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Die vorliegende Erfindung betrifft einen effizienten Gleichstrom-Gleichstrom-Wandler, der einen hohen Wirkungsgrad und eine gute elektromagnetische Verträglichkeit über einen breiten Arbeitsbereich aufweist.
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In elektrisch angetriebenen Kraftfahrzeugen, beispielsweise einem Fahrzeug mit einem hybriden Antrieb, einem Fahrzeug mit einem Plug-In-Hybrid-Antrieb und bei einem Fahrzeug mit einem rein elektrischen Antrieb, wird das Bordnetz mit einer Spannung von etwa 12 V oder 24 V, mittels eines Traktionsakkumulators zum Versorgen eines Antriebsmotors gespeist. Der Traktionsakkumulator weist eine wesentlich höhere Spannung als das Bordnetz auf, beispielsweise etwa 400 V bis etwa 600 V. Im Stand der Technik sind Gleichstrom-Gleichstrom-Wandler vorgesehen, um die Spannung des Traktionsakkumulators in die Bordnetzspannung zu wandeln. Ein derartiger Wandler des Standes der Technik kann lediglich bei einem ausgewählten Arbeitspunkt hinsichtlich des Wirkungsgrades optimiert werden. Üblicherweise ist der Gleichstrom-Gleichstrom-Wandler so ausgelegt, dass er bei Volllast einen möglichst hohen Wirkungsgrad aufweist. Daraus ergibt sich ein schlechterer Wirkungsgrad in einem Teillastbetrieb. Ferner muss ein Gleichstrom-Gleichstrom-Wandler des Standes der Technik an eine aktive Kühlung angeschlossen sein und er weist eine nicht zufriedenstellende elektromagnetische Verträglichkeit auf.
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Die
DE 601 12 789 T2 offenbart mehrere in Serie geschaltete Gleichstrom-Gleichstrom-Wandler.
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Die Erfindung stellt sich zur Aufgabe, einen Gleichstrom-Gleichstrom-Wandler zu schaffen, der über einen breiten Arbeitsbereich einen guten Wirkungsgrad und eine gute elektromagnetische Verträglichkeit aufweist.
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Die Aufgabe der Erfindung wird durch einen Gleichstrom-Gleichstrom-Wandler nach Anspruch 1 und durch einen Bordnetzwandler nach Anspruch 10 gelöst. Die abhängigen Ansprüche beanspruchen bevorzugte Ausführungsformen.
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Der erfindungsgemäße Gleichstrom-Gleichstrom-Wandler ist dazu ausgebildet, eine Primärspannung in eine Sekundärspannung zu wandeln. Die Primärspannung kann eine Hochspannung, beispielsweise die Ausgangsspannung eines Traktionsakkumulators eines Kraftfahrzeuges sein. Die Sekundärspannung kann eine Bordnetzspannung eines Kraftfahrzeuges sein. Der Gleichstrom-Gleichstrom-Wandler umfasst einen positiven Primärspannungsanschluss, der dazu ausgebildet ist, an das höhere Potenzial der Primärspannung angeschlossen zu werden, einen negativen Primärspannungsanschluss, der dazu ausgebildet ist, an das niedrigere Potenzial der Primärspannung angeschlossen zu werden, einen positiven Sekundärspannungsanschluss, der dazu ausgebildet ist, an das höhere Potenzial der Sekundärspannung angeschlossen zu werden, und einen negativen Sekundärspannungsanschluss, der dazu ausgebildet ist, an das niedrigere Potenzial der Sekundärspannung angeschlossen zu werden.
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Der Gleichstrom-Gleichstrom-Wandler umfasst ferner eine Mehrzahl von Resonanzwandlern, die dazu ausgebildet sind, die Primärspannung in eine Sekundärspannung zu wandeln. Jeder Resonanzwandler umfasst einen positiven Primärspannungswandleranschluss, der dazu ausgebildet ist, an das höhere Potenzial der Primärspannung angeschlossen zu werden, einen negativen Primärspannungswandleranschluss, der dazu ausgebildet ist, an das niedrigere Potenzial der Primärspannung angeschlossen zu werden, einen positiven Sekundärspannungswandleranschluss, der dazu ausgebildet ist, an das höhere Potenzial der Sekundärspannung angeschlossen zu werden, und einen negativen Sekundärspannungsanschluss, der dazu ausgebildet ist, an das niedrigere Potenzial der Sekundärspannung angeschlossen zu werden.
