DE102011081720A1

DE102011081720A1 - Wandlerschaltung und Verfahren zum Übertragen von elektrischer Energie

Info

Publication number: DE102011081720A1
Application number: DE102011081720A
Authority: DE
Inventors: Hans Geyer
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2011-08-29
Filing date: 2011-08-29
Publication date: 2013-02-28
Also published as: US20140225432A1; WO2013029827A2; JP2014525728A; KR20140057298A; CN103765747A; WO2013029827A3; EP2751918A2

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Wandlerschaltung (50) zum Übertragen von elektrischer Energie, insbesondere zur Anwendung in einem Kraftfahrzeugbordnetz (38, 42), mit einer elektromagnetischen Übertragungseinheit (60), die drei elektromagnetische Übertragungsglieder (62, 64, 66) aufweist, die zur Übertragung von elektromagnetischer Energie elektromagnetisch miteinander koppelbar sind, wobei das erste elektromagnetische Übertragungsglied (62) mit einer ersten bidirektionalen Wandlerschaltung verbunden ist, die ein erstes Spannungsanschlusspolpaar (80) zum Anschließen einer Wechselspannungsquelle und/oder -senke (54) aufweist, wobei das zweite elektromagnetische Übertragungsglied (64) mit einer GleichrichterWandlerschaltung verbunden ist, die ausgangsseitig mit einem elektrischen Energiespeicher (88) verbunden ist, und wobei das dritte elektromagnetische Übertragungsglied (66) mit einer zweiten bidirektionalen Wandlerschaltung verbunden ist, die ein zweites Spannungspolpaar (96) zum Anschließen einer Gleichspannungsquelle und/oder -senke (98) aufweist, und mit einer Steuereinheit (100), die mit der ersten bidirektionalen Wandlerschaltung, der zweiten bidirektionalen Wandlerschaltung und der Gleichrichter-Wandlerschaltung verbunden ist, um den Austausch von elektrischer Energie zwischen der Wechselspannungsquelle und/oder -senke (54), der Gleichspannungsquelle und/oder -senke (98) und/oder dem elektrischen Energiespeicher (88) zu steuern.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Wandlerschaltung zum Übertragen von elektrischer Energie mittels einer elektromagnetischen Übertragungseinheit.
Ferner betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Übertragen von elektrischer Energie mittels einer Wandlerschaltung der oben beschriebenen Art.
Schließlich betrifft die vorliegende Erfindung ein Kraftfahrzeugspannungsbordnetz mit einer Wandlerschaltung zum Übertragen von elektrischer Energie der oben beschriebenen Art.
Stand der Technik
Auf dem Gebiet der Kraftfahrzeugantriebstechnik ist es allgemein bekannt, eine elektrische Maschine als Antrieb zu verwenden und diese elektrische Maschine mit einer Hochspannungsbatterie mit elektrischer Energie zu versorgen. Dabei ist üblicherweise die Hochspannungsbatterie einem Hochspannungsbordnetz zugeordnet, das eine Spannung von mehr als 120 Volt aufweist. Es ist ferner allgemein bekannt, parallel zu dem Hochspannungsbordnetz ein Niederspannungsbordnetz mit einer Gleichspannung von 12 Volt vorzusehen, in dem wenigstens eine Niederspannungsversorgungsbatterie vorgesehen ist, um das Niederspannungsbordnetz mit elektrischer Energie zu versorgen.
Ferner ist es allgemein bekannt, die Hochvoltbatterie und/oder die Niedervoltbatterie eines Kraftfahrzeugs über ein öffentliches Energienetz mit elektrischer Energie zu versorgen und dadurch die entsprechende Batterie aufzuladen.
Aus der US 2007/0276556 A1 ist ein Spannungsbordnetz eines elektrisch angetriebenen Kraftfahrzeugs bekannt, bei dem mittels eines Gleichspannungswandlers elektrische Energie zwischen einem Hochspannungsbordnetz und einem Niederspannungsbordnetz ausgetauscht wird.
Nachteilig bei den bekannten Systemen ist es, dass jedem der Bordnetze bzw. jeder der Batterien separate Ladevorrichtungen zugeordnet sind und ein flexibler Austausch von elektrischer Energie zwischen den Bordnetzen und einer externen elektrischen Energiequelle nicht oder mit erhöhtem technischen Aufwand realisiert werden kann.
