series and connected to the inductor LI at their connection point. The inductance LI is then connected at its other end to the connection point Z of the capacitors C1, C2 of the intermediate circuit 12. In other words, a simpler construction of the compensation stage 18 can be imagined if the diodes D7, D8 and the controllable compensation stage elements Sd2, Sd3 are omitted and replaced by direct connections.
Es ist aber auch vorteilhaft, eine Baugruppe, die ohnehin schon mehrfach in den Strängen 15 - 17 eingesetzt wird, auch für die Ausgleichsstufe 18 zu verwenden. So sind zwar einige Bauteile in dieser Ausgleichsstufe 18 überflüssig, es kann aber insgesamt ein günstiger Preis durch die Mehrfachverwendung einer Baugruppe erzielt werden. Eine Regeleinrichtung 24 ist vorgesehen, die die steuerbaren Ausgleichs- stufen-Elemente Sdl bis Sd4 der Ausgleichsstufe 18 ansteuert, um geregelt Leistung aus der positiven in die negative Zwischenkreishälfte und umgekehrt zu transportieren, wobei jede Zwischenkreishälfte einen der Kondensatoren Cl, C2 des Zwischenkreises 12 aufweist, und somit über die Verschiebung der Zwischenkreishälften-Spannungen gegeneinander den Leistungsfluss in den beiden Zwischenkreishälften aufteilen kann. Somit ist es möglich, die zwei Batterien Bl, B2 mittlerer Spannung in Serie zu schalten und trotzdem individuell zu laden und zu entladen. Insbesondere können die Spannungen an den Anschlüssen DC+, N, DC- durch die Ausgleichsstufe 18 eingestellt werden. Somit können ungleiche Ladezuständen der beiden Batterien Bl, B2 ausgeglichen werden. Insbesondere können die steuerbaren Ausgleichsstufen-Elemente Sdl bis Sd4 getaktet ein- und ausgeschaltet werden. So kann beim Einschalten eines steuerbaren Ausgleichsstufen-Elements Sdl bis Sd4 ein ansteigender Strom in der Induktivität LI erzeugt werden, der abklingt, wenn das steuerbare Aus- gleichsstufen-Element Sdl - Sd4, das im eingeschalteten Zustand für den Stromanstieg gesorgt hat, wieder ausgeschaltet wird. Dabei wird Ladung von einem Kondensator Cl, C2 in den anderen geleitet. Damit wird die Spannung in bzw. an den Kondensatoren Cl, C2 beeinflusst. However, it is also advantageous to use a subassembly that is already used several times in the strands 15 - 17 for the compensation stage 18 as well. Although some components are superfluous in this compensation stage 18, a favorable price can be achieved overall through the multiple use of a module. A control device 24 is provided, which controls the controllable equalization stage elements Sdl to Sd4 of equalization stage 18 in order to transport controlled power from the positive to the negative intermediate circuit half and vice versa, each intermediate circuit half having one of the capacitors C1, C2 of intermediate circuit 12 , and can thus divide the power flow in the two halves of the intermediate circuit by shifting the voltages of the intermediate circuit halves against one another. It is thus possible to connect the two medium-voltage batteries B1, B2 in series and still charge and discharge them individually. In particular, the voltages at the terminals DC+, N, DC- can be set by the compensation stage 18. Thus, unequal states of charge of the two batteries B1, B2 can be compensated. In particular, the controllable compensation stage elements Sdl to Sd4 can be switched on and off in a clocked manner. When a controllable equalization stage element Sdl to Sd4 is switched on, an increasing current can be generated in the inductance LI, which decays when the controllable equalization stage element Sdl - Sd4, which caused the current increase when it was switched on, is switched off again . In this case, charge is passed from one capacitor C1, C2 to the other. This influences the voltage in or at the capacitors C1, C2.
