DE102009028974A1

DE102009028974A1 - Halbbrücken-Konverter für ein Batteriesystem und Batteriesystem

Info

Publication number: DE102009028974A1
Application number: DE102009028974A
Authority: DE
Inventors: Stefan Butzmann; Holger Fink
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2009-08-28
Filing date: 2009-08-28
Publication date: 2011-03-03
Also published as: EP2471169A1; CN102484428A; WO2011023437A1; JP2013503594A

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Halbbrücken-Konverter für ein Batteriesystem und ein Batteriesystem.
Der erfindungsgemäße Halbbrücken-Konverter (1) umfasst einen Primärkreis (12) und einen Sekundärkreis (13), wobei der Primärkreis (12) eine primärseitige Transformatorspule (4a) aufweist und der Sekundärkreis (13) eine sekundärseitige Transformatorspule (4b) aufweist und die primärseitige Transformatorspule (4a) und die sekundärseitige Transformatorspule (4b) unter Ausbildung eines Transformators miteinander gekoppelt sind und wobei der Primärkreis (12) eine H-Brückenschaltung einen von einem ersten Knotenpunkt (6) zu einem zweiten Kontenpunkt (7) verlaufenden ersten Zweig, einen von dem ersten Knotenpunkt (6) zu dem zweiten Knotenpunkt (7) verlaufenden zweiten Zweig und einen zwischen dem ersten und dem zweite Zweig liegenden Brückenzweig umfasst, wobei die primärseitige Transformatorspule (4a) in dem Brückenzweig angeordnet ist, in dem ersten Zweig ein erster Schalter (5a) und ein erster Anschluss (7a) für den Anschluss eines ersten Batteriemoduls (8a) angeordnet sind und in dem zweiten Zweig ein zweiter Schalter (5b) und ein zweiter Anschluss (7b) für den Anschluss eines zweiten Batteriemoduls (8b) angeordnet sind.

