DE102017009352A1

DE102017009352A1 - Energiekoppler zum elektrischen Koppeln von elektrischen Bordnetzen und Verfahren zum elektrischen Koppeln von elektrischen Bordnetzen

Info

Publication number: DE102017009352A1
Application number: DE102017009352.0A
Authority: DE
Inventors: Urs Boehme; André Haspel; Jörg Weigold
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2017-10-09
Filing date: 2017-10-09
Publication date: 2018-04-19

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Energiekoppler (50) zum elektrischen Koppeln eines mit einer ersten elektrischen Gleichspannung (U) beaufschlagten ersten Bordnetzes (12) mit einem mit einer zweiten elektrischen Gleichspannung (U) beaufschlagten zweiten elektrischen Bordnetz (14), wobei der Energiekoppler (50) einen ersten getakteten Energiewandler (16) aufweist.

Description

Die Erfindung betrifft einen Energiekoppler zum elektrischen Koppeln eines ersten mit einer ersten elektrischen Gleichspannung beaufschlagten ersten Bordnetzes mit einem mit einer zweiten elektrischen Gleichspannung beaufschlagten zweiten elektrischen Bordnetz, wobei der Energiekoppler einen ersten getakteten Energiewandler aufweist. Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zum elektrischen Koppeln eines mit einer ersten elektrischen Gleichspannung beaufschlagten ersten Bordnetzes mit einem mit einer zweiten elektrischen Gleichspannung beaufschlagten zweiten elektrischen Bordnetz mittels eines einen ersten getakteten Energiewandler aufweisenden Energiekopplers.
Gattungsgemäße Energiekoppler finden Einsatz insbesondere dann, wenn wenigstens zwei elektrische Bordnetze, die mit unterschiedlichen elektrischen Gleichspannungen beaufschlagt sind, elektrisch miteinander gekoppelt werden sollen. Mittels des Energiekopplers kann elektrische Energie zwischen den zu koppelnden elektrischen Bordnetzen ausgetauscht werden. Besonders häufig finden derartige elektrische Energiekoppler mittlerweile Einsatz bei Kraftfahrzeugen, insbesondere solchen Kraftfahrzeugen, die elektrisch antreibbar ausgebildet sind. Gattungsgemäße Energiekoppler können für eine unidirektional oder auch eine bidirektionale Energiekopplung ausgebildet sein. Um die Energiekopplung realisieren zu können, weist der Energiekoppler in der Regel wenigstens einen ersten getakteten Energiewandler auf. Mittels des getakteten Energiewandlers wird die gewünschte elektrische Kopplungsfunktion bereitgestellt. Zu diesem Zweck kann der getaktete Energiewandler in geeigneter Weise mittels einer Steuereinheit gesteuert werden.
Elektrische Bordnetze sowie auch Kraftfahrzeuge mit solchen elektrischen Bordnetzen sind dem Grunde nach im Stand der Technik umfänglich bekannt. So offenbart zum Beispiel die WO 2013/010693 A1 ein System mit Batterieladegerät und Bordnetzversorgungsstufe. Kraftfahrzeuge weisen in der Regel wenigstens ein elektrisches Bordnetz auf, das elektrische Einrichtungen und Einheiten umfasst. Das elektrische Bordnetz dient dazu, die elektrischen Einrichtungen und Einheiten miteinander in vorgebbarer Weise elektrisch zu koppeln. An dem elektrischen Bordnetz sind zumindest ein Teil der elektrischen Einrichtungen beziehungsweise Einheiten angeschlossen. Das elektrische Bordnetz dient somit der Verteilung der elektrischen Energie innerhalb des Kraftfahrzeugs.
Gerade bei elektrisch antreibbaren Kraftfahrzeugen ist in der Regel zumindest ein zweites Bordnetz vorgesehen, wobei zumindest eines der beiden Bordnetze für die Beaufschlagung mit einer Gleichspannung im Hochvoltbereich ausgebildet ist. Der Begriff „Hochvolt“ umfasst eine elektrische Gleichspannung, die größer als etwa 60 V ist. Vorzugsweise ist der Begriff „Hochvolt“ konform mit der Norm ECE R 100.
Mittlerweile kommt es bei elektrisch antreibbaren Kraftfahrzeugen vermehrt vor, dass ein erstes und ein zweites Bordnetz vorgesehen sind, die für Hochvolt ausgelegt sind, jedoch für unterschiedliche Gleichspannungen im Bereich Hochvolt. So kann zum Beispiel das erste elektrische Bordnetz mit einer Gleichspannung von etwa 800 V beaufschlagt sein, wohingegen das zweite elektrische Bordnetz mit einer Gleichspannung von etwa 400 V beaufschlagt sein kann. Natürlich können die Werte der Gleichspannungen auch abweichend gewählt sein. Grundsätzlich ergeben sich die vorgenannten Spannungswerte jedoch unter Berücksichtigung von standardisierten Bauteilen sowie elektrischen Einrichtungen, die für derartige elektrische Spannungen ausgelegt sind.