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Jeder Resonanzwandler umfasst ferner einen Steueranschluss. Ein an den Steueranschluss eines Resonanzwandlers angelegtes Signal kann die Arbeitsweise des Resonanzwandlers steuern. Die Mehrzahl von Resonanzwandler kann im Wesentlichen parallel geschaltet sein.
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Jeder der Mehrzahl von Resonanzwandlern weist einen Steueranschluss auf, wobei ein an den Steueranschluss angelegtes Signal die Arbeitsweise des Resonanzwandlers steuert. Bei einer Ausführungsform ist es möglich, dass zumindest ein Resonanzwandler des Gleichstrom-Gleichstrom-Wandlers keinen Steueranschluss aufweist. Dieser Resonanzwandler kann verwendet werden, um die Grundlast abzusichern. Eine derartige Ausführungsform ist auch von der Erfindung umfasst und wird zumindest als äquivalent angesehen.
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Der Gleichstrom-Gleichstrom-Wandler umfasst ferner eine Leistungsaufnahmeermittlungseinrichtung, die dazu ausgebildet ist, die von einer an die Sekundärspannungsseite des Gleichstrom-Gleichstrom-Wandlers angeschlossenen sekundärseitigen Last aufgenommene Leistung zu ermitteln. Die sekundärseitige Last kann beispielsweise das Bordnetz des Kraftfahrzeuges sein.
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Der Gleichstrom-Gleichstrom-Wandler kann eine Steuerungseinrichtung aufweisen, die die Arbeitsweise der Mehrzahl der Resonanzwandler steuert. Die Resonanzwandler sind im Wesentlichen parallel geschaltet. Die positiven Primärspannungswandleranschlüsse der Mehrzahl von Resonanzwandlern sind an den positiven Primärspannungsanschluss und die negativen Primärspannungswandleranschlüsse der Mehrzahl von Resonanzwandlern sind an den negativen Primärspannungsanschluss angeschlossen. Die positiven Sekundärspannungswandleranschlüsse der Mehrzahl von Resonanzwandlern sind an den positiven Sekundärspannungsanschluss und die negativen Sekundärspannungswandleranschlüsse der Mehrzahl von Resonanzwandlern sind an den negativen Sekundärspannungsanschluss angeschlossen.
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Die Steuerungseinrichtung ist dazu ausgebildet, mittels der Leistungsaufnahmeermittlungseinrichtung zu ermitteln, welche Leistung die sekundärseitige Last aufnimmt, und dazu ausgebildet, in Abhängigkeit der von der sekundärseitigen Last aufgenommenen Leistung die Arbeitsweise der Mehrzahl von Resonanzwandlern zu steuern. Die Steuerungseinrichtung kann ein Steuerungssignal parallel an den Steueranschluss jedes Resonanzwandlers anlegen. Es versteht sich, dass auch ein serieller Bus vorgesehen sein kann, mittels dem die Steuersignale an die Steueranschlüsse der Mehrzahl von Resonanzwandlern seriell übertragen werden.
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Erfindungsgemäß kann jeder der Resonanzwandler in einem Bereich betrieben werden, in dem er einen optimalen Wirkungsgrad hat. Die Resonanzwandler sind bevorzugt, weil sie einen hohen Wirkungsgrad aufweisen und eine gute elektromagnetische Verträglichkeit aufweisen.
