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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Energieübertragungsanordnung mit einer elektromagnetischen Wandlereinheit, die eingangsseitig mit einer Wechselspannungsquelle koppelbar ist.
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Stand der Technik
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Auf dem Gebiet der Kraftfahrzeugantriebstechnik ist es allgemein bekannt, eine elektrische Maschine als alleinigen Antrieb oder gemeinsam mit einem Antriebsmotor eines anderen Typs (Hybridantrieb) zu verwenden. In derartigen Elektro- oder Hybridfahrzeugen werden typischerweise elektrische Drehfeldmaschinen als Antriebsmotor verwendet. Zur Ansteuerung solcher Drehfeldmaschinen in einem Kraftfahrzeug dient eine Leistungselektronik, die einen Wechselrichter beinhaltet, der die Gleichspannung / den Gleichstrom einer an Bord des Kraftfahrzeuges befindlichen Hochvoltbatterie in einen Wechselstrom umwandelt. Der Wechselrichter wird dabei von einem Steuergerät derart angesteuert, dass die elektrische Maschine im Motorbetrieb ein bestimmtes Drehmoment bei einer bestimmten Drehzahl an einer Abtriebswelle der elektrischen Maschine erzeugt. Somit stellt die Hochvoltbatterie des Kraftfahrzeugs die zum Antreiben des Kraftfahrzeugs notwendige Energie bereit. Aus diesem Grund muss die Hochvoltbatterie bei Elektrofahrzeugen oder Plug-in-Hybridfahrzeugen regelmäßig je nach Ladezustand über ein entsprechendes Batterieladegerät mit einem elektrischen Energieversorgungsnetz verbunden werden, um die Hochvoltbatterie mit elektrischer Energie zu laden.
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Neben dem Batterieladegerät zum Laden der Hochvoltbatterie verfügen Elektro- und Plug-in-Hybridfahrzeuge üblicherweise über einen Bordnetz-DC/DC-Wandler, der dazu ausgebildet ist, elektrische Energie von der Hochvoltbatterie in ein Niederspannungsbordnetz (typischerweise mit einer Gleichspannung von 12 V) einzuspeisen. Das Niederspannungsbordnetz dient dabei zur Versorgung der im Kraftfahrzeug befindlichen Verbraucher und weist üblicherweise eine Niedervoltbatterie auf, die das Niederspannungsbordnetz mit elektrische Energie versorgt.
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Der DC/DC-Wandler wird beispielsweise in einem Leistungsbereich von 1,5 bis 2,5 kW betrieben. Dabei wird der maximale Strom in der Regel auf der Sekundärseite begrenzt (zum Beispiel auf 120 A). Das Batterieladegerät zum Laden der Hochvoltbatterie wird standardmäßig einphasig ausgeführt und weist eine typische Ladeleistung von ca. 3,5 kW auf.
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Eine bekannte Bordnetz-Topologie einer Fahrzeugleistungselektronik ist zum Beispiel so ausgeführt, dass das Ladegerät und der DC/DC-Wandler unabhängige Geräte bilden, die über die Hochvoltbatterie bzw. einen Zwischenkreiskondensator verbunden sind. Aus Sicherheitsgründen müssen sowohl das Ladegerät als auch der DC/DC-Wandler galvanisch getrennt ausgeführt werden. Die galvanische Trennung wird üblicherweise mithilfe eines Transformators realisiert. Somit kann auch das Ladegerät in Form eines galvanisch getrennten DC/DC-Wandlers umgesetzt werden. Neben den beiden DC/DC-Wandlern verfügen bekannte Bordnetz-Topologien über zusätzliche Spannungsanpassstufen (zum Beispiel Hochsetzsteller, Tiefsetzsteller) und weitere elektrische Schaltungen, die zum Beispiel zur Erhöhung des so genannten Leistungsfaktors eingesetzt werden.
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Wird das Elektro- oder Plug-in-Hybridfahrzeug mit dem Energieversorgungsnetz verbunden, um die Hochvoltbatterie zu laden, so muss das Niederspannungsbordnetz während dieses Ladevorgangs gestützt werden, da bestimmte Verbraucher (zum Beispiel Pumpen, Lüfter, Steuerelektronik) weiterhin aktiv sind. Der Leistungsbedarf für die Stützung des Niederspannungsbordnetzes ist jedoch relativ gering und bewegt sich beispielsweise in einem Bereich von 200 bis 400 W. Dabei ist der Wirkungsgrad der Energieübertragung von dem Energieversorgungsnetz zu dem Niederspannungsbordnetz des Kraftfahrzeugs sehr schlecht, da das Ladegerät und der Bordnetz-DC/DC-Wandler bei der oben beschriebenen Bordnetz-Topologie in Reihe geschaltet sind.
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Aus der
DE 196 46 666 ist eine Ladevorrichtung für ein batteriebetriebenes Fahrzeug mit wenigstens einer Fahrbatterie zum Betreiben eines Elektromotors und wenigstens einer Bordbatterie zur Versorgung eines Bordnetzes bekannt. Die beschriebene Ladevorrichtung ermöglicht eine schaltungstechnische Integration des Ladegeräts und des DC/DC-Wandlers. Dazu wird ein Transformator verwendet, der eine Primärwicklung und zwei Sekundärwicklungen aufweist. Mithilfe einer Umschalteinrichtung kann die Primärwicklung des Transformators wahlweise mit einem Versorgungsnetz oder mit der Fahrbatterie elektrisch gekoppelt werden. In einem Ladebetrieb der Ladevorrichtung ist die Umschalteinrichtung derart geschaltet, dass die Fahrbatterie mit der ersten Sekundärwicklung des Transformators und die Bordbatterie mit der zweiten Sekundärwicklung des Transformators gekoppelt ist.