Description

Die Erfindung betrifft einen Halbbrücken-Konverter für ein Batteriesystem und ein Batteriesystem.
Stand der Technik
In Zukunft werden sowohl bei stationären Anwendungen, beispielsweise bei Windkraftanlagen, als auch in Fahrzeugen, beispielsweise in Hybrid- und Elektrofahrzeugen, vermehrt neue Batteriesysteme zum Einsatz kommen, die hohe Anforderungen bzgl. der Zuverlässigkeit erfüllen müssen. Diese hohen Anforderungen begründen sich damit, dass ein Ausfall des Batteriesystems zu einem Ausfall des Gesamtsystems führen kann (z. B. führt bei einem Elektrofahrzeug Ausfall einer Traktionsbatterie zu einem sog. „Liegenbleiben”) oder sogar zu einem sicherheitsrelevanten Problem führen kann (bei Windkraftanlagen werden beispielsweise Batteriesysteme eingesetzt, um bei starkem Wind die Anlage durch eine Rotorblattverstellung vor unzulässigen Betriebszuständen zu schützen).
Es ist bekannt, die von einer Batterie zur Verfügung gestellte Spannung mittels eines DC/DC-Wandlers (auch als Gleichstromsteller bezeichnet) in eine andere Spannung umzuwandeln. Die Umwandlung einer durch die Batterie gelieferten konstanten Eingangsspannung in eine sich von dieser unterscheidenden Ausgangsspannung erfolgt üblicherweise durch periodisches Schalten des DC/DC-Wandlers. Als gängige DC/DC-Wandler sind beispielsweise Boost-Konverter, Forward-Konverter, Half-Bridge-(Halbbrücken-)Konverter und Full-Bridge-Konverter bekannt.
Die 1 zeigt einen bekannten Halbbrücken-Konverter 31. Der bekannte Halbbrücken-Konverter 31 umfasst einen Primärkreis 42 und einen Sekundärkreis 43.
Der Primärkreis 42 weist eine primärseitige Transformatorspule 34a auf, der Sekundärkreis 43 weist eine sekundärseitige Transformatorspule 34b auf, wobei die primärseitige Transformatorspule 34a und die sekundärseitige Transformatorspule 34b unter Ausbildung eines Transformators miteinander gekoppelt sind.
Der Primärkreis 42 umfasst eine H-Brückenschaltung mit einen von einem ersten Knotenpunkt 36 zu einem zweiten Knotenpunkt 37 verlaufenden ersten Zweig und zweiten Zweig und einem zwischen dem ersten Zweig und dem zweiten Zweig liegenden Brückenzweig. Die primärseitige Transformatorspule 34a ist in dem Brückenzweig angeordnet. In dem ersten Zweig ist ein erster Schalter 35a und ein erster Kondensator 37a, in dem zweiten Zweig ein zweiter Schalter 35b und ein zweiter Kondensator 37b angeordnet. Parallel zum ersten Kondensator 38a ist ein erster Widerstand 44a, parallel zum zweiten Kondensator 38b ist ein Widerstand 44b geschaltet. Der erste Zweig mit einer Masse 39 verbunden. Des Weiteren weist der erste Primärkreis 42 einen ersten Eingang 50a und einen zweiten Eingang 50b auf, an dem eine Batterie 49 angeschlossen ist.
Der Sekundärkreis 43 umfasst eine Gleichrichter-Schaltung 40 und einen Tiefpass 41. Die Gleichrichterschaltung 40 umfasst drei Dioden 45a, 45b, 45c, mittels denen die von der sekundärseitigen Transformatorspule 34b erzeugte Spannung gleichgerichtet wird. Der Abgriff der Spannung an der sekundärseitigen Transformatorspule 34b erfolgt dabei mittels einer Mittelpunktanzapfung. Der Tiefpass 41 weist eine Spule 46 und einen Kondensator 47 auf. Die im Sekundärkreis 43 erzeugte Spannung kann an einem ersten Ausgang 48a und an einem zweiten Ausgang 48b abgegriffen werden.
Das Funktionsprinzip des in 1 gezeigten Halbbrücken-Konverters 1 ist wie folgt: Die Batterie 49 stellt eine Spannung zur Verfügung, die über die Symmetriewiderstände 44a, 44b die Kondensatoren 38a, 38b auf die Hälfte der Batteriespannung auflädt. Die Schalter 35a und 35b werden jetzt abwechselnd geöffnet und geschlossen, so dass sich über der primärseitigen Transformatorspule 34a eine Wechselspannung mit einer Amplitude ergibt, die der Hälfte der Batteriespannung entspricht. Diese Wechselspannung wird mittels der sekundärseitigen Transformatorspule 34b in den Sekundärkreis 43 eingekoppelt und über die Gleichrichterschaltung 40 gleichgerichtet. Die entsprechend dem Tastverhältnis der Schalter 35a, 35b so entstandene gleichgerichtete pulsförmige Ausgangsspannung wird über den Tiefpass 41 geglättet.
Offenbarung der Erfindung
Gegenstand der Erfindung ist ein Halbbrücken-Konverter für ein Batteriesystem, umfassend einen Primärkreis und einen Sekundärkreis, wobei der Primärkreis eine primärseitige Transformatorspule aufweist und der Sekundärkreis eine sekundärseitige Transformatorspule aufweist, und die primärseitige Transformatorspule und die sekundärseitige Transformatorspule unter Ausbildung eines Transformators miteinander gekoppelt sind, und wobei der Primärkreis eine H-Brückenschaltung mit einen von einem ersten Knotenpunkt zu einem zweiten Knotenpunkt verlaufenden ersten Zweig, einen von dem ersten Knotenpunkt zu dem zweiten Knotenpunkt verlaufenden zweiten Zweig und einem zwischen dem ersten Zweig und dem zweiten Zweig liegenden Brückenzweig umfasst, wobei die primärseitige Transformatorspule in dem Brückenzweig angeordnet ist, in dem ersten Zweig ein erster Schalter und ein erster Anschluss für den Anschluss eines ersten Batteriemoduls angeordnet ist, und in dem zweiten Zweig ein zweiter Schalter und ein zweiter Anschluss für den Anschluss eines zweiten Batteriemoduls angeordnet ist.
Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass die an dem ersten Anschluss und an dem zweiten Anschluss angeschlossenen Batteriemodule die Funktion von Kondensatoren und Widerständen, wie sie gemäß dem beschriebenen Stand der Technik eingesetzt werden, übernehmen können. Der erfindungsgemäße Halbbrücken-Konverter ermöglicht es damit, im Primärkreis auf Kondensatoren und Widerständen zu verzichten. Der Aufbau eines derartigen Konverters kann damit erheblich vereinfacht werden.
Ein Batteriemodul umfasst zumindest eine einzelne Batteriezelle. Des Weiteren kann ein Batteriemodul mehrere Batteriezellen umfassen, die miteinander insbesondere in Reihe und/oder parallel verschaltet sind. Ein Batteriemodul kann insbesondere eine einzelne Batterie sein. Als Batteriezellen bevorzugt sind Akkumulatoren.
Grundsätzlich ist es möglich, anstatt von Batteriemodulen auch andere Energiequellen zu verwenden.