Durch eine oder mehrere nicht dargestellte Spannungsmessvorrichtungen können die Kondensatoren Cl, C2 hinsichtlich ihrer Spannung überwacht werden. Diese Information kann der Regeleinrichtung 24 zur Verfügung gestellt werden, um anhand der ermittelten Messwerte die steuerbaren Ausgleichsstufen-Elemente Sdl bis Sd4 anzusteuern. The capacitors C1, C2 can be monitored with regard to their voltage by one or more voltage measuring devices (not shown). This information can be made available to the control device 24 in order to control the controllable compensation stage elements Sdl to Sd4 on the basis of the measured values determined.
Der Verbindungspunkt Z der Kondensatoren Cl, C2 ist aus dem InverterThe connection point Z of the capacitors C1, C2 is from the inverter
13 zum Verbindungspunkt-Anschluss N herausgeführt. Zwischen dem Verbindungspunkt Z der Kondensatoren Cl, C2 zum Verbindungspunkt der beiden oberen steuerbaren Ausgleichsstufen-Elemente Sdl, Sd2 ist ein als Diode ausgebildetes gleichrichtendes Element D7 geschaltet. Zwischen dem Verbindungspunkt Z und dem Verbindungspunkt der beiden unteren steuerbaren Ausgleichsstufen-Elemente Sd3, Sd4 ist ebenfalls ein als Diode ausgebildetes gleichrichtendes Element D8 vorgesehen. 13 brought out to the connection point connection N. Between the Connection point Z of the capacitors C1, C2 to the connection point of the two upper controllable equalization stage elements Sdl, Sd2 is a rectifying element D7 designed as a diode. A rectifying element D8 designed as a diode is also provided between the connection point Z and the connection point of the two lower controllable equalization stage elements Sd3, Sd4.
Die Stränge 15, 16, 17 sind analog zur Ausgleichsstufe 18 ausgebildet. Insbesondere sind bei jedem Strang 15-17 zwischen dem jeweiligen Strangmittelpunkt Ma, Mb, Mc und dem positiven Anschluss DC+ des Zwischenkreises 12 zwei steuerbare Wandlerstufen-Elemente Sal, Sa2, Sbl, Sb2, Sei, Sc2 in Serie geschaltet. Zwischen dem Strangmittelpunkt Ma, Mb, Mc und einem negativen Anschluss DC- des Zwischenkreises 12 sind ebenfalls zwei steuerbare Wandlerstufen-Elemente Sa3, Sa4, Sb3, Sb4, Sc3, Sc4 in Serie geschaltet. The strands 15, 16, 17 are designed analogously to the compensation stage 18. In particular, two controllable converter stage elements Sal, Sa2, Sbl, Sb2, Sei, Sc2 are connected in series in each phase 15-17 between the respective phase center point Ma, Mb, Mc and the positive terminal DC+ of the intermediate circuit 12. Two controllable converter stage elements Sa3, Sa4, Sb3, Sb4, Sc3, Sc4 are also connected in series between the winding center Ma, Mb, Mc and a negative connection DC- of the intermediate circuit 12 .
Die Strangmittelpunkt Ma, Mb, Mc sind jeweils mit einem Wechselspannungsanschluss Ea, Eb, Ec verbunden. Somit sind sie mit einer Phase der Netzspannung verbindbar. Vom Verbindungspunkt der beiden oberen steuerbaren Wandlerstufen-Elemente Sal, Sa2, Sbl, Sb2, Sei, Sc2 und vom Verbindungspunkt der beiden unteren steuerbaren Wandlerstufen- Elemente Sa3, Sa4, Sb3, Sb4, Sc3, Sc4 zum Verbindungspunkt Z der Kondensatoren Cl, C2 des Zwischenkreises 12 ist jeweils ein als Diode ausgebildetes gleichrichtendes Element Dl -D6 geschaltet. Der Verbindungspunkt Z kann mit dem Neutralleiter n des Wechselstromnetzes 20 verbunden sein (nicht gezeigt). The strand centers Ma, Mb, Mc are each connected to an AC voltage terminal Ea, Eb, Ec. This means that they can be connected to one phase of the mains voltage. From the connection point of the two upper controllable converter stage elements Sal, Sa2, Sbl, Sb2, Sei, Sc2 and from the connection point of the two lower controllable converter stage elements Sa3, Sa4, Sb3, Sb4, Sc3, Sc4 to the connection point Z of the capacitors Cl, C2 des Intermediate circuit 12 is connected in the form of a diode rectifying element D1-D6. The connection point Z can be connected to the neutral conductor n of the AC network 20 (not shown).