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Die Steuerungseinrichtung kann dazu ausgebildet sein, die Anzahl der Resonanzwandler zu variieren, die Energie der Stromquelle an der Primärseite entnehmen und der sekundärseitigen Last zuführen. Die Steuerungseinrichtung kann mittels des Steueranschlusses der Resonanzwandler eine Anzahl der Mehrzahl von Resonanzwandlern anweisen, Energie aus der primärseitigen Stromquelle zu entnehmen und der sekundärseitigen Last zuzuführen. Dadurch wird die Anzahl der Resonanzwandler variiert, die die Primärspannung in die Sekundärspannung während eines Ansteuerzyklus umsetzen. Dadurch kann jeder der aktivierten Resonanzwandler bei seinem optimalen Betriebspunkt betrieben werden. Folglich wird die Verlustleistung des Gleichstrom-Gleichstrom-Wandlers reduziert. Ferner müssen weniger unterschiedliche Typen von Gleichstrom-Gleichstrom-Wandlern entwickelt und hergestellt werden, da jeder Typ von Gleichstrom-Gleichstrom-Wandler einen breiteren Arbeitsbereich hat.
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Die Steuerungseinrichtung kann dazu ausgebildet sein, die Anzahl der Resonanzwandler, die über einen Ansteuerzyklus Energie der primärseitigen Stromquelle entnehmen und der sekundärseitigen Last zuführen, in Abhängigkeit der Leistungsaufnahme des Bordnetzes zu variieren. Falls die Leistungsaufnahmeermittlungseinrichtung ermittelt, dass die sekundärseitige Last mehr Strom aufnimmt, werden mehr Resonanzwandler derart gesteuert, dass sie Energie der sekundärseitigen Last während eines Ansteuerzyklus zuführen. Je mehr Strom die sekundärseitige Last aufnimmt, desto mehr Resonanzwandler werden durch die Steuerungseinrichtung angewiesen, Energie von der primärseitigen Stromquelle der sekundärseitigen Last während eines Ansteuerzyklus zuzuführen. Während eines Ansteuerzyklus steuert die Steuerungseinrichtung die Resonanzwandler derart an, dass Sie sukzessive nacheinander elektrische Energie von der Primärseite zur Sekundärseite liefern. Je nachdem, ob ein Halbbrücken-Wandler oder ein Vollbrücken-Wandler verwendet wird, kann jeder Resonanzwandler während eines Zyklus einmal oder zweimal Energie von der Primärseite zur Sekundärseite liefern. Die Steuerungseinrichtung steuert die Mehrzahl Resonanzwandler derart an, dass, falls ermittelt wird, dass die sekundärseitige Last erhöht wird, die Anzahl der Resonanzwandler erhöht wird, die über zumindest einen Ansteuerzyklus Energie von der Primärseite zur Sekundärseite liefern, und falls ermittelt wird, dass die sekundärseitige Last reduziert wird, die Anzahl der Resonanzwandler, die Energie über zumindest ein Ansteuerzyklus von der Primärseite zur Sekundärseite liefern, reduziert wird.
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Die Steuerungseinrichtung kann ferner dazu ausgebildet sein, in einem Zeitintervall, in dem zumindest einer der Resonanzwandler keine Energie der sekundärseitigen Last zuführt, zumindest einen Resonanzwandler alternierend so anzusteuern, dass der Resonanzwandler in einem ersten Zeitraum der sekundärseitigen Last Energie zuführt und in einem zweiten Zeitraum der sekundärseitigen Last keine Energie zuführt. Während des ersten Zeitraumes kann ein anderer Resonanzwandler der sekundärseitigen Last keine Energie zuführen. Letzterer Resonanzwandler führt im zweiten Zeitraum der sekundärseitigen Last Energie zu. Der erste und der zweite Zeitraum können sich in dem Zeitintervall beliebig häufig wiederholen.
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Dadurch werden die Resonanzwandler alternierend aktiviert, wodurch die Lebensdauer des gesamten Gleichstrom-Gleichstrom-Wandlers erhöht werden kann. Der erste und zweite Zeitraum umfassen mehrere Ansteuerzyklen der Resonanzwandler.