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Die Übersetzungsverhältnisse der Ladevorrichtung sind durch die Windungszahlen des Transformators vorgegeben. Die Ansteuerung der Primärseite des Transformators kann für ein gleichzeitiges bzw. paralleles Laden der Fahrbatterie und der Bordbatterie derart erfolgen, dass eine Spannungsanpassung für die Fahrbatterie erfolgt. Die Spannung an der Bordbatterie ergibt sich nun automatisch entsprechend des Übersetzungsverhältnisses des Transformators. Entscheidend für die Leistungsverteilung auf die Fahrbatterie und die Bordbatterie sind die Übersetzungsverhältnisse des Transformators, die Spannungsniveaus der Fahrbatterie und der Bordbatterie sowie die Ausgangsimpedanz der beiden Sekundärseiten des Transformators. Eine aktive Regelung der Leistungsflüsse von dem Energieversorgungsnetz zu der Fahrbatterie bzw. von dem Energieversorgungsnetz zu der Bordbatterie während des parallelen Ladens der Fahrbatterie und der Bordbatterie ist mit den bekannten Bordnetz-Topologien nicht möglich.
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Alternativ zu dem parallelen Laden besteht die Möglichkeit, die Fahrbatterie und die Bordbatterie sequentiell zu laden. Beispielsweise kann die Fahrbatterie in einem ersten Zeitintervall zum Beispiel mit einer Leistung von 3,5 kW geladen werden. Anschließend kann in einem zweiten Zeitintervall ein Laden der Bordbatterie mit maximaler Leistung (zum Beispiel mit 1,8 kW) erfolgen. Dies führt jedoch zu einer starken Zyklisierung der Bordbatterie. Die kurz hintereinander stattfindenden Entlade-Lade-Zyklen bewirken eine verringerte Lebensdauer der Bordbatterie. Außerdem verlängert das sequentielle Laden die Ladedauer der Fahrbatterie, da der Fahrbatterie-Ladevorgang immer wieder für einen Bordbatterie-Ladevorgang unterbrochen wird.
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Offenbarung der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung stellt daher eine Energieübertragungsanordnung mit einer elektromagnetischen Wandlereinheit, die eingangsseitig mit einer Wechselspannungsquelle koppelbar ist, einer ersten Gleichspannungsschaltung, die eingangsseitig mit der elektromagnetischen Wandlereinheit gekoppelt ist und ausgangsseitig mit einer ersten elektrischen Gleichspannungssenke koppelbar ist und die dazu ausgebildet ist, ausgangsseitig eine erste Gleichspannung bereitzustellen, und einer zweiten Gleichspannungsschaltung bereit, die eingangsseitig mit der elektromagnetischen Wandlereinheit gekoppelt ist und die ausgangsseitig mit einer zweiten elektrischen Gleichspannungssenke koppelbar ist und die dazu ausgebildet ist, ausgangsseitig eine zweite Gleichspannung bereitzustellen, wobei eine der Gleichspannungsschaltungen zum Einstellen ihrer ausgangsseitigen Gleichspannung einen Gleichspannungswandler aufweist.
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Vorteile der Erfindung
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In dieser Ausführungsform sind die erste und zweite elektrische Gleichspannungssenke beispielsweise als erster und zweiter elektrischer Energiespeicher ausgebildet. Vorteilhafterweise können mithilfe der elektromagnetischen Wandlereinheit und des Gleichspannungswandlers ausgangsseitige Spannungen eingestellt werden, die unabhängig voneinander regelbar sind. Damit können auch Leistungsflüsse von der Wechselspannungsquelle (zum Beispiel einem Energieversorgungsnetz) zu den jeweiligen Gleichspannungssenken bzw. elektrischen Energiespeichern aktiv geregelt werden. Das nun mögliche parallele Laden des ersten und des zweiten elektrischen Energiespeichers führt zu einer geringeren Ladezeit im Vergleich zu einem sequentiellen Laden der beiden Energiespeicher. Des Weiteren wird eine Zyklisierung der beiden elektrischen Energiespeicher durch das parallele Laden vermieden und somit die Lebensdauer der elektrischen Energiespeicher verlängert.
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Von besonderem Vorzug ist es, wenn die Energieübertragungsanordnung in einer Betriebsart dazu ausgebildet ist, mittels der elektromagnetischen Wandlereinheit und des Gleichspannungswandlers einen ersten Leistungsfluss von der Wechselspannungsquelle zu der ersten Gleichspannungssenke und einen zweiten Leistungsfluss von der Wechselspannungsquelle zu der zweiten Gleichspannungssenke einzustellen, wobei der erste und der zweite Leistungsfluss unabhängig von einander einstellbar sind.
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Damit entspricht die Betriebsart der Energieübertragungsanordnung beispielsweise einem Ladebetrieb des ersten und zweiten elektrischen Energiespeichers. Vorteilhafterweise kann der erste Leistungsfluss von der Wechselspannungsquelle zu dem ersten elektrischen Energiespeicher unabhängig von dem zweiten Leistungsfluss von der Wechselspannungsquelle zu dem zweiten elektrischen Energiespeicher geregelt werden. Die beiden Leistungsflüsse sind somit aktiv regelbar.
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In einer weiteren Ausführungsform weist die elektromagnetische Wandlereinheit einen Transformator mit einer Primärwicklung und einer ersten und zweiten Sekundärwicklung auf, wobei die Primärwicklung mit der Wechselspannungsquelle koppelbar ist.
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Der Transformator dient zu einer schaltungstechnischen Integration eines Ladegeräts für die erste elektrische Gleichspannungssenke (den ersten elektrischen Energiespeicher) und eines DC/DC-Wandlers zur Versorgung der zweiten elektrischen Gleichspannungssenke. Außerdem führt die Verwendung des Transformators zu einer galvanischen Trennung der primärseitigen und sekundärseitigen Schaltungseinheiten und damit zu einer erhöhten Sicherheit der Energieübertragungsanordnung.