Um die beiden elektrischen Bordnetze elektrisch miteinander koppeln zu können, ist es im Stand der Technik üblich, die beiden elektrischen Bordnetze galvanisch getrennt miteinander elektrisch zu koppeln. Aus Gründen der elektrischen Sicherheit ist eine galvanische Verbindung zwischen diesen beiden Bordnetzen, insbesondere im Bereich „Hochvolt“, in der Regel nicht gewünscht beziehungsweise nicht zulässig. Darüber hinaus kann bei Bordnetzen, die für „Hochvolt“ ausgelegt sind und darüber hinaus in der Regel gegenüber einem elektrischen Bezugspotential, beispielsweise eine Fahrzeugmasse des Kraftfahrzeugs oder dergleichen, elektrisch isoliert ist, die Funktion eines Isolationswächters beeinträchtigt sein. Dies kann durch eine Unsymmetrie der elektrischen Potentiale der ersten und der zweiten Gleichspannung in Bezug auf das elektrische Bezugspotential verursacht sein. Die Kopplung der beiden Bordnetze erfolgt deshalb beim Stand der Technik in der Regel mittels eines galvanisch getrennten DC/DC-Wandlers. Ein solcher galvanisch getrennter DC/DC-Wandler ist wegen der Bereitstellung der elektrischen Isolation, groß, teuer, schwer und erlaubt nur einen begrenzten Wirkungsgrad. Darüber hinaus sind insbesondere bei Anwendung im Bereich „Hochvolt“ zur Überwachung der beiden Bordnetze zwei separate Isolationswächter erforderlich.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Energiekopplung zwischen Bordnetzen, insbesondere bei elektrisch antreibbaren Kraftfahrzeugen, zu verbessern.
Mit der Erfindung werden ein Energiekoppler sowie ein Verfahren gemäß den unabhängigen Ansprüchen vorgeschlagen.
Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich durch Merkmale der abhängigen Ansprüche.
Bezüglich eines gattungsgemäßen Energiekopplers wird insbesondere vorgeschlagen, dass dieser einen zweiten getakteten Energiewandler aufweist, wobei der erste und der zweite getaktete Energiewandler jeweils einen Bordnetzanschluss und einen Zwischenkreisanschluss aufweisen, wobei der Bordnetzanschluss des ersten getakteten Energiewandlers an das erste Bordnetz und der Bordnetzanschluss des zweiten getakteten Energiewandlers an das zweite Bordnetz angeschlossen ist und die Zwischenkreisanschlüsse des ersten und des zweiten getakteten Energiewandlers an einen gemeinsamen Gleichspannungszwischenkreis angeschlossen sind, wobei ein erstes elektrisches Potential des Gleichspannungszwischenkreises mittels des ersten getakteten Energiewandlers mit einem der elektrischen Potentiale des ersten Bordnetzes und ein zweites elektrisches Potential des Gleichspannungszwischenkreises mittels des zweiten getakteten Energiewandlers mit einem der elektrischen Potentiale des zweiten Bordnetzes elektrisch verbunden ist.
Bezüglich eines gattungsgemäßen Verfahrens wird insbesondere vorgeschlagen, dass zum elektrischen Koppeln der erste getaktete Energiewandler mit der ersten elektrischen Gleichspannung und ein zweiter getakteter Energiewandler mit der zweiten elektrischen Gleichspannung beaufschlagt wird, wobei der zweite getaktete Energiewandler über einen gemeinsamen Gleichspannungszwischenkreis mit dem ersten getakteten Energiewandler elektrisch derart gekoppelt wird, dass ein erstes elektrisches Potential des Gleichspannungszwischenkreises mittels des ersten getakteten Energiewandlers mit einem der elektrischen Potentiale des ersten Bordnetzes und ein zweites elektrisches Potential des Gleichspannungszwischenkreises mittels des zweiten getakteten Energiewandlers mit einem der elektrischen Potentiale des zweiten Bordnetzes elektrisch verbunden wird.
Die Erfindung basiert auf dem Gedanken, dass durch den gemeinsamen Gleichspannungszwischenkreis, über den der erste und der zweite getaktete Energiewandler miteinander elektrisch gekoppelt sind, eine galvanische Kopplung zwischen dem ersten und dem zweiten elektrischen Bordnetz realisiert werden kann, wobei aufgrund der Art der Kopplung besondere Sicherheitsanforderungen realisiert werden können. Mit der Erfindung ist es nämlich möglich, die bei der elektrischen Kopplung der beiden elektrischen Bordnetze aufgrund der unterschiedlichen Gleichspannungen in der Regel bei einer galvanischen Kopplung entstehende Unsymmetrie in Bezug auf das elektrische Bezugspotential einen Ausgleich zu schaffen. Dies wird dadurch erreicht, dass mittels des ersten und des zweiten getakteten Energiewandlers die elektrischen Potentiale des Gleichspannungszwischenkreises nahezu schwimmend gegenüber den elektrischen Potentialen des ersten und des zweiten Bordnetzes eingestellt werden können. Dadurch ist es möglich, einen Ausgleich in Bezug auf das Bezugspotential zwischen den elektrischen Potentialen des ersten und des zweiten Bordnetzes realisieren zu können. Besonders vorteilhaft wirkt sich dies bei Maßnahmen zur Herstellung der elektromagnetischen Verträglichkeit, insbesondere einer Funkentstörung aus. Die Erfindung eignet sich insbesondere für den Einsatz bei Bordnetzen, deren Gleichspannung von dem Bezugspotential elektrisch isoliert ist, beispielsweise IT-Netze oder dergleichen.