Ein weiterer Gegenstand der Erfindung ist ein Batteriesystem, das einen erfindungsgemäßen Halbbrückenkonverter und ein erstes Batteriemodul und ein zweites Batteriemodul umfasst, wobei das erste Batteriemodul an dem ersten Anschluss des Halbbrücken-Konverters und das zweite Batteriemodul an dem zweiten Anschluss des Halbbrücken-Konverters angeschlossen ist.
Vorzugsweise sind das erste Batteriemodul und das zweite Batteriemodul derart angeschlossen, dass sich ungleiche Pole des ersten Batteriemoduls und des zweiten Batteriemoduls in der Schaltung gegenüberliegen. Dies ermöglicht es, durch Wahl der Tastverhältnisse des ersten Schalters und des zweiten Schalters nicht nur die Spannung am Ausgang des Halbbrückenkonverters einzustellen, sondern auch ein Ladungs-Balancing zwischen den beiden Batteriemodulen durchzuführen. Auf diese Weise kann die Entladung des ersten Batteriemoduls und des zweiten Batteriemoduls gezielt gesteuert werden.
Weitere vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstände der abhängigen Ansprüche.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand von Ausführungsformen und durch Darstellung mittels einer Figur näher erläutert.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen.
Es zeigen:
1 ein Prinzipschaltbild eines Batteriesystems mit einem Halbbrücken-Konverter und einer Batterie gemäß Stand der Technik, und
2 ein Prinzipschaltbild einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Batteriesystems mit einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Halbbrücken-Konverters und zwei Batteriemodulen.
Ausführungsformen der Erfindung
Die 2 zeigt ein Prinzipschaltbild einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Batteriesystems.
Das Batteriesystem umfasst eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Halbbrücken-Konverters 1. Des Weiteren umfasst das Batteriesystem ein erstes Batteriemodul 8a und ein zweites Batteriemodul 8b, die an den Halbbrücken-Konverter 1 angeschlossen sind.
Der Halbbrücken-Konverter 1 umfasst einen Primärkreis 12 und einen Sekundärkreis 13. Der Primärkreis 12 weist eine primärseitige Transformatorspule 4a auf, der Sekundärkreis 13 weist eine sekundärseitige Transformatorspule 4b auf, wobei die primärseitige Transformatorspule 4a und die sekundärseitige Transformatorspule 4b unter Ausbildung eines Transformators miteinander gekoppelt sind.
Des Weiteren umfasst der Primärkreis 12 eine H-Brückenschaltung mit einem von einem ersten Knotenpunkt 6 zu einem zweiten Knotenpunkt 7 verlaufenden ersten Zweig, einem von dem ersten Knotenpunkt 6 zum zweiten Knotenpunkt 7 verlaufenden zweiten Zweig und einem zwischen dem ersten Zweig und dem zweiten Zweig liegenden Brückenzweig. Die primärseitige Transformatorspule 4a ist in dem Brückenzweig angeordnet. In dem ersten Zweig ist ein erster Schalter 5a und ein erster Anschluss 7a für den Anschluss eines ersten Batteriemoduls 8a angeordnet, in dem zweiten Zweig ist ein zweiter Schalter 5b und ein zweiter Anschluss 7b für den Anschluss eines zweiten Batteriemoduls 8b angeordnet. Der erste Zweig ist zudem zwischen dem ersten Anschluss 7a und dem ersten Schalter 5a mit einer Masse 9 verbunden.
Der Sekundärkreis 13 umfasst des Weiteren eine Gleichrichterschaltung 10 zum Gleichrichten der durch den Transformator umgewandelten Spannung und eine Tiefpass 11 zum Glätten der durch den Transformator umgewandelten Spannung.
Die Gleichrichterschaltung 10 umfasst drei Dioden 15a, 15b und 15c. Die Dioden 15a und 15b sind in der Art eines Zweigweggleichrichters im Sekundärkreis angeordnet. Der Abgriff der Spannung an der sekundärseitigen Transformatorspule 4b erfolgt über eine Mittelpunktanzapfung. Die dritte Diode 15c, die parallel zur sekundärseitigen Transformatorspule 4b geschaltet ist, kann optional auch weggelassen werden. Anstelle eines Zweigweggleichrichters 10 kann beispielsweise auch ein Vollweggleichrichter verwendet werden.
Der Tiefpass 11 ist als LC-Tiefpass mit einer Induktivität 116 und einer Kapazität C17 ausgeführt. Die Induktivität 16 wird durch eine Spule gebildet, die Kapazität 17 durch einen Kondensator.
Der Sekundärkreis 13 umfasst des Weiteren einen ersten Ausgang 18a und einen zweiten Ausgang 18b, an denen durch die sekundärseitige Transformatorspule 4b erzeugte, gleichgerichtete und gefilterte Spannung als Ausgangsspannung des Halbbrücken-Konverters 1 abgegriffen werden kann.
Das erste Batteriemodul 8a und das zweite Batteriemodul 8b sind derart an dem ersten Anschluss 7a beziehungsweise an dem zweiten Anschluss 7b des Primärkreises 12 angeschlossen, dass sich ungleiche Pole des ersten Batteriemoduls 8a und des zweiten Batteriemoduls 8b in der Schaltung gegenüberliegen.
Das erste Batteriemodul 8a und das zweite Batteriemodul 8b kann als eine einzelne Batteriezelle ausgeführt sein. Alternativ kann ein Batteriemodul 8a, 8b mehrere Batteriezellen umfassen, wobei die Batteriezellen zumindest teilweise in Reihe und/oder parallel geschaltet sind. Ein Batteriemodul 8a, 8b kann auch durch eine Batterie gebildet werden. Vorzugsweise umfassen die Batteriemodule 8a, 8b Batteriezellen, die als Akkumulator ausgeführt sind. Vorzugsweise ist eine Batteriezelle als Lithium-Ionen-Zelle ausgeführt.
Das Funktionsprinzip des in 2 gezeigten Batteriesystems ist wie folgt:
Wird der erste Schalter 5a geschlossen, so liegt über der primärseitigen Transformatorspule 4a die Spannung des ersten Batteriemoduls 8a an. Diese Spannung wird über die sekundärseitige Transformatorspule 4b in den Sekundärkreis 13 übertragen. Wenn der erste Schalter 5a wieder geöffnet wird, so wird die in der primärseitigen Transformatorspule 4a gespeicherte Energie in Form eines Stromes abgebaut, die in das zweite Batteriemodul 8b fließt. Bei Schließen des zweiten Schalters 5b wiederholt sich dieser Vorgang in umgekehrter Richtung. Durch Wahl der Tastverhältnisse des ersten Schalters 5a und des zweiten Schalters 5b kann auf diese Weise nicht nur die Spannung an den Ausgängen 18a, 18b des Halbbrücken-Konverters 1 eingestellt werden, sondern gleichzeitig auch ein Ladungs-Balancing zwischen den Batteriemodulen 8a, 8b durchgeführt werden.
Das erfindungsgemäße Batteriesystem mit dem erfindungsgemäßen Halbbrücken-Konverter 1 eignet sich beispielsweise für den Einsatz in Kraftfahrzeugen. Das Batteriesystem und/oder der Konverter können insbesondere Bestandteil eines Fahrzeugbordnetzes des Kraftfahrzeugs sein.