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In einer weiteren Ausführungsform weist die elektromagnetische Wandlereinheit eine primärseitige Schaltungseinheit auf, die eingangsseitig mit der Wechselspannungsquelle koppelbar ist und die ausgangsseitig mit der Primärwicklung verbunden ist.
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Durch die primärseitige Schaltungseinheit wird beispielsweise eine Spannungsanpassung und/oder eine vordefinierte Ansteuerung der Primärwicklung des Transformators ermöglicht. Eine von der Wechselspannungsquelle (zum Beispiel von dem Energieversorgungsnetz) bereitgestellte Eingangsspannung kann somit an die Anforderungen der Energieübertragungsanordnung während eines Ladevorgangs der ersten elektrischen Gleichspannungssenke angepasst werden.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist die primärseitige Schaltungseinheit wenigstens eine Gleichrichterschaltung, die eingangsseitig mit der Wechselspannungsquelle koppelbar ist, ein Leistungsfaktorkorrekturfilter, das eingangsseitig mit der Gleichrichterschaltung gekoppelt ist, und einen Zerhacker auf, der eingangsseitig mit dem Leistungsfaktorkorrekturfilter und ausgangsseitig mit der Primärwicklung gekoppelt ist.
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Durch das Leistungsfaktorkorrekturfilter wird der so genannte Leistungsfaktor der Energieübertragungsanordnung erhöht. Durch die Erhöhung des Leistungsfaktors können Übertragungsverluste und Störungen in einem mit der Energieübertragungsanordnung gekoppelten Energieversorgungsnetz minimiert werden.
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Mithilfe des Zerhackers kann die aus der Wechselspannungsquelle entnommene und den elektrischen Gleichspannungssenken zur Verfügung gestellte Leistung präzise gesteuert werden.
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In einer weiteren Ausführungsform weist die erste und/oder die zweite Gleichspannungsschaltung eine weitere Gleichrichterschaltung auf.
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Durch die Gleichrichterschaltung erfolgt eine Gleichrichtung einer von der betreffenden Sekundärwicklung bereitgestellten Wechselspannung. Dabei kann die Gleichrichtung mit einer aktiv gesteuerten oder einer ungesteuerten Gleichrichterschaltung ausgeführt werden.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist die weitere Gleichrichterschaltung wenigstens eine Diode oder einen Transistor auf.
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Mithilfe von Diodenschaltungen wird eine ungesteuerte Gleichrichtung realisiert. Beispielsweise kann in dieser Ausführungsform ein Brückengleichrichter, auch Graetzschaltung oder Zweipuls-Brückenschaltung genannt, verwendet werden.
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Als steuerbare Gleichrichterschaltung kann beispielsweise eine Brückenschaltung bestehend aus Transistoren (zum Beispiel MOSFETs) eingesetzt werden. Die Transistoren weisen dabei wesentlich kleinere Leitverluste als Dioden auf. Allerdings entstehen bei den steuerbaren Gleichrichterschaltungen zusätzliche Schaltungsaufwände aufgrund der notwendigen Ansteuerungslogik für die Transistoren. Vorteilhafterweise ist jedoch eine derartige Brückenschaltung bidirektional betreibbar. So kann die Brückenschaltung in einem so genannten Rückwärtsbetrieb in Abhängigkeit der Ansteuerung der Transistoren beispielsweise auch als Zerhacker betrieben werden.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist der Gleichspannungswandler einen Tiefsetzsteller, einen Hochsetzsteller oder einen Hoch-/Tiefsetzsteller auf.
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Mithilfe des Gleichspannungswandlers wird eine an einem Eingang des Gleichspannungswandlers zugeführte Gleichspannung in eine Gleichspannung mit einem höheren (Hochsetzsteller) oder niedrigerem (Tiefsetzsteller) Spannungsniveau umgewandelt. Durch den Gleichspannungswandler kann außerdem die Leistung an der mit dem Gleichspannungswandler gekoppelten Gleichspannungssenke geregelt und an den momentanen Verbrauch angepasst werden.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist die erste Gleichspannungsschaltung eingangsseitig mit der ersten Sekundärwicklung und die zweite Gleichspannungsschaltung eingangsseitig mit der zweiten Sekundärwicklung gekoppelt.
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In diesem Ausführungsbeispiel wird als Gleichspannungswandler ein Tiefsetzsteller, ein Hochsetzsteller oder ein Hoch-/Tiefsetzsteller verwendet. Ist der Gleichspannungswandler beispielsweise mit der zweiten Sekundärwicklung des Transformators gekoppelt, so wird der Zerhacker der primärseitigen Schaltungseinheit zur Steuerung der aus der Wechselspannungsquelle entnommenen und den Gleichspannungssenken zugeführten Leistung verwendet (Gesamtleistungsfluss). Da durch die Wicklungszahlen des Transformators feste Spannungsverhältnisse vorgegeben sind, wird der mit der zweiten Sekundärwicklung gekoppelte Gleichspannungswandler zur Einstellung des zweiten Leistungsflusses von der Wechselspannungsquelle zu der zweiten Gleichspannungssenke eingesetzt. Der erste Leistungsfluss von der Wechselspannungsquelle zu der ersten Gleichspannungssenke ergibt sich automatisch durch Subtraktion des zweiten Leistungsflusses von dem Gesamtleistungsfluss. Damit ist gewährleistet, dass die beiden Leistungsflüsse unabhängig voneinander einstellbar sind.
