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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Transformator mit einer Vielzahl von Wicklungen, etwa in Form eines Speichertransformators für Sperrwandlerschaltungen, der in vielen elektronischen Schaltungen Anwendung findet, etwa in Spannungsversorgungen mit einer Vielzahl von Ausgangsspannungen, z. B. in einem Batteriemanagementsystem zur Versorgung einzelner Akkumulatorzellen.
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Die rasche Weiterentwicklung auf dem Sektor der Elektronik führt zu immer leistungsfähigeren elektronischen Schaltungen, die in einer Vielzahl von Bereichen eingesetzt werden und daher auch eine entsprechende Versorgung mit geeigneten Spannungen und Strömen erfordern. Durch die zunehmende Miniaturisierung der elektronischen Bauelemente, die somit die Anwendung elektronischer Steuerungs- und Leistungsschaltungen in vielen Bereichen möglich macht, sind auch kompakte und effiziente Spannungsversorgungen erforderlich, die zunehmend in Form getakteter Schaltungen bereitgestellt werden. In diesen getakteten Spannungsversorgungen werden Ströme und Spannungen mit einer Frequenz von einigen hundert Hertz bis einige MHz geschaltet, um die erforderliche Spannung ggf. unter galvanischer Trennung zwischen Eingang und Ausgang oder auch zwischen einzelnen Ausgängen zu ermöglichen. Bei getakteten Spannungsversorgungen ist eine hohe Flexibilität beim Anpassen der gewünschten Ausgangsspannungen, die zum Betreiben der elektronischen Schaltungen erforderlich sind, in Bezug auf zur Verfügung stehende Eingangsspannungen möglich. Beispielsweise sind in mobilen Anwendungen die verfügbaren Versorgungsspannungen in Form von typischerweise gängigen Batterie- bzw. Akkumulatorspannung vorhanden, die nicht notwendigerweise zum Betreiben der elektronischen Schaltungen geeignet sind und typischerweise auch eine deutliche Schwankung der Ausgangsspannung über die übliche Lebensdauer einer Batterie bzw. eines Akkumulators hinweg zeigen. Die Anpassung der durch die Spannungsquelle bereitgestellten Spannung an die gewünschte in der Regel sehr stabile Versorgungsspannung eines Gerätes mittels konventioneller linearer Spannungsregel ist jedoch in vielen Fällen wenig geeignet auf Grund des geringen Wirkungsgrads und auch auf Grund des Erfordernisses einer höheren Eingangsspannung, die dann von dem linearen Regler auf einen niedrigen Wert eingeregelt wird. Um daher eine lange Betriebsdauer im Hinblick auf die ständig abnehmende Eingangsspannung, die von der Batterie geliefert wird, zu ermöglichen, tritt ausgehend von einer vollgeladenen Batterie oder Akkumulator zunächst ein entsprechend hoher Spannungsabfall am Linearregler auf, der dann zu einer deutlichen Einbuße im Wirkungsgrad führt.
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Durch die Verwendung von getakteten Versorgungsspannungsgeräten ist es in sehr effizienter Weise möglich, die zur Verfügung stehende Spannung heraufzusetzen oder herabzuregeln, wobei die auftretenden Verluste durch Auswahl einer geeigneten Schaltungstopologie relativ gering gehalten werden, so dass Wirkungsgrade von 80% bis 95% und mehr typischerweise erreicht werden. Beim Aufbau getakteter Spannungsversorgungen werden in der Regel induktive Bauelemente eingesetzt, da bis auf Kleinleistungsanwendungen, kapazitiv arbeitende Wandler nicht die erforderlichen Wirkungsgrade oder Ausgangsleistungen bereitstellen können. Die entsprechenden induktiven Komponenten, etwa Speicherdrosseln, Entstördrosseln, Transformatoren, etc. bilden somit einen wesentlichen Bestandteil elektronischer Schaltungen, wobei insbesondere die erforderliche Größe des induktiven Bauelements einen wesentlichen Kostenfaktor darstellt, da in der Regel teuere Ferritmaterialien erforderlich sind und ferner ein großes Bauvolumen der induktiven Komponente auch ein entsprechendes Volumen auf der zugehörigen Leiterplatte und in dem jeweiligen Gehäuse erfordert. Um einen insgesamt kompakten Aufbau zu realisieren, ist auch ein hoher Wirkungsgrad, d. h. eine möglichst geringe Erzeugung von Verlustwärme, erforderlich, was für ein induktives Bauelement eine gute magnetische Kopplung der einzelnen Wicklungen zueinander, wenn mehrere Wicklungen vorgesehen sind, eine Reduzierung des Streuflusses, eine gute magnetische Abschirmung nach außen und ein entsprechendes thermisches Verhalten erfordert. Ferner ist in der Regel auch eine gewisse Isolationsfestigkeit, abhängig von den angewendeten Spannungen, erforderlich, insbesondere wenn hohe Spannungen auftreten, sowie eine entsprechende gute mechanische Stabilität und Widerstandsfähigkeit gegenüber vielen Arten von unterschiedlichen Umgebungseinflüssen vorzusehen, insbesondere wenn das induktive Bauteil unter anspruchsvollen Umweltbedingungen einzusetzen ist. Das gilt beispielsweise insbesondere für eine Vielzahl mobiler Anwendungen, etwa im Bereich tragbarer Geräte, im Automotivbereich, und dergleichen. Da somit die induktive Komponente entsprechender getakteter Spannungsversorgungen eine der kostenaufwendigsten Komponenten ist, ist auch die Art der Herstellung entsprechender induktiver Komponenten von großer Bedeutung, da ein hoher Grad an Automatisierung bei der Herstellung der induktiven Bauelemente sowie eine Reduzierung möglicher Fehlerquellen im Verfahren sich vorteilhaft auf die Gesamtkosten auswirken.
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Viele dieser unterschiedlichen Anforderungen werden jedoch durch konventionelle induktive Bauelemente nicht in ausreichender Form gewährleistet, insbesondere wenn Transformatoren betrachtet werden, die teilweise eine Vielzahl von galvanisch entkoppelten Ausgangsspannungen bereitstellen müssen, da es hierbei erforderlich ist, eine Vielzahl von Wicklungen mit geringer Toleranz auf einem begrenzten Volumen aufzubringen, ohne jedoch die zuvor angegebene Eigenschaft negativ zu beeinflussen. Beispielsweise wird häufig bei Spannungsversorgungen, die eine Vielzahl von Ausgangsspannungen erfordern, eine Sperrwandlerschaltungstopologie eingesetzt, in der eine magnetische Speicherkomponente in Form eines magnetischen Kernmaterials eine Reihe von Wicklungen aufweist, wovon eine während der „Leitphase” Energie im Magnetfeld des Kerns speichert, die dann während einer Sperrphase” auf eine oder mehrere andere Wicklungen übertragen und in entsprechende Schaltungen eingespeist wird. Die Sperrwandlerschaltungstopologie ist besonders attraktiv für Anwendungen, in denen eine Vielzahl von Ausgangsspannungen erforderlich ist, die auch galvanisch entkoppelt sein können, da bei einem idealen Aufbau sich die jeweiligen Ausgangsspannungen entsprechend den Windungsverhältnissen einstellen und somit die Regelung nur einer einzigen Ausgangsspannung erforderlich ist, um die weiteren Ausgangsspannungen entsprechend ihren Windungsverhältnissen konstant zu halten. Bei einem derartigen Aufbau eines Transformators”, der auch als Speichertransformator bezeichnet werden kann, sind jedoch eine Reihe konstruktiver Maßnahmen zu berücksichtigen, um einen hohen Wirkungsgrad und die gewünschte Stabilität der Ausgangsspannungen zu erreichen. Beispielsweise müssen die die Leistung einspeisende Wicklung, die auch als Primärwicklung bezeichnet werden soll und die die Leistung verteilenden Wicklungen, die als Sekundärwicklungen bezeichnet werden, eine sehr enge magnetische Kopplung zueinander aufweisen, da in der Sperrphase die in der Streuinduktivität gespeicherte magnetische Energie über der Primärwicklung auftritt und somit nur mit hohem Aufwand auf der Primärseite ggf. der Versorgungsspannung wieder eingespeist werden kann oder typischerweise über entsprechende Entstörnetzwerke als Verlustleistung abgeführt wird. Somit wird ggf. der Wirkungsgrad der Sperrwandlertopologie entsprechend abgesenkt, sofern nicht ein hoher Aufwand betrieben wird, um die Streuinduktivitäten gering zu halten. Des weiteren ist eine entsprechende gute Kopplung der Sekundärwicklungen erforderlich, um auch die Konstanz aller Ausgangsspannungen in einem gewünschten hohen Maße beizubehalten in Abhängigkeit der entsprechenden Reglung einer einzelnen Spannung.