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Die Steuerungseinrichtung kann dazu ausgebildet sein, die Anzahl der Resonanzwandler, die über mehrere Ansteuerzyklen Energie der sekundärseitigen Last zuführen, so zu ermitteln, dass der Wirkungsgrad des Gleichstrom-Gleichstrom-Wandlers maximiert wird. Dadurch kann die Verlustleistung reduziert werden und die Lebensdauer des Gleichstrom-Gleichstrom-Wandlers erhöht werden. Die Anzahl der Resonanzwandler, die Energie der sekundärseitigen Last zuführen, kann so ausgewählt werden, dass jeder der Resonanzwandler, der Energie der sekundärseitigen Last zuführt, im Bereich eines Betriebspunktes betrieben wird, bei dem er den höchsten Wirkungsgrad aufweist. Alternativ hierzu kann die Anzahl so ermittelt werden, dass möglichst wenige Resonanzwandler Energie der sekundärseitigen Last zuführen. Jeder dieser Resonanzwandler wird im Bereich der Maximallast betrieben, wo er im Allgemeinen den höchsten Wirkungsgrad aufweist.
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Die Steuerungseinrichtung kann dazu ausgebildet sein, die Mehrzahl von Resonanzwandler so anzusteuern, dass die Resonanzwandler der sekundärseitigen Last keine Energie zuführen, wenn in der sekundärseitigen Last mehr Strom als zulässig verbraucht wird und/oder in der sekundärseitigen Last ein Kurzschluss auftritt. Dadurch kann eine Kurzschlusssicherung, eine zusätzliche Kurzschlusssicherung und/oder eine Überlastsicherung implementiert werden.
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Die Steuerungseinrichtung kann dazu ausgebildet sein, die Mehrzahl von Resonanzwandler so anzusteuern, dass die Resonanzwandler, die der sekundärseitigen Last Energie zuführen, im vollresonanten Betrieb betrieben werden. Auch dadurch kann der Wirkungsgrad erhöht werden.
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Der Resonanzwandler kann vorzugsweise ein so genannter LLC-Wandler sein. LLC-Wandler weisen einen hohen Wirkungsgrad und eine hohe elektromagnetische Verträglichkeit auf. Der LLC-Wandler kann ein Halbbrücken-LLC-Wandler oder ein Vollbrücken-LLC-Wandler sein.
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Der Resonanzwandler umfasst ein erstes Schaltelement, das mit seinem ersten Anschluss an den positiven Primärspannungswandleranschluss angeschlossen ist und ein zweites Schaltelement, das mit seinem ersten Anschluss an den zweiten Anschluss des ersten Schaltelementes und mit seinem zweiten Anschluss an den negativen Primärspannungswandleranschluss angeschlossen ist. Der Resonanzwandler umfasst einen ersten Kondensator, dessen erster Anschluss an den zweiten Anschluss des ersten Schaltelementes und an den ersten Anschluss des zweiten Schaltelementes angeschlossen ist, und eine erste Spule, deren erster Anschluss an den zweiten Anschluss des ersten Kondensators angeschlossen ist. Der Resonanzwandler umfasst einen Übertrager mit einer Primärwicklung und einer Sekundärwicklung. Der erste Anschluss der Primärwicklung ist an den zweiten Anschluss der ersten Spule und der zweite Anschluss der Primärwicklung sind an den negativen Primärspannungswandleranschluss angeschlossen. Ein erster Anschluss einer zweiten Spule ist an den ersten Anschluss der Sekundärwicklung des Übertragers angeschlossen und ein zweiter Anschluss der zweiten Spule ist über eine Diode an Masse angeschlossen. Der Resonanzwandler umfasst einen zweiten Kondensator, dessen erster Anschluss an den ersten Anschluss der Sekundärwicklung angeschlossen ist und dessen zweiter Anschluss an Masse angeschlossen ist. Die Arbeitsweise eines derartigen LLC-Wandlers ist dem Fachmann bekannt und muss nicht weiter erläutert werden.
