DE60131188T2 - Multifunktions-ac/dc-wandler - Google Patents

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    • H02J2310/44The network being an on-board power network, i.e. within a vehicle for aircrafts

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft einen AC/DC-Wandler eines elektrischen Leistungssystems.
  • Ein herkömmliches Leistungssystemdesign enthält eine Transformator-Gleichrichter-Einheit („TRU” – Transformer Rectifier Unit) als eine Hauptgleichstromquelle, deren Ausgangsspannung mit angelegter Last variiert. Aufgrund der variierenden Natur ihrer Ausgangsspannung wurde die TRU als für das Laden von Batterien ungeeignet angesehen, auf die man sich für eine Backup-/Hilfsstromquelle verläßt. Insbesondere ermöglicht die variierende Natur der TRU-Ausgangsspannung keinen Lademodus mit konstantem Potential oder konstantem Strom. Zur Behebung dieses Mangels verwenden einige Systeme eine EIN/AUS-Einrichtung, um die Batterie mit dem TRU-Bus zu verbinden und von diesem zu trennen, um die Ladeleistung zu verbessern.
  • Ein weiterer herkömmlicher Ansatz verwendet einen Gleichstromgenerator als Hauptstromquelle, um eine konstante Ausgangsspannung zu erzeugen. Wenngleich ein derartiger Gleichstromgenerator geeignet ist, um Batterien mit konstantem Potential zu laden, kann dieser Ansatz weder den in die Batterie zum Beginn des Startzyklus fließenden Strom begrenzen noch Temperaturvariationen kompensieren, die den Ladezustand („SOC” – State of Charge) der Batterie stark beeinflussen. Indem die Menge an Erhaltungsladung nicht gesteuert wird, verursacht der Gleichstromgenerator außerdem, daß die Batterie im Lauf der Zeit Elektrolyte verliert.
  • Noch ein weiterer herkömmlicher Ansatz verwendet als Hauptgleichstromquelle mit einer konstanten Ausgangsspannung eine geregelte Transformator-Gleichrichter-Einheit („RTRU” – Regulated Transformer Rectifier Unit). Die RTRU kann Batterien mit konstantem Potential laden, kann aber weder den in die Batterie fließenden Strom begrenzen, noch Temperaturvariationen kompensieren. Indem die Menge an Erhaltungsladung nicht gesteuert wird, verursacht die RTRU außerdem, daß die Batterie im Lauf der Zeit Elektrolyte verliert.
  • Aufgrund der obigen Mängel wird üblicherweise zusätzlich zu der Hauptgleichstromquelle zusätzliches Gerät wie etwa ein separates Batterieladegerät verwendet. Da die Ladespannung zeitweise hoch sein kann, muß die Batterie während des Ladens von dem Hauptgleichstrombus des Leistungssystems getrennt werden. Dies erfordert spezielle Leistungsbusanordnungen und schränkt die Verwendung der Batterie als eine Buspräsenz ein, wodurch die Flexibilität und Qualität des Gleichstromleistungssystems beeinflußt werden.
  • Aus US-A-5,864,221 ist eine Multifunktionsvorrichtung zum Regeln von Spannung bekannt, die über eine Sammelschiene Elektroden zugeführt und an eine wiederaufladbare Batterie geliefert wird.
  • Die vorliegende Erfindung befaßt sich mit diesen Mängeln herkömmlicher Leistungssystemdesigns durch Bereitstellen einer Multifunktionsvorrichtung zum Regeln einer Spannung
  • [Lakune] einen Wechselstrom-Gleichstrom-Wandler (AC/DC), der eine AC-Versorgungsspannung empfängt, die AC-Versorgungsspannung in eine geregelte DC-Spannung umwandelt und die geregelte DC-Spannung an den DC-Leistungsbus ausgibt, um dadurch die geregelte Spannung an eine mit dem DC-Leistungsbus verbundene elektrische Last und an die wiederaufladbare Batterie zu liefern, die ständig mit dem DC-Leistungsbus verbunden ist; und
    einen Leistungscontroller, der eine von dem AC/DC-Wandler durchgeführte Umwandlung als Funktion einer Charakteristik der Batterie steuert. Die vorliegende Erfindung eignet sich zur Implementierung in einem Flugzeugleistungssystem, um die innerhalb des Einhaltungsbereichs des DC-Leistungsbusses ausgegebene Spannung (z. B. zwischen 27,5 und 29,5 Vdc) aufrechtzuerhalten und dabei die Ausgangsspannung zu justieren, um eine mit dem Bus verbundene Batterie effizient zu laden und/oder eine mit dem Bus verbundene APU zu starten.