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In der jüngeren Vergangenheit werden zunehmend Systeme mit komplexen Batteriesystemen betrieben, in denen typischerweise eine Vielzahl einzelner Batteriezellen verschaltet sind, um damit die erforderliche Kapazität und Spannung zu erreichen. Ein typisches Anwendungsbeispiel sind sogenannte Hybridfahrzeugsysteme, Elektrofahrzeuge, etc., in denen eine Bordbatterie, die aus vielen einzelnen Batteriezellen aufgebaut ist, wechselseitig zum Aufnehmen und zum Abgeben von Energie entsprechend der jeweiligen Fahrsituation vorgesehen ist. Dabei kann anwendungsspezifisch ein Zyklenbetrieb auftreten, der ggf. durch temporäre Zurückspeisung von Energie, beispielsweise in Form von Bremsenergie, unterbrochen wird, jedoch langfristig zur Entladung der Bordbatterie führt, die dann entsprechend wieder aufzuladen ist. In anderen Systemen kann zusätzlich zu der zuvor beschriebenen Einsatzweise auch ein nahezu autarker Betriebsmodus auftreten, in welchem die Ladung und Entladung der Bordbatterie innerhalb eines gewissen vorgegebenen Ladungszustandsbereichs über bordinterne Quellen durchgeführt wird, um damit insgesamt die Lebensdauer der Bordbatterie auszudehnen, die ggf. der Lebensdauer des Fahrzeugs entspricht. Unabhängig von der Art der verwendeten Batteriezellen ist in der Regel die Effizienz und auch die Lebensdauer der gesamten Bordbatterie davon abhängig, wie gleichmäßig die einzelnen Batteriezellen geladen und entladen werden, so dass ein zunehmendes Auseinanderdriften der Ladezustände und damit der Ausgangsspannungen der einzelnen Batteriezellen vermieden wird. D. h., in der Regel werden eine Vielzahl von Batteriezellen in Reihe geschaltet, um damit eine höhere benötigte Ausgangsspannung bereitzustellen, wobei dann während gewisser Lade- und Entladephasen die Batteriezellen auch in Reihe geladen und entladen werden, so dass unter Umständen eine anfängliche geringfügige Diskrepanz der Batteriezellen mit jedem weiteren Lade/Entladezyklus noch vergrößert werden kann, was schließlich zu einem vorzeitigen Ausfall der entsprechenden Batteriezelle und auch zu einer deutlichen Beeinträchtigung der gesamten Bordbatterie führen kann. Aus diesem Grunde werden typischerweise Batteriemanagementsysteme in kritischen Anwendungen eingesetzt, um somit einen Ausgleich der teilweise unterschiedlichen Eigenschaften der einzelnen Batteriezellen zu ermöglichen, um die Effizienz und auch die Lebensdauer der Bordbatterie zu erhöhen.
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Mit Bezug zu 1 ist ein grundsätzlicher Aufbau eines typischen Batteriemanagementsystems dargestellt, in welchem ein Speichertransformator in einer Sperrwandlerschaltungstopographie eingesetzt ist.
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1 zeigt ein Batteriesystem 150, das beispielsweise die Bordbatterie eines Hybridfahrzeugs, Antriebsbatterie eines elektrisch angetriebenen Fahrzeugs, oder ein beliebiges anderes Batteriesystem sein kann, das eine Vielzahl einzelner Batteriezellen 150a, ..., 150e aufweist. Die Batteriezellen 150a, ..., 150e repräsentieren entsprechende „Basiseinheiten”, etwa 6 Volt oder 12 Volt-Blöcke eines Bleiakkumulatorsystems, 1,2 Volt-Blöcke von Nickelmetallnitrid bzw. Nickelkadmium-Blöcken oder andere Speicherzellen. Auch können entsprechende Kondensatorbatterien vorgesehen sein, um kurzfristig hohe Leistungen aufzunehmen und abzugeben. In jüngerer Vergangenheit wurden sehr leistungsfähige Akkumulatoren entwickelt, die auf Basis von Lithium arbeiten, wobei insbesondere Akkumulatoren auf Grundlage eines Polymerelektrolyts zunehmend Verwendung finden. Bei diesen Lithiumpolymerakkumulatoren wird typischerweise eine Systemspannung von etwa 3 bis 4 Volt verwendet, wobei die entsprechenden Zellen sehr empfindlich auf Tiefentladung und Überladung reagieren, so dass insbesondere in einem aus Lithiumpolymerzellen aufgebauten Batteriesystem eine sehr präzise Überwachung und Steuerung der einzelnen Zellenspannungen erforderlich ist.
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Es sollte beachtet werden, dass das Batteriesystem 150 auch eine Reihe von parallel geschalteten Basiszellen aufweisen kann, um damit die erforderliche Stromkapazität bereitzustellen, wobei die Parallelschaltung typischerweise weniger kritisch ist, da eine entsprechende Ausgleichsladung durch die jeweils parallel geschalteten Zellen erfolgt. Das in 1 dargestellte Batteriesystem 150 ist in Verbindung mit einem Batteriemanagementsystem 160 gezeigt, welches eine Sperrwandlertopographie aufweist, um jeder der einzelnen Zellen 150a, ..., 150e eine dem jeweiligen Ladungszustand entsprechende Energie zuzuführen. Dazu weist das System 160 einen Speichertransformator 100 auf, der eine Primärwicklung 110 und mehrere Sekundärwicklungen 120a, ..., 120e aufweist. Des weiteren ist ein Kernmaterial 130 vorgesehen, das die erforderlichen Speichereigenschaften besitzt, um entsprechend der verwendeten Schaltfrequenz für den Transformator 100 die erforderliche Energiemenge während der Leitphase zu speichern und während der Sperrphase an die Sekundärwicklungen 120a, ..., 120e abzugeben. Dazu ist, ähnlich wie bei Speicherdrosseln, ein Luftspalt im Kernmaterial 130 vorzusehen, in welchem der Hauptanteil der magnetischen Energie gespeichert ist. Ferner weist das System 160 eine gesteuerte Schalteinrichtung 161 auf, um die Primärwicklung 110 mit der gewünschten Frequenz und dem erforderlichen Testintervall einzuschalten, wobei die „Versorgungsspannung” der Ausgangsspannung des Batteriesystems 150 entsprechen kann, so dass beispielsweise beim Laden des Batteriesystems 150 sowie beim Entladen ein Teil der Energie über das Batteriemanagement 160 in geeigneter Weise auf die einzelnen Zellen 150a, ..., 150e verteilt wird. D. h., während der Sperrphase wird die im Kern 130 gespeicherte Energie so auf die einzelnen Sekundärwicklungen 120a, ..., 120b verteilt, das bei gleicher Auslegung der Sekundärwicklungen und bei guter magnetischer Kopplung sehr ähnliche Ausgangsspannungen auftreten, so dass bei Zellen, die eine geringere aktuelle Ausgangsspannung aufweisen, ein höherer Stromfluss und damit eine höhere Einspeisung an Energie erfolgt. Diese Zellen werden entsprechend zunehmend stärker geladen als andere Zellen. In gleicher Weise werden Zellen, die eine relativ hohe Ausgangsspannung besitzen, vergleichsweise weniger geladen, wobei in gewissen Betriebsphasen, wenn die Energie der Primärwicklung 110 aus dem Batteriesystem 150 selbst stammt, die vom Batteriesystem 150 kommende Energie bevorzugt den stärkeren Zellen entnommen und auf die schwächeren Zellen umverteilt wird.
