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Die Erfindung betrifft einen Energiekoppler zum elektrischen Koppeln eines Gleichspannungshochvoltbordnetzes mit einem Gleichspannungsniedervoltbordnetz eines elektrisch antreibbaren Kraftfahrzeugs, wobei der Energiekoppler ausgebildet ist, bei einem Übertragen von elektrischer Energie von einem zum jeweils anderen der Bordnetze eine Spannungsanpassung an die jeweiligen Gleichspannungen der Bordnetze auszuführen. Die Erfindung betrifft ferner ein Wandlermodul sowie ein Kraftfahrzeug mit einer ein Gleichspannungshochvoltbordnetz und ein Gleichspannungsniedervoltbordnetz aufweisenden elektrischen Anlage sowie mit einem Energiekoppler zum elektrischen Koppeln des Gleichspannungshochvoltbordnetzes mit dem Gleichspannungsniedervoltbordnetz.
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Energiekoppler der gattungsgemäßen Art und Kraftfahrzeuge mit elektrischen Anlagen, die solche Energiekoppler umfassen, sind dem Grunde nach umfänglich im Stand der Technik bekannt. Sie dienen dazu, Gleichspannungsbordnetze energietechnisch zu koppeln, sodass ein Energieaustausch zwischen den Gleichspannungsbordnetzen ermöglicht ist. Nicht nur, sondern insbesondere bei elektrisch antreibbaren Kraftfahrzeugen umfasst die elektrische Anlage in der Regel ein Gleichspannungshochvoltbordnetz, welches unter anderem der Versorgung einer elektrischen Antriebseinrichtung des elektrisch antreibbaren Kraftfahrzeugs mit elektrischer Energie dient. Gleichspannungshochvoltbordnetze sind aber nicht nur auf den Einsatz bei elektrischen Anlagen von elektrisch antreibbaren Kraftfahrzeugen beschränkt, sondern können auch bei anderen Kraftfahrzeugen vorhanden sein.
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Ein elektrisch antreibbares Kraftfahrzeug ist beispielsweise ein Elektrofahrzeug, ein Hybridfahrzeug oder dergleichen. Das Hybridfahrzeug ist sowohl mittels der elektrischen Maschine als auch mittels einer Verbrennungskraftmaschine antreibbar. Das Kraftfahrzeug ist vorzugsweise als Kraftwagen, insbesondere als Personenkraftwagen, ausgebildet.
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In der Regel umfasst die elektrische Anlage insbesondere bei Kraftfahrzeugen auch ein Gleichspannungsniedervoltbordnetz, welches vorzugsweise dazu dient, elektrische Einrichtungen kleinerer Leistung mit elektrischer Energie zu versorgen. Derartige elektrische Einrichtungen können zum Beispiel eine Fahrzeuginnenbeleuchtung, ein Navigationsgerät, Fensterheber, Fahrzeugscheinwerfer und/oder dergleichen sein.
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Üblicherweise ist vorgesehen, dass mittels des Energiekopplers elektrische Energie aus dem Gleichspannungshochvoltbordnetz entnommen und dem Gleichspannungsniedervoltbordnetz zugeführt werden kann. Der Energiekoppler weist zu diesem Zweck in der Regel einen einzigen DC/DC-Wandler auf. Üblicherweise ist der Energiekoppler dafür ausgebildet, wenigstens eine unidirektionale elektrische Energiekopplung herzustellen, und zwar von dem Gleichspannungshochvoltbordnetz zum Gleichspannungsniedervoltbordnetz. Darüber hinaus kann der Energiekoppler ergänzend auch für eine bidirektionale Energiekopplung ausgebildet sein, sodass eine Energiekopplung auch in entgegengesetzte Richtung möglich ist.
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Der Begriff Hochvolt ist durch die Normung erfasst und meint in der Regel eine Gleichspannung, die größer als 60 V ist. Eine einschlägige Norm in diesem Zusammenhang ist beispielsweise die ECE R 100. Ein Bordnetz, welches für eine Bemessungsspannung von größer als 60 V ausgelegt ist, wird vorliegend Gleichspannungshochvoltbordnetz genannt. Ist hingegen die Bemessungsspannung des Bordnetzes kleiner oder gleich 60 V, wird das Bordnetz vorliegend als Gleichspannungsniedervoltbordnetz bezeichnet. Die Einstufung in ein Gleichspannungshochvoltbordnetz beziehungsweise ein Gleichspannungsniedervoltbordnetz hat Einfluss auf die Konstruktion, insbesondere in Bezug auf die elektrische Sicherheit, weshalb eine Reihe von elektrischen Einrichtungen beziehungsweise Verbrauchern beim Kraftfahrzeug nach wie vor mit einer Bemessungsspannung von kleiner oder gleich 60 V betrieben werden. Entsprechend umfasst die elektrische Anlage des Kraftfahrzeugs ein Gleichspannungsniedervoltbordnetz.