Offenbarung der Erfindung
Die vorliegende stellt daher eine Wandlerschaltung zum Übertragen von elektrischer Energie, insbesondere zur Anwendung in einem Kraftfahrzeugbordnetz, bereit, mit einer elektromagnetischen Übertragungseinheit, die wenigstens drei elektromagnetische Übertragungsglieder aufweist, die zur Übertragung von elektrischer Energie elektromagnetisch miteinander koppelbar sind, wobei das erste elektromagnetische Übertragungsglied mit einer ersten bidirektionalen Wandlerschaltung verbunden ist, die ein erstes Spannungsanschlusspolpaar (80) zum Anschließen einer Wechselspannungsquelle und/oder -senke (54) aufweist, wobei das zweite elektromagnetische Übertragungsglied (64) mit einer Gleichrichter-Wandlerschaltung verbunden ist, die ausgangsseitig mit einem elektrischen Energiespeicher (88) verbunden ist, und wobei das dritte elektromagnetische Übertragungsglied (66) mit einer zweiten bidirektionalen Wandlerschaltung verbunden ist, die ein zweites Spannungspolpaar (96) zum Anschließen einer Gleichspannungsquelle und/oder -senke (98) aufweist, und mit einer Steuereinheit, die mit der ersten bidirektionalen Wandlerschaltung, der zweiten bidirektionalen Wandlerschaltung und mit der Gleichrichterwandlerschaltung verbunden ist, um den Austausch von elektrischer Energie zwischen der Wechselspannungsquelle und/oder -senke, der Gleichspannungsquelle und/oder -senke und/oder dem elektrischen Energiespeicher zu steuern.
Ferner wird erfindungsgemäß daher ein Verfahren zum Übertragen von elektrischer Energie mittels einer Wandlerschaltung der oben beschriebenen Art bereitgestellt, wobei die elektrische Energie zwischen der Wechselspannungsquelle und/oder -senke, der Gleichspannungsquelle und/oder -senke und/oder dem elektrischen Energiespeicher ausgetauscht wird.
Schließlich stellt die vorliegende Erfindung daher ein Kraftfahrzeug-Spannungsbordnetz mit einer Wandlerschaltung der oben beschriebenen Art bereit.
Vorteile der Erfindung
Durch die gemeinsame elektromagnetische Übertragungseinheit können bestimmte Komponenten gemeinsam genutzt werden und separate aufwändige Wandlereinheiten eingespart werden, wodurch der technische Aufwand, Kosten und Gewicht des Kraftfahrzeugs reduziert werden können. Ferner können durch die Steuerung der unterschiedlichen Komponenten der Wandlerschaltung unterschiedliche Energieflussrichtungen eingestellt werden, wodurch der Austausch von elektrischer Energie innerhalb des Fahrzeugs und mit einer externen Spannungsquelle flexibel realisiert werden kann.
Es ist von besonderem Vorzug, wenn die erste bidirektionale Wandlerschaltung eine elektronische H-Brückenschaltung bzw. einen Vierquadrantensteller, einen Wechselrichter und einen Gleichrichter aufweist, wobei zwischen dem Wechselrichter und dem Gleichrichter je nach Leistungsflussrichtung umschaltbar ist.
Dadurch kann die elektromagnetische Übertragungseinheit mit einer externen Wechselspannungsquelle und/oder -senke verbunden werden und elektrische Energie von der externen Quelle auf die elektromagnetische Übertragungseinheit übertragen werden und von der elektromagnetischen Übertragungseinheit elektrische Energie an die externe Energiequelle übertragen werden.
Dabei ist es von besonderem Vorzug, wenn der Gleichrichter mit einer Blindleistungskompensationsschaltung verbunden ist.
Dadurch kann die von der Wechselspannungsquelle und/oder -senke entnommene Blindleistung reduziert werden, da dadurch die gesamte Wandlerschaltung wie eine ohmsche Last wirkt.
Von besonderem Vorzug ist es weiterhin, wenn die zweite bidirektionale Wandlerschaltung eine elektronische H-Brückenschaltung bzw. einen Vierquadrantensteller und einen Gleichspannungswandler aufweist.