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In konventionellen Batteriemanagementsystemen, die auf einer Sperrwandertopologie beruhen, ist jedoch auf Grund der beschränkten magnetischen Kopplung der Primär- und Sekundärwicklungen und auch der Sekundärwicklungen untereinander, sowie auf Grund des begrenzten Wickelraumes für die Vielzahl der Sekundärwicklungen 120a, ..., 120e eine gewünschte genaue Angleichung der Sekundärspannungen nur schwer erreichbar, so dass ggf. ein hoher zusätzlicher Schaltungsaufwand betrieben werden muss oder die Genauigkeit und damit die Effizienz des Batteriemanagementsystems 160 im Wesentlichen durch die magnetischen Eigenschaften des Transformators 100 bestimmt ist. Insbesondere für moderne leistungsfähige Batteriesysteme, die beispielsweise auf Grundlage von Lithiumpolymerakkumulatoren aufgebaut sind, ist daher ein hohes Maß an Gleichheit der jeweiligen Ausgangsspannungen wünschenswert.
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Transformatoren mit mehreren Wicklungen und mehreren Reihen von Anschlussstiften zu beiden Seiten der Wicklungen sind aus
DE 197 41 699 A1 ,
JP 2008-147 265 A und
JP 2000-150 258 A bekannt.
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Angesicht der zuvor beschriebenen Situation ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Transformator bereitzustellen, in welchem eine Vielzahl von Wicklungen aufgebracht sind, die bei effizienter Herstellungsweise ein hohes Maß an Präzision ihrer Ausgangsspannung entsprechend den jeweiligen Wicklungsverhältnissen ermöglichen.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung wird die zuvor genannte Aufgabe gelöst durch einen Transformator mit den Merkmalen gemäß Anspruch 1.
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Auf Grund dieses Aufbaus des Transformators wird die Primärwicklung auf zwei Spulenkörper aufgeteilt, so dass mehrere Sekundärwicklungen mit jeweils einem Teil der Primärwicklung unter guter magnetischer Kopplung auf den jeweiligen Teil des Spulenkörpers aufgebracht werden können. Somit wird die Voraussetzung geschaffen, dass die Spannungen der Sekundärwicklung untereinander und auch zu der Primärwicklung eine enge Kopplung aufweisen, so dass in Abhängigkeit der Windungsverhältnisse der Sekundärwicklungen entsprechende zueinander konstante und reproduzierbare Spannungsverhältnisse entstehen. Des weiteren bietet dieser „modulare” Aufbau der Wicklungen die Möglichkeit, eine große Anzahl an Sekundärwicklungen vorzusehen, die in Automaten gerechter Weise mit einem jeweiligen Teil der Primärwicklung aufgebracht werden, so dass jeder einzelne Spulenkörper ein hohes Maß an mechanischer Präzision aufweist und auch die entsprechenden Primär- und Sekundärspulen mit gleichbleibend hoher Präzision aufgebracht werden. Des weiteren ergibt sich die Möglichkeit, das bei Auftreten von Fertigungstoleranzen, die außerhalb des akzeptablen Bereichs liegen, ggf. nicht die vollständige Wicklung des Transformators auszusondern ist, sondern dass lediglich ein Teil davon betroffen ist, so dass insgesamt eine höhere Produktionsausbeute erreichbar ist.
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In einer Ausführungsform weisen der erste und der zweite Teil der Primärwicklung die gleiche Anzahl an Windungen auf, so dass ein sehr symmetrischer Aufbau in den beiden Spulenkörpern ermöglicht wird. Vorteilhafterweise weisen der erste Teil der Primärwicklung und der zweite Teil der Primärwicklung die gleiche Wicklungslänge auf, so dass auch im Hinblick auf die mechanischen und magnetischen Eigenschaften ein hoher Grad an Symmetrie zwischen beiden Spulenkörpern erreichbar ist. Beispielsweise wird etwa bei einer automatischen Bewicklung ein identischer Produktionsablauf bei gleichen Abmessungen der Spulenkörper und bei einer gleichen Anzahl der Windungen der jeweiligen Primärwicklungsabschnitte ermöglicht.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist die Anzahl der Sekundärwicklungen auf dem ersten Spulenkörper und auf dem zweiten Spulenkörper gleich. Auch diese Maßnahme dient dazu, dass ein sehr symmetrischer Aufbau für beide Spulenkörper erreicht wird, so dass im Hinblick auf die magnetische Kopplung der Wicklungen untereinander sowie insgesamt die räumliche Anordnung der einzelnen Spulenkörper in Bezug auf den magnetischen Kern einen hohen Grad an Symmetrie ermöglichen, der sich wiederum in einer entsprechenden geringen Abweichung der gewünschten Ausgangsspannungen ausdrückt, die insbesondere bei Vorsehen von im Wesentlichen identischen Sekundärwicklungen in einem hohen Maß miteinander übereinstimmen, was beispielsweise vorteilhaft ist in Batteriemanagementsystemen, wie sie beispielsweise mit Bezug zu 1 beschrieben sind.
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Erfindungsgemäß umschließen der erste Spulenkörper und der zweite Spulenkörper jeweils einen Luftspalt des Kerns. Durch das Positionieren der jeweiligen Spulenkörper über dem zugehörigen Luftspalt wird zunächst ein insgesamt streuarmer Aufbau erreicht, wobei auch vorteilhaft der zur Speicherung der magnetischen Energie erforderliche Raumbereich auf zwei Luftspalte aufgeteilt wird. Somit wird auch ein hohes Maß an Symmetrie nicht nur im Aufbau der Wicklungsstruktur erreicht, sondern auch im Aufbau des magnetischen Kreises, so dass insgesamt eine große Wicklungslänge mit im Wesentlichen identischen Bedingungen bereitsteht, um die Primär- und Sekundärwicklungen aufzubringen.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist das Kernmaterial so gestaltet, dass ein zur Energiespeicherung erforderliches Kernmaterial freies Volumen über das Kernvolumen hinweg verteilt ist. Auf diese Weise wird ein erhöhtes Maß an Flexibilität bei der Positionierung des ersten und des zweiten Spulenkörpers über die magnetische Länge des Kerns hinweg erreicht. Dies kann beispielsweise vorteilhaft in Transformatoranordnungen angewendet werden, in denen der wesentliche Teil des Kernmaterials von dem ersten und dem zweiten Spulenkörper umschlossen wird.