Parallel zu den steuerbaren Wandlerstufen-Elementen Sal - Sc4 derParallel to the controllable converter stage elements Sal - Sc4 der
Stränge 15 - 17 ist jeweils eine antiparallele Diode Dal bis Dc4 geschaltet. Parallel zu den steuerbaren Wandlerstufen-Elementen Sdl - Sd4 desPhases 15 - 17 each have an anti-parallel diode Dal to Dc4 connected. Parallel to the controllable converter stage elements Sdl - Sd4 des
Strangs 18 ist jeweils eine antiparallele Diode Ddl - Dd4 geschaltet. Strand 18 is an anti-parallel diode Ddl - Dd4 connected.
Die steuerbaren Wandlerstufen-Elemente Sal-Sc4 sind durch eine Steuer- und/oder Regeleinrichtung 26 individuell ansteuerbar. The controllable converter stage elements Sal-Sc4 can be controlled individually by a control and/or regulating device 26 .
Die Wandlerstufe 14 kann insbesondere als einstufiger 3L-NPC Inverter ausgebildet sein. The converter stage 14 can be designed in particular as a single-stage 3L-NPC inverter.
Die Regeleinrichtung 24 und die Steuer- und/oder Regeleinrichtung 26 können miteinander verbunden sein. Insbesondere können die Regeleinrichtung 24 und die Steuer- und/oder Regeleinrichtung 26 ein einziges Bauteil sein. Die Regeleinrichtung 24 kann in die Steuer- und/oder Regeleinrichtung 26 integriert sein. The regulating device 24 and the control and/or regulating device 26 can be connected to one another. In particular, the regulating device 24 and the control and/or regulating device 26 can be a single component. The regulating device 24 can be integrated into the control and/or regulating device 26 .
Die Batterien Bl, B2 können einem ersten DC-Anschluss DC+ und einem zweiten DC-Anschluss DC- und dem Verbindungspunkt-Anschluss N über, insbesondere steuerbare, Schaltvorrichtungen (nicht gezeigt) zu- und weggeschaltet werden. Diese Schaltvorrichtungen können gesteuert werden von einer Steuerung, die dafür sorgt, dass eine Zuschaltung nur erfolgt, wenn die Spannung an den Anschlüssen gleich der Batteriespannung ist. Dazu kann die Batteriespannung gemessen werden und die Messwerte der Steuerung zugeführt werden. Die Steuerung kann in der Regeleinrichtung 24 oder der Steuer- und/oder Regeleinrichtung 26 integriert sein. Insbesondere kann eine Komponente vorgesehen sein, die die Steuerung, die Regeleinrichtung 24 und die Steuer- und/oder Regeleinrichtung 26 vereint. The batteries B1, B2 can be connected to and disconnected from a first DC connection DC+ and a second DC connection DC- and the connection point connection N via, in particular, controllable switching devices (not shown). These switching devices can be controlled by a controller which ensures that connection only takes place when the voltage at the terminals is equal to the battery voltage. For this purpose, the battery voltage can be measured and the measured values can be fed to the controller. The control can be integrated in the regulating device 24 or the control and/or regulating device 26 . In particular, a component can be provided which combines the controller, the regulating device 24 and the control and/or regulating device 26 .
Die Spannung VDC1, VDC2 an einem oder beiden Kondensatoren Cl, C2 kann durch eine oder mehrere Spannungsmessvorrichtungen (nicht gezeigt) überwacht werden und der Regeleinrichtung 24 der Ausgleichsstufe zugeführt werden. The voltage VDC1, VDC2 across one or both of the capacitors Cl, C2 can be measured by one or more voltage measuring devices (not shown) are monitored and fed to the control device 24 of the compensation stage.