Dadurch kann mit einfachen Mitteln bidirektional eine Wechselspannung in eine Gleichspannung gewandelt werden und die so gewandelte Gleichspannung an die Spannung des angeschlossenen Bordnetzes angepasst werden.
Es ist weiterhin bevorzugt, wenn die elektromagnetische Übertragungseinheit als Transformator ausgebildet ist und die elektromagnetischen Übertragungsglieder als Spulen ausgebildet sind.
Dadurch kann mit einfachen Mitteln elektrische Energie in beliebiger Richtung von einem der Übertragungsglieder auf ein oder zwei der anderen Übertragungsglieder übertragen werden.
Es ist weiterhin allgemein bevorzugt, wenn die Wandlerschaltung dazu ausgebildet ist, elektrische Leistung von der Wechselspannungsquelle und/oder -senke oder von der Gleichspannungsquelle und/oder -senke auf die beiden jeweiligen anderen an der elektromagnetischen Übertragungseinheit angeschlossenen Komponenten oder eine der beiden anderen Komponenten zu übertragen.
Dadurch kann je nach Bedarf und Verfügbarkeit elektrische Energie von einer beliebigen Komponente auf eine oder zwei andere Komponenten übertragen werden, wodurch im Allgemeinen die Flexibilität der Gesamtwandlerschaltung erhöht ist.
Es ist ferner bevorzugt, wenn das erste Spannungspolpaar mit einer Hochspannungsbatterie verbunden ist und der elektrische Energiespeicher eine Niederspannungsbatterie ist.
Dadurch kann mittels der Wandlerschaltung mit einfachen Mitteln elektrische Energie zwischen der Hochspannungsbatterie des Hochspannungsbordnetzes und der Niederspannungsbatterie des Niederspannungsbordnetzes ausgetauscht werden.
Es ist ferner bevorzugt, wenn das erste Spannungspolpaar mit einem Mehrphasenwechselrichter verbunden ist, um eine Mehrphasenwechselspannung bereitzustellen.
Dadurch können auch Mehrphasenverbraucher, wie z.B. Drehstrommschinen von der Wandlerschaltung mit elektrischer Energie versorgt werden und es können ferner hohe Teillast-Wirkungsgrade realisiert werden.
Es ist weiterhin bevorzugt, wenn die erste bidirektionale Wandlerschaltung und/oder die zweite bidirektionale Wandlerschaltung als Resonanzwandler ausgebildet ist.
Dadurch kann der Wirkungsgrad der entsprechenden Wandlerschaltungen erhöht werden. Weiterhin ist es bei dem Kraftfahrzeug-Spannungsbordnetz gemäß der vorliegenden Erfindung von besonderem Vorzug, wenn die Steuereinheit über ein Kraftfahrzeug-Bordnetzwerk mit den Wandlern verbunden ist.
Dadurch kann der Verkabelungsaufwand mit entsprechenden Steuerleitungen reduziert werden und die angesteuerten Komponenten der Wandlerschaltung an beliebigen Positionen im Kraftfahrzeug verbaut werden, ohne dass sich der Verkabelungsaufwand erhöht.
Es versteht sich, dass die Merkmale, Eigenschaften und Vorteile der erfindungsgemäßen Wandlerschaltung auch entsprechend auf das erfindungsgemäße Verfahren zutreffen bzw. anwendbar sind.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 zeigt in schematischer Form ein Kraftfahrzeug mit einem Hybridantriebstrang und mit einem Hochspannungsbordnetz und einem Niederspannungsbordnetz;
2 zeigt in schematischer Form eine Wandlerschaltung zum Austauschen von elektrischer Energie zwischen einer externen Spannungsquelle und/oder -senke und dem Hochspannungsbordnetz und dem Niederspannungsbordnetz des Kraftfahrzeugs.
Ausführungsformen der Erfindung
In 1 ist ein Kraftfahrzeug schematisch dargestellt und allgemein mit 10 bezeichnet. Das Kraftfahrzeug 10 weist einen Antriebsstrang 12 auf, der im vorliegenden Fall eine elektrische Maschine 14 und einen Verbrennungsmotor 16 zur Bereitstellung von Antriebsleistung beinhaltet. Der Antriebsstrang 12 dient zum Antreiben von angetriebenen Rädern 18L, 18R des Fahrzeugs 10.