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In einer weiteren Ausführungsform ist der Kern ein doppelter U-Kern. Auf diese Weise wird ein effizienter Aufbau im Hinblick auf die Leistungsdichte, das thermische Verhalten, den verfügbaren Wickelraum, den Fertigungsprozess und dergleichen erreicht. Des weiteren können gut etablierte U-Kernmaterialien mit einem dem gewünschten Leistungsbereich angepassten Kernvolumen eingesetzt werden, wodurch ebenfalls zu einem insgesamt effizienten Fertigungsvorgang beigetragen wird. In anderen Ausführungsformen können auch anders geformte Kernmaterialabschnitte verwendet werden, etwa Ringkernabschnitte, oder anderweitig gebogene oder mit geraden Abschnitten versehen angewinkelte Kernabschnitte.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform weist der Kern mehr als zwei Kernabschnitte auf. Durch diese Art der Aufteilung des Kernmaterials wird ein hohes Maß an Flexibilität beim Aufbau des Transformators ermöglicht. Insbesondere im Zusammenwirken mit mehreren Spulenkörpern, die auf zumindest einige mehrere Kernabschnitte aufgebracht werden, kann insgesamt ein großer Wickelraum zur Bereitstellung einer Vielzahl von Sekundärwicklungen vorgesehen werden, wobei jeder einzelne Wickelraum durch einen entsprechenden Spulenkörper repräsentiert ist, so dass auch für diese weiteren Spulenkörper ein hohes Maß an Präzision bzw. Symmetrie beim Wicklungsaufbau erreicht wird, wie dies zuvor bereits auch für den ersten und den zweiten Spulenkörper erläutert ist. D. h., die Primärwicklung kann auf weitere Spulenkörper „aufgeteilt” werden, wobei jeder Primärwicklungsabschnitt dann entsprechende zugeordnete Sekundärwicklungen mit präzisem mechanischen Aufbau und damit guter magnetischer Kopplung trägt.
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Erfindungsgemäß sind fünf oder mehr Sekundärwicklungen auf jeweils dem ersten und dem zweiten Spulenkörper vorgesehen. Auf Grund dieses Aufbaus ist es möglich, eine Vielzahl von Sekundärwicklungen, etwa 10 oder mehr bereitzustellen, was insbesondere im Hinblick auf Batteriemanagementsysteme vorteilhaft ist, so dass eine Vielzahl von einzelnen Batteriezellen mittels eines einzelnen Transformators versorgt werden kann. Beispielsweise kann der erfindungsgemäße Transformator vorteilhaft in einem Batteriesystem verwendet werden, in welchem Spannungen im Bereich von 36 bis 46 Volt auf der Grundlage von Lithiumpolymerzellen erzeugt werden, so dass in diesem Falle auf Grund der hohen Symmetrie, die durch das vorliegende System ermöglicht wird, eine sehr effiziente Steuerung der Spannung der Einzelzellen möglich ist.
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Erfindungsgemäß weisen der erste und der zweite Spulenkörper jeweils mehrere Anschlussstifte auf, die jeweils in einer Doppelreihe senkrecht zu einer Längsachse der Wickelräume des ersten und des zweiten Spulenkörpers und angrenzend zu den Wickelräumen angeordnet sind, wobei eine von dem Wickelraum abgewandte Stiftreihe mehr Stifte aufweist als eine dem Wickelraum zugewandte Stiftreihe. Durch diese geometrische Anordnung der Anschlussstifte gelingt trotz der großen Zahl an Sekundärwicklungen, eine automatengerechte Einfädelung der Wicklungsdrähte, ohne dass eine Beeinträchtigung im Hinblick auf die mechanischen und elektrischen Eigenschaften der Wicklungen erfolgt. D. h., mit diesem Aufbau des Transformators können die Anschlussstifte sowohl platzsparend als auch in einer für eine effiziente Bewicklung erforderlichen Weise angeordnet werden.
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Beispielsweise weist eine dem Wickelraum zugewandte Stiftreihe vier oder mehr Anschlussstifte auf. Dadurch ist es möglich, eine relativ große Anzahl an Sekundärwicklungen vorzusehen, wie dies zuvor bereits ausgeführt ist.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform weisen der erste und der zweite Spulenkörper einen Fixiermechanismus auf, der zur mechanischen lösbaren Fixierung des ersten und des zweiten Spulenkörpers geeignet ist. Mit dieser Maßnahme wird der modulare Aufbau des Transformators vereinfacht, da eine separate Bewicklung der einzelnen Spulenkörper möglich ist, die dann mittels des Fixiermechanismus einfach und effizient miteinander verbunden werden, wobei insbesondere in einigen anschaulichen Ausführungsformen eine geeignete Gestalt des Fixiermechanismus dafür sorgt, dass eine gut definierte und mechanisch stabile Position des ersten und des zweiten Spulenkörpers zueinander gewahrt ist. Auf diese Weise kann der Fertigungsprozess sehr effizient gestaltet werden, da entsprechende Fertigungstoleranzen beim Zusammenbau des Transformators trotz des modularen Charakters gering gehalten werden können und es somit möglich ist, auch weitere Eigenschaften, etwa den Abstand des Luftspalts, und dergleichen mittels konstruktiver Maßnahmen festzulegen, d. h. durch den Aufbau der Spulenkörper, ohne dass die Modularität des Spulenkörpers einen nachteiligen Einfluss auf die Gesamtpräzision des fertiggestellten Transformators ausübt.
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Durch den modularen Aufbau, d. h. durch die zwei oder mehr Spulenkörperteile mit gleicher Bewicklung, ergibt sich ein sehr effizienter Fertigungsprozess, wobei gleichzeitig ein hohes Maß an mechanischer und magnetischer Genauigkeit erreicht wird. D. h., jeder Spulenkörperteil besitzt die gleiche Bewicklung was so zu verstehen ist, dass die auf jeden Spulenkörperteil aufgebrachte Wicklungsstruktur im Wesentlichen identisch ist, so dass die auf jeden Spulenkörper aufgebrachten einzelnen Windungen jeweils die einzelnen Spulenkörperteile im Wesentlichen identisch sind. Somit sind die entsprechenden Abschnitte der ersten Wicklung in jedem Spulenkörper identisch aufgebaut, und auch die parallelen zweiten Wicklungen sind jede für sich auf den einzelnen Spulenkörperteilen identisch aufgebaut. Wie zuvor bereits erläutert ist, kann durch das hohe Maß an Symmetrie im Aufbau der einzelnen Spulenkörperteile ein hohes Maß an Präzision der entsprechenden Ausgangsspannungen der zweiten Spule erreicht werden. Insbesondere wird für eine identische Anzahl der zweiten Wicklungen ein hohes Maß an Übereinstimmung der einzelnen Ausgangsspannungen erreicht, wodurch in effizienter Weise eine Energieverteilung in Batteriemanagementsystemen stattfinden kann, wie dies auch zuvor erläutert ist.
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In einer anschaulichen Ausführungsform sind vier Spulenkörperteile vorgesehen, so dass eine größere Gesamtwicklungslänge bei einem hohen Maß an Symmetrie der einzelnen Wicklungen auf den jeweiligen Spulenkörperteilen erreicht wird, ohne dass insgesamt das Bauvolumen des Speichertransformators vergrößert wird.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Vorrichtung zur Erzeugung mehrerer Ausgangsspannungen bereitgestellt, die die Merkmale von Anspruch 9 aufweist.