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Bei modernen elektrisch antreibbaren Kraftfahrzeugen, insbesondere Hybridfahrzeugen, ist in der Regel ein DC/DC-Wandler vorhanden, der das Gleichspannungshochvoltbordnetz mit dem Gleichspannungsniedervoltbordnetz koppelt. Das Gleichspannungshochvoltbordnetz umfasst in der Regel eine Hochvoltbatterie, die für den bestimmungsgemäßen Betrieb der elektrischen Anlage die elektrische Energie bereitstellt. Die Hochvoltbatterie ist häufig als Lithium-Ion-Akkumulator ausgebildet. Sie kann - je nach Bedarf - auch auf einer anderen Zellchemie basieren.
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Wie zuvor bereits erläutert, umfasst das elektrisch antreibbare Kraftfahrzeug unter anderem wenigstens ein Gleichspannungsniedervoltbordnetz, welches je nach Anwendungsplattform unterschiedlich ausgebildet sein kann und für eine jeweilige Bemessungsspannung ausgelegt ist. Bemessungsspannungen für solche Bordnetze, die regelmäßig zum Einsatz kommen, sind zum Beispiel 12 V, 24 V, 36 V sowie 48 V. Auch das Gleichspannungsniedervoltbordnetz kann eine Batterie umfassen. Häufig ist diese Batterie als Blei-Säure-Akkumulator ausgebildet. Auch hier kann dem Grunde nach eine Batterie vorgesehen sein, die auf einer anderen Zellchemie basiert.
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Bei elektrisch antreibbaren Kraftfahrzeugen ist der erforderliche DC/DC-Wandler in der Regel in einem Gehäuse der Antriebseinrichtung des elektrisch antreibbaren Kraftfahrzeugs angeordnet. Dadurch ist der DC/DC-Wandler immer spezifisch an eine jeweilige Ausstattung des elektrisch antreibbaren Kraftfahrzeugs angepasst ausgebildet. Darüber hinaus wird entsprechender Bauraum im Gehäuse für die Antriebseinrichtung benötigt, um den DC/DC-Wandler dort anordnen zu können.
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Auch wenn sich diese Ausgestaltung im Stand der Technik bewährt hat, so zeigen sich mittlerweile doch Nachteile. Einerseits ist durch diese vorgenannte Konstruktion die Flexibilität zur Anpassung an unterschiedliche elektrische Anlagen, insbesondere auch in Bezug auf die zu wandelnde elektrische Leistung, sehr begrenzt. Darüber hinaus ist andrerseits aufgrund des zur Verfügung stehenden Bauraums im Gehäuse der elektrischen Antriebseinrichtung die Leistung des DC/DC-Wandlers bereits hierdurch in der Regel begrenzt. Insbesondere erweist es sich dies als hinderlich, wenn zusätzliche elektrische Einrichtungen niedervoltseitig vorzusehen. Dies würde nämlich eine entsprechende Anpassung des DC/DC-Wandlers erfordern, die bei der bekannten Konstruktion jedoch nur in einem sehr begrenzten Umfang möglich ist und zugleich einen erheblichen konstruktiven sowie auch herstellungsspezifischen Aufwand erfordern würde.
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Weiterhin offenbart die
US 2004/0189251 A1 eine modulare und rekonfigurierbare Batterieschnellladestation. Weiterhin offenbart die
EP 2 605 089 A1 ein modular konfigurierbares Hardwaresystem und ein Verfahren zum Betreiben des Hardwaresystems. Schließlich offenbart die
EP 2 605 093 A1 ein modular konfigurierbares Hardwaresystem mit zentraler Spannungsversorgung.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen gattungsgemäßen Energiekoppler dahingehend zu verbessern, dass er in Bezug auf die elektrische Leistung sowie auch die bereitstellbaren Gleichspannungsniedervoltbordnetze auf einfache Weise angepasst werden kann.
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Als Lösung werden mit der Erfindung ein Energiekoppler, ein Wandlermodul sowie ein Kraftfahrzeug gemäß den unabhängigen Ansprüchen vorgeschlagen.
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Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich anhand von Merkmalen der abhängigen Ansprüche.
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Bezüglich des Energiekopplers wird mit der Erfindung insbesondere vorgeschlagen, dass der Energiekoppler modular ausgebildet ist, zu welchem Zweck der Energiekoppler wenigstens zwei Modulaufnahmen aufweist, in denen jeweils ein Wandlermodul angeordnet ist, wobei die Wandlermodule jeweils einen getakteten Modulenergiewandler aufweisen und hinsichtlich ihrer mechanischen Abmessungen, ihres elektrischen Anschlusses sowie ihrer elektrischen Eigenschaften gleich ausgebildet sind.