  • Bei einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung enthält ein Multifunktions-AC/DC-Wandler eine Stromsteuereinheit, die den von einer wiederaufladenden Batterie gezogen Strompegel überwacht und die von der AC/DC-Umwandlungsschaltungsanordnung ausgegebene Spannung auf der Basis des Ladezustands der Batterie steuert. In einer ersten Leistungssteuerstufe, bei der die Batterie vollständig oder fast entladen ist, steuert die Leistungssteuereinheit die ausgegebene Spannung auf einem relativ niedrigen Pegel (innerhalb des Einhaltungsbereichs des Leistungssystems), um zu verhindern, daß die Batterie eine ungesteuerte oder übermäßige Strommenge zieht. Wenn sich die Batterie leert und ihre innere Impedanz steigt, gestattet die Leistungssteuereinheit ein Steigen der Ausgangsspannung, wodurch der zu der Batterie fließende Strom auf einem adäquaten Pegel für effizientes Laden der Batterie gehalten wird. Wenn die Ausgangsspannung einen Schwellwertpegel erreicht, initiiert die Leistungssteuereinheit eine zweite Steuerstufe, um die Ausgangsspannung auf dem erhöhten Pegel aufrechtzuerhalten (z. B. in der Nähe der oberen Einhaltungsgrenze des DC-Leistungsbusses), so daß sich die Batterie weiterhin lädt, wenngleich mit ständig abnehmendem Strom. Während dieser zweiten Leistungssteuerstufe steuert die Leistungssteuereinheit bei einer Implementierung der vorliegenden Erfindung die Ausgangsspannung als Funktion der Batterietemperatur, so daß die Ausgangsspannung bei höheren Batterietemperaturen niedriger und bei niedrigeren Batterietempera turen höher ist. Diese Temperaturkompensation verbessert die Effizienz des Batterieladeprozesses. Wenn der von der Batterie gezogene Strom unter einen Schwellwertpegel abfällt (der z. B. anzeigt, daß die Batterie zu etwa 80% Prozent wieder aufgeladen ist), initiiert die Leistungssteuereinheit eine dritte Leistungssteuerstufe, um die Ausgangsspannung auf einem geregelten Nennpegel abzusenken (z. B. 28 Vdc in einer Flugzeug-DC-Bus-Implementierung) um die Ladung der Batterie aufrechtzuerhalten (d. h. einen Erhaltungsladungsmodus mit konstantem Potential zu erreichen). Diese dritte Leistungssteuerstufe verhindert Elektrolytverlust während der Erhaltungsladung.
  • Indem mehrere Funktionen in eine einzelne Einheit integriert werden, verbessert der AC/DC-Wandler der vorliegenden Erfindung die Zuverlässigkeit, weil keine zusätzlichen auswechselbaren Einheiten („LRU” – Line Replaceable Units) und assoziierte Schalteinrichtungen erforderlich sind, um die ladende Batterie mit dem DC-Leistungsbus zu verbinden und von ihm zu trennen, und erfordert weniger Steuer- und Leistungsverdrahtung. Weil die wiederaufladende Batterie ständig mit dem DC-Leistungsbus verbunden sein kann, ermöglicht die vorliegende Erfindung zudem unterbrechungsfreie Leistungstransfers (NBPT – No Break Power Transfers) in dem DC-Teilsystem während AC-Leistungsunterbrechungen oder anderen Systemausfällen und reduziert Gewicht und Kosten des DC-Systems im Vergleich zu einem System, das ein separates Batterieladegerät erfordert.
  • KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • Weitere Aspekte und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich bei der Lektüre der folgenden ausführlichen Beschreibung und unter Bezugnahme auf die Zeichnungen. Es zeigen:
  • 1 ein Blockdiagramm, das eine beispielhafte Implementierung eines Multifunktions-AC/DC-Wandlers und seine Integrierung in ein typisches Luft- und Raumfahrt-DC-Teilsystem gemäß der vorliegenden Erfindung veranschaulicht;
  • 2 ein Blockdiagramm eines Multifunktions-AC/DC-Wandlers gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
  • 3 ein Diagramm, das die Leistungssteuerstufen veranschaulicht, die von einem Multifunktions-AC/DC-Wandler zum Implementieren einer Batterieladesteuersequenz gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung genutzt werden; und
  • 4 ein Blockdiagramm einer beispielhaften DC/DC-Wandlerkonfiguration, die als Teil eines Multifunktions-AC/DC-Wandlers gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung implementiert ist.
  • AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
  • 1 veranschaulicht eine beispielhafte Implementierung eines Multifunktions-AC/DC-Wandlers und seiner Integration in ein typisches Luft- und Raumfahrt-DC-Teilsystem gemäß der vorliegenden Erfindung. Bei der in 1 gezeigten beispielhaften Implementierung sind ein Multifunktionswandler 100, eine Batterie 200 und eine Höchststromeinheit 400 mit einem DC-Leistungsbus 300 verbunden, der einer von mehreren DC-Leistungsbussen eines Flugzeugleistungsteilsystems sein kann. Es sollte ohne weiteres verständlich sein, daß verschiedene elektrische Lasten und andere Elemente an den DC-Leistungsbus 300 angeschlossen werden können. Der Multifunktionswandler 100 empfängt eine Wechselstromeingabe (z. B. 115 oder 230 Vac) und gibt eine gemäß unten ausführlich erörterten Prinzipien der vorliegenden Erfindung geregelte Spannung aus. Ein Batteriestromsensor 10 ist zwischen dem DC-Leistungsbus 300 und der Batterie 200 vorgesehen, um einen Stromfluß zu der Batterie 200 zu überwachen. Gleichermaßen ist ein APU-Stromsensor 20 zwischen den DC-Leistungsbus 300 und der APU 400 vorgesehen, um einen Stromfluß zu der APU 400 zu überwachen.
  • Der Multifunktionswandler 100 empfängt die Ausgabe des Batteriestromsensors 10 und des APU-Stromsensors 20 sowie die Ausgabe eines Temperatursensors 210, der die Temperatur der Batterie 200 überwacht. Der Multifunktionswandler 100 empfängt außerdem die Regelpunkt-(„POR” – Point of Regulation)-Spannung als Anzeige zunehmender/abnehmender Lastpegel auf dem DC-Leistungsbus 300. Wie unten ausführlich beschrieben, steuert der Multifunktionswandler 100 die Ausgangsspannung so, daß sie innerhalb des Einhaltungsbereichs des entsprechenden DC-Leistungsteilsystems liegt (z. B. innerhalb des Bereichs von 27,5 bis 29 Vdc für eine Flugzeugimplementierung), und justiert dabei die Ausgangsspannung, um die Batterie 200 effizient wieder aufzuladen und einen Elektrolytverlust zu verhindern. Zudem justiert der Multifunktionswandler 100 die Ausgangsspannung beim Starten der APU 400, um den Startstrom der APU 400 auf einen für ein effizientes Starten benötigten Pegel zu begrenzen. Der AC/DC-Wandler 100 kann die APU 400 unabhängig starten oder eine Batterie bei dem Startprozeß unterstützen.