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Weitere Ausführungsformen gehen auch aus den nachfolgenden Patentansprüchen hervor sowie auch aus der folgenden detaillierten Beschreibung, in der nunmehr weitere anschauliche Ausführungsformen detaillierter mit Bezug zu den begleitenden Zeichnungen beschrieben werden. In den Zeichnungen zeigen:
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1 ein Batteriesystem mit integriertem Batteriemanagementsystem, in welchem eine Sperrwandlerschaltungstopographie zur Energieverteilung auf einzelne Batteriezellen vorgesehen ist,
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2a schematisch eine perspektivische Ansicht zweier Spulenkörperteile mit entsprechenden Wicklungen, die zu einem Transformator zusammengefügt werden, um ein hohes Maß an „Symmetrie” im Hinblick auf die elektrischen und magnetischen Eigenschaften zu erreichen gemäß anschaulicher Ausführungsformen,
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2b schematisch einen von mehreren Spulenkörpern mit entsprechenden Anschlussstiften gemäß anschaulicher Ausführungsformen,
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2c einen Transformator mit zwei Spulenkörpern bzw. Spulenkörperteilen gemäß anschaulicher Ausführungsformen, wobei jeder Spulenkörper einen Luftspalt des Kerns umschließt,
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2d eine schematische Seitenansicht des Transformators aus 2c,
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2e eine mögliche Zuordnung von Anschlussstiften zu entsprechenden Wicklungen des Transformators aus 2c,
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2f schematisch eine Draufsicht auf eine Vorrichtung mit einem Transformator bzw. Speichertransformator in Verbindung mit einem Anschlusssystem zum Zugreifen auf die einzelnen Wicklungen gemäß anschaulicher Ausführungsformen,
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2g mehrere Spulenkörperteile mit symmetrischem Aufbau gemäß einer weiteren anschaulichen Ausführungsform und
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2h entsprechende Kernabschnitte für die mehreren Spulenkörper aus 2g, um einen Transformator mit hoher Symmetrie der einzelnen Spulenkörperteile bei gleichzeitig großer Wicklungslänge gemäß anschaulicher Ausführungsformen bereitzustellen.
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2a zeigt schematisch einen ersten Spulenkörper 201a und einen zweiten Spulenkörper 201b eines Transformators 200 gemäß anschaulicher Ausführungsformen. Der erste und der zweite Spulenkörper 201a, 201b weisen einen Wickelraum 202 auf, der zur Aufnahme mehrerer Wicklungen 220, 210 in Form von Spulendrähten, Folienwicklungen und dergleichen ausgebildet ist. In anschaulichen Ausführungsformen repräsentieren die Wicklungen 210 jeweils Abschnitte einer Primärwicklung des Transformators 200, während die Wicklungen 220 entsprechende Sekundärwicklungen repräsentieren. Insbesondere sind in Ausführungsformen, in denen eine Vielzahl möglichst identischer Ausgangsspannungen an dem Transformator 200 abgegriffen werden sollen, die mehreren Wicklungen 220 nahezu identisch ausgebildet, d. h. diese stimmen in ihrer Windungszahl sowie der Beschaffenheit der Wicklungsdrähte, etc. überein. In anderen Ausführungsformen können zumindest einige der Wicklungen 220 untereinander unterschiedliche Windungszahlen aufweisen, wobei in bevorzugten Ausführungsformen jedoch die entsprechenden Wicklungen 220 in den Spulenkörpern 201a, 201b entsprechend identisch ausgebildet sind, so dass beide Spulenkörper 201a, 201b einen identischen oder symmetrischen Wicklungsaufbau besitzen. Der Wickelraum 202 definiert eine Längsachse L, die üblicherweise so orientiert ist, dass auch eine Längsrichtung der in dem Wickelraum aufgebrachten Wicklungen 210, 220, d. h. die Richtung eines magnetischen Fluss, festgelegt ist. Des weiteren sind durch die Längsachse L zwei weitere dazu senkrechte Achsen in Richtung der Höhe H und der Richtung der Breite B der Spulenkörper 201a, 201b definiert. Beispielsweise ist in der dargestellten Ausführungsform der Transformator 200, bzw. die Spulenkörper 201a, 201b so ausgelegt, dass in der Höhe, d. h. entlang der Achse H eine relativ geringe Bauhöhe erreicht wird. Auf diese Weise können die Spulenkörper 201a, 201b vorteilhaft in Verbindung mit magnetischen Kernmaterialien in Form von U-Kernen, und dergleichen verwendet werden, die eine relativ große magnetische Länge und damit auch einen entsprechenden Wickelraum bereitstellen, so dass eine Vielzahl von Sekundärwicklungen 220 vorgesehen werden kann. In der dargestellten Ausführungsform sind die Wickelräume 202 der beiden Spulenkörper 201a, 201b ebenfalls symmetrisch ausgebildet, d. h. die Länge und insgesamt das durch die Wickelräume 202 bereitgestellte Wickelvolumen ist bei beiden Spulenkörpern gleich.
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Ferner weisen die Spulenkörper 201a, 201b eine entsprechende Fixiereinrichtung 205 auf, die so ausgebildet ist, dass bei mechanischer Ankopplung der Spulenkörper 201a, 201b eine mechanische Fixierung entlang der drei Achsen L, H und B gegeben ist. Damit wird ein modularer Aufbau des Transformators 200 ermöglicht, ohne dass eine Einschränkung im Hinblick auf die mechanische Präzision des Gesamtbauteils auftritt. In diesem Zusammenhang soll der Begriff „mechanische Fixierung” gemäß einer anschaulicher Ausführungsform so verstanden werden, dass ein mechanisches Ankoppeln und Abkoppeln eines der beiden Spulenkörper 201a, 201b ohne mechanische Verformung an den jeweiligen Spulenkörpern 201a, 201b möglich ist und bei Ausübung einer Kraft entlang jeder der drei Achsen L, H, B eine Relativbewegung der beiden gekoppelten Spulenkörper im Wesentlichen vermieden wird, so dass insgesamt das gekoppelte System als eine mechanische Einheit unter im Wesentlichen Beibehaltung der entsprechenden mechanischen Abmessungen verstanden werden kann. In einer anschaulichen Ausführungsform weist der Fixiermechanismus 205 ein oder mehrere Eingriffselemente auf, wobei in einer speziellen Ausführungsform ein erstes Eingriffselement 205a und ein zweites Eingriffselement 205b vorgesehen sind. Ferner umfasst der Fixiermechanismus 205 in einer anschaulichen Ausführungsform eine oder mehrere Eingriffsöffnungen, wobei in der dargestellten Ausführungsform eine erste Eingriffsöffnung 205c und eine zweite Eingriffsöffnung 205d vorgesehen sind. Der Fixiermechanismus 205 eines Spulenkörpers 201a ist komplementär zu dem Fixiermechanismus 205 des anderen Spulenkörpers 201b aufgebaut, so dass die entsprechenden Eingriffselemente 205a, 205b in die jeweiligen Eingriffsöffnungen 205c, 205d des anderen Spulenkörpers eingreifen und die mechanische Fixierung entlang der mindestens drei Achsen L, B und H ermöglichen. In der gezeigten Ausführungsform ist somit der Fixiermechanismus 205 so ausgebildet, dass eine mechanische Ankopplung oder Abkopplung eines der Spulenkörper 201a, 201b ohne bewegliche Komponenten im Fixiermechanismus möglich ist. In anderen anschaulichen Ausführungsformen sind die Spulenkörper 201a, 201b mittels anderer Befestigungssysteme aneinander zu koppeln, so dass sich eine mechanisch dauerhafte und präzise Verbindung ergibt.
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Ferner weist in der gezeigten Ausführungsform der Spulenkörper 201a, 201b eine Kontakteinrichtung 206 auf, die geeignete Kontaktbereiche 206a etwa in Form von Anschlussstiften aufweist, so dass die mehreren Leiter für die mehreren Wicklungen 210, 220 in dem Wickelraum 202 mit externen Komponenten verbunden werden können. In der gezeigten Ausführungsform sind die Anschlussstifte 206a auf jeder Seite des Wickelraums 202 in Form einer Doppelreihe 206b, 206a vorgesehen, wobei die dem Wickelraum 202 zugewandte Stiftreihe 206a weniger Anschlussstifte aufweist als die vom Wickelraum 202 abgewandte Stiftreihe 206b aufweist.