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In einer alternativen Ausführungsform weist der Gleichspannungswandler einen weiteren Zerhacker, einen weiteren Transformator mit einer Primärseite und einer Sekundärseite, wobei die Primärseite mit dem weiteren Zerhacker gekoppelt ist, und einen Gleichrichter auf, der eingangsseitig mit der Sekundärseite des weiteren Transformators gekoppelt ist.
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Durch diese Ausführungsform wird ein Gleichspannungswandler mit galvanischer Trennung realisiert. Aufgrund der Verwendung des weiteren Transformators ist die Leistungsflussregelung des Gleichspannungswandlers komplett entkoppelt von der Leistungsflussregelung durch den Zerhacker der primärseitigen Schaltungseinheit. Dies ermöglicht eine sehr flexible Einstellung der beiden Leistungsflüsse.
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In einer weiteren Ausführungsform weist die zweite Gleichspannungsschaltung den Gleichspannungswandler auf, wobei die erste Gleichspannungsschaltung eingangsseitig mit der ersten Sekundärwicklung verbunden ist und wobei die zweite Gleichspannungsschaltung eingangsseitig mit der primärseitigen Schaltungseinheit koppelbar ist.
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In dieser Ausführungsform wird als Gleichspannungswandler ein galvanisch getrennter DC/DC-Wandler mit einem Transformator verwendet. Somit wird der erste Leistungsfluss durch den Zerhacker der primärseitigen Schaltungseinheit und der zweite Leistungsfluss durch den galvanisch getrennten DC/DC-Wandler gesteuert. Folglich verfügt die Energieübertragungsanordnung in dieser Ausführungsform über getrennte Anpassstufen für die Leistungsflussregelung. Dies ermöglicht eine sehr präzise, unabhängige Einstellung der beiden Leistungsflüsse.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist wenigstens eine der Gleichspannungsschaltungen einen Tiefpassfilter auf.
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Der Tiefpassfilter weist beispielsweise eine Ausgangsdrossel und einen Ausgangskondensator auf, die als LC-Filter angeordnet sind. Der LC-Filter dient zur Glättung eines elektrischen Stroms und/oder einer elektrischen Spannung, die an einem Eingang des Tiefpassfilters bereitgestellt werden.
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In einer weiteren Ausführungsform ist der Gleichspannungswandler mit einem Eingang oder einem Ausgang des Tiefpassfilters verbunden.
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Ist der Gleichspannungswandler mit dem Eingang des Tiefpassfilters verbunden, so ergeben sich schaltungstechnische Vorteile, indem beispielsweise eine Ausgangsdrossel sowohl für den Gleichspannungswandler als auch für den Tiefpassfilter genutzt werden kann. Wird der Gleichspannungswandler mit dem Ausgang des Tiefpassfilters verbunden, kann die Steuerung des Gleichspannungswandlers komplett entkoppelt von der primärseitigen Schaltungseinheit erfolgen, da die Eingangsspannung des Gleichspannungswandlers durch den Tiefpassfilter gepuffert wird.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist der Gleichspannungswandler mittels einer Überbrückungsschaltung überbrückbar, um den Gleichspannungswandler zu deaktivieren.
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Wird der Gleichspannungswandler beispielsweise nur in der Betriebsart genutzt, in der die beiden Gleichspannungssenken geladen werden, so kann der Gleichspannungswandler speziell für diese Betriebsart ausgebildet werden. Das bedeutet, dass die elektrischen Bauelemente des Gleichspannungswandlers zum Beispiel nur für eine bestimmte Leistungsklasse auszulegen sind. Dies führt zu einer kostengünstigen Realisierung des Gleichspannungswandlers.
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Besonders bevorzugt ist es, wenn die Energieübertragungsanordnung in einer weiteren Betriebsart betreibbar ist, in der die Energieübertragungsanordnung von der Wechselspannungsquelle entkoppelt ist, die erste Gleichspannungssenke als Gleichspannungsquelle betreibbar ist und mit der primärseitigen Schaltungseinheit oder der ersten Gleichspannungsschaltung koppelbar ist, um elektrische Leistung in die Energieübertragungsanordnung einzuspeisen, und in der der Gleichspannungswandler deaktiviert ist, wobei die Energieübertragungsanordnung in der weiteren Betriebsart dazu ausgebildet ist, mittels der elektromagnetischen Wandlereinheit oder der ersten Gleichspannungsschaltung einen dritten Leistungsfluss von der Gleichspannungsquelle zu der zweiten Gleichspannungssenke einzustellen, der unabhängig von dem ersten und dem zweiten Leistungsfluss einstellbar ist.
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In der weiteren Betriebsart ist die Energieübertragungsanordnung von der Wechselspannungsquelle (zum Beispiel dem Energieversorgungsnetz) getrennt, das heißt der Ladebetrieb der ersten und zweiten Gleichspannungssenken (zum Beispiel ersten und zweiten elektrischen Energiespeicher) ist beendet. In der weiteren Betriebsart dient somit der erste elektrische Energiespeicher als Gleichspannungsqelle zur Versorgung der zweiten Gleichspannungssenke, die mit der zweiten Sekundärwicklung des Transformators gekoppelt ist. Der erste elektrische Energiespeicher kann alternativ mit der primärseitigen Schaltungseinheit oder der ersten Gleichspannungsschaltung, die mit der ersten Sekundärwicklung des Transformators verbunden ist, gekoppelt werden. Wird der erste elektrische Energiespeicher mit der primärseitigen Schaltungseinheit gekoppelt, dann wird der dritte Leistungsfluss über die primärseitige Schaltungseinheit, die Primärwicklung des Transformators, die zweite Sekundärwicklung des Transformators und die zweite Gleichspannungsschaltung zu der zweiten Gleichspannungssenke aufgebaut. Ist der erste elektrische Energiespeicher weiterhin mit der ersten Gleichspannungsschaltung gekoppelt, so wird der dritte Leistungsfluss über die erste Gleichspannungsschaltung, die erste Sekundärwicklung des Transformators, die in dieser Ausführungsform als Primärwicklung des Transformators genutzt wird, die zweite Sekundärwicklung des Transformators und die zweite Gleichspannungsschaltung zu der zweiten Gleichspannungssenke geführt. Damit wird in dieser Ausführungsform die Leistungsflussrichtung an der ersten Gleichspannungsschaltung gegenüber der Ladebetriebsart (der ersten Betriebsart) umgedreht. Dies bedeutet, dass die erste Gleichspannungsschaltung nicht als Gleichrichterschaltung, sondern als Zerhackerschaltung betrieben wird. Eine derartige Schaltungseinheit, die sowohl als Gleichrichter als auch als Zerhacker betreibbar ist, lässt sich beispielsweise über eine gesteuerte Brückenschaltung aus Transistoren realisieren.