Darüber hinaus erlaubt es die Erfindung, dass bei Auftreten einer Störung in einem der beiden elektrischen Bordnetze mittels des erfindungsgemäßen Energiekopplers eine Entkopplung beziehungsweise eine Deaktivierung der elektrischen Kopplung erreicht werden kann, sodass die Störung nicht auf das jeweilige andere der beiden Bordnetze einwirken kann. Dadurch kann insbesondere die elektrische Sicherheit, insbesondere der Schutz von Personen verbessert werden. Schließlich kann mit der Erfindung ferner erreicht werden, dass lediglich mit einem einzigen Isolationswächter die elektrische Isolation beider Bordnetze, nämlich des ersten und des zweiten elektrischen Bordnetzes, überwacht werden kann.
Vorzugsweise können der erste und der zweite getaktete Energiewandler beide jeweils durch einen Hochsetzsteller oder einen Tiefsetzsteller gebildet sein.
Besonders vorteilhaft erweist es sich, wenn das erste elektrische Potential des Gleichspannungszwischenkreises ein Minuspotential ist, dass an ein Minuspotential des ersten Bordnetzes angeschlossen ist, und wenn das zweite elektrische Potential des Gleichspannungszwischenkreises ein Pluspotential ist, dass an ein Pluspotential des zweiten Bordnetzes angeschlossen ist. Dadurch kann gewährleistet werden, dass die elektrischen Potentiale des ersten und des zweiten Bordnetzes durch die über den Gleichspannungszwischenkreis verketteten ersten und zweiten getakteten Energiewandler voneinander elektrisch getrennt sind. Dies erlaubt es, die elektrischen Potentiale des ersten und des zweiten Bordnetzes nahezu unabhängig voneinander einstellen zu können.
Vorteilhaft erweist es sich ferner, wenn die elektrischen Potentiale des der ersten und der zweiten elektrischen Gleichspannung symmetrisch zu einem gemeinsamen Bezugspotential eingestellt werden. Dies ermöglicht es, die elektrischen Potentiale der ersten und der zweiten elektrischen Gleichspannung so einzustellen, dass bezüglich des elektrischen Bezugspotentials eine symmetrische Einstellung gegeben ist. Vorteilhaft ist dies insbesondere für die elektrische Sicherheit sowie auch für Maßnahmen im Bereich der elektromagnetischen Verträglichkeit, insbesondere der Funkentstörung, beispielsweise in Bezug auf Y-Kondensatoren oder dergleichen.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnungen. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
Dabei zeigen:

1 Ein schematisches Prinzipschaltbild für einen galvanisch gekoppelten bidirektionalen Energiekoppler gemäß der Erfindung, der für einen Einsatz bei unterschiedlichen Spannungslagen von angeschlossenen Bordnetzen ausgebildet ist,
2 Ein schematisches Spannungs-Orts-Diagramm für den Energiekoppler gemäß 1,
3 Ein schematisches Prinzipschaltbild für einen galvanisch gekoppelten Energiekoppler basierend auf 1, wobei der Energiekoppler für einen unidirektionalen Tiefsetzbetrieb ausgebildet ist,
4 Ein schematisches Prinzipschaltbild für einen galvanisch gekoppelten Energiekoppler basierend auf 3, wobei der Energiekoppler für einen unidirektionalen Hochsetzbetrieb ausgebildet ist,
5 Ein schematisches Prinzipschaltbild für einen galvanisch gekoppelten bidirektionalen Energiekoppler basierend auf 1, wobei der Energiekoppler für einen unidirektionalen Tiefsetzbetrieb und einen unidirektionalen Hochsetzbetrieb ausgebildet ist,
6 Eine schematische Diagrammdarstellung einer ersten Gleichspannung an einem ersten Bordnetz gemäß 1,
7 Eine schematische Diagrammdarstellung einer Zwischenkreisgleichspannung an einem Gleichspannungszwischenkreis gemäß 1,
8 Eine schematische Diagrammdarstellung einer zweiten Gleichspannung an einem zweiten Bordnetz gemäß 1,
9 Eine schematische Diagrammdarstellung eines Pluspotentials der ersten Gleichspannung gemäß 1,
10 Eine schematische Diagrammdarstellung eines Minuspotentials der ersten Gleichspannung gemäß 1,
11 Eine schematische Diagrammdarstellung eines Pluspotentials der zweiten Gleichspannung gemäß 1,
12 Eine schematische Diagrammdarstellung eines Minuspotentials der zweiten Gleichspannung gemäß 1,
13 Ein schematisches Prinzipschaltbild für einen galvanisch gekoppelten bidirektionalen Energiekoppler gemäß dem Stand der Technik, der für einen Einsatz bei unterschiedlichen Spannungslagen von angeschlossenen Bordnetzen ausgebildet ist, und
14 Ein schematisches Spannungs-Orts-Diagramm für den Energiekoppler gemäß 13, welches elektrische Potentiale der Bordnetze in Bezug auf eine Fahrzeugmasse darstellt.