  • 2 ist ein Blockdiagramm einer Multifunktions-AC/DC-Wandler-100-Konfiguration gemäß eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Wie in 2 zu sehen, enthält der Multifunktionswandler 100: (a) einen Erste-Stufe-AC/DC-Wandler 110; (b) ein Schaltmodul 120; (c) eine Leistungssteuereinheit 130; (d) einen Ausgangstransformator 140; (e) und eine Ausgangsgleichrichter- und -filtereinheit 150. Wie bei einem herkömmlichen Leistungssystemdesign empfängt der Erste-Stufe-AC/DC-Wandler eine dreiphasige Wechselspannung (z. B. 115 oder 230 Vac bei 400 Hz oder einer variablen Frequenz von 360 bis 800 Hz) und konvertiert die 3phasige Wechselspannung in eine Zwischengleichspannung (z. B. 270 Vdc). Diese anfängliche AC/DC-Umwandlung kann durch eine Kombination aus Phasenumwandlungs- und -gleichrichtungsschaltungsanordnung erfolgen. Beispielsweise kann ein nicht gezeigter 3-Phase-zu-9-Phase-Spartransformator die eingegebene 3phasige Spannung in eine an einen nicht gezeigten 18-Impuls-Gleichrichter angeschlossene 9-Phasen-Wechselspannung umwandeln, um die resultierende 9-Phase-Wechselspannung in Gleichspannung umzuwandeln. Es sollte offensichtlich sein, daß alternative Konfigurationen verwendet werden können, um die eingegebene 3phasige Spannung in eine Zwischengleichspannung umzuwandeln. Das Schaltmodul 120 wandelt die von dem Erste-Stufe-AC/DC-Wandler 110 ausgegebene Gleichspannung in eine Wechselspannung aufgrund von von der Leistungssteuereinheit 130 ausgegebenen Schaltansteuersignalen. Das Schaltmodul 120 kann als eine bekannte „H-Brücke"-Konfiguration von Leistungseinrichtungen implementiert sein, z. B. IGBTs (Insulated Gate Bipolar Transistors), bei denen zwei IGBT-Paare alternativ aktiviert werden, um an der Primärwicklung des Ausgangstransformators 140 eine Wechselspannung zu erzeugen.
  • Gemäß der vorliegenden Erfindung erzeugt das Schaltsteuermodul 120 eine Wechselspannung mit einem Effektivpegel („RMS” – Root-Mean-Square), der von der Leistungssteuereinheit 130 auf der Basis eines oder mehrerer der folgenden gesteuert wird: (1) Ausgabe des Batteriestromsensors 10; (2) Ausgabe des Batterietemperatursensors 210; (3) Ausgabe des APU-Stromsensors 20 und (4) POR-Spannung, die eine Last an den DC-Leistungsbus 300 anzeigt. Diese Schaltsteuerung wird unten unter Bezugnahme auf 3 und 4 ausführlicher erörtert. Die von dem Schaltmodul 120 ausgegebene Wechselspannung wird von dem Ausgangstransformator 140 (d. h. einem Step-down-Transformator) in eine niedrigere Wechselspannung umgewandelt. Die von dem Ausgangstransformator 140 ausgegebene niedrigere Wechselspannung wird von der Ausgangsgleichrichter- und -filtereinheit 150 gleichgerichtet und gefiltert, um einen geregelten Spannungspegel an den DC-Leistungsbus 300 auszugeben. Die von der Ausgangsgleichrichter- und -filtereinheit 150 ausgegebene geregelte Spannung wird auch an die Leistungssteuereinheit 130 zurückgekoppelt, um das Regeln der Spannung auf einen gewünschten Pegel zu unterstützen.
  • Als nächstes wird die Funktionsweise der Leistungssteuereinheit 130 zum Erzielen eines effizienten Batterieladens als nächstes unter Bezugnahme auf das Diagramm von 3 beschrieben, das eine Ausgangsspannung (durchgezogene Linie) und einen Batterieeingangsstrom (gestrichelte Linie) nach Messung durch den Batteriestromsensor 10 über einen Ladezyklus der Batterie 200 darstellt. Wie in 3 gezeigt, arbeitet die Leistungssteuereinheit 130 dahingehend, drei Wiederaufladestufen der Batterie 200 zu erzielen und gleichzeitig die Ausgangsspannung innerhalb des Einhaltungsbereichs des DC-Leistungsbusses aufrechtzuerhalten (z. B. zwischen 27,5 und 29,5 Vdc). Bei einer ersten Leistungssteuerstufe, in der die Batterie vollständig oder fast entladen ist, steuert die Leistungssteuereinheit 130 die Ausgangsspannung auf einen relativ niedrigen Pegel (innerhalb des Einhaltungsbereichs des Leistungssystems), der einen konstanten begrenzten Stromfluß in die Batterie 200 aufrechterhält. Diese Leistungssteuerstufe verhindert, daß die Batterie 200 eine ungesteuerte oder übermäßige Strommenge zieht, was die Batterie beschädigen oder den Wandler 100 überlasten könnte.