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Wie zuvor erwähnt wurde kann die Primärspannung die Spannung des Traktionsakkumulators sein, der eine elektrische Maschine für einen Antrieb des Kraftfahrzeuges speist. Die sekundärseitige Last kann das Bordnetz sein, das beispielsweise eine Steuerungseinrichtung, eine Sicherheitseinrichtung, eine Komforteinrichtung und/oder eine Unterhaltungseinrichtung umfasst. Die Steuerungseinrichtung kann beispielsweise eine Antriebssteuereinrichtung sein. Die Sicherheitseinrichtung kann beispielsweise ein Antiblockiersystem sein, die Komforteinrichtung kann eine Klimaanlage sein und die Unterhaltungseinrichtung kann ein Audio-Wiedergabesystem sein. Die Sekundärspannung kann die Bordnetzspannung sein.
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Die Erfindung betrifft auch ein Kraftfahrzeug mit dem zuvor erwähnten Bordnetzwandler.
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Die Erfindung wird nun mittels nicht beschränkender Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren detaillierter beschrieben, wobei
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1 einen schematischen Aufbau eines Bordnetzwandlers als eine Ausführungsform eines Gleichstrom-Gleichstrom-Wandlers zeigt; und
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2 die Funktionsweise der Schaltung und des Bordnetzwandlers detaillierter erläutert.
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1 erläutert die Funktionsweise des erfindungsgemäßen Gleichstrom-Gleichstrom-Wandlers anhand eines Bordnetzwandlers 1 eines Kraftfahrzeuges. An den primärseitigen Anschlüssen 10, 11 ist ein Hochspannungsakkumulator 2 angeschlossen. Der positive Primärspannungsanschluss 10 ist an das höhere Potenzial 3 des Traktionsakkumulators 2 angeschlossen. Der negative Primärspannungsanschluss 11 ist an das niedrigere Potenzial 4 des Traktionsakkumulators 2 angeschlossen. Der Traktionsakkumulator 2 kann eine Spannung zwischen etwa 400 V und etwa 600 V aufweisen.
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Der Bordnetzwandler 1 ist mittels des positiven Sekundärspannungsanschlusses 12 an das höhere Potenzial 6 des Bordnetzes 5 und mittels des negativen Sekundärspannungsanschlusses 13 an das niedrigere Potenzial 7 des Bordnetzes 5 angeschlossen. Zur Vereinfachung der Darstellung wird das Bordnetz 5 lediglich als Widerstand dargestellt.
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Der Bordnetzwandler 1 weist eine Mehrzahl Resonanzwandler 100, 200, 300, 400 auf. Die Arbeitsweise der Resonanzwandler 100, 200, 300, 400 wird durch eine Steuerungseinrichtung 20 gesteuert. Die Steuerungseinrichtung 20 ist mit einer Strommesseinrichtung 30 gekoppelt, die als Leistungsaufnahmeermittlungseinrichtung arbeitet, und den durch den positiven Sekundärspannungsanschluss 12 fließenden Strom misst. Dieser Strom ist ein Indikator für die Leistungsaufnahme durch das Bordnetz 5.
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Die Resonanzwandler 100, 200, 300, 400 sind im Wesentlichen parallel geschaltet. Mit anderen Worten, ein positiver Primärspannungswandleranschluss 110, 210, 310, 410 jedes Resonanzwandlers 100, 200, 300, 400 ist an den positiven Primärspannungsanschluss 10 angeschlossen. Ein negativer Primärspannungswandleranschluss 120, 220, 320, 420 eines jeden Resonanzwandlers 100, 200, 300, 400 ist an den negativen Primärspannungsanschluss 11 angeschlossen. Ein positiver Sekundärspannungswandleranschluss 130, 230, 330, 430 eines jeden Resonanzwandlers 100, 200, 300, 400 ist an den positiven Sekundärspannungsanschluss 12 angeschlossen. Ein negativer Sekundärspannungswandleranschluss 140, 240, 340, 440 eines jeden Resonanzwandlers 100, 200, 300, 400 ist an den negativen Sekundärspannungsanschluss 13 angeschlossen.