Der Strom durch die Induktivität LI kann durch eine Strommessvorrich- tung überwacht werden und der Regeleinrichtung 24 der Ausgleichsstufe zugeführt werden. The current through the inductance LI can be monitored by a current measuring device and fed to the control device 24 of the compensation stage.
Es kann eine Vorladeschaltung (nicht gezeigt) vorgesehen sein, die dieA pre-charging circuit (not shown) may be provided
Kondensatoren Cl, C2 vorlädt. Damit kann ein Schwarzstart in einem Inselnetz erfolgen. Capacitors Cl, C2 pre-charges. This means that a black start can take place in an island grid.
Es kann eine Entladeschaltung (nicht gezeigt) zum Entladen der Kondensatoren Cl, C2 vorgesehen sein, die ausgelegt ist, die Kondensatoren zu entladen, wenn die Wandlerstufe ausgeschaltet ist. Das erhöht die Sicher- heit am ausgeschalteten Gerät. A discharge circuit (not shown) for discharging the capacitors C1, C2 can be provided, which is designed to discharge the capacitors when the converter stage is switched off. This increases safety when the device is switched off.

Claims

Patentansprüche patent claims
1. Inverter (13) zum Laden und Entladen von zumindest zwei in Serie geschalteten Batterien (Bl, B2), wobei der Inverter (13) aufweist: a) zumindest einen Wechselspannungsanschluss (Ea, Eb, Ec) zum Anschluss an ein Wechselspannungsnetz (20), b) eine Wandlerstufe (14) zur Wandlung einer Wechselspannung in eine Gleichspannung und/oder umgekehrt, die i. an den zumindest einen Wechselspannungsanschluss (Ea, Eb, Ec) angeschlossen ist und ii. zumindest zwei in Serie geschaltete, steuerbare, insbesondere schaltende, Wandlerstufen-Elemente (Sal - Sc4) aufweist, c) einen Zwischenkreis (12), der i. an die Wandlerstufe (14) angeschlossen ist und ii. zwei in Serie geschaltete Kondensatoren (Cl, C2) aufweist, d) einen ersten und einen zweiten DC-Anschluss (DC+, DC-) und einen Verbindungspunkt-Anschluss (N), die mit dem Zwischenkreis (12) verbunden sind, wobei i. der erste DC-Anschluss (DC+) zum Anschluss einer ersten Batterie (Bl) der beiden in Serie geschalteten Batterien (Bl, B2), ii. der zweite DC-Anschluss (DC-) zum Anschluss einer zweiten Batterie (B2) der beiden in Serie geschalteten Batterien (Bl, B2) und iii. der Verbindungspunkt-Anschluss (N) zum gemeinsamen Anschluss der beiden in Serie geschalteten Batterien (Bl, B2) vorgesehen ist, e) eine Ausgleichsvorrichtung, die eingerichtet ist, die Spannungsverteilung auf die Kondensatoren (Cl, C2) des Zwischenkreises (12) zu beeinflussen. Inverter (13) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausgleichsvorrichtung ausgelegt ist als ein Programm in einem auslesbaren Speicher und/oder als Ausgleichsstufe (18) mit mindestens einem steuerbaren, insbesondere schaltendem Element (Sdl- Sd4). Inverter nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausgleichsstufe (18) mindestens zwei steuerbare, insbesondere schaltende, Ausgleichsstufen-Elemente (Sdl...Sd4) aufweist, deren Verbindungspunkt (Y) an den Verbindungspunkt (Z) der Kondensatoren (Cl, C2) des Zwischenkreises (12) angeschlossen ist. Inverter nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Verbindungspunkt (Y) der steuerbaren , insbesondere schaltenden, Ausgleichsstufen-Elemente (Sd2, Sd3) über eine Induktivität (LI) an den Verbindungspunkt (Z) der Kondensatoren (Cl, C2) des Zwischenkreises (12) angeschlossen ist. Inverter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausgleichsvorrichtung ausgelegt ist, im Betrieb die Spannungen an den Anschlüssen (DC+, DC-, N) einzustellen. Inverter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausgleichsvorrichtung ausgelegt ist, eine Asymmetrie am Wechselspannungsnetz (Ea, Eb, Ec) und zusätzlich oder alternativ ungleiche Ladezustände der beiden Batterien (Bl, B2) auszugleichen. Inverter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausgleichsvorrichtung ausgelegt ist , im Betrieb die beiden in Serie geschalteten Batterien (Bl, B2) gemäß ihren Erfordernissen insbesondere individuell, also unabhängig voneinander, zu laden oder zu entladen, insbesondere Ladung von einer Batterie zur anderen Batterie zu