  • Während die Batterie 200 lädt und ihre innere Impedanz steigt, gestattet die Leistungssteuereinheit 130, daß die Ausgangsspannung steigt, wodurch der zur Batterie 200 fließende Strom auf einem konstanten Pegel gehalten wird. Wenn die Ausgangsspannung einen maximalen Schwellwertpegel erreicht, zum Beispiel gerade unter der oberen Einhaltungsgrenze des DC-Leistungsbusses, leitet die Leistungssteuereinheit 130 eine zweite Steuerstufe ein, um die Ausgangsspannung konstant bei oder in der Nähe der maximalen Wandlerausgangsspannung zu halten, so daß die Batterie 200 weiter lädt, wenn auch mit ständig abnehmendem Strom. Während dieser zweiten Steuerstufe nimmt der Ladestrom in die Batterie 200 aufgrund des Anstiegs bei der internen Batterieimpedanz ständig ab. Während dieser zweiten Leistungssteuerstufe steuert die Leistungssteuereinheit 130 bei einer Implementierung der vorliegenden Erfindung die Ausgangsspannung als Funktion der Batterietemperatur, um den Batterieladeprozeß zu optimieren, so daß die Ausgangsspannung für höhere Batterietemperaturen gesenkt und für niedrigere Batterietemperaturen erhöht wird. Diese Temperaturkompensation verbessert die Batterieladeeffizienz.
  • Wenn als letzter Punkt der von der Batterie gezogene Strom unter einen Schwellwertpegel abfällt (der zum Beispiel anzeigt, daß die Batterie zu etwa 80% Prozent wieder aufgeladen ist), initiiert die Leistungssteuereinheit 130 eine dritte Leistungssteuerstufe, um die Ausgangsspannung auf einen regulierten Nennpegel abzusenken (z. B. 28 Vdc in einer Flugzeug-DC-Bus-Implementierung), um eine Erhaltungsladung der Batterie vorzunehmen (d. h. einen Erhaltungslademodus mit konstantem Potential zu erzielen). Dieser Spannungspegel liegt unter dem während der zweiten Steuerstufe verwendeten, um den Elektrolytverlust zu minimieren. Während dieser Stufe der Erhaltungsladung mit konstanter Spannung wird der Ladstrom in die Batterie 200 auf einem sehr niedrigen Pegel gehalten (z. B. 1 Ampere oder weniger). Durch das Verfolgen von Änderungen beim Batteriestrom und der Ausgangsspannung des Wandlers 100 im Lauf der Zeit kann die Leistungssteuereinheit 130 innerhalb gewisser Grenzen den Pegel der Batterieladung bestimmen und ein Signal ausgeben, das den geschätzten Ladezustand der Batterie anzeigt. Beispielsweise kann die Leistungssteuereinheit 130 bei einer Flugzeugimplementierung ein Signal an das Flugdeck ausgeben, um die Bereitschaft der Batterie 200 für den Flug anzuzeigen.
  • Beim Steuern der Ausgangsspannung des Wandlers 100 stellt die Leistungssteuereinheit 130 sicher, daß die Ausgangsspannung innerhalb eines Bereichs aufrechterhalten wird, die den Anforderungen des für die Anwendung verwendeten Leistungsqualitätsstandards entspricht. Dieser Spannungspegel ermöglicht es der Batterie 200, ständig mit dem DC-Leistungsbus 300 verbunden zu sein. Somit steht die Batterie 200 während einer AC-Leistungsunterbrechung oder anderen Systemausfällen ständig zur Verfügung. Die oben beschriebenen Batterieladestufen können in der Leistungssteuereinheit 130 in Form einer eigenen integrierten Schaltungskarte („IC") implementiert werden und können mit Hardware, Software oder einer Kombination aus Hardware und Software implementiert werden. Zum Optimieren des Ladeprozesses kann die angelegte Spannung hinsichtlich Temperatur kompensiert werden, d. h. niedriger für höhere Batterietemperaturen und höher, wenn niedrigere Batterietemperaturen gemessen werden.