Der Verbrennungsmotor 16 ist über eine Kurbelwelle 20 mit der elektrischen Maschine 14 verbunden bzw. verbindbar, wobei der Verbrennungsmotor 16 und die elektrische Maschine 14 an einer Abtriebswelle 22 ein Drehmoment t bereitstellen, die mit einer einstellbaren Drehzahl dreht. Die Abtriebswelle 22 ist mit einer Getriebeeinheit 24 verbunden bzw. verbindbar, um das Drehmoment t auf die angetriebenen Räder 18R, 18L zu übertragen. Die Kurbelwelle 20 und die Abtriebswelle 22 weisen im vorliegenden Fall jeweils eine Kupplung 26, 28 auf, um den Verbrennungsmotor 16 mit der elektrischen Maschine 14 bzw. die elektrische Maschine 14 mit der Getriebeeinheit 24 zu verbinden.
Der Antriebsstrang 12 kann dazu eingerichtet sein, das Fahrzeug 10 alleine mittels der elektrischen Maschine 16 anzutreiben (Elektrofahrzeug). Alternativ kann die elektrische Maschine 16 wie in dem vorliegenden Fall Teil eines Hybrid-Antriebsstrangs 12 sein.
Die Kurbelwelle 20 ist mittels der Kupplung 26 mit einem Rotor der elektrischen Maschine 14 verbunden bzw. verbindbar, um eine Drehzahl bzw. ein Drehmoment auf die elektrische Maschine 14 zu übertragen. Der Rotor der elektrischen Maschine 14 ist mit der Abtriebswelle 22 verbunden, um das Drehmoment t auf die Getriebeeinheit 24 zu übertragen. Das Drehmoment t wird dabei durch die Summe der von dem Verbrennungsmotor 16 und der elektrischen Maschine 14 bereitgestellten einzelnen Drehmomente gebildet.
Im motorischen Betrieb erzeugt die elektrische Maschine 14 ein Antriebsmoment, das den Verbrennungsmotor 16, zum Beispiel in einer Beschleunigungsphase, unterstützt. Im generatorischen bzw. Rekuperationsbetrieb erzeugt die elektrische Maschine 14 elektrische Energie, die im Allgemeinen dem Fahrzeug 10 zur Verfügung gestellt wird.
Der Verbrennungsmotor 16 wird durch einen Kraftstofftank 30 mit Kraftstoff versorgt.
Die elektrische Maschine 14 kann ein- oder mehrphasig ausgebildet sein und wird mittels einer Leistungselektronik 32 bzw. eines Inverters 32 angesteuert und mit elektrischer Energie versorgt. Die Leistungselektronik 32 ist mit einer Energieversorgungseinheit 34 wie einer Gleichspannungsversorgung (z.B. Akkumulator bzw. Batterie) 34 des Fahrzeugs 10 verbunden und dient dazu, eine von der Energieversorgungseinheit 34 bereitgestellte Spannung in Wechselstrom im Allgemeinen bzw. in eine Anzahl von Phasenströmen für die Phasen der elektrischen Maschine 14 umzurichten. Die Energieversorgungseinheit 34 ist mit einem Batteriesteuergerät 36 verbunden, das dazu ausgebildet ist, die Energieversorgung der elektrischen Maschine 14 über die Leistungselektronik 32 und den Ladezustand der Energieversorgungseinheit 34 zu steuern. Die Leistungselektronik 32 ist ferner dazu ausgebildet, im Rekuperationsbetrieb der elektrischen Maschine 14, die Energieversorgungseinheit 34 durch die von der elektrischen Maschine 14 erzeugte elektrische Energie aufzuladen.
Die Energieversorgungseinheit 34, die Leistungselektronik 32 und das Batteriesteuergerät 36 sind Teil eines Hochspannungsbordnetzes 38 des Kraftfahrzeugs 10.
Das Kraftfahrzeug 10 weist ferner eine Niederspannungsversorgungseinheit 40 (z.B. Batterie) auf, die ein Niederspannungsbordnetz 42 des Kraftfahrzeugs 10 mit einer entsprechenden Spannung versorgt. Das Hochspannungsbordnetz 38 ist mittels eines Wandlers 50 mit dem Niederspannungsbordnetz 42 verbunden, um elektrische Energie zwischen den beiden Bordnetzen 38, 42 auszutauschen.
