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Hocheffizienter Umrichter für Batteriespeichersysteme

13. Januar 2020, 13:30 Uhr   |  Von Karl Jäger, Senior-Entwicklungsingenieur, und Tobias Herrmann, Field Application Engineer & Marketing Manager, Finepower


Fortsetzung des Artikels von Teil 1 .

Die Vorteile…

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Bild 3: Simulationsergebnisse des klassischen 2-Level-Vollbrückenumrichters

Um zur gleichen effektiven Schaltfrequenz zu kommen, ist jedes Modul nur noch halb so schnell zu takten, wenn es um 180° phasenversetzt angesteuert wird. In der Simulation ist ein weiterer Vorteil dieser Topologie erkennbar: Neben der Verdoppelung der resultierenden Taktfrequenz halbiert sich die zu schaltende Spannung.

Wir erreichen also nicht nur eine Halbierung der Schaltverluste wegen halb so häufigem Schalten; die Schaltverluste werden nochmals um etwa den Faktor 4 geringer. Im Detail hängt dies von den in der jeweiligen Spannungsklasse verfügbaren MOSFET-Schaltern ab. Hier könnte man einwenden, dass wegen der in Reihe geschalteten Endstufen dafür die Leitverluste ansteigen müssten. Da aber MOSFETs in der halben Spannungsklasse in der Regel bei gleichen Kosten auch nur etwa den halben RDS(on) aufweisen, kompensiert sich dieser Effekt.

Neben der deutlichen Reduktion der Schaltverluste sehen wir in Bild 5 aber noch einen weiteren Vorteil: Bei gleicher Induktivität halbiert die halbe Schaltspannung an der Drossel den Ausgangs-Ripple-Strom. Im Umkehrschluss heißt das: Bei gleichem Ausgangs-Ripple-Strom könnte man nur durch Verwendung von zwei anstatt einem Inverter-Modul die Ausgangs-Sinusdrossel etwa halbieren.
Das System ist eingeschränkt redundant, da es sich bei Ausfall eines Moduls pro Phase mit minimal reduzierter Leistung weiterbetreiben lässt. Die H-Brücken lassen sich räumlich eng mit den Batteriepacks platzieren, sodass hohe Störabstrahlung durch Pulsströme erheblich verringert wird.

… und Nachteile

Gegenüber einer aktiv geschalteten B6-Brücke besteht der offensichtlichste Nachteil in der hohen Zahl an Schalttransistoren, je nachdem, wie viel Module zum Einsatz kommen. Würde man ein Gerät gleicher Leistung mit einer B6-Brücke realisieren, würde man aufgrund der zu schaltenden Leistung sicher auf integrierte SiC-Module zurückgreifen. Ein Kostenvorteil bei den Leistungsschaltern dürfte damit aber eher nicht entstehen. Der wirkliche Kostenvorteil entsteht erst, wenn man den hohen Aufwand an Ansteuerung und Überwachung beim Multi-Level-Inverter mit ins Kalkül zieht.

Um die Module nicht mit störungsempfindlichen und verdrahtungsaufwändigen Einzelleitungen ansteuern zu müssen, sind neben dem Gesamtsystem-Controller auch noch weniger leistungsfähige Sub-Prozessoren pro Modul nötig, um die Steuer- und Überwachungssignale vom und zum Bus zu bedienen. Dazu kommt, dass die Batterien mit gepulstem Strom belastet werden, wenn er nicht durch externe Kapazitäten geglättet wird. Eine höhere Zahl an Bauteilen erhöht zudem die Ausfallwahrscheinlichkeit.

Alternative Ansteuerung mit Level-Shift

Alternativ zur eben beschriebenen Phase-Shift-Ansteuerung soll hier noch die Ansteuermethode Level-Shift gezeigt werden. Im Unterschied zu oben wird diesmal die Halbbrücke entsprechend der Amplitude der Eingangsspannung getaktet oder nur statisch ein- oder ausgeschaltet. Damit wird die zum Takten vorgesehene Halbbrücke eines Moduls nur dann getaktet, wenn es der Spannungspegel erfordert. Unabhängig von der Anzahl der Module wird immer nur eines getaktet. Alle anderen haben die Batteriespannung hinzu- oder weggeschaltet.

Auf den ersten Blick klingt das nach mehr Steuerungsaufwand, aber auch nach mehr Effizienz, weil nur ein Modul getaktet wird. Die Überprüfung erfolgt wieder per Simulation.

Generell ist der Aufbau des Schaltbildes identisch zu Bild 4, womit auch der höhere Steuerungsaufwand schon einmal entkräftet werden kann. Zwischen den verschiedenen Pegeln umzuschalten ist weniger kompliziert, als es sich anhört. Mittels eines digitalen Busses ist die Ansteuerung sogar einfacher, weil die Taktsynchronisierung der Module nicht zeitkritisch ist.

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Topologie des 5-Level-Umrichters als Kombination von zwei Vollbrückenumrichtern

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1. Hocheffizienter Umrichter für Batteriespeichersysteme
2. Die Vorteile…
3. In der Praxis

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