transferieren. Inverter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausgleichsvorrichtung ausgelegt ist im Betrieb die Spannung und/oder den Stromfluss und/oder die Leistung in und/oder aus jeder Batterie (Bl, B2) individuell zu steuern. Inverter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die in Serie geschalteten Batterien (Bl, B2) dem ersten und dem zweiten DC-Anschluss (DC+, DC-) und dem Verbindungspunkt-Anschluss (N) über eine Schaltvorrichtungen zu- und weg-geschaltet werden können. Inverter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Regeleinrichtung (24) vorgesehen ist, die die steuerbaren, insbesondere schaltenden, Ausgleichsstufen-Ele- mente (Sdl - Sd4) der Ausgleichsstufe (18) ansteuert, um geregelt Leistung aus der positiven in die negative Zwischenkreishälfte und umgekehrt zu transportieren, wobei jede Zwischenkreishälfte einen der Kondensatoren (Cl, C2) des Zwischenkreises (12) aufweist, und somit über die Verschiebung der Zwischenkreishälften-Span- nungen gegeneinander den Leistungsfluss in den beiden Zwischenkreishälften aufzuteilen. Inverter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Spannung an einem oder beiden Kondensatoren (Cl, C2) durch eine oder mehrere Spannungsmessvorrich- tung(en) überwacht und der Regeleinrichtung der Ausgleichsstufe zugeführt werden kann. Inverter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wandlerstufe (14) einen oder mehrere Stränge (15-17) aufweist, die jeweils vier in Serie geschaltete steuerbare, insbesondere schaltende, Wandlerstufen-Elemente (Sal - Sc4), insbesondere Transistoren, besonders bevorzugt IGBTs, aufweisen. Inverter nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Strang (15-17) mit seinen beiden Enden an den Zwischenkreis (12) angeschlossen ist. Inverter nach einem der vorhergehenden Ansprüche 12 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Strang (15-17) an seinem Strang-Mittelpunkt (Ma, Mb, Mc) mit einem Wechselspannungsanschluss (Ea, Eb, Ec) verbunden ist, insbesondere mit einer Phase der Netzspannung verbindbar ist. Inverter nach einem der vorhergehenden Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass bei jedem Strang (15-17) zwischen dem Strang-Mittelpunkt (Ma, Mb, Mc) und einem positiven Anschluss des Zwischenkreises (12) zwei steuerbare, insbesondere schaltende, Wandlerstufen-Elemente (Sal, Sa2, Sbl, Sb2, Sei, Sc2) in Serie geschaltet sind und zwischen dem Strang-Mittelpunkt (Ma, Mb, Mc) und einem negativen Anschluss des Zwischenkreises (12) ebenfalls zwei steuerbare, insbesondere schaltende, Wandler- stufen-Elemente (Sa3, Sa4, Sb3, Sb4, Sc3, Sc4) in Serie geschaltet sind. 1. Inverter (13) for charging and discharging at least two batteries (Bl, B2) connected in series, the inverter (13) having: a) at least one AC voltage connection (Ea, Eb, Ec) for connection to an AC voltage network (20 ), b) a converter stage (14) for converting an AC voltage into a DC voltage and/or vice versa, the i. is connected to the at least one AC voltage connection (Ea, Eb, Ec) and ii. has at least two series-connected, controllable, in particular switching, converter stage elements (Sal - Sc4), c) an intermediate circuit (12), which i. connected to the converter stage (14) and ii. has two capacitors (C1, C2) connected in series, d) a first and a second DC connection (DC+, DC-) and a connection point connection (N), which are connected to the intermediate circuit (12), wherein i. the first DC connection (DC+) for connecting a first battery (Bl) of the two series-connected batteries (Bl, B2), ii. the second DC connection (DC-) for connecting a second battery (B2) of the two series-connected batteries (B1, B2) and iii. the connection point connection (N) is provided for the common connection of the two series-connected batteries (Bl, B2), e) a compensation device which is set up to influence the voltage distribution on the capacitors (C1, C2) of the intermediate circuit (12). Inverter (13) according to Claim 1, characterized in that the compensation device is designed as a program in a readable memory and/or as a compensation stage (18) with at least one controllable, in