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In einer weiteren Ausführungsform ist die erste Gleichspannungssenke eine Traktionsbatterie eines elektrisch antreibbaren Fahrzeugs und die erste Gleichspannung eine Spannung eines mit der Traktionsbatterie gekoppelten Hochspannungsbordnetzes, wobei die zweite Gleichspannungssenke eine Bordnetzbatterie des Fahrzeugs und die zweite Gleichspannung eine Spannung eines mit der Bordnetzbatterie gekoppelten Niederspannungsbordnetzes ist.
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In dieser Ausführungsform entspricht die erste Betriebsart der Energieübertragungsanordnung einem Ladebetrieb der Traktionsbatterie und der Bordnetzbatterie, wobei die Energieübertragungsanordnung mit einem Energieversorgungsnetz gekoppelt ist. Dagegen entspricht die weitere Betriebsart der Energieübertragungsanordnung einem Fahrbetrieb des elektrisch angetriebenen Fahrzeugs, in der das Niederspannnungsbordnetz über die Traktionsbatterie und das mit der Traktionsbatterie gekoppelte Hochspannungsbordnetz mit elektrischer Energie versorgt wird. Mithilfe der Energieübertragungsanordnung können die Leistungsflüsse auf der Seite des Hochspannungsbordnetzes und des Niederspannungsbordnetzes aktiv geregelt und den Bordnetzverbrauchern angepasst werden. Durch die Energieübertragungsanordnung wird außerdem ein paralleles Laden der Traktionsbatterie und der Bordnetzbatterie ermöglicht. Dies führt zu einer geringeren Ladezeit im Vergleich zu einem sequentiellen Laden der beiden Energiespeicher.
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Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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1 und 2 zeigen verschiedene schematisierte Ausführungsformen der Energieübertragungsanordnung gemäß einem ersten Schaltungskonzept;
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3 zeigt verschiedene schematisierte Ausführungsformen einer sekundärseitigen Gleichspannungsschaltung der Energieübertragungsanordnung;
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4 zeigt schaltungstechnische Realisierungen der in 3 dargestellten Gleichspannungsschaltungen;
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5 zeigt eine weitere schematisierte Ausführungsform der Energieübertragungsanordnung gemäß dem ersten Schaltungskonzept; und
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6 und 7 zeigen verschiedene schematisierte Ausführungsformen der Energieübertragungsanordnung gemäß einem zweiten Schaltungskonzept.
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Ausführungsformen der Erfindung
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1 zeigt in schematischer Form eine Ausführungsform einer Energieübertragungsanordnung 10 mit einer elektromagnetischen Wandlereinheit 12, die eingangsseitig mit einer Wechselspannungsquelle 14, im vorliegenden Fall mit einem Energieversorgungsnetz 14, koppelbar ist. Die Energieübertragungsanordnung 10 kann beispielsweise in einem in 1 nicht näher bezeichneten Elektro- oder Plug-in-Hybridfahrzeug installiert sein, das eine Traktionsbatterie 16 und eine Bordnetzbatterie 18 aufweist. Das Elektro- oder Hybridfahrzeug verfügt außerdem über eine elektrische Maschine, die als Antriebsmotor verwendet wird und die durch die Traktionsbatterie 16 mit elektrischer Energie versorgt wird. Dabei ist der Traktionsbatterie 16 ein Hochspannungsbordnetz zugeordnet, das typischerweise eine Spannung von mehr als 120 V aufweist. Ferner ist die Bordnetzbatterie 18 mit einem Niederspannungsbordnetz gekoppelt, das üblicherweise mit einer Gleichspannung von 12 V betrieben wird und zur Versorgung der im Fahrzeug installierten Bordnetzverbraucher (zum Beispiel Radio, Navigationssystem etc.) dient.
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Die erfindungsgemäße Energieübertragungsanordnung 10 ermöglicht einerseits in einem Ladebetrieb ein paralleles Laden der Traktionsbatterie 16 und der Bordnetzbatterie 18, sofern das Elektro- oder Plug-in-Hybridfahrzeug an das Energieversorgungsnetz 14 angeschlossen ist. Andererseits gewährleistet die Energieübertragungsanordnung 10 in einem Fahrbetrieb des Elektro- oder Plug-in-Hybridfahrzeugs (in dem die Energieübertragungsanordnung 10 von dem Energieversorgungsnetz 14 entkoppelt ist) eine Versorgung des Niederspannungsbordnetzes aus der Traktionsbatterie 16.