Der Wandler 50 ist ferner mittels einer Verbindungseinheit 52 mit einer externen Energiequelle und/oder -senke 54 verbindbar. Diese externe Energiequelle und/oder -senke ist vorzugsweise ein öffentliches Wechselspannungsnetz 54, das elektrische Energie über den Wandler 50 in die Spannungsbordnetze 38, 42 übertragen kann und in das elektrische Energie aus den Spannungsbordnetzen 38, 42 übertragen werden kann. Dadurch kann überschüssige Energie aus dem Kraftfahrzeug 10 abgeführt werden oder die Energieversorgungseinheiten 34, 40 können über die elektrische Energiequelle und/oder -senke aufgeladen werden.
Im Ergebnis kann somit zwischen den drei Energienetzen 38, 40, 54 beliebig elektrische Energie ausgetauscht werden.
2 zeigt in schematischer Form eine Ausführungsform des Wandlers 50 zum Übertragen von elektrischer Energie.
Der Wandler 50 weist eine elektromagnetische Übertragungseinheit 60 auf, die drei elektromagnetische Übertragungsglieder 62, 64, 66 aufweist. Die elektromagnetischen Übertragungsglieder 62, 64, 66 sind jeweils durch eine Spule 62, 64, 66 gebildet und elektromagnetisch miteinander gekoppelt, vorzugsweise über einen Eisenkern 68.
Die erste Spule 62 ist verbunden mit einer elektronischen H-Brückenschaltung 70, die auch als Vierquadrantensteller 70 ausgebildet sein kann. Die H-Brückenschaltung 70 wandelt eine Gleichspannung in eine Wechselspannung und ist dazu ausgebildet, elektrische Energie in beide Richtungen zu übertragen. Demnach stellt die H-Brückenschaltung der ersten Spule 62 eine Wechselspannung bereit und kann eine Wechselspanning von der Spule 62 in eine Gleichspannung wandeln. Die H-Brückenschaltung 70 ist mit einem Zwischenkreiskondensator 72 verbunden und stellt diesem die Gleichspannung bereit. Der Zwischenkreiskondensator ist mit einem Wechselrichter 74 und mit einer Blindleistungskompensationsschaltung 76 verbindbar, wobei je nach Übertragungsrichtung der elektrischen Energie der Zwischenkreiskondensator 72 mit dem Wechselrichter 74 oder der Blindleistungskompensationsschaltung 76 verbunden ist. Die Blindleistungskompensationsschaltung 76 ist ferner über einen Gleichrichter 78 mit einem Wechselspannungspolpaar 80 verbunden. Der Wechselrichter 74 ist ebenfalls mit dem Wechselspannungspolpaar 80 verbunden bzw. verbindbar.
Das Wechselspannungspolpaar 80 entspricht im Prinzip der Verbindungseinheit 52 und ist verbindbar mit einer externen Spannungsquelle und/oder -senke, die vorzugsweise durch das öffentliche Wechselspannungsnetz 54 gebildet ist.
Sofern elektrische Energie von dem öffentlichen Netz 54 auf den Wandler 50 bzw. auf angeschlossene Komponenten übertragen werden soll, wird die Wechselspannung an den Wechselspannungsklemmen 80 mittels des Gleichrichters 78 in eine Gleichspannung gewandelt. Durch die Blindleistungskompensationsschaltung wirkt der gesamte Wandler 50 wie eine ohmsche Last und die Aufnahme von Blindleistung kann durch diese Blindleistungskompensationsschaltung 76 verhindert werden. Die Blindleistungskompensationsschaltung 76 ist in diesem Fall über den Zwischenkreiskondensator 72 mit der H-Brückenschaltung 70 verbunden, um die Gleichspannung in eine Wechselspannung zu wandeln, die auf die erste Spule 62 übertragen wird. So kann elektrische Energie von dem öffentlichen Wechselspannungsnetz 54 auf den Wandler 50 bzw. die elektromagnetische Übertragungseinheit 60 übertragen werden.