particular switching element (Sdl- Sd4). Inverter according to Claim 2, characterized in that the compensation stage (18) has at least two controllable, in particular switching, compensation stage elements (Sdl...Sd4), whose connection point (Y) is connected to the connection point (Z) of the capacitors (Cl, C2 ) of the intermediate circuit (12) is connected. Inverter according to Claim 3, characterized in that the connection point (Y) of the controllable, in particular switching, equalization stage elements (Sd2, Sd3) is connected via an inductance (LI) to the connection point (Z) of the capacitors (Cl, C2) of the intermediate circuit ( 12) is connected. Inverter according to one of the preceding claims, characterized in that the balancing device is designed to adjust the voltages at the terminals (DC+, DC-, N) during operation. Inverter according to one of the preceding claims, characterized in that the balancing device is designed to compensate for an asymmetry in the AC voltage network (Ea, Eb, Ec) and in addition or alternatively to compensate for unequal states of charge of the two batteries (B1, B2). Inverter according to one of the preceding claims, characterized in that the balancing device is designed, during operation, to charge or discharge the two series-connected batteries (Bl, B2) according to their requirements, in particular individually, i.e. independently of one another, in particular charging from a battery to transfer to the other battery. Inverter according to one of the preceding claims, characterized in that the balancing device is designed to control the voltage and/or the current flow and/or the power into and/or out of each battery (B1, B2) individually during operation. Inverter according to one of the preceding claims, characterized in that the series-connected batteries (Bl, B2) the first and the second DC connection (DC +, DC-) and the connection point connection (N) via a switching device and away -can be switched. Inverter according to one of the preceding claims, characterized in that a control device (24) is provided which controls the controllable, in particular switching, equalization stage elements (Sdl - Sd4) of the equalization stage (18) in order to regulate power from the positive in to transport the negative half of the intermediate circuit and vice versa, with each half of the intermediate circuit having one of the capacitors (C1, C2) of the intermediate circuit (12), and thus to divide the power flow in the two halves of the intermediate circuit by shifting the voltages between the intermediate circuit halves. Inverter according to one of the preceding claims, characterized in that the voltage at one or both capacitors (C1, C2) monitored by one or more voltage measuring device (s) and the control device of the compensation stage can be supplied. Inverter according to one of the preceding claims, characterized in that the converter stage (14) has one or more strands (15-17), each of which has four controllable, in particular switching, converter stage elements (Sal - Sc4), in particular transistors, connected in series particularly preferably IGBTs. Inverter according to Claim 12, characterized in that each strand (15-17) is connected to the intermediate circuit (12) with its two ends. Inverter according to one of the preceding claims 12 to 13, characterized in that each phase (15-17) is connected at its phase center point (Ma, Mb, Mc) to an AC voltage connection (Ea, Eb, Ec), in particular to a phase the mains voltage can be connected. Inverter according to one of the preceding claims 12 to 14, characterized in that in each phase (15-17) between the center point of the phase (Ma, Mb, Mc) and a positive connection of the intermediate circuit (12) there are two controllable, in particular switching, converter stages -Elements (Sal, Sa2, Sbl, Sb2, Sei, Sc2) are connected in series and between the center point of the strand (Ma, Mb, Mc) and a negative connection of the intermediate circuit (12) two controllable, in particular switching, converter stage elements (Sa3, Sa4, Sb3, Sb4, Sc3, Sc4) are also connected in series.