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Ferner wird ein Wandlermodul für den Energiekoppler vorgeschlagen.
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Kraftfahrzeugseitig wird insbesondere vorgeschlagen, dass der Energiekoppler gemäß der Erfindung ausgebildet ist.
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Die Erfindung basiert auf dem Gedanken, dass durch einen Energiekoppler mit standardisierten, skalierbaren Wandlermodulen auf einfache Weise eine Anpassung des Energiekopplers an unterschiedlichste Leistungsklassen sowie auch Spannungsebenen auf der Gleichspannungsniedervoltseite vorgenommen werden kann. Der Energiekoppler umfasst vorzugsweise immer genau eine einzige Sorte von standardisierten, skalierbaren Wandlermodulen, die im Wesentlichen sogar identisch ausgebildet sein können. Dadurch können die Wandlermodule auch gegeneinander ausgetauscht werden. Dass die Wandlermodule gleich ausgebildet sind, meint insbesondere, dass sie beliebig miteinander in Bezug auf die Anordnung in den Modulaufnahmen vertauscht beziehungsweise gegeneinander ausgetauscht werden können, ohne dass sich die Funktionalität des Energiekopplers dadurch ändert.
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Vorzugsweise weisen die Wandlermodule die gleichen mechanischen Abmessungen sowie auch die gleichen elektrischen Anschlussmöglichkeiten auf, sodass sie nach Art einer Modulbauweise zum elektrischen Energiekoppler zusammengefügt werden können.
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Der Energiekoppler stellt für jedes der Wandlermodule eine Modulaufnahme bereit, die das Wandlermodul mechanisch aufnimmt und auch einen elektrischen Anschluss bereitstellt. Darüber hinaus kann die Aufnahme auch eine Kühlungseinrichtung für das jeweilige Wandlermodul bereitstellen. Der Energiekoppler kann zu diesem Zweck einen Rahmen oder ein Gehäuse aufweisen, welches die entsprechenden Modulaufnahmen bereitstellt. Die Modulaufnahme kann zum Beispiel ein Einschubschacht sein, in den das Wandlermodul eingeschoben werden kann.
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Besonders vorteilhaft erweist es sich, wenn ein elektrischer Anschlussbereich für die Wandlermodule mit Steckverbindungen ausgerüstet ist, sodass mit dem Einschieben des Wandlermoduls in den Einschubschacht zugleich auch mittels einer elektrischen Steckverbindung der elektrische Anschluss innerhalb des Energiekopplers hergestellt werden kann. Entsprechendes kann auch für eine Kühlungseinrichtung vorgesehen sein. Die Wandlermodule sind somit Teil des Energiekopplers, der nach Art einer Modulbauweise aufgebaut ist.
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Dadurch kann erreicht werden, dass unterschiedlichste Energiekoppler mit geringem Erprobungsaufwand bei gleichzeitig großer Erprobungstiefe auf einfache Weise realisiert werden können, weil zur Realisierung des jeweiligen Energiekopplers immer die gleichen standardisierten Wandlermodule zum Einsatz kommen können. Dadurch ist es zum Beispiel möglich, die Wandlermodule als separat handhabbare Baueinheiten entsprechend geprüft und erprobt bereitstellen zu können.
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Hierdurch können ferner bezüglich der Wandlermodule entsprechend große Stückzahlen erreicht werden, sodass herstellungsseitig Vorteile aufgrund einer Produktion von hohen Stückzahlen genutzt werden können. Der Einsatz immer gleicher Wandlermodule ermöglicht es, das Gehäuse beziehungsweise den Rahmen für den Energiekoppler modular zu gestalten. Dadurch kann ein nahezu schnelles, insbesondere weitgehend freies, Anpassen an eine jeweilige elektrische Anlage eines elektrisch antreibbaren Kraftfahrzeugs hinsichtlich benötigten Gleichspannungsniedervoltbordnetzen und benötigter Ausgangsleistung erreicht werden.
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Anders als beim Stand der Technik braucht hier also nicht jede unterschiedliche Energiekopplung einer eigenen separaten Erprobung und Prüfung unterzogen zu werden. Darüber hinaus können die Wandlermodule aufgrund der Standardisierung auch von unterschiedlichen Herstellern bezogen werden, sofern die vorgegebenen, die Standardisierung bestimmenden Werte erreicht werden.
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Durch den Einsatz immer gleicher Wandlermodule kann das Gehäuse beziehungsweise der Rahmen des Energiekopplers insgesamt modular gestaltet werden. Dies erlaubt es, ein nahezu schnelles freies Anpassen des Energiekopplers an eine jeweilige Architektur eines Kraftfahrzeugs hinsichtlich benötigtem Spannungspegel und benötigter Ausgangsleistung anpassen zu können. Darüber hinaus erweist sich auch die Anpassung des Energiewandlers als einfach, weil nämlich lediglich die erforderliche Anzahl an Wandlermodulen vorgesehen zu werden braucht. Insbesondere können Energiekoppler lediglich durch Anpassen des Gehäuses beziehungsweise des Rahmens variiert werden, indem die erforderliche Anzahl an Modulaufnahmen sowie deren elektrische Verschaltung angepasst werden.