13 zeigt einen Energiekoppler 10 gemäß dem Stand der Technik, der zum Koppeln eines mit einer ersten elektrischen Gleichspannung U₁ beaufschlagten ersten Bordnetzes 12 mit einem mit einer zweiten elektrischen Gleichspannung U₂ beaufschlagten zweiten elektrischen Bordnetz 14 dient. Der Energiekoppler 10 weist einen getakteten Energiewandler 16 auf, der vorliegend ein bidirektionaler Energiewandler ist, der sowohl eine Hochsetzstellfunktion als auch eine Tiefsetzstellfunktion bereitstellt.
Zu diesem Zweck umfasst der getaktete Energiewandler 16 vier Halbleiterschalter 32, 34, 36, 38, die vorliegend durch Metaloxide- Semiconductor-Field-Effect-Transistoren (MOSFET) gebildet sind, die nach Art einer H-Brückenschaltung verschaltet sind. Die H-Brückenschaltung umfasst ferner eine Induktivität 30, die der Energiewandlung dient. Der getaktete Energiewandler 16 ist dem Grunde nach eine bekannte Schaltungstopologie, weshalb zu Ausführungen bezüglich der Funktionalität dieser Schaltung auf den diesbezüglichen Stand der Technik verwiesen wird.
Der Energiekoppler 10 ist in einem Metallgehäuse 18 angeordnet, welches elektrisch leitend mit einer Fahrzeugmasse 20 eines nicht weiter dargestellten elektrisch antreibbaren Kraftfahrzeugs, vorliegend ein Elektrofahrzeug, verbunden ist. Mit einem Anschluss ist der getaktete Energiewandler 16 an das erste Bordnetz 12 und mit einem zweiten Anschluss an das zweite Bordnetz 14 angeschlossen. Die erste und die zweite elektrische Gleichspannung U₁, U₂, sind unterschiedlich. In der vorliegenden Ausgestaltung ist vorgesehen, dass die elektrische Gleichspannung U₁ etwa 800 V beträgt, wohingegen die elektrische Gleichspannung U₂ etwa 400 V beträgt. Anschluss - seitig umfasst der Energiekoppler 10 jeweilige Stützkondensatoren 26, 28. Mit dem getakteten Energiewandler 16 kann somit durch geeignete Taktmuster für die Halbleiterschalter 32, 34, 36, 38 eine vorgegebene Energiewandlung erreicht werden. Zu diesem Zweck werden die Halbleiterschalter 32, 34, 36, 38 mittels einer nicht weiter dargestellten Steuereinheit in geeigneter Weise im Taktbetrieb gesteuert.
Zum Zwecke der Funkentstörung sind Y-Kondensatoren 22 vorgesehen, wobei jedes der elektrischen Potentiale HV₁+, HV- sowie HV₂+ im Bereich des Anschlusses an das jeweilige der Bordnetze 12, 14 über einen Y-Kondensator 22 mit dem Gehäuse 18 elektrisch leitend verbunden ist. Parallel zu jedem der Y-Kondensatoren 22 ist mittels eines elektrischen Widerstands 24 ein jeweiliger Isolationswiderstand dargestellt.
Wie 13 zeigt, wird bei galvanisch gekoppelten Energiekopplern, wie dem Energiekoppler 10, der vorliegend als DC/DC-Wandler ausgebildet ist, eines der verwendeten elektrischen Potentiale, hier HV-, direkt von einem der Bordnetzanschlüsse zu dem anderen der Bordnetzanschlüsse durchgeschleift. Die jeweilige Spannungsanpassung betrifft also lediglich die entsprechenden Hochvoltpotentiale HV+ der ersten und der zweiten elektrischen Gleichspannung U₁, U₂. Aus Gründen der elektrischen Sicherheit sind zumindest bei elektrisch antreibbaren Kraftfahrzeugen sämtliche Hochvoltpotentiale von Niedervoltpotentialen, insbesondere von der Fahrzeugmasse 20 elektrisch getrennt beziehungsweise isoliert. Eine elektrische Verbindung besteht daher lediglich über die Y-Kondensatoren 22 sowie die elektrischen Widerstände 24, die Isolationswiderstände repräsentieren.