16. Batterie-Lade-Entlade-Vorrichtung (1) aufweisend einen Inverter (13) nach einem der vorhergehenden Ansprüche und zwei in Serie geschaltete Batterien (Bl, B2), wobei a) der erste DC-Anschluss (DC+) an die erste Batterie (Bl), b) der zweite DC-Anschluss (DC-) an die zweite Batterie (B2) und c) der Verbindungspunkt-Anschluss (N) an den gemeinsamen Anschluss der beiden in Serie geschalteten Batterien (Bl, B2) angeschlossen ist. 16. Battery charging-discharging device (1) comprising an inverter (13) according to any one of the preceding claims and two series-connected batteries (Bl, B2), wherein a) the first DC connection (DC +) to the first battery (Bl), b) the second DC connection (DC-) is connected to the second battery (B2) and c) the connection point connection (N) to the common connection of the two series-connected batteries (Bl, B2).
17. Verwendung einer Ausgleichsvorrichtung in oder an einem Inverter (13) oder einer Batterie-Lade-Entlade-Vorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche zur individuellen Ladung und/oder Entladung von zwei in Serie geschalteten Batterien (Bl, B2), die an die Ausgleichsvorrichtung angeschlossen sind. 17. Use of a balancing device in or on an inverter (13) or a battery charging-discharging device (1) according to any one of the preceding claims for the individual charging and / or discharging of two series-connected batteries (Bl, B2), the connected to the balancing device.
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Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102010008426B4 (en) 2010-02-18 2011-09-01 Hochschule Konstanz 3-stage pulse inverter with discharge network
EP2479868A1 (en) * 2011-01-25 2012-07-25 ABB Oy Method and apparatus for controlling voltages over series-connected dc power supplies
DE102014224371A1 (en) * 2014-11-28 2016-06-02 Robert Bosch Gmbh Battery system with a hybrid battery and an NPC inverter connected to the battery on the input side and method for operating an NPC inverter connected on the input side with a hybrid battery
DE102016216324A1 (en) * 2016-08-30 2018-03-01 Robert Bosch Gmbh Drive system, in particular for a vehicle, and method for heating a drive system
US20190157986A1 (en) * 2015-09-16 2019-05-23 sonnen GmbH Inverter device, energy storage system and method of controlling an inverter device
DE102018120236A1 (en) * 2018-08-20 2020-02-20 Thyssenkrupp Ag Charging device with controllable intermediate circuit center voltage and drive system with such a charging device
WO2021047743A1 (en) 2019-09-13 2021-03-18 Hs-Drives Gmbh System having at least one rectifier

Patent Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102010008426B4 (en) 2010-02-18 2011-09-01 Hochschule Konstanz 3-stage pulse inverter with discharge network
EP2479868A1 (en) * 2011-01-25 2012-07-25 ABB Oy Method and apparatus for controlling voltages over series-connected dc power supplies
DE102014224371A1 (en) * 2014-11-28 2016-06-02 Robert Bosch Gmbh Battery system with a hybrid battery and an NPC inverter connected to the battery on the input side and method for operating an NPC inverter connected on the input side with a hybrid battery
US20190157986A1 (en) * 2015-09-16 2019-05-23 sonnen GmbH Inverter device, energy storage system and method of controlling an inverter device
DE102016216324A1 (en) * 2016-08-30 2018-03-01 Robert Bosch Gmbh Drive system, in particular for a vehicle, and method for heating a drive system
DE102018120236A1 (en) * 2018-08-20 2020-02-20 Thyssenkrupp Ag Charging device with controllable intermediate circuit center voltage and drive system with such a charging device
WO2021047743A1 (en) 2019-09-13 2021-03-18 Hs-Drives Gmbh System having at least one rectifier

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