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2b zeigt schematisch eine Draufsicht auf den Spulenkörper 201a, wobei auch das Kontaktsystem 206 gezeigt ist. Der Spulenkörper 201a umfasst einen ersten Abschnitt einer ersten Wicklung 210, die in anschaulichen Ausführungsformen als ein Teil einer Primärwicklung fungiert, der auch als 210a bezeichnet ist, deren Enden mit geeigneten Anschlussstiften des Kontaktbereichs 206 verbunden sind, so dass eine geeignete Kombination mit einem weiteren Abschnitt der ersten Wicklung 210 auf dem Spulenkörper 201b über ein geeignetes Anschlusssystem, etwa einer Leiterplatte, und dergleichen stattfinden kann, wie dies nachfolgend detaillierter beschrieben ist. In anschaulichen Ausführungsformen, in denen der Transformator 200 zur Erzeugung einer Vielzahl von Sekundärspannungen aus einer einzelnen größeren Spannung dienen soll, weist typischerweise der Abschnitt 210a eine größere Anzahl an Windungen auf als jede der einzelnen Sekundärwicklungen 220a, ..., 220n. Beispielsweise kann der Abschnitt 210a so geführt sein, dass ein Anschluss über einen der Stift auf einer Seite des Wickelraums 202 erfolgt und die Wicklung zum entgegengesetzten Ende des Wickelraums 2012 und zurück erfolgt, so dass ein weiterer Stift auf der gleichen Seite des Wickelraums 202 als Wicklungsende des Abschnitts 210a verwendet ist. In dem dargestellten Beispiel sind etwa die Stifte 8 und 9 als Anschlussstifte für den Wicklungsabschnitt 210a vorgesehen. Es sollte jedoch beachtet werden, dass eine beliebige andere geeignete Zuordnung der Anschlussstifte zu den Wicklungen 210a, 220a, ..., 220n verwendet werden kann. Wie zuvor erwähnt ist, ist es in vielen Anwendungen erforderlich, nahezu identische Spannungen zu erzeugen, so dass die Sekundärwicklungen 220a, ..., 220n einen möglichst identischen Aufbau besitzen, wobei die gegenseitige Kopplung und die Kopplung zur Primärwicklung 210a für alle Wicklungen 220a, ..., 220n gleich sein soll, wobei Unterschiede in den Ausgangsspannungen auf Grund von unterschiedlichen magnetischen Verhältnissen bzw. baulichen Unterschieden, beispielsweise Wicklungswiderstand, thermische Bedingung, und dergleichen ebenfalls gering zu halten sind. Zu diesem Zweck kann eine geeignete Anschlussbelegung in dem Kontaktbereich 206 gewählt werden, so dass die jeweiligen Drahtlängen für die Wicklungen 220a, ..., 220n möglichst übereinstimmen und auch die Wicklungsdrähte für jede der Wicklungen möglichst identische magnetische Bedingungen vorfinden. Beispielsweise können die Wicklungen 220a, ..., 220n gleichzeitig aufgebracht werden, wobei durch geeignete Auswahl der Anschlussstifte mögliche Unterschiede am Wicklungsanfang der einzelnen Wicklungen 220a, ..., 220n durch eine „komplementäre” Anordnung am Wicklungsende kompensiert werden. Je nach Art des automatischen Bewicklungsvorgangs ist es auch möglich, den Wicklungsabschnitt 210a zu unterteilen, so dass ggf. eine Lage aufgebracht wird, an die sich die Wicklungen 220a, ..., 220n anschließen, und darauffolgend eine weitere Lage des Abschnitts 210a aufgebracht wird, so dass eine „verschachtelte” Spulenanordnung erreicht wird. In anderen Fällen werden die Sekundärwicklungen 220a, ..., 220n zuerst aufgebracht, und anschließend wird der Primärwicklungsabschnitt 210a aufgewickelt, wenn dies als geeignet erachtet wird.
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In weiteren anschaulichen Ausführungsformen sind die Sekundärwicklungen 220a, ..., 220n jeweils als ein Wicklungsabschnitt einer entsprechenden Sekundärwicklung vorgesehen, so dass im Zusammenwirken mit dem zweiten Spulenkörper 201b entsprechende „vollständige” Sekundärwicklungen 220a, ..., 220n entstehen und jede vollständige Sekundärwicklung 220a, ..., 220n entsprechend mit beiden Primärwicklungsabschnitten 210a, 210b gekoppelt ist. Da in diesem Falle die Anzahl der Windungen auf einem der Spulenkörper nur die Hälfte einer vollständigen Sekundärwicklung entspricht, kann daher entsprechend die doppelte Anzahl an Sekundärwicklungsabschnitten auf jeden Spulenkörper 201a, 201b aufgebracht werden, so dass sich auch in diesem Falle durch geeignetes Verbinden der Sekundärwicklungsabschnitte die gleiche Anzahl an Sekundärwicklungen 220a, 220n für den gesamten Transformator 200 ergibt, wobei ein noch höherer Grad an Symmetrie für die entsprechenden Ausgangsspannungen erreichbar ist, da jede Sekundärwicklung mit beiden Primärwicklungsabschnitten 210a, 210b gekoppelt ist.
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Jeder der Spulenkörper 201a, 201b kann individuell auf der Grundlage geeigneter Fertigungsverfahren hergestellt werden, wobei insbesondere gut etablierte Spritzgussverfahren und dergleichen angewendet werden, so dass die Spulenkörper 201a, 201b mit im Wesentlichen den gleichen und gut definierten Abmessungen bereitgestellt werden, so dass beim Zusammenbau des Transformators 200 eine hohe mechanische Präzision und damit ein hohes Maß an Symmetrie erreicht wird. Insbesondere können die Spulenkörper 201a, 201b so gestaltet werden, dass sie damit eine exakte Positionierung eines magnetischen Kerns ermöglichen, so dass innerhalb eines einzelnen Transformators 200 ein hohes Maß an Symmetrie des magnetischen Kreises erreicht wird, und auch geringe Toleranzen bei der Herstellung einer Vielzahl an Transformatoren gewährleistet ist. Die Spulenkörper 201a, 201b werden vorzugsweise durch Verwendung von Wickelautomaten in geeigneter Weise bewickelt, so dass der Abschnitt 210a und die Sekundärwicklungen 220a, ..., 220n in sehr effizienter und reproduzierbarer Weise aufgebracht werden. Wie zuvor erwähnt ist, können für Sekundärwicklungen, die identische Ausgangsspannungen abgeben sollen, identische Windungszahlen und identische Wicklungsdrähte verwendet werden, so dass eine gemeinsame Bewicklung dieser Wicklungen möglich ist. Wenn noch weitere Wicklungen mit anderen Wicklungsverhältnissen aufzubringen sind, können diese ebenfalls in automatengerechter Weise aufgebracht werden. Somit können für die einzelnen Spulenkörper 201a, 201b, wenn ein symmetrischer Aufbau gewünscht ist, identische Fertigungsabläufe eingesetzt werden, so dass auch im Hinblick auf etwaige Fertigungstoleranzen ein hohes Maß an Symmetrie im Hinblick auf die Spulenkörper 201a, 201b und die darauf aufgebrachten Wicklungen erreicht wird. Des weiteren können entsprechende Schwankungen im Herstellungsverfahren bzw. dann in den elektrischen Eigenschaften der Wicklungen 210a, 220a, ..., 220n individuell erkannt werden und bei Bedarf kann eine Aussonderung entsprechender Spulenkörper erfolgen, ohne dass die Komponenten eines vollständigen Transformators 200 betroffen sind. Bei Bedarf können auch die entsprechenden elektrischen Parameter der einzelnen Spulenkörper 201a, 201b nach der Wicklung geprüft und ggf. einander angepasst werden, so dass insgesamt entsprechende Komponenten mit einem hohen Maß an Symmetrie für einen einzelnen Transformator bereitgestellt werden.
