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Stand der Technik
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Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur Umwandlung einer Spannung von einem ersten auf ein zweites Spannungsniveau, wobei ein Spannungswandler ein Koppelelement zwischen dem ersten und dem zweiten Spannungsniveau darstellt und die Energie von dem einen Spannungsniveau auf das andere Spannungsniveau überträgt sowie ein Bordnetz für Kraftfahrzeuge.
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Bordnetze moderner Kraftfahrzeuge werden zunehmend aus Teilbordnetzen konfiguriert, wobei jedes Teilbordnetz ein anderes Spannungsniveau aufweisen kann. Teilbordnetze sind notwendig, um Hochleistungsverbraucher mit einer höheren Spannung wie z. B. 24 V oder 42 V versorgen zu können. Das klassische Kraftfahrzeug-Bordnetz von 14 V wird derzeit dabei weiter aufrechterhalten, um die klassischen Kfz-Komponenten weiter einsetzen zu können.
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In der Praxis ergeben sich Schwierigkeiten, die Energie zwischen den Teilbordnetzen mit unterschiedlichen Spannungsniveaus zu transferieren. Zu diesem Zweck werden leistungsstarke, teure und voluminöse DC/DC-Wandler eingesetzt.
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Offenbarung der Erfindung
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Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung zur Umwandlung einer Spannung von einem ersten auf ein zweites Spannungsniveau mit den Merkmalen des Anspruchs 1 weist den Vorteil auf, dass die Last die Spannung, welche für den Betrieb der Last erforderlich ist, immer über dem Element eines Spannungsteilers abgreift, über welchem annähernd die gewünschte Spannung abfällt. Dadurch, dass die Last von einer Schalteinrichtung derart steuerbar ist, dass die Last das zweite Spannungsniveau wechselweise über dem ersten oder dem zweiten Element des Spannungsteilers abgreift, wird bei einer Änderung des Spannungsabfalls über den Elementen des Spannungsteilers durch Umschaltung der Last auf ein anderes Element des Spannungsteilers immer sichergestellt, dass das zur Versorgung der Last mindestens notwendige Spannungsniveau an dieser anliegt.
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Vorteilhafterweise ist der Spannungsteiler als kapazitiver Spannungsteiler mit zwei Kondensatoren ausgebildet, wobei jeder Kondensator ein Element des Spannungsteilers bildet und die Last von der Schalteinrichtung derart steuerbar ist, dass die Last das zweite Spannungsniveau potentialfrei wechselweise über dem ersten oder dem zweiten Kondensator abgreift. Wird das zweite Spannungsniveau an den kapazitiven Spannungsteiler angelegt, entlädt sich der Kondensator, an den gerade die Last geschaltet ist, während sich der andere Kondensator entsprechend auflädt. Die Summe der beiden Spannungen der Kondensatoren entspricht immer der Spannung des ersten Spannungsniveaus. Durch das Anlegen der Last verschieben sich also die Spannungsverhältnisse in den beiden Kondensatoren, so dass die erste notwendige Spannung für die Last über dem Kondensator nicht mehr aufrechterhalten werden kann. Deswegen wird jetzt die Last an den anderen Kondensator gelegt. Anschließend verschieben sich die Spannungen wiederum, weshalb die Last wieder auf den ersten Kondensator geschaltet wird. Somit wird gewährleistet, dass zu jedem Zeitpunkt an der Last die erforderliche Spannung anliegt. Teure und große Induktivitäten, wie in herkömmlichen DC/DC-Wandlern können entfallen.
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In einer Ausgestaltung ist eine Spannungsquelle, die das zweite Spannungsniveau bereitstellt, mit dem Spannungsteiler verbunden. Die Spannungsquelle liefert ein konstantes zweites Spannungsniveau, so dass eine Beeinflussung des ersten Spannungsniveaus durch Spannungsschwankungen der Spannungsquelle unterbleibt.