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Der in 1 gezeigte Bordnetzwandler 1 umfasst vier (n = 4) Resonanzwandler 100, 200, 300, 400. Wenn das Bordnetz 5 einen Stromverbrauch in der Nähe des maximal zulässigen Stromverbrauches aufweist, steuert die Steuerungseinrichtung 20 den ersten Resonanzwandler 100 so, dass er während eines ersten Zeitraumes elektrische Energie vom Hochspannungsakkumulator 2 zum Bordnetz 5 liefert. Der zweite Resonanzwandler 200 wird von der Steuerungseinrichtung so gesteuert, dass er während eines zweiten Zeitraumes, der zum ersten Zeitraum um 2 π/n, d. h. 2 π/4, versetzt ist, elektrische Energie von der Traktionsbatterie 2 an das Bordnetz 5 liefert. Während eines dritten Zeitraumes, der zum zweiten Zeitraum um 2 π/n versetzt, steuert die Steuerungseinrichtung 20 den dritten Resonanzwandler 300 derart, dass er elektrische Energie vom Traktionsakkumulator 2 zum Bordnetz 5 liefert. Während eines vierten Zeitraumes 400, der zum dritten Zeitraum um 2 π/n versetzt ist, steuert die Steuerungseinrichtung 20 den vierten Resonanzwandler 400 derart, dass der vierte Resonanzwandler 400 elektrische Energie vom Traktionsakkumulator 2 zum Bordnetz 5 leitet. Der erste Zeitraum des folgenden Zyklus ist zum vierten Zeitraum des vorangegangenen Zyklus um 2 π/n versetzt, und das zuvor beschriebene Verfahren zum Ansteuern der Resonanzwandler 100, 200, 300, 400 wiederholt sich. Jeder der Zeiträume kann auch als Phase bezeichnet werden. Der erste Zeitraum, der zweite Zeitraum, der dritte Zeitraum und der vierte Zeltraum bilden einen Zyklus. Die Phasenanzahl n beträgt bei dieser Art der Ansteuerung 4 (2 π/4). Der parallele Betrieb mehrerer Phasen mit zeitlichem Versatz (hier: 2 Pi n) wird auch als „Interleaving” bezeichnet. Die Dauer einer Phase beträgt im Allgemeinen 2 π. Die zuvor beschriebene Art der Ansteuerung der vier Resonanzwandler 100, 200, 300, 400 wird durchgeführt, wenn der Bordnetzwandler 1 die Maximalleistung liefern soll.
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Falls die Strommesseinrichtung 30 ermittelt, dass das Bordnetz 5 lediglich die halbe Maximalleistung benötigt, steuert die Steuerungseinrichtung 20 während des zweiten Zeitraums des Zyklus den zweiten Resonanzwandler 200 und während des vierten Zeitraums des Zyklus den vierten Resonanzwandler 400 nicht an. Dadurch wird die Anzahl der Phasen reduziert. Folglich fließt weniger elektrische Energie von dem Traktionsakkumulator 2 zum Bordnetz 5. Bei dieser Ansteuerung der Resonanzwandler 100, 200, 300, 400 beträgt die Phasenanzahl n des Zyklus lediglich 2. Die Dauer einer Phase beträgt bei einem Halbbrückenwandler 2 π/2.
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Nachdem über einen vorbestimmten Zeitraum mit mehreren Zyklen lediglich der erste Wandler 100 und der dritte Wandler 300 Energie vom Traktionsakkumulator 2 zum Bordnetz 5 geliefert haben, kann die Steuerungseinrichtung 20 den ersten Resonanzwandler 100 und den zweiten Resonanzwandler 300 so ansteuern, dass sie über mehrere Zyklen keine Energie von dem Traktionsakkumulator 2 zum Bordnetz 5 liefern und den zweiten Resonanzwandler 200 und den vierten Resonanzwandler 400 so ansteuern, dass sie über mehrere Zyklen Energie von der Traktionsbatterie 2 zum Bordnetz 5 liefern. Die Steuerungseinrichtung kann die Resonanzwandler 100, 200, 300, 400 so ansteuern, dass über einen vorgegebenen Zeitraum eine vorbestimmte Anzahl von Resonanzwandlern Energie von der Traktionsbatterie 2 zum Bordnetz 5 liefert. Nach Ablauf des vorbestimmten Zeitraumes wählt die Steuerungseinrichtung 20 andere Resonanzwandler, die die gleiche Anzahl bilden, aus, um Energie von der Traktionsbatterie 2 zum Bordnetz 5 zu liefern. Nachdem mehrere Zyklen durchlaufen wurden, während der nicht alle Phasen bzw. Resonanzwandler aktiv sind, können alternierend andere Wandler für mehrere Zyklen aktiviert werden. Dadurch kann sichergestellt werden, dass auch im Teillastfall die einzelnen Resonanzwandler gleichmäßig belastet werden, wodurch die Lebensdauer des Bordnetzwandlers 1 erhöht wird.