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2c zeigt schematisch eine Draufsicht des Transformators 200 gemäß einer anschaulichen Ausführungsform, wobei die beiden Spulenkörper 201a, 201b mittels des Fixiermechanismus 205 aneinander befestigt sind und ein magnetischer Kern 230 in die Spulenkörper 201a, 201b so eingeführt ist, dass der Wickelraum 202 jedes Spulenkörpers 201a, 201b einen Teil des magnetischen Kerns 230 umschließt. In der gezeigten Ausführungsform ist der Kern 230 als ein Doppel-U-Kern vorgesehen, so dass eine Kernhälfte 230a entsprechende Luftspalte 231a, 231b mit einer zweiten Kernhälfte 230b bildet. Dabei liegt beispielsweise der Luftspalt 231a so innerhalb des Spulenkörpers 201a bzw. innerhalb der darauf aufgebrachten Wicklungen 210a, 220a, ..., 220n, dass diese den Luftspalt 231a umschließen. In gleicher Weise umschließen die jeweiligen Wicklungen des Spulenkörpers 201b den Luftspalt 231b. In der gezeigten Ausführungsform ist der Transformator 200 somit als Speichertransformator für eine Sperrwandlerschaltungstopologie ausgelegt, wobei Leistung im Bereich von ca. 50 bis 150 Watt übertragen werden soll, wobei durch geeignete Anpassung des Kernvolumens und damit auch der Spulenkorper 201a, 201b auch eine Anpassung an andere Leistungsbereiche möglich ist. Die Verwendung des Doppel-U-Kerns 230 ermöglicht somit eine baugrößeneffiziente Konfiguration des Transformators 200, wobei insgesamt eine Wicklungslänge für das Aufbringen der Sekundärwicklung bereitgestellt wird, die dem zweifachen der Wicklungslänge eines einzelnen Wicklungsraums 202 entspricht. D. h., durch das Aufteilen der Primarwicklung 210 auf die beiden Spulenkörper 201a, 201b gelingt eine „Erweiterung” der Wicklungslänge, so dass eine Vielzahl von Sekundärwicklungen aufgebracht werden können, wobei gleichzeitig auch ein hohes Maß an gegenseitiger Kopplung erreicht wird und der modulare Aufbau für einen effizienten Fertigungsvorgang sorgt.
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2d zeigt schematisch eine Querschnittsansicht des Transformators 200 mit einer Baugröße, die für eine Sperrwandleranordnung mit einem Leistungsübertrag von ca. 100 Watt geeignet ist.
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2e zeigt schematisch eine Zuordnung der Anschlussstifte 1 bis 36 der Kontakteinrichtung 206 zu den einzelnen Wicklungen gemäß anschaulicher Ausführungsformen. In der dargestellten Ausführungsform wird ein symmetrischer Aufbau der beiden Spulenkorper 201a, 201b erreicht, in der beide eine identische Bewicklungsstruktur erhalten, d. h., beide Spulenkörperteile 201a, 201b enthalten einen Anteil einer Primärwicklung W7a/b, die beispielsweise über die Anschlussstifte 8 und 9 im Spulenkörper 201a und über die Anschlussstifte 10 und 11 im Spulenkörper 201b in geeigneter Weise verschaltet werden können. Des weiteren wird ebenfalls ein hohes Maß an Symmetrie erreicht, indem entsprechende Sekundärwicklungen, die beispielsweise mit W1a, W1b bezeichnet sind, jeweils auf den Spulenkörpers 201a, 201b über entsprechende Stifte angeschlossen werden können, wobei auch eine Symmetrie im Hinblick auf die Wicklungsanfänge und Wicklungsenden erreicht wird. D. h, beispielsweise wird bei der Wicklung W1a der Wicklungsanfang am Anschlussstift 2 und das Wicklungsende am Anschlussstift 36 vorgesehen, während in der Wicklung W1b der Wicklungsanfang am Anschlussstift 20 und das Wicklungsende am Anschlussstift 18 vorliegt, so dass bei einer entsprechenden Zusammenschaltung dieser beiden Wicklungen, um damit eine einzige Sekundarwicklung zu erzeugen, entsprechende Unterschiede in der Leitungsführung im Spulenkörper 201a, 201b kompensiert werden, so dass sich für entsprechende Paare aus Sekundärwicklungen im Wesentlichen identische Bedingungen ergeben. In anderen anschaulichen Ausführungsformen werden die jeweiligen Sekundärwicklungen auf den einzelnen Spulenkörpern 201a, 201b als separate Wicklungen betrachtet, da der Grad an Symmetrie im Hinblick auf die elektrischen und magnetischen Eigenschaften im Vergleich zu konventionellen Sperrwandlertransformatoren deutlich verbessert ist.
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Es sollte beachtet werden, dass in der gezeigten Ausführungsform die Wicklungen auf dem Spulenkörper 201a, 201b zwar paarweise im Wesentlichen identisch sind, jedoch von Wicklung zu Wicklung sich unterscheiden können, je nach dem, welche Ausgangsspannungen erforderlich sind. Beispielsweise können eine Vielzahl von Wicklungen mit identischen Windungsteilen vorgesehen sein, wenn eine Vielzahl von im Wesentlichen gleichen Ausgangsspannungen erforderlich ist, während zwei oder mehrere Wicklungen andere Windungszahlen aufweisen, um damit entsprechende geeignete Ausgangsspannungen zu erzeugen, die beispielsweise für Überwachungszwecke und dergleichen eingesetzt werden können. Beispielsweise können in der gezeigten Ausführungsform etwa 12 identische Ausgangsspannungen erzeugt werden, wie sie etwa zur Beaufschlagung von Lithiumpolymerzellen dienen, während auf der Primärseite die Gesamtspannung von 12 einzelnen Zellen anliegt, wie dies auch zuvor mit Bezug zu 1 erläutert ist. Zu beachten ist, dass in üblicher Weise die entsprechende Transformatoreigenschaften, etwa die erforderliche Induktivität, in Abhängigkeit von den verwendeten Kernmaterialien, der Anzahl der Windungen der Sekundärwicklungen, und dergleichen zu ermitteln, ist, wobei auch ein geeigneter Wert für die Luftspalte 231a, 231b ermittelt wird.