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In einer Weiterbildung umfassen die Kondensatoren jeweils Kondensatormodule, die aus in Reihe und parallel geschalteten und gegen Überspannung geschützten Doppelschichtkondensatorzellen (DLC = double layer capacitors) bestehen.
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Diese Kondensatormodule sind schnelle elektrophysikalische Leistungsspeicher mit einem kleinen Innenwiderstand, die in kurzer Zeit hohe Ladungen aufnehmen bzw. abgeben können. Während herkömmliche Gleichspannungswandler mit einer Schaltfrequenz von 100 kHz betrieben werden, kommt bei der erfindungsgemäßen Lösung eine Schaltfrequenz von 0,5 bis 2 Hz zur Anwendung. Durch die niedrige Schaltfrequenz reduzieren sich die Schaltverluste und es tritt eine Verbesserung des EMV-Verhaltens ein.
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In einer Weiterbildung sind mehrere Kondensatormodule kaskadierbar. Dadurch können mögliche Spannungen am Ausgang der Kondensatormodule variiert werden. Durch ein geeignetes Schaltermanagement der Last in der kaskadierten Kondensatorkette, die an eine Spannungsquelle mit einer großen Spannung geschaltet ist, wird einfach durch wechselnde Anschaltung der einzelnen Kondensatormodule ein Abwärtswandler realisiert.
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Vorteilhafterweise ist die Last zwischen dem Verbindungspunkt der Kondensatoren und einem diesem Verbindungspunkt abgewandten Ende einer der Kondensatoren potentialfrei angeschlossen, über welchem das zweite Spannungsniveau zur Versorgung der Last abgegriffen wird. Durch den potentialfreien Anschluss der Last wird sichergestellt, dass wirklich nur das zweite Spannungsniveau an der Last anliegt und diese mit Spannung versorgt.
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In einer Ausgestaltung weist der erste Kondensator eine höhere Spannung auf als der zweite Kondensator, wobei die Last über dem ersten Kondensator mit der höheren Spannung zum Abgriff des zweiten Spannungsniveaus angeschlossen ist. Die Spannungen, welche über den Kondensatoren abfallen, lassen sich einfach durch Verwendungen unterschiedlicher Lasten erzielen.
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In einer Weiterbildung ist die Schalteinrichtung von einer Steuereinheit ansteuerbar. Dadurch wird auf konstruktiv einfache Weise die Last von einem Kondensator auf den anderen umgeschaltet.
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Vorteilhafterweise misst die Steuereinheit die Spannung über dem ersten Kondensator und steuert bei einem Abfall der Spannung des ersten Kondensators auf eine Minimalspannung die Schalteinrichtung an, welche die Last über den zweiten Kondensator schaltet. Somit erfolgen die Schaltvorgänge in Abhängigkeit der Spannungen, welche über den beiden Kondensatoren abfallen.
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In einer Ausgestaltung steuert die Steuereinheit die Schalteinrichtung in Abhängigkeit der maximalen Spannungswelligkeit und/oder der Speicherkapazität der Kondensatoren und/oder der Größe der Last an, wobei die Umschaltung der Last durch die Schalteinrichtung von dem ersten auf den zweiten Kondensator und zurück erfolgt. Die Auswahl der verschiedenen Stellparameter erfolgt immer in Abhängigkeit der jeweils verwendeten Applikation.
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Vorteilhafterweise steuert die Steuereinrichtung die Schalteinrichtung in Abhängigkeit der Zyklenzahl der Kondensatoren. Die Berücksichtung der Schalthäufigkeit der Kondensatoren hat zur Folge, dass bei hoher Last und einer hohen Zyklenzahl des Kondensators eher umgeschaltet wird, als bei einer hohen Last und einer geringen Zyklenzahl des Kondensators.