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Der Aufbau der Schaltung eines der Resonanzwandler 100, 200, 300, 400 wird in 2 gezeigt. In 2 sind der dritte Resonanzwandler 300 und der vierte Resonanzwandler 400 einschließlich der darin verwendeten Bauteile gezeigt. Die Steuerungseinrichtung 20 und die Strommesseinrichtung 30 arbeiten so, wie zuvor hinsichtlich 1 beschrieben wurde. Die Resonanzwandler 300, 400 sind so an den Traktionsakkumulator 2 und an das Bordnetz 5 angeschlossen, wie zuvor hinsichtlich 1 beschrieben wurde. Lediglich der negative Sekundärspannungsanschluss 13 und die negativen Sekundärspannungswandleranschlüsse 340 und 440 sind mit der Fahrzeugmasse gekoppelt.
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Die in 2 gezeigten Resonanzwandler 300, 400 sind so genannte Halbbrücken-LLC-Wandler. Es versteht sich, dass ein beliebiger anderer Resonanzwandler verwendet werden kann, beispielsweise ein sogenannter Vollbrücken-LLC-Resonanzwandler.
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Im Sinne der Prägnanz werden der dritte Resonanzwandler 300 der vierte Resonanzwandler 400 gleichzeitig beschrieben. An den positiven Primärspannungsanschluss 310, 410 ist ein erster Anschluss eines ersten Schaltelementes 302, 402 angeschlossen. Eine Freilaufdiode 306, 406 ist dem ersten Schaltelement 302, 402 parallel geschaltet. Ein erster Anschluss eines zweiten Schaltelementes 304, 404 ist an einen zweiten Anschluss des ersten Schaltelementes 302, 402 angeschlossen. Ein zweiter Anschluss des zweiten Schaltelementes 304, 404 ist an den negativen Primärspannungsanschluss angeschlossen. Dem zweiten Schaltelement 304, 404 ist eine zweite Freilaufdiode 308, 408 parallel geschaltet. Die Arbeitsweise und Funktionsweise von Freilaufdioden zur Verbesserung der Stabilität der Schaltung und zum Verbessern der elektromagnetischen Verträglichkeit sind dem Fachmann bekannt und müssen hierin nicht weiter erläutert werden. Das erste und das zweite Schaltelement können je elf Transistor (Leistungstransistor) sein.
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An den zweiten Anschluss des ersten Schaltelementes 302, 402 und an den ersten Anschluss des zweiten Schaltelementes 304, 404 ist ein erster Anschluss eines ersten Kondensators 312, 412 angeschlossen. An den zweiten Anschluss des ersten Kondensators 312, 412 ist ein erster Anschluss einer ersten Spule 314, 414 angeschlossen. An einen zweiten Anschluss der ersten Spule 314, 414 ist ein erster Anschluss einer Primärwicklung 316, 416 eines Übertragers 317, 417 angeschlossen. Ein zweiter Anschluss der Primärwicklung 316, 416 des Übertragers 317, 417 ist an den negativen Primärspannungswandleranschluss 320, 420 angeschlossen.
