DE102013220704A1 - DOUBLE USE OF A CONVERTER FOR THE CONDUCTIVE AND INDUCTIVE CHARGING OF AN ELECTRIC VEHICLE - Google Patents
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Abstract
Eine Schaltung umfasst einen konduktiven Anschluss, der eine oder mehrere Drosseln umfasst und einen induktiven Anschluss, der einen oder mehrere Kondensatoren umfasst. Ferner umfasst die Schaltung einen Gleichspannungsanschluss, eine Stromrichterschaltung sowie einen Umschalter. Die Stromrichterschaltung ist mit dem Gleichspannungsanschluss verbunden, wobei der Umschalter ausgebildet ist, um in schaltbarer Weise die Stromrichterschaltung mit dem konduktiven Anschluss oder dem induktiven Anschluss zu koppeln. Die Stromrichterschaltung ist ausgebildet, um zusammen mit der einen oder den mehreren Drosseln des konduktiven Anschlusses, wenn die Stromrichterschaltung mit dem konduktiven Anschluss gekoppelt ist, einen Wechselspannungs-Gleichspannungs-Wandler für einen Niederfrequenzbereich oder einen Gleichspannungs-Wechselspannungs-Wandler für den Niederfrequenzbereich auszubilden. Ferner ist die Stromrichterschaltung ausgebildet, um zusammen mit dem einen oder den mehreren Kondensatoren des induktiven Anschlusses, wenn die Stromrichterschaltung mit dem induktiven Anschluss gekoppelt ist, einen Wechselspannungs-Gleichspannungs-Wandler für einen Hochfrequenzbereich oder einen Gleichspannungs-Wechselspannungs-Wandler für den Hochfrequenzbereich auszubilden.A circuit comprises a conductive terminal comprising one or more reactors and an inductive terminal comprising one or more capacitors. Furthermore, the circuit comprises a DC voltage connection, a converter circuit and a changeover switch. The power converter circuit is connected to the DC voltage terminal, wherein the switch is configured to switchably connect the power converter circuit to the conductive terminal or the inductive terminal. The power converter circuit is configured to form, together with the one or more reactors of the conductive terminal when the power converter circuit is coupled to the conductive terminal, a low-frequency range AC-DC converter or a low-frequency range DC-DC converter. Further, the power conversion circuit is configured to form, together with the one or more capacitors of the inductive terminal, when the power converter circuit is coupled to the inductive terminal, a high-frequency range AC-DC converter or a high-frequency range DC-AC converter.
Description
Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung beziehen sich auf eine Schaltung mit einer Stromrichterschaltung, und insbesondere auf eine Schaltung zur doppelten Nutzung eines Umrichters für die konduktive und induktive Ladung eines Elektrofahrzeugs.Embodiments of the present invention relate to a circuit with a converter circuit, and more particularly to a circuit for dual use of a converter for the conductive and inductive charging of an electric vehicle.
Ladegeräte für Elektrofahrzeuge weisen typischerweise Umrichterschaltungen auf, die dazu ausgebildet sind, um beispielsweise eine einphasige oder dreiphasige Wechselspannung in eine Gleichspannung umzuwandeln, um die Batterie des Elektrofahrzeuges zu laden. Derartige Umrichter umfassen typischerweise eine oder mehrere Drosseln sowie eine oder mehrere schaltbare Elemente, die beispielsweise zu einer H4-Brücken-Anordnung oder zu einer B6-Brücken-Anordnung zusammengeschaltet sind. Diese Ladegeräte können auch als konduktive Ladegräte bezeichnet werden. Alternativ zu dieser konduktiven Ladung mittels ein- oder dreiphasiger Wechselspannung kommen auch immer häufiger sogenannte induktive Ladegräte zur Anwendung. Hierbei wird mittels eines magnetischen Wechselfelds Energie induktiv, d. h. also drahtlos, zu dem Elektrofahrzeug übertragen. Zum Empfangen der induktiven Energie weist das Fahrzeug dann einen sogenannten „Hochfrequenzkoppler” mit einer zugehörigen Leistungselektronik auf. Soll in einem Elektrofahrzeug das Laden mittels beider Technologien gleichermaßen ermöglicht werden, werden die beiden Leistungselektroniken parallel auf das Gleichspannungsnetz (z. B. ein 400 Volt-Gleichspannungsnetz) gekoppelt. Das Vorhandensein von Komponenten zur induktiven Ladung als auch von Komponenten zur konduktiven Ladung erhöht die Gesamtkomponentenanzahl und damit sowohl Gewicht als auch Kosten eines Elektrofahrzeugs.Electric