Durch die Y-Kondensatoren 22 sowie die elektrischen Widerstände 24 liegt das elektrische Potential der Fahrzeugmasse 20 bei einem Hochvolt-System normalerweise im Wesentlichen zwischen den beiden Hochvolt-Potentialen HV- und HV+. Bei einem galvanisch gekoppelten Energiekoppler, wie dem Energiekoppler 10 gemäß 13, wird jedoch eine Unsymmetrie innerhalb der Fahrzeugmasse 20 erzeugt. Dies kann dazu führen, dass sich die Y-Kondensatoren 22 ungleichmäßig Aufladen, Isolationsüberwachungen gestört werden und sich im ungünstigsten Fall sogar unterschiedliche Massepotentiale innerhalb der Fahrzeugmasse 20 ergeben können. Dadurch können hohe elektrische Spannungen zwischen unterschiedlichen elektrischen Einrichtungen, beispielsweise deren Gehäusen oder dergleichen vorliegen, wodurch ein permanenter elektrischer Strom, zum Beispiel über eine Potentialausgleichsleitung oder eine Schirmung, insbesondere von mit Hochvolt beaufschlagten Leitungen, bewirkt werden kann. 14 zeigt beispielhaft für den Energiekoppler 10 gemäß 13, wie sich die unterschiedlichen elektrischen Potentiale bei einer gut angebundenen Potentialausgleichsleitung einstellen können.
1 zeigt nun einen Energiekoppler 50 gemäß der Erfindung, mit dem die vorgenannten Probleme vermieden werden können. Der Energiekoppler 50 der Erfindung umfasst einen zweiten getakteten Energiewandler 56, der hinsichtlich seiner Schaltungsstruktur dem getakteten Energiewandler 16, wie er bereits anhand von 13 erläutert wurde, entspricht. Entsprechend ist eine H-Brückenschaltung mit Halbleiterschaltern 42, 44, 46, 48 vorgesehen, wobei die H-Brückenschaltung eine Induktivität 40 zum Zwecke der Realisierung der Wandlungsfunktion umfasst.
Der erste und der zweite getaktete Energiewandler 16, 56 weisen jeweils einen Bordnetzanschluss und einen Zwischenkreisanschluss auf, wobei der Bordnetzanschluss des ersten getakteten Energiewandlers 16 an das erste Bordnetz 12 und der Bordnetzanschluss des zweiten getakteten Energiewandlers 56 an das zweite Bordnetz 14 angeschlossen ist. Die Zwischenkreisanschlüsse des ersten und des zweiten getakteten Energiewandlers 16, 56 sind an einen gemeinsamen Gleichspannungszwischenkreis 54 angeschlossen.
Die Schaltungstopologie des Energiekopplers 50 gemäß der Erfindung sieht vor, dass ein erstes elektrisches Potential 68 des Gleichspannungszwischenkreises 54 mittels des ersten getakteten Energiewandlers 16 mit einem der elektrischen Potentiale HV₁ des ersten Bordnetzes 12 und ein zweites elektrisches Potential 66 des Gleichspannungszwischenkreises 54 mittels des zweiten getakteten Energiewandlers 56 mit einem der elektrischen Potentiale HV₂ zweiten Bordnetzes 14 elektrisch verbunden ist.
Der Gleichspannungszwischenkreis 54 umfasst ferner einen Zwischenkreiskondensator 52, an dem eine Zwischenkreisgleichspannung Uz anliegt. Die weiteren Elemente bezüglich der Y-Kondensatoren 22, den elektrischen Widerständen 24, dem Gehäuse 18 sowie der Fahrzeugmasse 20 und der Bordnetze 12, 14 entsprechend dem, was bereits anhand von 13 zuvor erläutert wurde, weshalb diesbezüglich auf die entsprechenden Ausführungen verwiesen wird.
Der Energiekoppler 50 gemäß 1 ist ausgebildet, das erste und das zweite Bordnetz 12, 14 bidirektional elektrisch zu koppeln. Darüber hinaus ist der Energiekoppler 50 gemäß 1 ausgebildet, in jede der Kopplungsrichtungen sowohl als Hochsetzsteller als auch als Tiefsetzsteller betrieben werden zu können. Dies kann durch die nicht dargestellte Steuereinheit erreicht werden, die die Halbleiterschalter 32, 34, 36, 38 des ersten getakteten Energiewandlers 16 sowie die weiteren Halbleiterschalter 42, 44, 46, 48 des zweiten getakteten Energiewandlers 56 in entsprechender Weise im Taktbetrieb betreibt. Der Energiekoppler 50 ist somit zweistufig aufgebaut, nämlich hinsichtlich des Energieflusses durch die beiden getakteten Energiewandler 16, 56.
Aufgrund des speziellen Aufbaus des Energiekopplers 50 braucht keines der elektrischen Potentiale des ersten und des zweiten Bordnetzes 12, 14 durch den Energiekoppler 50 hindurchgeschleift zu werden. An dieser Stelle unterscheidet sich die Schaltungstopologie daher deutlich von der, wie sie in Bezug auf den Stand der Technik gemäß 13 erläutert wurde. Dadurch können bei dem Energiekoppler 50 nämlich die HV-Potentiale nahezu unabhängig voneinander eingestellt werden. In der in 1 dargestellten Schaltungstopologie wird mittels des ersten getakteten Energiewandlers 16 das elektrische Potential HV₁+ des ersten Bordnetzes 12 und mittels des zweiten getakteten Energiewandlers 56 das elektrische Potential HV₂- des Bordnetzes 14 eingestellt. Je nach Bedarf und Anwendung kann die Schaltungstopologie jedoch entsprechend variiert werden.