  • 4 zeigt eine beispielhafte Konfiguration für die Leistungssteuereinheit 130, das Schaltmodul 120, den Ausgangstransformator 140 und die Ausgangsgleichrichter- und -filtereinheit 150. Wie in 4 gezeigt, enthält die Leistungssteuereinheit 130 eine Impulsbreitenmodulationseinheit („PWM” – Pulse Width Modulation) 132, die ein Maß der POR-Spannung, Strommessungen für die Batterie 200 und APU 400, Temperatur der Batterie 200 und ein Maß der Ausgangsspannung des Wandlers 100 erhält. Die PWM-Einheit 132 erzeugt eine Sequenz von Impulsen, deren Breite je nach mindestens einer Charakteristik der Batterie 200 variiert wird (z. B. in Abhängigkeit von dem Batterieladezustand). Die Impulsbreite kann weiterhin justiert werden, um Änderungen bei der Last zu berücksichtigen, die in der POR-Spannung erscheinen, und einen Anlaßzustand der APU 400 zu berücksichtigen. Die PWM-Einheit 132 gibt das erzeugte PWM-Signal an den Gatetreiber 134 aus, der die Schalter des Schaltmoduls 120 ansteuert.
  • Wie in 4 zu sehen, ist das Schaltmodul 120 gemäß einer Implementierung der vorliegenden Erfindung eine herkömmliche H-Brücken-Konfiguration aus Leistungseinrichtungen, bei denen es sich bei der in 4 gezeigten beispielhaften Implementierung um n-Kanal-IGBTs handelt. Das in 4 gezeigte Schaltmodul 120 enthält ein erstes, zweites, drittes und viertes IGBT-Modul 122, 124, 126 und 128, jeweils aus einem IGBT und einer antiparallelen Diode gebildet, wobei die Anode der antiparallelen Diode mit dem Emitter des entsprechenden IGBT verbunden ist und die Kathode mit dem Kollektor des entsprechenden IGBT verbunden ist. Die Gateelektroden des ersten, zweiten, dritten und vierten IGBT-Moduls 122, 124, 126 und 128 sind so geschaltet, daß sie eine Ausgabe des Gatetreibers 134 empfangen. Das erste IGBT-Modul 122 und das zweite IGBT-Modul 124 (diagonal positioniert) teilen sich eine gemeinsame Verbindung zu dem Gatetreiber 134, wodurch ein erstes IGBT-Modulpaar gebildet wird, und das dritte IGBT-Modul 126 und das vierte IGBT-Modul 128 (diagonal positioniert) teilen sich eine gemeinsame Verbindung zu dem Gatetreiber 134, wodurch ein zweites IGBT-Modulpaar gebildet wird. Die von dem Gatetreiber 134 an die IGBT-Modulpaare ausgegebenen PWM-Schaltsignale sind so versetzt, daß die IGBT-Modulpaare abwechselnd EIN/AUS schalten, wodurch an der Primärwicklung des Transformators 140, der in der beispielhaften Konfiguration von 4 ein Transformator mit Mittenabgriff ist, eine Wechselspannung erzeugt wird.
  • Wie in 4 gezeigt, ist der Kollektor des ersten IGBT-Moduls 122 mit dem (+)-Ausgang des Erste-Stufe-AC/DC-Wandlers 110 verbunden. Gleichermaßen ist der Kollektor des vierten IGBT-Moduls 128 mit dem (+)-Ausgang des Erste-Stufe-AC/DC-Wandlers 110 verbunden. Der Emitter des ersten IGBT-Moduls 122 ist mit dem Kollektor des dritten IGBT-Moduls 126 und mit einer ersten Seite der Primärwicklung des Ausgangstransformators, 140 verbunden. Der Emitter des vierten IGBT-Moduls 128 ist mit dem Kollektor des zweiten IGBT-Moduls 124 und mit einer zweiten Seite der Primärwicklung des Ausgangstransformators 140 verbunden. Der Emitter des dritten IGBT-Moduls 126 und der Emitter des zweiten IGBT-Moduls 124 sind mit dem (–)-Ausgang des Erste-Stufe-AC/DC-Wandlers 110 verbunden. Durch abwechselndes Aktivieren von zwei Schaltmodulpaaren, die von dem ersten und zweiten IGBT-Modul 122, 124 gebildet werden, beziehungsweise dem dritten und vierten IGBT-Modul 126, 128 bewirkt der Gatetreiber 134, daß das Schaltmodul 120 an der Primärwicklung des Ausgangstransformators 140 eine Wechselspannung erzeugt. Der RMS-Wert dieser Wechselspannung wird von der Impulsbreite der von dem Gatetreiber 134 ausgegebenen Ansteuersignale beeinflußt, die als Funktion von mindestens einem der folgenden geändert wird: Batterieladecharakteristiken, Batterietemperatur, APU-Startzustand und POR-Spannung gemäß Prinzipien der vorliegenden Erfindung.