vehicle chargers typically include inverter circuits that are configured to convert, for example, a single-phase or three-phase AC voltage to a DC voltage to charge the battery of the electric vehicle. Such inverters typically include one or more reactors and one or more switchable elements interconnected, for example, to an H4 bridge arrangement or to a B6 bridge arrangement. These chargers can also be referred to as conductive charging devices. As an alternative to this conductive charge by means of single-phase or three-phase AC voltage so-called inductive charging devices are also used more and more often. In this case, by means of an alternating magnetic field energy is inductive, d. H. so wireless, transmitted to the electric vehicle. To receive the inductive energy, the vehicle then has a so-called "high-frequency coupler" with an associated power electronics. If the charging by means of both technologies is to be made equally possible in an electric vehicle, the two power electronics are coupled in parallel to the direct voltage network (eg a 400 volt direct current network). The presence of inductive charge components as well as conductive charge components increases the overall number of components and thus both the weight and cost of an electric vehicle.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Umrichter zur konduktiven und induktiven Ladung eines Elektrofahrzeuges mit einer reduzierten Komponentenzahl zu schaffen.The object of the present invention is to provide a converter for the conductive and inductive charging of an electric vehicle with a reduced number of components.
Die Aufgabe wird durch den unabhängigen Patentanspruch 1 gelöst.The object is solved by the independent claim 1.
Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung schaffen eine Schaltung. Die Schaltung umfasst einen konduktiven Anschluss, der eine oder mehrere Drosseln umfasst und einen Induktiven Anschluss, der einen oder mehrere Kondensatoren umfasst. Ferner umfasst die Schaltung einen Gleichspannungsanschluss, eine Stromrichterschaltung sowie einen Umschalter. Die Stromrichterschaltung ist mit dem Gleichspannungsanschluss verbunden, wobei der Umschalter ausgebildet ist, um in schaltbarer Weise die Stromrichterschaltung mit dem konduktiven Anschluss oder dem Induktiven Anschluss zu koppeln. Die Stromrichterschaltung ist ausgebildet, um zusammen mit der einen oder den mehreren Drosseln des konduktiven Anschlusses, wenn die Stromrichterschaltung mit dem konduktiven Anschluss gekoppelt ist, einen Wechselspannungs-Gleichspannungs-Wandler für einen Niederfrequenzbereich (z. B. Wechselspannungen im Bereich 50 Hz oder 60 Hz) oder einen Gleichspannungs-Wechselspannungs-Wandler für den Niederfrequenzbereich auszubilden. Ferner ist die Stromrichterschaltung ausgebildet, um zusammen mit dem einen oder den mehreren Kondensatoren des induktiven Anschlusses, wenn die Stromrichterschaltung mit dem induktiven Anschluss gekoppelt ist, einen Wechselspannungs-Gleichspannungs-Wandler für einen Hochfrequenzbereich (z. B. 1 kHz bis 150 kHz) oder einen Gleichspannungs-Wechselspannungs-Wandler für den Hochfrequenzbereich auszubilden.Embodiments of the present invention provide a circuit. The circuit comprises a conductive terminal comprising one or more reactors and an inductive terminal comprising one or more capacitors. Furthermore, the circuit comprises a DC voltage connection, a converter circuit and a changeover switch. The power converter circuit is connected to the DC voltage terminal, wherein the changeover switch is designed to switchably connect the power converter circuit to the conductive terminal or the inductive terminal. The power converter circuit is configured to provide, in conjunction with the one or more reactors of the conductive terminal, when the power converter circuit is coupled to the conductive terminal, an AC to DC converter for a low frequency range (eg, AC voltages in the range 50 Hz or 60 Hz ) or form a DC-AC converter for the low frequency range. Further, the power converter circuit is configured to provide, together with the one or more capacitors of the inductive terminal, when the power converter circuit is coupled to the inductive terminal, an AC to DC converter for a high frequency range (eg, 1 kHz to 150 kHz) or to form a DC-AC converter for the high frequency range.