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2f zeigt schematisch eine Vorrichtung 270 zur Erzeugung mehrerer Ausgangsspannungen unter Verwendung eines Transformators bzw. Speichertransformators 200, wie er auch zuvor beschrieben ist, wobei die Vorrichtung 270 ein Anschlusssystem 275 aufweist, um einen Zugriff auf die einzelnen Wicklungen des Transformators 200 und ggf. auch eine geeignete Verschaltung der einzelnen Wicklungen zu ermöglichen. Beispielsweise weist das Anschlusssystem 275 eine Verbindungsstruktur 275a auf, die etwa in Form einer Leiterplatte oder einer anderen Verbindungstechnologie vorgesehen sein kann, die eine geeignete Verschaltung der Primärwicklungen 210a, 210b ermöglicht, so dass die gewünschten elektrischen und magnetischen Eigenschaften für die Primärwicklung erhalten werden. Beispielsweise können die entsprechenden Wicklungsabschnitte 210a, 210b (siehe 2a, 2b) in Reihe verschaltet werden, wenn die Anzahl der Windungen pro Spulenkörper 201a, 201b nicht ausreicht. In anderen Fällen können die Wicklungsabschnitte 210a, 210b parallel geschaltet werden, so dass die einzelnen Spulenkörper 201a, 201b mit den entsprechenden Wicklungen als symmetrische Transformatorhälften mit einem gemeinsamen magnetischen Kreis betrachtet werden können. Des weiteren ist eine Verbindungsstruktur 275b vorgesehen, die in ähnlicher Weise eine Zusammenschaltung der einzelnen Sekundärwicklungen W1, W2 auf den Spulenkörpern 201a, 201b bei Bedarf ermöglicht und auch ein Herausführen der entsprechenden Spulenanfänge und – enden gewährleistet, so dass darauf mittels einer externen Schaltung zugegriffen werden kann. Beispielsweise kann die Vorrichtung 270 in Verbindung mit einem Batteriemanagementsystem eingesetzt werden, wie es auch zuvor mit Bezug zu 1 beschrieben ist.
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2g zeigt schematisch den Transformator 200 gemäß weiterer Ausführungsformen, in denen mehr als zwei Spulenkörper bzw. Spulenkörperteile 201a, ..., 201d vorgesehen sind. In der gezeigten Ausführungsform sind vier Spulenkörper 201a, ..., 201d vorgesehen, die mit einem hohen Maß an Symmetrie bewickelt sein können, wie dies zuvor dargelegt ist. D. h., jeder der Spulenkörper 201a, ..., 201d weist einen Wicklungsabschnitt einer Primärwicklung bzw. einer ersten Wicklung auf, etwa in Form der Abschnitte 210a, 210b, und weist auch mehrere Sekundärwicklungen bzw. zweite Wicklungen auf, die entsprechend den gewünschten Ausgangsspannungsverhältnissen in ihrer Windungszahl aufeinander abgestimmt sind. In einer anschaulichen Ausführungsform sind die mehreren Spulenkörper 201a, ..., 201d in ihrer Bewicklung „identisch”, d. h. sie enthalten eine gleich große Anzahl an Wicklungen, wovon jeweils entsprechende Wicklungen identisch aufgebaut sind. Auf diese Weise kann ein sehr effizienter Fertigungsprozess erreicht werden, da insgesamt eine große Anzahl an Sekundärwicklungen aufgebracht werden kann, da die für die Kopplung mit einer Primärwicklung zur Verfügung stehende Wicklungslänge sehr groß gewählt werden kann, wobei der modulare Aufbau ähnliche oder gleiche Fertigungsschritte für jeden einzelnen Spulenkörper 201a, ..., 201d zulässt. In einigen anschaulichen Ausführungsformen können die entsprechenden Spulenkörper 201a, ..., 201d einen geeigneten Fixiermechanismus aufweisen, etwa den Mechanismus 205, so dass eine geeignete Kopplung jeweils zweier angrenzender Spulenkörper möglich ist, wobei dennoch eine ausreichende mechanische Stabilität und Präzision erreicht wird, so dass insgesamt der Transformator 200 mit nur geringen Fertigungstoleranzen aufgebaut werden kann.
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2h zeigt schematisch den Kern 230 für den Transformator 200 aus 2g, wobei in dem gezeigten Beispiel vier Kernabschnitte 230a, ..., 230d vorgesehen sind, die jeweils angewinkelt sind, wobei in anderen Ausführungsformen auch andere geeignete Kernformen eingesetzt werden können. Beispielsweise können gerundete Formen oder anderweitig angewinkelte Kernformen verwendet werden. In der dargestellten Ausführungsform ergibt sich auf Grund der nahezu rechtwinkligen Struktur ein entsprechender geradliniger Verlauf für die Wicklungsräume der Spulenkörper 201a, ..., 201d, wie dies auch zuvor erläutert ist, so dass insbesondere im Hinblick auf ein maschinelles Bewickeln ein sehr effizienter Fertigungsvorgang mit geringen Toleranzen erreicht werden kann. Des weiteren sind in der dargestellten Ausführungsform vier Luftspalte 231a, ..., 231d zwischen jeweils zwei benachbarten Kernabschnitten vorgesehen, die vorteilhafter Weise gleich sind, so dass sich auch ein sehr symmetrisches magnetisches Verhalten für den Transformator 200 ergibt. Auf diese Weise kann ein für die Energiespeicherung erforderliches Luftvolumen effizient über den gesamten Umfang des Kerns 230 verteilt werden, wobei für jede Wicklung auf den einzelnen Spulenkörpern 201a, ..., 201d eine gewünschte streuarme Anordnung erreicht wird, und auch für jede Wicklung magnetisch ein hohes Maß an Symmetrie verwirklicht wird.
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Beim Zusammenbau des Transformators 200 aus 2g können etwa die Kernsegmente 230b, 230c in den Spulenkörper 201c eingeführt werden und anschließend können die Spulenkörper 201b, 201d aufgesetzt und mittels eines Fixiermechanismus oder anderen Mitteln verbunden werden. Die Kernabschnitte 230a, 230b können sodann in den Spulenkörper 201a eingesetzt werden und können dann insgesamt in die bestehende Anordnung aus den Spulenkörpern 201b, ..., 201d eingeführt werden und mit diesen mechanisch verbunden und fixiert werden. Im Hinblick auf eine geeignete Anschlussstruktur gelten ähnliche Kriterien, wie sie zuvor auch in Verbindung mit der Struktur 206 beschrieben sind. Insbesondere können entsprechende Anschlussstifte an den jeweiligen Endbereichen 201e außerhalb des Wickelraums 202 vorgesehen werden, wobei die geeignete Zusammenschaltung der jeweiligen Wicklungen über ein Anschlusssystem erfolgen kann, wie es beispielsweise im Zusammenhang mit der Vorrichtung 270 beschrieben ist.
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Die vorliegende Erfindung stellt somit einen Transformator bzw. einen Speichertransformator bereit, in welchem eine Vielzahl von Spannungen abgegriffen werden können, wobei die einzelnen abgegriffenen Spannungen eine sehr stabile Abhängigkeit zueinander aufweisen auf Grund der sehr symmetrischen Struktur der Bewicklung, der durch einen hohen Grad an Symmetrie im Hinblick auf die magnetische Kopplung der einzelnen Wicklungen untereinander erreicht wird. Insbesondere in Anwendungen mit einer Sperrwandlertopologie kann eine gewünschte enge Kopplung der Ausgangsspannungen für eine Vielzahl von Wicklungen erreicht werden, indem die nutzbare Wicklungslänge dadurch vergrößert wird, dass die Primärwicklung auf mehrere Wicklungsabschnitte aufgeteilt wird, wobei jeder Primärwicklungsabschnitt mehrere Sekundärwicklungen in sehr symmetrischer Weise erhält, so dass für alle Primärwicklungsabschnitte und die dazugehörigen Sekundärwicklungen nahezu identische Bedingungen geschaffen werden. Beispielsweise können eine Vielzahl gleicher Ausgangsspannungen bereitgestellt werden, die vorteilhafter Weise für Batteriemanagementsysteme verwendbar sind, so dass bereits der Transformator ein hohes Maß an Angleichung von Ladezuständen einzelner Batteriezellen erlaubt, so dass der Aufwand für die weitere Schaltungstopologie verringert wird. Ferner kann durch den modularen Aufbau ein sehr effizienter Fertigungsprozess bei geringerer Komplexität im Vergleich zu konventionellen Sperrwandlertransformatoren erreicht werden.