Claims

Halbbrücken-Konverter (1) für ein Batteriesystem, umfassend einen Primärkreis (12) und einen Sekundärkreis (13), wobei der Primärkreis (12) eine primärseitige Transformatorspule (4a) aufweist und der Sekundärkreis (13) eine sekundärseitige Transformatorspule (4b) aufweist, und die primärseitige Transformatorspule (4a) und die sekundärseitige Transformatorspule (4b) unter Ausbildung eines Transformators miteinander gekoppelt sind, und wobei der Primärkreis (12) eine H-Brückenschaltung mit einen von einem ersten Knotenpunkt (6) zu einem zweiten Knotenpunkt (7) verlaufenden ersten Zweig, einen von dem ersten Knotenpunkt (6) zu dem zweiten Knotenpunkt (7) verlaufenden zweiten Zweig und einen zwischen dem ersten Zweig und dem zweiten Zweig liegenden Brückenzweig umfasst, wobei die primärseitige Transformatorspule (4a) in dem Brückenzweig angeordnet ist, in dem ersten Zweig ein erster Schalter (5a) und ein erster Anschluss (7a) für den Anschluss eines ersten Batteriemoduls (8a) angeordnet ist, und in dem zweiten Zweig ein zweiter Schalter (5b) und ein zweiter Anschluss (7b) für den Anschluss eines zweiten Batteriemoduls (8b) angeordnet ist.
Halbbrücken-Konverter (1) nach Anspruch 1, wobei der erste Zweig und/oder der zweite Zweig mit einer Masse (9) verbunden sind.
Halbbrücken-Konverter (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Sekundärkreis (13) eine Gleichrichterschaltung (10) zum Gleichrichten der durch den Transformator umgewandelten Spannung aufweist.
Halbbrücken-Konverter (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Sekundärkreis (13) einen Tiefpass (11) zum Glätten der durch den Transformator umgewandelten Spannung aufweist.
Batteriesystem, mindestens umfassend einen Halbbrücken-Konverter (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4 und ein erstes Batteriemodul (8a) und ein zweites Batteriemodul (8b), wobei das erste Batteriemodul (8a) an dem ersten Anschluss (7a) des Halbbrücken-Konverters (1) und das zweite Batteriemodul (8b) an dem zweiten Anschluss (7b) des Halbbrücken-Konverters (1) angeschlossen ist.
Batteriesystem nach Anspruch 5, wobei das erste Batteriemodul (8a) und das zweite Batteriemodul (8b) derart angeschlossen sind, dass sich ungleiche Pole des ersten Batteriemoduls (8a) und des zweiten Batteriemoduls (8b) in der Schaltung gegenüberliegen.
Batteriesystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Batteriemodul (8a) zumindest eine einzelne Batteriezelle umfasst.