Der Kern der vorliegenden Erfindung liegt somit in der Erkenntnis, dass eine Stromrichterschaltung beispielsweise für ein Ladegerät eines Elektrofahrzeugs (steuerungstechnisch) derart modifiziert werden kann, dass diese sowohl für die konduktive Ladung zusammen mit einer oder mehreren Drosseln, aber auch für die induktive Ladung zusammen mit einem oder mehreren Kondensatoren eingesetzt werden kann. Hierzu ist dann die Stromrichterschaltung in schaltbarer Weise mit einem der zwei Anschlüsse (Induktion oder Wechselstrom) über einen Umschalter verbunden, während die Stromrichterschaltung auf der anderen Seite fest mit dem Gleichstromnetz, z. B. der Batterie, verbunden ist. Die spezifischen Komponenten für die konduktive Ladung (mit Wechselspannung) und die induktive Ladung (mit einem hochfrequenten Magnetfeld) sind vonseiten der Leistungselektronik zu den Anschlüssen, also dem konduktiven Anschluss und dem induktiven Anschluss, verlagert, so dass durch das Umschalten mittels des Umschalters direkt die für den jeweiligen Betriebsmodus notwendigen Komponenten zugeschaltet werden. In anderen Worten ausgedrückt heißt das, dass die für die konduktive Ladung vorhandenen Vollbrücken (z. B. im einphasigen Fall H4-Brücken, Heric oder H5 bzw. im dreiphasigen Fall B6-Brücken, NPC oder BSNPC) so eingesetzt werden, dass sie im konduktiven Fall als aktiver 4-Quadrantensteller dienen und im induktiven Fall als aktiver oder passiver Gleichrichter eines hochfrequenten Strom- bzw. Spannungssignals. Eine derartige Schaltung ermöglicht also die Reduzierung der Kosten und insbesondere der gewichtsintensiven Komponenten, nämlich der Leistungselektronik.The core of the present invention thus lies in recognizing that a converter circuit, for example, for a charger of an electric vehicle (control technology) can be modified so that this together with one or more chokes for both the conductive charge and for the inductive charge one or more capacitors can be used. For this purpose, then the power converter circuit is connected in a switchable manner with one of the two terminals (induction or AC) via a switch, while the power converter circuit on the other side fixed to the DC power, z. B. the battery is connected. The specific components for the conductive charge (with AC voltage) and the inductive charge (with a high-frequency magnetic field) are on the part of the power electronics to the terminals, so the conductive connection and the inductive connection, relocated, so that by switching using the switch directly the be switched on for the respective operating mode necessary components. In other words, this means that the full bridges present for the conductive charge (for example in the single-phase case H4 bridges, Heric or H5 or in the three-phase case B6 bridges, NPC or BSNPC) are used in such a way that they are in the conductive case as an active 4-quadrant actuator and in the inductive case as an active or passive rectifier of a high-frequency current or voltage signal. Such a circuit thus enables the reduction of costs and in particular of the weight-intensive components, namely the power electronics.
Entsprechend bevorzugten Ausführungsbeispielen ist sowohl der konduktive Anschluss, der induktive Anschluss als auch Gleichspannungsanschluss zweipolig ausgeführt, so dass dann auch der Umschalter für die Stromrichterschaltung zweipolig an den konduktiven Anschluss oder den induktiven Anschluss koppelt.According to preferred embodiments, both the conductive connection, the inductive connection and the DC voltage connection are bipolar, so that then the switch for the power converter circuit bipolar Coupled to the conductive connection or the inductive connection.
Entsprechend weiteren Ausführungsbeispielen umfasst die Stromrichterschaltung eine Steuerung, die die schaltbare Elemente derselben in Abhängigkeit der Schalterstellung derart ansteuert, dass die Wechselspannungs-Gleichspannungs-Wandlung oder auch eine Gleichspannungs-Wechselspannungs-Wandlung entweder in dem Hochfrequenzbereich oder dem Niederfrequenzbereich durchgeführt wird.According to further embodiments, the power converter circuit comprises a controller which controls the switchable elements thereof in response to the switch position such that the AC-DC voltage conversion or a DC-AC conversion is performed either in the high frequency range or the low frequency range.