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Dazu weist die elektromagnetische Wandlereinheit 12 einen Transformator 20 mit einer Primärwicklung 22, einer ersten Sekundärwicklung 24 und einer zweiten Sekundärwicklung 26 auf. Darüber hinaus weist die elektromagnetische Wandlereinheit 12 eine primärseitige Schaltungseinheit 28 mit einer Gleichrichterschaltung 30, einem Leistungsfaktorkorrekturfilter 32 und einem Zerhacker 34 auf. Die Gleichrichterschaltung 30 ist eingangsseitig mit dem Energieversorgungsnetz 14 koppelbar und stellt ausgangsseitig eine Gleichspannung bereit. Das Leistungsfaktorkorrekturfilter 32 dient zum Erhöhen des Leistungsfaktors, um die Störwirkung auf das Energieversorgungsnetz 14 so gering wie möglich zu halten (so genannte Netzrückwirkung). Ferner ist der Zerhacker 34 mit der Primärwicklung 22 des Transformators 20 gekoppelt.
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Darüber hinaus weist die Energieübertragungsanordnung 10 eine erste Gleichspannungsschaltung 36 auf, die eingangsseitig mit der ersten Sekundärwicklung 24 des Transformators 20 verbunden ist und ausgangsseitig über eine Umschaltbox 38 mit der Traktionsbatterie 16 koppelbar ist. Zusätzlich weist die Energieübertragungsanordnung 10 eine zweite Gleichspannungsschaltung 40 auf, die eingangsseitig mit der zweiten Sekundärwicklung 26 des Transformators 20 verbunden ist und die ausgangsseitig mit der Bordnetzbatterie 18 koppelbar ist.
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Die erste Gleichspannungsschaltung 36 weist eine weitere Gleichrichterschaltung 42 und einen Tiefpass- bzw. ein LC-Filter 44 auf. Analog weist die zweite Gleichspannungsschaltung 40 eine weitere Gleichrichterschaltung 46 und ein LC-Filter 48 auf. Die weiteren Gleichrichterschaltungen 42, 46 sind in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel als ungesteuerte Gleichrichterschaltungen auf der Basis von Halbleiterdioden ausgeführt. Die LC-Filter 44, 48 weisen beispielsweise jeweils eine Ausgangsdrossel und einen Ausgangskondensator auf und dienen zur Glättung von ausgangsseitigen Strömen bzw. Spannungen der LC-Filter 44, 48.
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Während eines Ladebetriebs der Energieübertragungsanordnung 10 ist die primärseitige Schaltungseinheit 28 mit dem Energieversorgungsnetz 14 verbunden. Außerdem ist die Umschaltbox 38 so geschaltet, dass die Traktionsbatterie 16 mit der ersten Gleichspannungsschaltung 36 gekoppelt ist. Ferner ist die Bordnetzbatterie 18 mit der zweiten Gleichspannungsschaltung 40 verbunden. Mithilfe des Zerhackers 34 wird nun ein aus dem Energieversorgungsnetz 14 entnommener Gesamtleistungsfluss geregelt, der einen ersten Leistungsfluss von dem Energieversorgungsnetz 14 zu der Traktionsbatterie 16 und einen zweiten Leistungsfluss von dem Energieversorgungsnetz 14 zu der Bordnetzbatterie 18 aufweist. Aufgrund der festen Übersetzungsverhältnisse des Transformators 20 ergibt sich damit eine Spannung an der zweiten Sekundärwicklung 26. Erfindungsgemäß weist die zweite Gleichspannungsschaltung 40 jedoch einen Gleichspannungswandler 50 auf, der beispielsweise als Tiefsetzsteller ausgeführt ist. Somit kann mithilfe des Gleichspannungswandlers 50 der zweite Leistungsfluss von dem Energieversorgungsnetz 14 zu der Bordnetzbatterie 18 geregelt und an den momentanen Verbrauch angepasst werden. Der erste Leistungsfluss von dem Energieversorgungsnetz 14 zu der Traktionsbatterie 16 ergibt sich automatisch durch Subtraktion des zweiten Leistungsflusses von dem Gesamtleistungsfluss. Damit sind der erste und der zweite Leistungsfluss unabhängig voneinander einstellbar.
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Wenn beispielsweise 3,3 kW aus dem Energieversorgungsnetz 14 in die Energieübertragungsanordnung 10 eingespeist und 400 W auf den schaltungstechnischen Zweig der Bordnetzbatterie 18 eingeregelt werden, so verbleibt die restliche Leistung (das heißt 2,9 kW) für das Laden der Traktionsbatterie 16.
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Die gleiche Funktion zur Regelung der Leistungsflüsse kann auch mithilfe eines Hochsetzstellers 50 implementiert werden. In dieser Ausführungsform muss ein Windungsverhältnis des Transformators 20 so gewählt werden, dass ein Mittelwert einer gleichgerichteten Eingangsspannung an dem Gleichspannungswandler 50 immer kleiner als die minimale Spannung der Bordnetzbatterie 18 ist.
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Wird die Energieübertragungsanordnung 10 in einem so genannten Fahrbetrieb betrieben (das heißt das Elektrofahrzeug befindet sich in einem Fahrbetrieb und ist von dem Energieversorgungsnetz 14 entkoppelt), so wird die Umschaltbox 38 derart geschaltet, dass die Traktionsbatterie 16 von der ersten Gleichspannungsschaltung 36 entkoppelt und mit der primärseitigen Schaltungseinheit 28 verbunden wird.
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In einer bevorzugten Ausführungsform ist der Gleichspannungwandler 50 während des Fahrbetriebs deaktiviert. Somit wird ein dritter Leistungsfluss von der Traktionsbatterie 16 zu dem Niederspannungsbordnetz bzw. der Bordnetzbatterie 18 eingestellt, der über den Zerhacker 34 geregelt wird. Der dritte Leistungsfluss ist damit unabhängig von den beiden Leistungsflüssen während des Ladebetriebs der Energieübertragungsanordnung 10 einstellbar.
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Die erfindungsgemäße Energieübertragungsanordnung 10 kann somit sowohl als Ladegerät als auch als Bordnetz-DC/DC-Wandler eingesetzt werden. Mithilfe des Zerhackers 34 und des Gleichspannungswandlers 50 können die Leistungsflüsse aktiv geregelt werden.