Sofern elektrische Energie von der elektromagnetischen Übertragungseinheit 60 auf das öffentliche Netz 54 übertragen werden soll, wird die Zwischenkreiskapazität 72 von der Blindleistungskompensationsschaltung 76 entkoppelt und mit dem Wechselrichter 74 verbunden. Der Wechselrichter 74 ist mit dem Wechselspannungspolpaar 80 verbunden. In diesem Fall wandelt die H-Brückenschaltung 70 die Wechselspannung, die von der ersten Spule 62 bereitgestellt wird, in eine Gleichspannung um, wobei die Gleichspannung von dem Wechselrichter 74 in eine Wechselspannung gewandelt wird und auf das Wechselspannungspolpaar 80 übertragen wird. Somit kann elektrische Energie sowohl ein- als auch ausgekoppelt werden.
Das zweite elektromagnetische Übertragungsglied 64 ist als Spule 64 ausgebildet und verbunden mit einem Wechselrichter 82, der ausgangsseitig über eine Zwischenkreiskapazität 84 und einen Filter 86 mit einem elektrischen Energiespeicher 88 verbunden ist. Der Gleichrichter 82 wandelt die von der zweiten Spule 64 bereitgestellte Wechselspannung in eine Gleichspannung und überträgt die Gleichspannung über den Zwischenkreiskondensator 84 und den Filter 86 auf den elektrischen Energiespeicher 88, um diesen entsprechend zu laden. Der Energiespeicher 88 ist vorzugsweise als Niederspannungsbatterie 88 ausgebildet und entspricht im Wesentlichen der Niederspannungsversorgungseinheit 40 aus 1. Systembedingt kann von der zweiten Spule 64 lediglich elektrische Energie auf den elektrischen Energiespeicher 88 übertragen werden, jedoch nicht in die entgegengesetzte Richtung. In einer alternativen Ausführungsform ist der Gleichrichter 82 als elektronische H-Brückenschaltung oder Vierquadrantensteller ausgebildet, so dass auch elektrische Energie von dem Energiespeicher 88 auf die elektromagnetische Übertragungseinheit 60 und entsprechend auf die anderen Komponenten übertragen werden kann.
Das dritte elektromagnetische Übertragungsglied 66 ist als dritte Spule 66 ausgebildet und mit einer zweiten elektronischen H-Brückenschaltung 90 verbunden, die auch als Vierquadrantensteller 90 ausgebildet sein kann. Ausgangsseitig ist die H-Brückenschaltung 90 über eine Zwischenkreiskapazität 92 mit einem Gleichspannungswandler 94 verbunden. Der Gleichspannungswandler 94 ist mit einem Gleichspannungspolpaar 96 verbunden. An dem Gleichspannungspolpaar 96 ist ein elektrischer Energiespeicher 98 angeschlossen, der vorzugsweise als Hochspannungsbatterie 98 ausgebildet ist. An dem Gleichspannungspolpaar 96 kann ferner über einen entsprechenden Gleichrichter bzw. eine entsprechende Leistungselektronik, wie z.B. die Leistungselektronik 32, die elektrische Maschine 14 angeschlossen sein. Durch die H-Brückenschaltung 90 und den Gleichspannungswandler 94 ist elektrische Energie von dem Gleichspannungspolpaar 96 auf die dritte Spule 66 übertragbar und in entgegengesetzter Richtung von der dritten Spule 66 auf das Gleichspannungspolpaar 96 übertragbar. Dadurch kann elektrische Energie sowohl von der Hochspannungsbatterie 98 bzw. der angeschlossenen elektrischen Maschine 14 auf die elektromagnetische Übertragungseinheit 60 und die angeschlossenen Komponenten übertragen werden als auch elektrische Energie von der elektromagnetischen Übertragungseinheit 60 auf das Gleichspannungspolpaar 96 und die angeschlossene Hochspannungsbatterie 98 bzw. die angeschlossene elektrische Maschine 14 übertragen werden.