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Jedes Wandlermodul umfasst einen eigenen getakteten Modulenergiewandler, der nach Art eines DC/DC-Wandlers ausgebildet sein kann. Vorzugsweise weisen die Wandlermodule auch immer die gleiche Leistung auf, die zum Energiewandeln zur Verfügung steht, zum Beispiel 500 Watt, 1 kW, 1,5 kW, 2 kW oder dergleichen. Sind Wandlermodule unterschiedlicher Leistung vorgesehen, können trotzdem die weiteren Abmessungen beziehungsweise weiteren elektrischen Parameter identisch zueinander sein, sodass auf einfache Weise ein Energiekoppler mit einer vorgegebenen elektrischen Leistung durch Kombination von unterschiedlichen Wandlermodulen mit unterschiedlicher Wandlungsleistung zusammengefügt werden kann. Dies zeigt die hohe Flexibilität und Fertigungsfreundlichkeit des erfindungsgemäßen Energiekopplers auf.
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Vorzugsweise weisen die Wandlermodule jeweils einen Hochvoltanschluss auf, wobei die Hochvoltanschlüsse der Wandlermodule im in den Modulaufnahmen angeordneten Zustand parallelgeschaltet sind. Jedes Wandlermodul ist also unmittelbar auch mit der dem Energiekoppler zugeführten Gleichspannung im Hochvoltbereich beaufschlagt. Dadurch können die Wandlermodule unabhängig voneinander elektrische Energie aus dem Gleichspannungshochvoltbordnetz beziehen. Dies ist besonders vorteilhaft, wenn die Wandlermodule eigene Steuereinheiten umfassen, die zum Regeln ihrer jeweiligen Modulenergiewandler dienen.
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Weiterhin weist jedes der Wandlermodule wenigstens einen, vorzugsweise jedoch genau einen, Niedervoltanschluss auf, wobei der Niedervoltanschluss vom jeweiligen Hochvoltanschluss galvanisch getrennt ist. Diese Ausgestaltung ermöglicht es nicht nur, eine elektrische Isolation zwischen dem Gleichspannungshochvoltbordnetz und dem Gleichspannungsniedervoltbordnetz bereitzustellen, sondern sie erlaubt es auch, die Niedervoltanschlüsse der Wandlermodule nahezu beliebig miteinander zu verschalten, zum Beispiel indem die Niedervoltanschlüsse der Wandlermodule in Reihe geschaltet werden, indem die Niedervoltanschlüsse der Wandlermodule parallelgeschaltet werden, Kombinationsschaltungen hiervon vorgesehen werden oder dergleichen. Die galvanische Trennung des Hochvoltanschlusses vom Niedervoltanschluss ist vorzugsweise derart ausgebildet, dass sie im bestimmungsgemäßen Betrieb eine elektrische Isolation zumindest für eine Spannungsbeaufschlagung mit der Hochvoltgleichspannung standhält. Die elektrische Isolation kann im Modulenergiewandler vorgesehen sein, indem der Modulenergiewandler entsprechend ein galvanisches Trennelement aufweist. Dieses kann zum Beispiel durch einen Transformator mit getrennten Wicklungen und/oder dergleichen gebildet sein.
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Vorzugsweise weist jedes der Wandlermodule niedervoltseitig einen Rückspeiseschutz auf. Durch den Rückspeiseschutz kann erreicht werden, dass nicht in unerwünschter Weise von einem Wandlermodul Energie in ein anderes Wandlermodul eingespeist werden kann. Dies kann zu unerwünschten Betriebszuständen der Wandlermodule führen und die Funktion des Energiekopplers stören. Der Rückspeiseschutz kann im einfachsten Fall durch eine entsprechende Diode gebildet sein, die am Niedervoltanschluss vorgesehen ist, um einen Stromfluss durch den Niedervoltanschluss lediglich in eine einzige Richtung zuzulassen. Der Einsatz einer Diode als Rückspeiseschutz ist jedoch vorzugsweise lediglich bei Modulenergiewandlern vorgesehen, die für eine unidirektionale Energiewandlung ausgebildet sind und lediglich einen Energiefluss vom Hochvoltanschluss zum Niedervoltanschluss erlauben. Ist dagegen der Modulenergiewandler für eine bidirektionale Energiewandlung ausgebildet, kann die Diode auch durch ein Halbleiterschaltelement gebildet sein, was mittels einer wandlermodulseitigen Steuereinheit entsprechend gesteuert werden kann, um den vorgesehenen Energiefluss einerseits sicherzustellen und andererseits sicherzustellen, dass nicht in unerwünschter Weise eine Rückspeisung erfolgt. Das Halbleiterschaltelement kann beispielsweise durch einen Transistor, eine Transistorschaltung, zum Beispiel unter Nutzung von bipolaren Transistoren und/oder Feldeffekttransistoren sein, oder auch unter Nutzung von Thyristoren oder dergleichen.