Die Auswirkungen bezüglich des Potentialverlaufs durch den Energiekoppler 50 hindurch sind anhand von 2 schematisch dargestellt. Aus 2 ist ersichtlich, dass bei dem Energiekoppler gemäß 1 Massebezüge auf den Anschlussseiten zu den Bordnetzen 12, 14 im Wesentlichen dem gleichen elektrischen Potential entsprechen. Ein geringer Versatz zwischen den elektrischen Potentialen kann auf den Zwischenkreiskondensator 52 zurückgeführt werden und braucht sich an den Anschlüssen an die Bordnetze 12, 14 nicht auszuwirken. Ein Einfluss aufgrund einer Unsymmetrie in der Fahrzeugmasse 20 bezüglich der Hochvoltpotentiale innerhalb des Energiekopplers 50 kann dadurch sehr gering, insbesondere vernachlässigbar klein gehalten werden, insbesondere indem die Y-Kondensatoren 22 zum Gehäuse 18 deutlich reduziert werden können und indem die Isolationswiderstände im Inneren des Gehäuses 18 wesentlich größer gehalten werden können als an den Anschlüssen. Erreicht werden kann dies zum Beispiel durch größere Abstände von spannungsführenden Teilen des Energiekopplers 50 zum Gehäuse 18.
3 zeigt einen Energiekoppler 60, dessen Schaltungstopologie auf der des Energiekopplers 50 basiert, weshalb ergänzend auf die diesbezüglichen Ausführungen verwiesen wird. Der Energiekoppler 60 ist vorliegend lediglich für einen unidirektionalen Betrieb ausgelegt, und er ist zugleich als Tiefsetzsteller ausgelegt. Der Energiekoppler 60 gemäß 3 erlaubt es deshalb, lediglich elektrische Energie vom ersten Bordnetz 12 zum zweiten Bordnetz 14 zu fördern. Dadurch kann die Schaltungsstruktur und der Verschaltungsaufwand des Energiekopplers 60 gegenüber dem Energiekoppler 50 deutlich reduziert werden. Die Reduktion betrifft insbesondere die getakteten Energiewandler 16, 56, die für den entsprechenden Wandlungsbetrieb lediglich noch die Halbleiterschalter 32 beziehungsweise 44 sowie entsprechende Freilaufdioden D1 und D2 umfassen. Die Schaltungstopologie der getakteten Energiewandler 16, 56 in dieser reduzierten Form ist im Stand der Technik ebenfalls bekannt, weshalb von weiteren Ausführungen hierzu abgesehen wird.
Ein alternativer Energiekoppler 62 zum Energiekoppler 60, der statt eines Tiefsetzstellbetriebs einen Hochsetzstellbetrieb bereitstellt, ist anhand von 4 gezeigt. Der Unterschied zur Ausgestaltung gemäß 3 liegt im Wesentlichen in den Energiekoppwandlern 16, 56, die entsprechend für den Hochsetzstellbetrieb eine entsprechend angepasste Schaltungsstruktur aufweisen. Da auch dieser Energiekoppler 62 lediglich für einen unidirektionalen Betrieb ausgelegt ist, kann auch hier eine sehr einfache Schaltungsstruktur gewählt werden, sodass der Energiekoppler 62 - ebenso wie der Energiekoppler 60 - vom Aufwand her sehr kompakt ausgebildet sein kann. Bezüglich der Wandlungsfunktionalität der getakteten Energiewandler 16, 46 wird auch hier wieder auf den entsprechenden Stand der Technik verwiesen.
5 zeigt eine weitere Ausgestaltung für einen Energiekoppler 64, der auf den Ausgestaltungen der Energiekoppler 60, 62 gemäß der 3 und 4 basiert, weshalb ergänzend auf die diesbezüglichen Ausführungen verwiesen wird. Der Energiekoppler 64 unterscheidet sich von den vorgenannten Energiekopplern 60, 62 durch die getakteten Energiewandler 16, 56, die hier derart ausgebildet sind, dass der Energiekoppler 64 eine unidirektionale Tiefsetzstellfunktion von dem ersten Bordnetz 12 zum zweiten Bordnetz 14 bereitstellt. Darüber hinaus stellt der Energiekoppler 64 zugleich eine unidirektionale Hochsetzstellfunktion für einen Energietransfer vom zweiten Bordnetz 14 zum ersten Bordnetz 12 bereit. Der Energiekoppler 64 wird also vorzugsweise dann eingesetzt, wenn die erste Gleichspannung U₁ größer als die zweite Gleichspannung U₂ist. Dies kann für eine Vielzahl von Hochvolt-Bordnetzen als gegeben angenommen werden. Für solche Anwendungen braucht daher der Energiekoppler nicht so aufwendig wie der Energiekoppler 50 gemäß 1 ausgestaltet zu sein.