  • Wie weiter in 4 gezeigt, enthält die Ausgangsgleichrichter- und -filtereinheit 150 ein Paar Dioden 152a, 152b, jeweils mit einem Ende der Sekundärwicklung des Ausgangstransformators 140 verbunden, um die transformierte Wechselspannung in Gleichspannung umzuwandeln. Die Ausgangsgleichrichter- und -filterein heit 150 enthält weiterhin eine zwischen den Ausgang des Paares von Dioden 152a, 152b und den Ausgang der Ausgangsgleichrichter- und -filtereinheit 150 geschaltete Induktionsspule 154 und eine zwischen das Ausgangsende der Induktionsspule 154 und einem negativen Anschluß der Konverteranordnung geschalteten Kondensator 156, der als eine geerdete Verbindung in der Implementierung von 4 gezeigt ist. Diese Anordnung aus der Induktionsspule 154 und dem Kondensator 156 filtert die aus dem Paar von Dioden 152a, 152b resultierende Gleichspannung. Es ist zu erkennen, daß verschiedene alternative Anordnungen für die Ausgangsgleichrichter- und -filtereinheit 150 geeignet sein können.
  • Wenngleich die Funktionsweise der Leistungssteuereinheit 130 oben auf der Basis von Wiederaufladecharakteristiken der Batterie 200 erörtert worden ist, kann die Leistungssteuereinheit 130 auch ständig den von der APU 400 gezogenen Strom überwachen (wie in 2 gezeigt). Bei Verwendung in einer APU-Startanwendung begrenzt die Leistungssteuereinheit 130 den von der APU 400 gezogenen Anlaßstrom auf einen Wert, der für den Wandler 110 geeignet ist, um die APU 400 unabhängig zu starten oder die APU 400 in Verbindung mit einer Batterie zu starten. Wie weiter in 2 gezeigt, überwacht die Leistungssteuereinheit 130 ständig die POR-Spannung, um eine Ausgangsspannung als eine Funktion von Last zu regeln. Eine erhöhte Last auf dem DC-Leistungsbus 300 verursacht, daß in dem Erste-Stufe-AC/DC-Wandler 110 höhere Verluste auftreten, was zu einer niedrigeren, an den Ausgangstransformator 140 angelegten RMS-Spannung führt. Somit justiert die Leistungssteuereinheit 130 die Impulsbreite für die zu dem Schaltmodul 120 ausgegebenen Schaltansteuersignale auf der Basis von Lastpegeln, um die gewünschte Ausgangsspannung des Wandlers 100 aufrechtzuerhalten.
  • Indem mehrere Funktionen in eine einzelne Einheit integriert werden, verbessert der AC/DC-Wandler 100 der vorliegenden Erfindung die Zuverlässigkeit, weil keine zusätzlichen auswechselbaren Einheiten („LRU” – Line Replaceable Units) und assoziierte Schalteinrichtungen erforderlich sind, um die ladende Batterie 200 mit dem DC-Leistungsbus 300 zu verbinden und von ihm zu trennen, und erfordert weniger Steuer- und Leistungsverdrahtung. Weil die wiederaufladende Batterie 200 ständig mit dem DC-Leistungsbus 300 verbunden sein kann, ermöglichen Prinzipien der vorliegenden Erfindung zudem unterbrechungsfreie Leistungstransfers (NBPT – No Break Power Transfers) in dem DC-Teilsystem während AC-Leistungsunterbrechungen oder anderen Systemausfällen und reduziert Gewicht und Kosten des DC-Systems im Vergleich zu einem System, das ein separates Batterieladegerät erfordert.