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Vorzugsweise umfasst jedes der Wandlermodule niedervoltseitig eine Bypass-Einheit. Die Bypass-Einheit dient dazu, insbesondere beim Einschalten sicherzustellen, dass der Niedervoltanschluss nicht in unerwünschter Weise mit einer verpolten elektrischen Spannung beim Einschalten des Energiekopplers insgesamt beaufschlagt werden kann. Dieser Zustand kann im Übrigen auch bei Fehlerzuständen der Wandlermodule auftreten. Um hier die Zuverlässigkeit der Wandlermodule sicherzustellen und diese vor unerwünschter Spannungsbeaufschlagung am Niedervoltanschluss zu schützen, dient die Bypass-Einheit. Diese kann durch eine Diode gebildet sein, die zwischen Anschlusspolen des Niedervoltanschlusses derart angeschlossen ist, dass sie im bestimmungsgemäßen Betrieb in Sperrrichtung betrieben wird. Auch hier besteht die Möglichkeit, die Diode durch ein Halbleiterschaltelement zu ersetzen und dieses mit einer wandlermodulseitigen Steuereinheit zu steuern.
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Weiterhin wird vorgeschlagen, dass jedes der Wandlermodule niedervoltseitig eine Trimm-Einheit zum Einstellen einer am Niedervoltanschluss bereitgestellten Modulspannung aufweist. Durch die Trimm-Einheit kann ein Pegel der Modulspannung variiert werden, sodass Spannungsanpassungen ermöglicht werden, die es erlauben, die Modulspannung im Wesentlichen genau auf einen vorgegebenen Wert einstellen zu können, sodass die Wandlermodule im Wesentlichen nahezu die gleiche elektrische Modulspannung am jeweiligen Niedervoltanschluss bereitstellen können. Dies ist insbesondere vorteilhaft, wenn die Wandlermodule niedervoltseitig parallelgeschaltet werden, damit Ausgleichsvorgänge weitgehend reduziert werden können. Die Trimm-Einheit kann durch die wandlermodulseitige Steuereinheit umfasst sein und eine Regelung der Modulspannung umfassen. Darüber hinaus kann die Trimm-Einheit auch einen Steueranschluss umfassen, mittels dem sie an eine übergeordnete Steuereinheit des Energiekopplers angeschlossen werden kann. Dadurch ist es möglich, dass der Energiekoppler einzelne Modulspannungen einzelner Wandlermodule bedarfsgerecht steuern kann. Darüber hinaus dient die Trimm-Einheit auch dazu, Abweichungen der Modulspannungen aufgrund von Toleranzen bei der Herstellung der Wandlermodule ausgleichen zu können. Die Trimm-Einheit kann darüber hinaus auch durch eine Stelleinheit, beispielsweise ein Potentiometer oder dergleichen, gebildet sein, mittels der die Modulspannung bei der Herstellung des Wandlermoduls einmalig zum Ausgleichen von etwaigen Toleranzen eingestellt beziehungsweise angepasst werden kann, sodass die am Niedervoltanschluss bereitgestellte Modulspannung einem vorgegebenen Wert im Wesentlichen entspricht. Die Trimm-Einheit kann ausgebildet sein, eine Spannungsanpassung in einem Bereich von etwa 20%, vorzugsweise etwa 10%, der Bemessungsspannung zu ermöglichen.
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Vorzugsweise umfasst der Energiekoppler eine Steuereinheit, die mit den in den Modulaufnahmen angeordneten Wandlermodulen in Kommunikationsverbindung steht und deren getaktete Modulenergiewandler zumindest hinsichtlich der jeweils zu wandelnden elektrischen Energie steuert. Dadurch ist es möglich, einen Energiefluss des Energiekopplers in vorgegebener Weise steuern zu können. Die Steuereinheit kann auch vorsehen, dass lediglich einzelne der Wandlermodule Energie in vorgegebener Weise wandeln. Darüber hinaus kann mittels der Steuereinheit auch eine aktuelle Leistung einer jeweils zu wandelnden elektrischen Energie durch ein jeweiliges der angeschlossenen Wandlermodule eingestellt werden oder dergleichen. Ferner kann die Funktion der Wandlermodule überwacht werden. Es kann vorgesehen sein, dass die Steuereinheit bei Erfassen einer Störung bei einem oder mehreren der Wandlermodule eine Schutzfunktion aktiviert, beispielsweise indem der Energiekoppler insgesamt deaktiviert wird oder dergleichen.