Insgesamt können dadurch, dass bei den Energiekopplern 50, 60, 62, 64 gemäß der Erfindung mehrere Halbleiterschalter gegenüber dem Stand der Technik genutzt werden, die Verluste des Energiekopplers 50, 60, 62, 64 größer sein. Da jedoch ein Spannungsunterschied bei der Spannungswandlung auf zwei Stufen, nämlich den ersten getakteten Energiewandler 16 und den zweiten getakteten Energiewandler 56 verteilt werden kann, kann dadurch ein höherer Wirkungsgrad als beim Stand der Technik erreicht werden, wodurch zumindest teilweise der insgesamt erhöhte Verlust wieder zumindest teilweise kompensiert werden kann. Darüber hinaus kann durch die Schaltungstopologie der Energiekoppler 50, 60, 62, 64 gemäß der Erfindung auch eine erhöhte Sicherheit bei einer Störung erreicht werden. Sollte ein Halbleiterschalter eines der getakteten Energiewandler 16, 56 ausfallen, kann eine elektrische Verbindung zwischen dem ersten und dem zweiten Bordnetz trotzdem noch unterbrochen werden.
Die 6 bis 12 zeigen schematische Diagrammdarstellungen bezüglich der Wirkung des Energiekopplers 64 gemäß 5. 6 zeigt in einer schematischen Diagrammdarstellung einen Spannungsverlauf der zweiten Gleichspannung U₂mit einem Graphen 74. Eine Abszisse 70 ist der Zeit zugeordnet, wohingegen eine Ordinate 72 der elektrischen Spannung in Volt zugeordnet ist. Zu erkennen ist, dass sich eine Gleichspannung von knapp 400 V einstellt.
7 zeigt in einem vergleichbaren Diagramm wie in 6 schematisch mit einem Graphen 76 einen Spannungsverlauf der Zwischenkreisspannung Uz. Aus 7 ist ersichtlich, dass sich im Mittel eine Gleichspannung von etwa 600 V einstellt. 8 zeigt in einem Diagramm wie in den 6 und 7 schematisch mit einem Graphen 78 den Spannungsverlauf der ersten Gleichspannung U₁. Es ist zu erkennen, dass sich eine Spannung in Höhe von etwa 800 V einstellt.
Die 9 bis 12 zeigen in schematischen Diagrammen wie in den 6 bis 8 Spannungsverläufe, wie sie sich bezüglich der verschiedenen Hochvoltpotentiale des ersten und des zweiten Bordnetzes 12, 14 gegenüber der Fahrzeugmasse 20 einstellen.
9 zeigt mittels eines Graphen 80 eine Spannung zwischen dem elektrischen Potential HV₂+ des zweiten Bordnetzes 14 und der Fahrzeugmasse 20. Zu erkennen ist, dass sich eine Spannung von etwa 200 V einstellt. 10 zeigt eine Darstellung wie 9, wobei sich hier jedoch eine elektrische Spannung des zweiten Bordnetzes 14 zwischen dem elektrischen Potential HV₂- zur Fahrzeugmasse 20 einstellt. Zu erkennen ist, dass sich eine elektrische Spannung von etwa - 200 V einstellt. Dies ist mit einem Graphen 82 dargestellt.
Die 11 und 12 beziehen sich auf die Darstellung bezüglich des ersten Bordnetzes 12. Entsprechend den Diagrammen gemäß der 9 und 10 ist in 11 mit einem Graphen 84 schematisch die elektrische Spannung zwischen dem elektrischen Potential HV₁+ und der Fahrzeugmasse 20 sowie in 12 mit einem Graphen 86 schematisch der Spannungsverlauf des elektrischen Potentials HV₁- in Bezug auf die Fahrzeugmasse 20 dargestellt. Der Graph 84 zeigt, dass sich eine Spannung von etwa 400 V einstellt. Aus 12 ist mit dem Graphen 86 ersichtlich, dass sich eine Spannung von etwa - 400 V einstellt.
Die 6 bis 12 zeigen also, dass sich sowohl die erste Gleichspannung U₁ als auch die zweite Gleichspannung U₂ hinsichtlich ihrer elektrischen Potentiale symmetrisch zur Fahrzeugmasse 20 als Bezugspotential einstellen.
Die Ausführungsbeispiele dienen lediglich der Erläuterung der Erfindung und sollen diese nicht beschränken.
Die für den erfindungsgemäßen Energiekoppler angegebenen Vorteile und Wirkungen gelten gleichermaßen für das erfindungsgemäße Verfahren und umgekehrt. Entsprechend können für Vorrichtungsmerkmale auch Verfahrensmerkmale und umgekehrt angegeben sein.