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Eine weitere Weiterbildung der Erfindung betrifft ein Bordnetz eines Kraftfahrzeuges mit mindestens zwei Teilbordnetzen, wobei jedes Teilbordnetz ein anderes Spannungsniveau aufweist und ein mindestens zwei Kondensatoren aufweisender Spannungswandler die Spannung zwischen den beiden Spannungsniveaus anpasst, wobei ein erstes Spannungsniveau über einem der Kondensatoren von einer Last abgegriffen wird. Um herkömmliche Gleichspannungswandler zu ersetzen, ist die Last von einer Schalteinrichtung derart steuerbar, dass die Last das erste Spannungsniveau wechselweise über dem ersten oder dem zweiten Kondensator des Spannungswandlers abgreift. Somit ist ein hoher Leistungstransfer zwischen den Teilbordnetzen möglich. Ein zusätzlicher Einbauort, wie er bei voluminösen Gleichspannungswandlern nach dem Stand der Technik notwendig ist, ist nicht vorzusehen. Auch der Verkabelungsaufwand im Kraftfahrzeug vermindert sich in Folge der erfindungsgemäßen Lösung.
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Vorteilhafterweise ist eine Spannungsquelle, die das zweite Spannungsniveau bereitstellt, mit dem Spannungswandler verbunden. Die Spannungsquelle liefert ein konstantes zweites Spannungsniveau, so dass eine Beeinflussung des ersten Spannungsniveaus durch Spannungsschwankungen der Spannungsquelle unterbleibt.
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In einer Ausgestaltung umfassen die Kondensatoren jeweils Kondensatormodule, die aus in Reihe und parallel geschalteten und gegen Überspannung geschützten Doppelschichtkondensatorzellen (DLC-Module) bestehen. Diese Doppelschichtkondensatorzellen bieten eine preisgünstige Möglichkeit Spannungen zu wandeln. Solche Kondensatormodule weisen im Gegensatz zu den herkömmlichen DC/DC-Wandlern eine niedrige Schaltfrequenz auf. Durch die niedrige Schaltfrequenz reduzieren sich die Schaltverluste und es tritt eine Verbesserung des EMV-Verhaltens ein.
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In einer Weiterbildung sind n Kondensatoren in Reihe geschaltet, wobei n größer 2 ist und das durch Schaltungsnetzwerke das erste Spannungsniveau durch n dividiert an dem Ausgang eines Abwärtswandlers als zweites Spannungsniveau vorliegt. Durch die ständig wechselnde Umschaltung der Last von einem Kondensator zu dem anderen Kondensator ist immer eine ausreichende Versorgung. der Last mit dem für die Last erforderlichen ersten Spannungsniveau gegeben.
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Die Erfindung lässt zahlreiche Ausführungsformen zu. Eine davon soll anhand der in der Zeichnung dargestellten Figuren näher erläutert werden.
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Es zeigt:
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1: einen Spannungswandler nach dem Stand der Technik
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2: ein Ausführungsbeispiel für den erfindungsgemäßen Spannungswandler
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3: Prinzipdarstellung eines Abwärtswandlers
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4: Bordnetz mit einem ersten erfindungsgemäßen Abwärtswandler
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5: Bordnetz mit einem zweiten erfindungsgemäßen Abwärtswandler Gleiche Merkmale sind mit gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet.
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In 1 ist ein Spannungswandler nach dem Stand der Technik dargestellt. Ein Generator 1 ist parallel zu einer Batterie 2 geschaltet und versorgt die Batterie mit einer Spannung von 24 V. Die Batterie 2 hält diese Spannung von 24 V aufrecht und bildet somit ein erstes Spannungsniveau SN1. Der Generator 1 und die Batterie 2 sind einerseits mit Masse verbunden und führen andererseits an einen DC/DC-Wandler 3. Der DC/DC-Wandler 3 wandelt die Spannung von 24 V auf ein zweites Spannungsniveau SN2 von 12 V und führt diese an einen Glättungskondensator 4 und einen Hochleistungsverbraucher, welcher durch einen Lastwiderstand 5 dargestellt ist. Auch der Lastwiderstand 5 und der Glättungskondensator 4 sind mit Masse verbunden.