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Besonders vorteilhaft erweist es sich, wenn die Steuereinheit ausgebildet ist, eine Anzahl der steuerbaren Wandlermodule automatisiert zu erkennen. Dadurch ist die Steuereinheit in der Lage, automatisiert die entsprechenden für die Steuerung des Energiekopplers relevanten Parameter zu ermitteln und ein entsprechendes Steuerungsverfahren anzuwenden. Insbesondere eignet sich diese Ausgestaltung für Energiekoppler, die für eine unterschiedliche Anzahl von Wandlermodulen ausgebildet sind. Dadurch braucht der Energiekoppler nicht mehr fertigungsseitig entsprechend eingestellt und justiert zu werden. Dies verbessert weiter die Fertigung des erfindungsgemäßen Energiekopplers.
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Die für den erfindungsgemäßen Energiekoppler angegebenen Merkmale, Wirkungen und Vorteile gelten gleichermaßen für das Wandlermodul des Energiekopplers sowie für das mit dem Energiekoppler ausgerüstete Kraftfahrzeug und umgekehrt.
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Zu der Erfindung gehören auch Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens, die Merkmale aufweisen, wie sie bereits im Zusammenhang mit den Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Kraftfahrzeugs beschrieben worden sind. Aus diesem Grund sind die entsprechenden Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens hier nicht noch einmal beschrieben.
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Im Folgenden sind Ausführungsbeispiele der Erfindung beschrieben. Hierzu zeigt:
- 1 in einer schematischen Blockschaltbilddarstellung ein Wandlermodul für einen Energiekoppler gemäß der Erfindung;
- 2 in einer schematischen Blockschaltbilddarstellung einen Energiekoppler der Erfindung mit drei Wandlermodulen, die niedervoltseitig parallelgeschaltet sind;
- 3 in einer schematischen Blockschaltbilddarstellung einen Energiekoppler der Erfindung mit drei Wandlermodulen, die niedervoltseitig in Reihe geschaltet sind; und
- 4 in einer schematischen Blockschaltbilddarstellung einen Energiekoppler der Erfindung mit zwei Wandlermodulen, die niedervoltseitig in Reihe geschaltet sind.
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Bei den im Folgenden erläuterten Ausführungsbeispielen handelt es sich um bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung. Bei den Ausführungsbeispielen stellen die beschriebenen Komponenten der Ausführungsformen jeweils einzelne, unabhängig voneinander zu betrachtende Merkmale der Erfindung dar, welche die Erfindung jeweils auch unabhängig voneinander weiterbilden und damit auch einzeln oder in einer anderen als der gezeigten Kombination als Bestandteil der Erfindung anzusehen sind. Des Weiteren sind die beschriebenen Ausführungsformen auch durch weitere der bereits beschriebenen Merkmale der Erfindung ergänzbar.
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In den Figuren sind funktionsgleiche Elemente jeweils mit denselben Bezugszeichen versehen.
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1 zeigt in einer schematischen Blockschaltbilddarstellung ein Wandlermodul 20 gemäß der Erfindung für einen im Folgenden noch beschriebenen Energiekoppler 10 (2, 3, 4) gemäß der Erfindung. Das Wandlermodul 20 weist einen Hochvoltanschluss 24 und einen Niedervoltanschluss 26 auf. An dem Hochvoltanschluss 24 und dem Niedervoltanschluss 26 ist ein Modulenergiewandler 22 angeschlossen, der vorliegend nach Art eines DC/DC-Wandlers ausgebildet ist. Der Modulenergiewandler 22 umfasst eine galvanische Trennung 28, sodass der Hochvoltanschluss 24 vom Niedervoltanschluss 26 galvanisch getrennt ist. Der Modulenergiewandler 22 ist ferner ausgebildet, elektrische Energie bidirektional zu wandeln.
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Hochspannungsseitig ist der Modulenergiewandler 22 über eine Diode 46 als Verpolungsschutz an den Hochvoltanschluss 24 angeschlossen. Der Verpolungsschutz durch die Diode 46 ist lediglich optional vorhanden und braucht bei bestimmten Ausführungen, bei denen eine Verpolung bereits dem Grunde nach nicht vorkommen kann, beispielsweise aufgrund einer Kodierung eines Anschlusses, nicht vorgesehen zu werden. An deren Stelle kann dann eine elektrische Verbindung vorgesehen sein.