Bezugszeichenliste

10: Energiekoppler
12: erstes Bordnetz
14: zweites Bordnetz
16: Energiewandler
18: Gehäuse
20: Fahrzeugmasse
22: Y-Kondensator
24: Widerstand
26: Stützkondensatoren
28: Stützkondensatoren
30: Induktivität
32: Halbleiterschalter
34: Halbleiterschalter
36: Halbleiterschalter
38: Halbleiterschalter
40: Induktivität
42: Halbleiterschalter
44: Halbleiterschalter
46: Halbleiterschalter
48: Halbleiterschalter
50: Energiekoppler
52: Zwischenkreiskondensator
54: Gleichspannungszwischenkreis
56: Energiewandler
60: Energiekoppler
62: Energiekoppler
64: Energiekoppler
66: Potential
68: Potential
70: Abszisse
72: Ordinate
74: Graph
76: Graph
78: Graph
80: Graph
82: Graph
84: Graph
86: Graph

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

WO 2013/010693 A1 [0003]

Claims

Energiekoppler (50) zum elektrischen Koppeln eines mit einer ersten elektrischen Gleichspannung (U₁) beaufschlagten ersten Bordnetzes (12) mit einem mit einer zweiten elektrischen Gleichspannung (U₂) beaufschlagten zweiten elektrischen Bordnetz (14), wobei der Energiekoppler (50) einen ersten getakteten Energiewandler (16) aufweist, gekennzeichnet durch einen zweiten getakteten Energiewandler (56), wobei der erste und der zweite getaktete Energiewandler (16, 56) jeweils einen Bordnetzanschluss und einen Zwischenkreisanschluss aufweisen, wobei der Bordnetzanschluss des ersten getakteten Energiewandlers (16) an das erste Bordnetz (12) und der Bordnetzanschluss des zweiten getakteten Energiewandlers (56) an das zweite Bordnetz (14) angeschlossen ist und die Zwischenkreisanschlüsse des ersten und des zweiten getakteten Energiewandlers (16, 56) an einen gemeinsamen Gleichspannungszwischenkreis (54) angeschlossen sind, wobei ein erstes elektrisches Potential (68) des Gleichspannungszwischenkreises (54) mittels des ersten getakteten Energiewandlers (16) mit einem der elektrischen Potentiale (HV₁) des ersten Bordnetzes (12) und ein zweites elektrisches Potential (66) des Gleichspannungszwischenkreises (54) mittels des zweiten getakteten Energiewandlers (56) mit einem der elektrischen Potentiale (HV₂) des zweiten Bordnetzes (14) elektrisch verbunden ist.
Energiekoppler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das erste elektrische Potential (68) des Gleichspannungszwischenkreises (54) ein Minuspotential ist, das an ein Minuspotential (HV₁-) des ersten Bordnetzes (12) angeschlossen ist, und dass das zweite elektrische Potential (66) des Gleichspannungszwischenkreises (54) ein Pluspotential ist, das an ein Pluspotential (HV₂+) des zweiten Bordnetzes (14) angeschlossen ist.
Energiekoppler nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der erste getaktete Energiewandler (16) als Hochsetzsteller und der zweite getaktete Energiewandler (56) als Tiefsetzsteller und/oder der erste getaktete Energiewandler (16) als Tiefsetzsteller und der zweite getaktete Energiewandler (56) als Hochsetzsteller ausgebildet sind.
Energiekoppler nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der erste und der zweite getaktete Energiewandler (16, 56) zum unidirektionalen Energiewandeln oder zum bidirektionalen Energiewandeln ausgebildet sind.
Verfahren zum elektrischen Koppeln eines mit einer ersten elektrischen Gleichspannung (U₁) beaufschlagten ersten Bordnetzes (12) mit einem mit einer zweiten elektrischen Gleichspannung (U₂) beaufschlagten zweiten elektrischen Bordnetz (14) mittels eines einen ersten getakteten Energiewandler (16) aufweisenden Energiekopplers (50), dadurch gekennzeichnet, dass zum elektrischen Koppeln der erste getaktete Energiewandler (16) mit der ersten elektrischen Gleichspannung (U₁) und ein zweiter getakteter Energiewandler (56) des Energiekopplers (50) mit der zweiten elektrischen Gleichspannung (U₂) beaufschlagt wird, wobei der zweite getaktete Energiewandler (56) über einen gemeinsamen Gleichspannungszwischenkreis (54) mit dem ersten getakteten Energiewandler (16) elektrisch derart gekoppelt wird, dass ein erstes elektrisches Potential (68) des Gleichspannungszwischenkreises (54) mittels des ersten getakteten Energiewandlers (16) mit einem der elektrischen Potentiale (HV₁) des ersten Bordnetzes (12) und ein zweites elektrisches Potential (66) des Gleichspannungszwischenkreises (54) mittels des zweiten getakteten Energiewandlers (56) mit einem der elektrischen Potentiale (HV₂) des zweiten Bordnetzes (14) elektrisch verbunden wird.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrischen Potentiale (HV₁, HV₂) der ersten und der zweiten elektrischen Gleichspannung (U₁, U₂) symmetrisch zu einem gemeinsamen Bezugspotential (20) eingestellt werden.
Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer Störung des bestimmungsgemäßen Betriebs des ersten oder des zweiten getakteten Energiewandlers (16, 56) mittels des jeweils anderen ungestörten des ersten oder des zweiten getakteten Energiewandlers (16, 56) das elektrische Koppeln deaktiviert wird.