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Der erfindungsgemäße Unterschied zu dem Spannungswandler nach 1 ist in 2 dargestellt. Der Generator 1 und die Batterie 2 führen hierbei an einen Kondensatorwandler 6, der an Masse liegt. Der den Hochleistungsverbraucher repräsentierende Lastwiderstand 5 ist mit beiden Anschlüssen an den Kondensatorwandler 6 angeschlossen. Dabei beträgt das erste, von der Batterie 2 bereitgestellte Spannungsniveau SN1 24 V, während das zweite Spannungsniveau SN2, welches von dem Kondensatorwandler 6 aus dem ersten Spannungsniveau SN1 erzeugt wird, 12 V beträgt. Diese 12 V werden vom Lastwiderstand 5 an dem Kondensatorwandler 6 abgegriffen. Es handelt sich hierbei um einen Abwärtswandler für den Lastwiderstand 5, der nicht an ein Potential gebunden ist. Der Kondensatorwandler 6 umfasst dabei die Eigenschaften des DC/DC-Wandler 3 sowie des Glättungskondensators 4 aus dem Stand der Technik.
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Das Funktionsprinzip des Abwärtswandlers nach 2 soll mit Hilfe von 3 erläutert werden. Hierbei wird nur auf den Kondensatorwandler 6 abgestellt, der aus zwei Kondensatoren 7 und 8 besteht. Bei den vorgesehenen Kondensatoren 7 und 8 handelt es sich um Kondensatoren mit einem hohen Kapazitätswert und einem niedrigen Innenwiderstand. Besonders geeignet sind so genannte Doppelschichtkondensatoren mit einem Kapazitätswert von mindestens 10 F und höher. Besonders vorteilhaft umfassen solche Kondensatoren 7 und 8 so genannte Kondensatormodule, die aus in Reihe und parallel geschalteten und gegen Überspannung geschützten Doppelschichtkondensatorenzellen bestehen. Je größer die Kapazitätswerte der Kondensatoren 7 und 8 sind, desto geringer kann die Schaltfrequenz bei der Steuerung des vorgegebenen Lastwiderstandes 5 durch eine Schalteinrichtung sein. Die Steuerung durch die Schalteinrichtung wird später im Zusammenhang mit 4 und 5 erläutert.
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Die Kondensatoren 7 und 8 sind gemäß 3 in Reihe geschaltet. Sie werden über das erste Gleichspannungsniveau SN1 mit der Eingangsspannung Ue von 24 V versorgt. Nach Aufladung der beiden in Reihe geschalteten Kondensatoren 7 und 8 teilt sich die Eingangsspannung Ue zur Hälfte zu U7 = U8 = 12 V auf. Wird an den Kondensator 8 der Lastwiderstand 5 angeschlossen, wie es in der Abbildung a der 3 dargestellt ist, so fließt die Ladung ab und die Spannung U8 am Kondensator 8 vermindert sich beispielsweise auf 10 V. Die Spannung U7 am Kondenstor 7 erhöht sich entsprechend auf 14 V, da dieser Kondensator 7 durch die aus dem Kondensator 8 abfließende Ladung aufgeladen wird. Der an dem Kondensator 7 potentialfrei angeschlossene Lastwiderstand 5 arbeitet auf dem zweiten Spannungsniveau SN2 mit einer Ausgangsspannung Ua, die von 12 V auf 10 V abgesunken ist.
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Bei dieser Minimalspannung von 10 V wird der Lastwiderstand 5 durch Umschalten an den Kondensator 7 gelegt, der zu diesem Zeitpunkt eine Spannung U7 von 14 V aufweist und den Lastwiderstand 5 mit der Spannung Ua von 14 V bedient, was in der Abbildung b der 3 dargestellt ist. Die Summe der Spannungen U7 und U8 bleibt konstant 24 V und entspricht somit der Eingangsspannung Ue des Kondensatorwandlers 6, während sich die Spannung an dem Lastwiderstand 5 erhöht hat. Beim Anschluss des Lastwiderstandes 5 an den Kondensator 7 fließt die Ladung wieder zu dem Kondensator 8 ab, an welchem sich die Spannung allmählich wieder auf 14 V erhöht. Am Kondensator 7 verringert sich die Spannung allmählich, weswegen der Lastwiderstand 5 wieder auf den Kondensator 8 geschaltet wird. Durch ein Hin- und Herschalten des Lastwiderstandes 5 jeweils bei der Erreichung der Minimalspannung von 10 V wird eine sukzessive Versorgung des Lastwiderstandes 5 innerhalb des spezifizierten Spannungsbereiches zwischen 10 und 14 V von gemittelt Ue/2 = 12 V möglich.