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Niedervoltseitig ist der Modulenergiewandler 22 über einen Rückspeiseschutz, der vorliegend durch eine Diode 30 dargestellt ist, an den Niedervoltanschluss 26 angeschlossen. Die Diode 30 kann eingesetzt werden, wenn das Wandlermodul 20 lediglich für eine unidirektionale Energiewandlung ausgebildet ist. Ist hingegen - wie vorliegend - das Wandlermodul 20 für eine bidirektionale Energiewandlung ausgebildet, kann anstelle der Diode 30 ein aktiver Rückspeiseschutz mittels eines oder mehrerer Transistoren vorgesehen sein, die durch eine nicht dargestellte Steuereinheit des Modulenergiewandlers 22 entsprechend angesteuert werden.
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Am Niedervoltanschluss 26 ist ferner eine Bypass-Einheit 32 vorgesehen, die vorliegend ebenfalls durch eine Diode gebildet ist. Durch die Bypass-Einheit 32 wird sichergestellt, dass der Niedervoltanschluss 26 nicht in unerwünschter Weise mit einer verpolten Gleichspannung beaufschlagt werden kann und so Störungen beziehungsweise Beschädigungen am Modulenergiewandler 22 hervorrufen kann.
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Ferner ist eine Trimm-Einheit 34 vorgesehen, die vorliegend auf den Modulenergiewandler 22 einwirkt. In 1 ist dies mit einem Pfeil gekennzeichnet, an dem „TRIM“ angefügt ist. Mit der Trimm-Einheit 34 kann eine Modulspannung 36 am Niedervoltanschluss 26 eingestellt werden, sodass die Modulspannung 36 einer vorgegebenen standardisierten Spannung entspricht.
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Vorliegend ist vorgesehen, dass die Wandlermodule 20 alle die gleichen mechanischen Abmessungen sowie auch die gleichen elektrischen Anschlüsse aufweisen, die vorliegend als Steckanschlüsse ausgebildet sind. Entsprechend sind die Modulaufnahmen des Energiekopplers 10 ausgebildet, sodass mit dem Anordnen des Wandlermoduls in der jeweiligen Modulaufnahme dieses nicht nur mechanisch fixiert, sondern zugleich auch elektrisch angeschlossen ist.
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Jedes der Wandlermodule 20 ist vorliegend ausgebildet, an ein Gleichspannungshochvoltbordnetz 12 mit einer Hochvoltgleichspannung 16 von etwa 450 V angeschlossen zu werden. Niedervoltseitig wird am Niedervoltanschluss 26 die Modulspannung 36 bereitgestellt, die vorliegend etwa 12 V beträgt. Der Modulenergiewandler 22 ist für eine Leistung von vorliegend etwa 1 kW ausgebildet. Die Wandlermodule 20 sind hierdurch standardisiert und können somit als separate Baueinheiten gehandhabt, insbesondere erprobt und geprüft, werden.
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2 zeigt nun einen Energiekoppler 10 gemäß der Erfindung, der modular aufgebaut ist und Modulaufnahmen aufweist, in denen drei Wandlermodule 20, wie sie anhand von 1 erläutert worden sind, angeordnet sind. Der Energiekoppler 10 ist in nicht weiter dargestellter Weise an das Gleichspannungshochvoltbordnetz 12 mit der Hochvoltgleichspannung 16 angeschlossen. Die Hochvoltanschlüsse 24 der Wandlermodule 12 sind vorliegend mittels einer energiekopplerseitigen elektrischen Verschaltung parallelgeschaltet und an das Gleichspannungshochvoltbordnetz 12 angeschlossen.
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Niedervoltseitig sind die Niedervoltanschlüsse 26 der Wandlermodule 20 mittels einer weiteren energiekopplerseitigen elektrischen Verschaltung parallelgeschaltet. Diese Parallelschaltung ist über ein elektrisches Schaltelement 42 sowie ein Sicherungselement 44 an einen Niedervoltanschluss des Energiekopplers 10 angeschlossen, der an das Gleichspannungsniedervoltbordnetz 14 angeschlossen ist. Das Gleichspannungsniedervoltbordnetz 14 ist für eine Niedervoltgleichspannung 18 von etwa 12 V ausgelegt. Da jedes der Wandlermodule 20 für eine nominale Leistung von etwa 1 kW ausgebildet ist, stellt der modular aufgebaute Energiekoppler 10 gemäß 3 eine maximale Wandlungsleistung von 3 kW bereit.
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Jedes der Wandlermodule 20 ist ferner über eine Kommunikationsleitung 40 an eine Steuereinheit 38 des Energiekopplers 10 angeschlossen. Die Steuereinheit 38 steuert die Wandlermodule 20 hinsichtlich der zu wandelnden Leistung und gegebenenfalls auch hinsichtlich einer Spannungseinstellung, indem ein Steuersignal an die jeweilige Trimm-Einheit 34 abgegeben werden kann.