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Ein zweiter Anschluss einer Sekundärwicklung 318, 418 des Übertragers 317, 417 ist über eine Diode 322, 422 mit Masse gekoppelt. Ein erster Anschluss der Sekundärwicklung 318, 418 des Übertragers 317, 417 ist mit einem ersten Anschluss einer zweiten Spule 324, 424 gekoppelt. Ein zweiter Anschluss der zweiten Spule 324, 424 ist mit einer Diode 326, 426 mit Masse gekoppelt. Ein erster Anschluss eines zweiten Kondensators 328, 428 ist mit dem ersten Anschluss der Sekundärwicklung 318, 418 gekoppelt. Ein zweiter Anschluss des zweiten Kondensators 328, 428 ist mit Masse gekoppelt. Ein erster Anschluss einer dritten Spule 332, 432 ist mit dem ersten Anschluss der Sekundärwicklung 318, 418 gekoppelt. Ein zweiter Anschluss der dritten Spule 332, 432 ist mit dem positiven Sekundärspannungswandleranschluss 330, 430 gekoppelt.
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Die Steuerungseinrichtung 20 steuert das erste Schaltelement 302, 402 und das zweite Schaltelement 304, 404 alternierend an, so dass näherungsweise ein Wechselstrom durch die Primärwicklung 316, 416 des Übertragers 317, 417 fließt. Der erste Kondensator 312, 412 und die erste Spule 314, 414 dienen dazu, ein näherungsweises sinusförmiges Signal zu erzeugen. Durch die magnetische Kopplung in dem Übertrager 317, 417 wird in der Sekundärwicklung 318, 418 des Übertragers 317, 417 einen Stromfluss erzeugt, der jedoch durch die Diode 322, 422 im Wesentlichen die Form einer Halbwelle erhält. Die zweite Spule 324, 424, die Diode 326, 426, der zweite Kondensator 326, 426 und die dritte Spule 332, 432 dienen der Glättung der Sekundärspannung. Vorzugsweise umfasst die zweite Spule 324, 424 einen Ferritkern. Damit der Bordnetzwandler 1 am positiven Sekundärspannungsanschluss 12 und am negativen Sekundärspannungsanschluss 13 ein möglichst glattes Gleichstromsignal ausgibt, werden die Schaltelemente 302, 304 des dritten Resonanzwandlers 300 und die Schaltelemente 402 und 404 des vierten Resonanzwandlers 400 um 2 π/n versetzt angesteuert, was als ”Interleaving” bezeichnet wird, wobei n die Anzahl der Wandler ist, die während eines Ansteuerzyklus Energie vor den primärseitigen Anschlüssen 10, 11 zu den sekundärseitigen Anschlüssen 12, 13 liefern.
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Der erfindungsgemäße Bordnetzwandler erzielt einen hohen Wirkungsgrad über den gesamten Leistungsbereich durch vollresonantes Schalten auf der Primärseite und ein aktives Gleichrichten auf der Sekundärseite. Der hohe Wirkungsgrad im Teillastbereich wird durch ”Interleaving” sowie durch Abschalten einzelner Phasen bzw. Resonanzwandler 100, 200, 300, 400 erreicht. Insbesondere in einem elektrisch angetriebenen Fahrzeug hat der Wirkungsgrad im Teillastbereich eine hohe Auswirkung auf die Reichweite. Ferner wird die Verlustleistung beim Laden der Traktionsbatterie reduziert.
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Der Resonanzwandler und insbesondere ein LLC-Wandler verfügen über einen vergleichsweise kleinen Arbeitsbereich mit einem hohen Wirkungsgrad. Bei einem Bordnetzwandler ist ein breiter Arbeitsbereich erforderlich, beispielsweise von etwa 10% bis 100% der Maximalleistung.
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Dies wird bei der vorliegenden Erfindung durch Abschalten einzelner Phasen bzw. Resonanzwandler 100, 200, 300, 400 und durch vollresonantes Schalten im gesamten Arbeitsbereich, d. h. auch bei Teillast, ermöglicht. Ein vollresonantes Schalten ist bei einem so genannten Phase-Shift-Wandler nicht möglich.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 602004009766 T2 [0003]
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- DE 102007015567 A1 [0005]
- DE 102007015568 A1 [0005]
- EP 2299580 A2 [0006]
- US 8259477 B2 [0006]
- US 20130003424 A1 [0006]
- US 7596007 B2 [0006]
- US 4695933 [0006]