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In 4 ist ein Bordnetz mit einer möglichen ersten Ausführung des erfindungsgemäßen Abwärtswandlers dargestellt. Die Batterie 2 liefert an den Kondensatorwandler 6 die Eingangsspannung Ue = 24 V, wobei die Batterie 2 mit ihren beiden Anschlüssen an den Kondensatorwandler 6 führt. Der Kondensatorwandler 6 umfasst zwei Kondensatoren 7 und 8, wobei zwei Mittelabgriffe zwischen den Kondensatoren 7 und 8 vorgesehen sind, wovon jeweils einer für je einen Wechselschalter 9 bzw. 10 bereitgestellt ist. Ein Außenabgriff des Kondensators 7 ist mit der Batterie 2 verbunden und führt ebenfalls an den Wechselschalter 9, welcher fest mit einem Ende des Lastwiderstandes 5 verdrahtet ist. Das andere Ende des Lastwiderstandes 5 ist fest mit dem Drehpunkt des Wechselschalters 10 verbunden, wobei der Wechselschalter 10 zwischen dem ersten Mittelabgriff und dem Außenabgriff des Kondensators 8 verschaltet ist, an welchem ebenfalls der zweite Anschluss der Batterie 2 angeschlossen ist. Die Wechselschalter 9 und 10 werden mittels eines Steuergerätes 11 gemäß der im Zusammenhang mit 3 erläuterten Methode wechselweise geschaltet, weshalb der Lastwiderstand 5 einmal über dem Kondensator 7 und ein anderes Mal über dem Kondensator 8 liegt. Somit wird hier die Last symmetrisch zur Masse geschaltet, indem einmal der Wechselschalter 9 an Masse geschaltet wird und das andere Mal der Wechselschalter 10.
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Neben dem in 3 beschriebenen Stellparameter der Minimalspannung Ua sind aber auch noch andere Schaltparameter möglich, mittels welchen das Steuergerät 11 den Lastwiderstand 5 hin- und herschaltet. Solche Schaltparameter bestehen in einer Umschaltfrequenz, welche immer dann realisiert ist, wenn die maximale Welligkeit der Ausgangsspannung Ua erreicht ist. Weitere Stellparameter können der Strom sein, welcher durch den Lastwiderstand 5 fließt oder die Kapazitäten, welche an den Kondensatoren 7 bzw. 8 anliegen.
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Eine unsymmetrische Lastaufschaltung zeigt der Abwärtswandler, der in 5 dargestellt ist. Dieser Abwärtswandler unterscheidet sich von dem Abwärtswandler gemäß 4 lediglich dahingehend, dass die Batterie 2 und der Kondensator 8 sowie der Außenabgriff des Wechselschalters 10 auf Masse liegen. Die Steuerung der Wechselschalter 9 und 10 erfolgt wie in den vorhergehenden Ausführungen beschrieben.
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Das beschriebene Prinzip ist auch in nicht Kraftfahrzeug-Anwendungen einsetzbar. So ist die Verwendung von kleineren Kondensatoren möglich, beispielsweise in der Mikroelektronik, wo der Spannungswandler auf einem Chip realisierbar ist, wobei aber die Schaltfrequenzen erhöht werden müssen. Auch ist das Prinzip auf andere Leistungsspeicher übertragbar, wie beispielsweise hochleistungsfähige Batterien.