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In den Folgefiguren sind weitere Ausführungsformen der Energieübertragungsanordnung 10 oder Teile der Energieübertragungsanordnung 10 gezeigt. Gleiche Elemente in Bezug auf die jeweils vorangehenden Figuren sind durch gleiche Bezugszeichen gekennzeichnet. Im Folgenden werden daher im Wesentlichen nur die jeweiligen Unterschiede erläutert.
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In 2 ist eine weitere schematisierte Ausführungsform der Energieübertragungsanordnung 10 gemäß dem ersten Schaltungskonzept aus 1 gezeigt. Im Unterschied zu dem Ausführungsbeispiel aus 1 weist jedoch die erste Gleichspannungsschaltung 36 den Gleichspannungswandler 50 auf. Dabei kann der Gleichspannungswandler 50 wiederum als Tiefsetzsteller, als Hochsetzsteller oder als kombinierter Hoch-/Tiefsetzsteller ausgeführt sein. In dieser Ausführungsform wird der erste Leistungsfluss von dem Energieversorgungsnetz 14 zu der Traktionsbatterie 16 im Wesentlichen mittels des Gleichspannungswandlers 50 eingestellt. Der zweite Leistungsfluss von dem Energieversorgungsnetz 14 zu der Bordnetzbatterie 18 wird über den Zerhacker 34 geregelt.
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3 zeigt verschiedene Ausführungsformen der Gleichspannungsschaltung 40, die eingangsseitig mit der zweiten Sekundärwicklung 26 und ausgangsseitig mit der Bordnetzbatterie 18 gekoppelt ist. In 3a ist der Gleichspannungswandler 50 mit einem Eingang des LC-Filters 48 verbunden. Dagegen ist in dem Ausführungsbeispiel von 3b der Gleichspannungswandler 50 mit einem Ausgang des LC-Filters 48 verbunden. Aufgrund des im Wesentlichen symmetrischen Aufbaus der beiden Gleichspannungsschaltungen 36, 40 gelten die in den 3a und 3b dargestellten Schaltungsalternativen analog auch für die erste Gleichspannungsschaltung 36.
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In 4a ist beispielhaft eine schaltungstechnische Realisierung der in 3a dargestellten Gleichspannungsschaltung 40 gezeigt. Dabei wird angenommen, dass der Gleichspannungswandler 50 ein Tiefsetzsteller 50 ist. Vorteilhafterweise weist die Schaltung nur eine Ausgangsdrossel 52 auf, die sowohl für die Realisierung des Tiefsetzstellers 50 als auch für die Realisierung des LC-Filters 48 genutzt wird. Jedoch ist die Steuerung des Gleichspannungswandlers 50 komplexer, da Schaltzeiten des Tiefsetzstellers 50 mit Schaltzeiten des Zerhackers 34 synchronisiert werden müssen. Dies ist eine Folge daraus, dass in dieser Anordnung des Tiefsetzstellers 50 und des LC-FIlters 48 keine Pufferung bzw. Glättung der eingangsseitigen Spannung des Tiefsetzstellers 50 erfolgt.
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In einem Fahrbetrieb der Energieübertragungsanordnung 10 (DC/DC-Leistung zum Beispiel 1,8 kW) kann die Funktion des Tiefsetzstellers 50 mittels eines Schalters 54 deaktiviert werden. Die Funktionalität des Tiefsetzstellers 50 ist in dem Fahrbetrieb nicht erforderlich, da der Leistungsfluss zu der Bordnetzbatterie 18 zum Beispiel mittels des Zerhackers 34 geregelt wird.
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4b zeigt beispielhaft eine schaltungstechnische Realisierung der in 3b dargestellten zweiten Gleichspannungsschaltung 40. Dabei soll ebenfalls angenommen werden, dass der Gleichspannungswandler 50 ein Tiefsetzsteller 50 ist. Durch die Anordnung des LC-Filters 48 vor dem Tiefsetzsteller 50 ist die Eingangsspannung des Tiefsetzstellers 50 durch das LC-Filter 48 gepuffert. Damit kann die Steuerung des Tiefsetzstellers 50 entkoppelt von dem primärseitigen Zerhacker 34 erfolgen. Allerdings werden in dieser Ausführungsform zwei Ausgangsdrosseln 52a, 52b für die Realisierung des LC-Filters 48 und des Tiefsetzstellers 50 benötigt. Da die Ausgangsdrossel 52b nur während des Ladebetriebs der Energieübertragungsanordnung 10 für die Unterstützung von Bordnetzverbrauchern des Niederspannungsbordnetzes eingesetzt wird (zum Beispiel mit einer Leistung im Bereich von maximal 400 W), besteht die Möglichkeit, die Ausgangsdrossel 52b und den Schalter 54 nur für eine geringere Leistung (zum Beispiel maximal 400 W) auszulegen. Damit können die zusätzlichen Kosten für die Schaltung reduziert werden. Im Fahrbetrieb der Energieübertragungsanordnung 10 kann der Tiefsetzsteller 50 beispielsweise mithilfe einer Überbrückungsschaltung 56 bzw. eines Überbrückungsschalters 56 überbrückt werden.
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5 zeigt eine weitere Ausführungsform der Energieübertragungsanordnung 10 gemäß dem ersten Schaltungskonzept.
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In dieser gezeigten Ausführungsform weist die zweite Gleichspannungsschaltung 40 einen Gleichspannungswandler 50' mit einer galvanischen Trennung auf. Im Einzelnen weist der Gleichspannungswandler 50' einen weiteren Zerhacker 58, einen weiteren Transformator 60 und einen Gleichrichter 62 auf. Der Zerhacker 58 ist eingangsseitig mit der primärseitigen Schaltungseinheit 28 und ausgangsseitig mit dem weiteren Transformator 60 gekoppelt. Der Gleichrichter 62 ist eingangsseitig mit einer Sekundärseite des weiteren Transformators 60 und ausgangsseitig mit dem LC-Filter 48 gekoppelt.