Der Wandler 50 weist ferner eine Steuereinheit 100 auf, die mit dem Wechselrichter 74, der Blindleistungskompensationsschaltung 76, der H-Brückenschaltung 70, dem Filter 86, dem Gleichrichter 82, der H-Brückenschaltung 90 und dem Gleichspannungswandler 94 verbunden ist. Die Steuereinheit 100 ist somit dazu in der Lage, sämtliche Komponenten des Wandlers 50 zu steuern, um entsprechend elektrische Energie beliebig zwischen den Komponenten auszutauschen. Insbesondere wird in einer ersten Einstellung elektrische Energie von dem öffentlichen Netz bzw. der externen Wechselspannungsquelle und/oder -senke 54 auf die Hochspannungsbatterie 98 übertragen, um diese entsprechend aufzuladen. Ferner wird in einer zweiten Einstellung elektrische Energie von der Hochspannungsbatterie 98 auf die Niederspannungsbatterie 88 übertragen, um diese aufzuladen. Ferner wird in einer dritten Einstellung elektrische Energie von der externen Wechselspannungsquelle 54 und/oder -senke sowohl auf die Hochspannungsbatterie 98 als auch auf die Niederspannungsbatterie 88 übertragen, um diese Energiespeicher aufzuladen. Ferner wird in einer vierten Einstellung elektrische Energie von der Hochspannungsbatterie 98 oder der elektrischen Maschine 14 sowohl auf die Niederspannungsbatterie 88 als auch auf das öffentliche Netz 54 übertragen bzw. in dieses eingespeist. Ferner wird bei einer fünften Einstellung elektrische Energie von der Hochspannungsbatterie 98 auf das öffentliche Netz 54 übertragen bzw. in das öffentliche Netz 54 eingespeist.
Somit kann mittels des Wandlers 50 elektrische Energie beliebig zwischen den einzelnen Komponenten ausgetauscht werden.
Die erfindungsgemäße Wandlerschaltung 10 ist grundsätzlich nicht auf drei elektromagnetische Übertragungsglieder 62, 64, 66 beschränkt. In einer Ausführungsform kann die elektromagnetische Übertragungseinheit 60 auch mehr Übertragungsglieder 62, 64, 66 aufweisen, die mit einsprechenden Wandlerschaltungen verbunden sind, um elektrische Energie von der Übertragungseinheit 60 aufzunehmen oder dieser zuzuführen.
Durch Anschluss entsprechender Adaptermodule an die elektromagnetische Übertragungseinheit 60 oder die entsprechenden Spannungspolpaare 80, 96 kann der Wandler alternativ an beliebige Gleichspannungs- und/oder Wechselspannungsquellen wie Solaranlagen, Brennstoffzellen, Quick-Charger-Ladeeinheiten oder ähnliches unter Umgehung vielstufiger verlustbehafteter Wechselrichter oder Zwischenwandler angekoppelt werden. Durch entsprechende Auslegung des Wandlers 50 kann das Wechselspannungspolpaar 80 an beliebige Spannungsnetze weltweit angeschlossen werden.
Ferner ist das Gesamtprinzip auch auf Mehrfachwandler übertragbar, um einen hohen Teillastwirkungsgrad zu erzielen. Entsprechend müsste der Steueraufwand für die Steuereinheit 100 angepasst werden. Grundsätzlich können die Spulen 62, 64, 66 auch mit einem Resonanzwandler verbunden werden, um den Wirkungsgrad entsprechend zu erhöhen.
Die Steuereinheit 100 ist mit den entsprechenden Komponenten vorzugsweise über ein Fahrzeugkommunikationsnetz (LEN, CAN, Flexray oder Ähnliches) verbunden.
Entsprechend leistungsfähige Mikrocontroller für das System-Controlling und gleichzeitiges Ausführung von Online-Regelungsaufgaben können eingesetzt werden, so dass mit geringem Hardwareaufwand die Gesamtsteuerung dargestellt werden kann. Ebenso sind steuereinheitsseitig Kraftfahrzeugtypische Maßnahmen bezüglich der Sicherheit sowie Reset- und Wiederanlauf vorzuhalten. Die Stromversorgung der Controllereinheit erfolgt über das Bordnetz und die galvanisch entkoppelte Ansteuerung der einzelnen Halbleiterschalter erfolgt über handelsübliche, isolierende Gatetreiber.