Entsprechend weiteren Ausführungsbeispielen kann der konduktive Anschluss entweder einphasig oder dreiphasig ausgeführt sein. Abhängig hiervon umfasst dann die Stromrichterschaltung entweder zwei Brücken, die z. B. zu einer H4-Brücken-Anordnung angeordnet sind, oder drei Brücken, die z. B. Zu einer B6-Brücken-Anordnung gekoppelt sind.According to further embodiments, the conductive connection can be made either single-phase or three-phase. Depending on this, then the power converter circuit comprises either two bridges, the z. B. are arranged to form an H4 bridge arrangement, or three bridges, the z. B. Coupled to a B6 bridge arrangement.
Entsprechend weiteren Ausführungsbeispielen umfasst der Induktive Anschluss einen Hochfrequenzkoppler, wie z. B. eine Spule. Bevorzugt wird der Hochfrequenzkoppler in Resonanz betrieben, wobei dann hierzu der eine oder die mehreren Kondensatoren in Serie und/oder parallel zu dem Hochfrequenzkoppler angeordnet sind, um diesen auf die entsprechende Resonanzfrequenz abzustimmen.According to further embodiments, the inductive terminal comprises a high-frequency coupler, such. B. a coil. Preferably, the high-frequency coupler is operated in resonance, in which case the one or more capacitors are arranged in series and / or parallel to the high-frequency coupler in order to tune this to the corresponding resonant frequency.
Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden anhand der beiliegenden Zeichnungen erläutert. Es zeigen:Embodiments of the present invention will be explained with reference to the accompanying drawings. Show it:
Bevor nachfolgend Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung anhand der Figuren im Detail erläutert werden, sei darauf hingewiesen, dass gleiche oder gleichwirkende Elemente und Figuren mit gleichen Bezugszeichen versehen sind, so dass die Beschreibung derer aufeinander angewendet werden kann bzw. austauschbar ist.Before embodiments of the present invention are explained in detail below with reference to the figures, it should be noted that identical or equivalent elements and figures are provided with the same reference numerals, so that the description of which can be applied to each other or interchangeable.
Bei der Schaltung
Umgekehrt bildet die Stromrichterschaltung
Bei obigen zwei beschriebenen Modi (Schalterstellungen des Umschalters
Bei diesem Ausführungsbeispiel sind sowohl der Gleichspannungsanschluss
Der konduktive Anschluss
Die Anordnung der Kondensatoren
Bei der hier dargestellten Schaltung
Entsprechend weiteren Ausführungsbeispielen umfasst die Schaltung
Entsprechend weiteren Ausführungsbeispielen kann der konduktive Anschluss
Alternativ zu der Kopplung der Stromrichterschaltung
Um die dreiphasige Wechselspannung (vgl. Drehstromnetz
Entsprechend weiteren Ausführungsbeispielen kann der konduktive Anschluss
Entsprechend weiteren Ausführungsbeispielen kann der konduktive Anschluss
Wie in
Auch wenn bei obigen Ausführungsbeispielen immer von einphasiger Wechselspannung bzw. Drehspannung, die an dem Anschluss
Bezug nehmend auf
Entsprechend weiteren Ausführungsbeispielen kann die Stromrichterschaltung
Allen oben genannten Stromrichterschaltungen ist gemein, dass diese unter Verwendung aktiver Halbleiterschalter mit einem hohen Wirkungsgrad realisiert werden können. Dies gilt insbesondere für die induktive Energieübertragung (aktive Gleichrichtung), die im Gegensatz zur Verwendung passiver Gleichrichterdioden aufgrund der Synchrongleichrichtung eine erhöhte Effizienz aufweist. Durch die Verwendung der aktiven schaltbaren Elemente ist es auch möglich, nicht nur, wie oben beschrieben, die Stromrichterschaltung
Die oben beschriebenen Ausführungsbeispiele stellen lediglich eine Veranschaulichung der Prinzipien der vorliegenden Erfindung dar. Es versteht sich, dass Modifikationen und Variationen der hierin beschriebenen Anordnungen und Einzelheiten anderen Fachleuten einleuchten werden. Deshalb ist beabsichtigt, dass die Erfindung lediglich durch den Schutzumfang der nachstehenden Patentansprüche und nicht durch die spezifischen Einzelheiten, die anhand der Beschreibung und der Erläuterung der Ausführungsbeispiele hierin präsentiert wurden, beschränkt sei.The embodiments described above are merely illustrative of the principles of the present invention. It will be understood that modifications and variations of the arrangements and details described herein will be apparent to others of ordinary skill in the art. Therefore, it is intended that the invention be limited only by the scope of the appended claims and not by the specific details presented in the description and explanation of the embodiments herein.
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