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In dem Ladebetrieb der Energieübertragungsanordnung 10 wird der erste Leistungsfluss von dem Energieversorgungsnetz 14 zu der Traktionsbatterie 16 mittels des Zerhackers 34 geregelt. Der zweite Leistungsfluss von dem Energieversorgungsnetz 14 zu der Bordnetzbatterie 18 wird dagegen von dem weiteren Zerhacker 58 eingestellt.
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In einem Fahrbetrieb der Energieübertragungsanordnung 10 wird der Gleichspannungswandler 50' mittels einer entsprechenden Ansteuerung des weiteren Zerhackers 58 und einer entsprechenden Schaltung des Überbrückungsschalters 56 deaktiviert. Die Umschaltbox 38 wird derart geschaltet, dass der dritte Leistungsfluss von der Traktionsbatterie 16 über die primärseitige Schaltungseinheit 28, den Transformator 20, die weitere Gleichrichterschaltung 46 und den LC-Filter 48 zu der Bordnetzbatterie 18 eingestellt wird. Damit kann der Gleichspannungswandler 50' vorzugsweise nur für eine geringe Leistung (maximal 400 W) während des Ladebetriebs der Energieübertragungsanordnung 10 ausgelegt werden.
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6 zeigt eine Ausführungsform der Energieübertragungsanordnung 10 gemäß einem zweiten Schaltungskonzept. Im Unterschied zu den vorigen Ausführungsformen weist die Energieübertragungsanordnung 10 gemäß dem zweiten Schaltungskonzept keine Umschaltbox 38 auf. Stattdessen weist die erste Gleichspannungsschaltung 36 eine aktiv ansteuerbare Brückenschaltung 42' aus Transistoren auf, die in Abhängigkeit der Ansteuerung bzw. in Abhängigkeit der Richtung des Leistungsflusses als weitere Gleichrichterschaltung 42' oder als Zerhacker 42' betreibbar ist.
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In dem Ladebetrieb der Energieübertragungsanordnung 10 wird die Brückenschaltung 42' als weitere Gleichrichterschaltung 42' betrieben. Analog zu den vorherigen Ausführungsformen wird daher der erste Leistungsfluss von dem Energieversorgungsnetz 14 zu der Traktionsbatterie 16 mittels des Zerhackers 34 oder mittels des Zerhackers 34 zusammen mit dem Zerhacker 42‘ geregelt. Der zweite Leistungsfluss von dem Energieversorgungsnetz 14 zu der Bordnetzbatterie 18 wird im Wesentlichen durch den Gleichspannungswandler 50 eingestellt. Dabei kann der Gleichspannungswandler 50 wiederum als Tiefsetzsteller, als Hochsetzsteller oder als kombinierter Hoch-/Tiefsetzsteller ausgeführt sein. Des Weiteren kann der Gleichspannungswandler 50 entsprechend zu den in 3 gezeigten Ausführungsformen entweder vor oder nach dem LC-Filter 48 implementiert werden. Falls der Gleichspannungswandler 50 als Tiefsetzsteller 50 ausgeführt ist, gelten auch in 6 die in 4 dargestellten schaltungstechnischen Realisierungen des Tiefsetzstellers 50 und des LC-Filters 48.
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Wird die Energieübertragungsanordnung 10 in dem Fahrbetrieb betrieben, so ist die Energieübertragungsanordnung 10 von dem Energieversorgungsnetz 14 entkoppelt. Der Leistungsfluss an der Traktionsbatterie 16 wird umgekehrt, das heißt die Traktionsbatterie 16 wird als Gleichspannungsquelle betrieben, um Leistung in die Energieübertragungsanordnung 10 einzuspeisen. Infolge dessen wird die Brückenschaltung 42' in dem Fahrbetrieb als Zerhacker 42' betrieben. Damit wird der dritte Leistungsfluss von der Traktionsbatterie 16 zu dem Niederspannungsbordnetz bzw. zu der Bordnetzbatterie 18 mittels des Zerhackers 42' geregelt. Die Funktion des Gleichspannungswandlers 50 ist dabei vorzugsweise über den Schalter 54 deaktiviert.
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In 7 ist eine weitere Ausführungsform der Energieübertragungsanordnung 10 gemäß dem zweiten Schaltungskonzept gezeigt. Im Unterschied zu 6 ist der Gleichspannungswandler 50 in der vorliegenden Ausführungsform in der ersten Gleichspannungsschaltung 36 ausgeführt. Der Gleichspannungswandler 50 kann wiederum ein Tiefsetzsteller, ein Hochsetzsteller oder ein kombinierter Hoch-/Tiefsetzsteller sein. Dabei ist der Gleichspannungswandler 50 mittels des Überbrückungsschalters 56 überbrückbar. In dem Ladebetrieb der Energieübertragungsanordnung 10 ist der Überbrückungsschalter 56 geöffnet, um mittels des Gleichspannungswandlers 50 den Leistungsfluss zu der Traktionsbatterie 16 regeln zu können. In dem Fahrbetrieb der Energieübertragungsanordnung 10 ist der Überbrückungsschalter 56 geschlossen, um die Funktion des Gleichspannungswandlers 50 zu deaktivieren. Der dritte Leistungsfluss von der Traktionsbatterie 16 zu der Bordnetzbatterie 18 wird wie in dem Ausführungsbeispiel aus 6 über die Brückenschaltung 42' bzw. den Zerhacker 42' eingestellt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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