Claims (10)

  1. Multifunktionsvorrichtung (100) zum Regeln einer elektrischen Lasten zugeführten und an eine wiederaufladbare Batterie (200) über einen Gleichstrombus (DC-Leistungsbus) (300) gelieferten Spannung, umfassend: einen Wechselstrom-Gleichstrom-Wandler (AC/DC) (110, 120, 140, 150), der eine AC-Versorgungsspannung empfängt, die AC-Versorgungsspannung in eine geregelte DC-Spannung umwandelt und die geregelte DC-Spannung an den DC-Leistungsbus (300) ausgibt, um dadurch die geregelte Spannung an eine mit dem DC-Leistungsbus verbundene elektrische Last und an die wiederaufladbare Batterie zu liefern, die ständig mit dem DC-Leistungsbus verbunden ist; und einen Leistungscontroller (130), der eine von dem AC/DC-Wandler (110, 120, 140, 150) durchgeführte Umwandlung als Funktion einer Charakteristik der Batterie (200) steuert.
  2. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei der DC-Leistungsbus (300) ein Leistungsbus eines Luft- und Raumfahrt-Leistungssystems mit daran angeschlossener elektrischer Last ist.
  3. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei der Leistungscontroller (130) die von den AC/DC-Wandler (110, 120, 140, 150) durchgeführte Umwandlung so steuert, daß der AC/DC-Wandler (110, 120, 140, 150) eine Gleichspannung ausgibt, die einen konstanten Stromfluß in die Batterie (200) von dem DC-Bus (300) während eines ersten Steuermodus aufrechterhält.
  4. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei der Leistungscontroller (130) die von den AC/DC-Wandler (110, 120, 140, 150) durchgeführte Umwandlung so steuert, daß der AC/DC-Wandler (110, 120, 140, 150) eine erste konstante Gleichspannung während eines zweiten Steuermodus ausgibt.
  5. Vorrichtung nach Anspruch 4, wobei der Leistungscontroller (130) die von den AC/DC-Wandler (110, 120, 140, 150) durchgeführte Umwandlung so steuert, daß der AC/DC-Wandler (110, 120, 140, 150) eine zweite konstante Gleichspannung während eines dritten Steuermodus ausgibt, die niedriger ist als die erste konstante Gleichspannung.
  6. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei der AC/DC-Wandler (110, 120, 140, 150) folgendes enthält: eine erste AC/DC-Umwandlungsstufe (110), die die AC-Versorgungsspannung in eine Zwischengleichspannung umwandelt; ein Schaltmodul (120), das die Zwischengleichspannung in eine Zwischenwechselspannung umwandelt; einen Ausgangstransformator (140), der die Zwischenwechselspannung in eine heruntertransformierte Wechselspannung transformiert; und einen Gleichrichter (150), der die heruntertransformierte Wechselspannung in eine Gleichspannung umwandelt.
  7. Vorrichtung nach Anspruch 6, wobei der Leistungscontroller (130) ein Schalteransteuersignal erzeugt und das Schalteransteuersignal an das Schaltmodul (120) ausgibt, um einen Effektivpegel der Zwischenwechselspannung zu steuern.
  8. Vorrichtung nach Anspruch 7, wobei der Leistungscontroller (130) ein impulsbreitenmoduliertes Schaltsignal mit einer Impulsbreite erzeugt, die je nach einem Wiederaufladungszustand der Batterie (200) variiert.
  9. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei der Leistungscontroller (130) eine von dem AC/DC-Wandler (110, 120, 140, 150) durchgeführte Umwandlung als Funktion der Temperatur der Batterie (200) steuert.
  10. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei der AC/DC-Wandler (110, 120, 140, 150) die geregelte Gleichspannung an eine Hilfsstromeinheit (400) über den DC-Leistungsbus (300) ausgibt und der Leistungscontroller (130) weiterhin eine von dem AC/DC-Wandler (110, 120, 140, 150) ausgeführte Umwandlung als Funktion eines von der Hilfsstromeinheit (400) gezogenen Stroms steuert.
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