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Darüber hinaus steuert die Steuereinheit 38 auch das Schaltelement 42. Tritt eine Störung bei einem der Wandlermodule 20 auf, kann dies über die Kommunikationsleitungen 40 von der Steuereinheit 38 erfasst werden und zum Schutz des Energiekopplers 10 das Schaltelement 42 geöffnet werden, sodass niedervoltseitig eine Unterbrechung hergestellt wird. Das Schaltelement 42 ist vorliegend durch ein Schütz gebildet. Es kann jedoch auch durch einen oder mehrere Halbleiterschalter gebildet sein. Ein weiterer Schutz wird mittels einer Schmelzsicherung 44 erreicht, die in Reihe zum Schaltelement 42 geschaltet ist.
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Bei der Ausgestaltung gemäß 2 erweist sich insbesondere der Rückspeiseschutz 32 als vorteilhaft, weil insbesondere beim Einschalten des Energiekopplers 10 die Wandlermodule 20 aufgrund von Toleranzen nicht genau gleich eingeschaltet werden, sondern das Bereitstellen der jeweiligen Modulspannung 36 am jeweiligen Niedervoltanschluss 26 mit einer zufälligen Zeitverzögerung erfolgt. Durch den Rückspeiseschutz 32 kann vermieden werden, dass in unerwünschter Weise Energie von einem der Wandlermodule 22, welches seine Modulspannung 36 schneller als ein anderes der Wandlermodule 22 bereitstellt, in das andere der Wandlermodule 22 einspeist wird und hier Störungen verursacht.
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Vorliegend stellt der Energiekoppler 10 somit eine Energiekopplung zwischen dem Gleichspannungshochvoltbordnetz 12 mit einer Hochvoltgleichspannung 16 von etwa 450 V und dem Gleichspannungsniedervoltbordnetz 14 mit einer Niedervoltgleichspannung 18 von etwa 12 V bereit. Die Leistung dieses Energiekopplers beträgt 3 kW.
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3 zeigt eine weitere Ausgestaltung eines Energiekopplers 10, die im Wesentlichen auf der Ausgestaltung gemäß 2 basiert, weshalb für Details ergänzend auf die Beschreibung der Ausführungsform gemäß 2 verwiesen wird.
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Im Unterschied zur Ausgestaltung gemäß 2 ist vorliegend vorgesehen, dass bei dem Energiekoppler 10 gemäß 3 die Niedervoltanschlüsse 26 der Wandlermodule 20 in Reihe geschaltet sind. Die weiteren Parameter des Energiekopplers 10 entsprechen denen, wie sie bereits anhand von 2 erläutert wurden. Daraus ergibt sich als weiterer Unterschied des Energiekopplers 10 gemäß 3 in Bezug auf den Energiekoppler 10 gemäß 2, dass niedervoltseitig eine Niedervoltgleichspannung 18 von 36 V bereitgestellt wird. Die Leistung ist jedoch die gleiche und beträgt auch hier 3 kW. Bei dieser Ausgestaltung erweist sich insbesondere die Bypass-Einheit 32 als Vorteil, da beim Einschalten des Energiekopplers 10 gemäß 3 ansonsten an den Niedervoltanschlüssen 26 gegebenenfalls eine inverse Spannungsbeaufschlagung erfolgen könnte, wenn die Wandlermodule 20 ihre jeweilige Modulspannung 36 an den Niedervoltanschlüssen 26 unterschiedlich schnell bereitstellen.
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4 zeigt eine weitere Ausgestaltung eines Energiekopplers 10, der auf der Ausgestaltung gemäß 3 basiert, weshalb ergänzend auf die diesbezüglichen Ausführungen verwiesen wird.
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Im Unterschied zur Ausgestaltung gemäß 3 weist der Energiekoppler 10 gemäß 4 lediglich zwei Wandlermodule 20 auf. Alle weiteren Parameter entsprechen denen, wie sie bereits zu 3 erläutert worden sind. Lediglich die Niedervoltgleichspannung 18 beträgt hier 24 V, weil mittels der reduzierten Anzahl von Modulwandlern 20 auch nur eine reduzierte Niedervoltgleichspannung 18 bereitgestellt zu werden vermag. Das Gleiche gilt im Übrigen auch für die Leistung, die hier ebenfalls um 1 kW reduziert ist, sodass der Energiekoppler 10 gemäß 4 lediglich 2 kW bereitzustellen vermag.
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Nicht dargestellt in den Fig. ist, dass der Energiekoppler 10 Teil einer elektrischen Anlage eines elektrisch antreibbaren Kraftfahrzeugs ist, welches vorliegend ein Elektrofahrzeug ist.
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Die Ausführungsbeispiele dienen lediglich der Erläuterung der Erfindung und sollen diese nicht beschränken.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 2004/0189251 A1 [0011]
- EP 2605089 A1 [0011]
- EP 2605093 A1 [0011]