Die Summe der Teilleistungsflüsse durch die Wandler 70, 82, 90 bzw. die angeschlossenen Spulen 62, 64, 66 ist immer kleiner als ein vordefinierter Wert, der durch die Systemauslegung bestimmt ist. Folglich bleibt die Summe der Leistungsflüsse immer kleiner als der vordefinierte Maximalwert.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 2007/0276556 A1 [0006]

Claims

Wandlerschaltung (50) zum Übertragen von elektrischer Energie, insbesondere zur Anwendung in einem Kraftfahrzeugbordnetz (38, 42), mit einer elektromagnetischen Übertragungseinheit (60), die wenigstens drei elektromagnetische Übertragungsglieder (62, 64, 66) aufweist, die zur Übertragung von elektromagnetischer Energie elektromagnetisch miteinander koppelbar sind, wobei das erste elektromagnetische Übertragungsglied (62) mit einer ersten bidirektionalen Wandlerschaltung verbunden ist, die ein erstes Spannungsanschlusspolpaar (80) zum Anschließen einer Wechselspannungsquelle und/oder -senke (54) aufweist, wobei das zweite elektromagnetische Übertragungsglied (64) mit einer GleichrichterWandlerschaltung verbunden ist, die ausgangsseitig mit einem elektrischen Energiespeicher (88) verbunden ist, und wobei das dritte elektromagnetische Übertragungsglied (66) mit einer zweiten bidirektionalen Wandlerschaltung verbunden ist, die ein zweites Spannungspolpaar (96) zum Anschließen einer Gleichspannungsquelle und/oder -senke (98) aufweist, und mit einer Steuereinheit (100), die mit der ersten bidirektionalen Wandlerschaltung, der zweiten bidirektionalen Wandlerschaltung und der Gleichrichter-Wandlerschaltung verbunden ist, um den Austausch von elektrischer Energie zwischen der Wechselspannungsquelle und/oder -senke (54), der Gleichspannungsquelle und/oder -senke (98) und/oder dem elektrischen Energiespeicher (88) zu steuern.
Wandlerschaltung nach Anspruch 1, wobei die erste bidirektionale Wandlerschaltung eine elektronische H-Brückenschaltung (70) bzw. einen Vierquadrantensteller (70), einen Wechselrichter (74) und einen Gleichrichter (78) aufweist, wobei zwischen dem Wechselrichter (74) und dem Gleichrichter (78) je nach Leistungsflussrichtung umschaltbar ist.
Wandlerschaltung nach Anspruch 2, wobei der Gleichrichter (78) mit einer Blindleistungskompensationsschaltung (76) verbunden ist.
Wandlerschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die zweite bidirektionale Wandlerschaltung eine elektronische H-Brückenschaltung (90) bzw. einen Vierquadrantensteller (90) und einen Gleichspannungswandler (94) aufweist.
Wandlerschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die elektromagnetische Übertragungseinheit (60) als Transformator (60) ausgebildet ist und die elektromagnetischen Übertragungsglieder (62, 64, 66) als Spulen (62, 64, 66) ausgebildet sind.
Wandlerschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Wandlerschaltung dazu ausgebildet ist, elektrische Leistung von der Wechselspannungsquelle und/oder -senke (54) oder von der Gleichspannungsquelle und/oder -senke (98) auf die beiden jeweils anderen an der elektromagnetischen Übertragungseinheit (60) angeschlossenen Komponenten (54, 88, 98) oder eine der beiden anderen Komponenten (54, 88, 98) zu übertragen.
Wandlerschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei das zweite Spannungspolpaar (96) mit einer Hochspannungsbatterie (98) verbunden ist und wobei der elektrische Energiespeicher (88) eine Niederspannungsbatterie (88) ist.
Wandlerschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei das zweite Spannungspolpaar (96) mit einem Mehrphasenwechselrichter verbunden ist, um eine Mehrphasenwechselspannung bereitzustellen.
Wandlerschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei die erste bidirektionale Wandlerschaltung (70) und/oder die zweite bidirektionale Wandlerschaltung als Resonanzwandler ausgebildet ist.
Verfahren zum Übertragen von elektrischer Energie mittels einer Wandlerschaltung (50) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei die elektrische Energie zwischen der Wechselspannungsquelle und/oder -senke (54), der Gleichspannungsquelle und/oder -senke (98) und/oder dem elektrischen Energiespeicher (88) ausgetauscht wird.
Kraftfahrzeug-Spannungsbordnetz (38, 42) mit einer Wandlerschaltung (50) nach einem der Ansprüche 1 bis 9.
Kraftfahrzeug-Spannungsbordnetz nach Anspruch 11, wobei die Steuereinheit (100) über ein Kraftfahrzeug-Bordnetzwerk mit den Wandlerschaltungen (70, 82, 90) verbunden ist.