DE102018006409A1

DE102018006409A1 - Energiewandler zum energietechnischen Koppeln eines Gleichspannungsbordnetzes mit einer Wechselspannungs- oder einer Gleichspannungsenergiequelle

Info

Publication number: DE102018006409A1
Application number: DE102018006409.4A
Authority: DE
Inventors: André Haspel; Urs Boehme
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2018-08-14
Filing date: 2018-08-14
Publication date: 2019-03-07

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Energiewandler (10) zum energietechnischen Koppeln eines Gleichspannungsbordnetzes (12) mit einer Wechselspannungs- oder einer Gleichspannungsenergiequelle, mit einem mit der Wechselspannungsenergiequelle elektrisch koppelbaren Wechselspannungsanschluss (14), einem mit dem Gleichspannungsbordnetz (12) elektrisch koppelbaren Bordnetzanschluss (16), einer mit dem Wechselspannungsanschluss (14) elektrisch gekoppelten LLC-Wandlereinheit (18), die eine Wandlerinduktivität (L1, L2, Tr2) aufweist, einer mit der LLC-Wandlereinheit (18) und mit dem Bordnetzanschluss (16) elektrisch gekoppelten Gleichrichtereinheit (20), die wenigstens ein Gleichrichterelement (D1, D2, D3, FET1) aufweist, sowie einem mit der Gleichrichtereinheit (20) elektrisch gekoppelten und mit der Gleichspannungsenergiequelle (44) elektrisch koppelbaren Gleichspannungsanschluss (22), wobei das wenigstens eine Gleichrichterelement durch ein mittels eines Schaltsignals steuerbares Schaltelement (FET1) gebildet ist und der Gleichspannungsanschluss (22) derart an die Gleichrichtereinheit (20) angeschlossen ist, dass das Schaltelement (FET1) bei Beaufschlagen mit dem Schaltsignal in Zusammenwirkung mit der Wandlerinduktivität (L1, L2, Tr2) ein Hochsetzen einer am Gleichspannungsanschluss (22) bereitgestellten Gleichspannung für den Bordnetzanschluss (16) bewirkt.

Description

Die Erfindung betrifft einen Energiewandler zum energietechnischen Koppeln eines Gleichspannungsbordnetzes mit einer Wechselspannungs- oder einer Gleichspannungsenergiequelle, mit einem mit der Wechselspannungsenergiequelle elektrisch koppelbaren Wechselspannungsanschluss, einem mit dem Gleichspannungsbordnetz elektrisch koppelbaren Bordnetzanschluss, einer mit dem Wechselspannungsanschluss elektrisch gekoppelten LLC-Wandlereinheit, die eine Wandlerinduktivität aufweist, einer mit der LLC-Wandlereinheit und mit dem Bordnetzanschluss elektrisch gekoppelten Gleichrichtereinheit, die wenigstens ein Gleichrichterelement aufweist, sowie einem mit der Gleichrichtereinheit elektrisch gekoppelten und mit der Gleichspannungsenergiequelle elektrisch koppelbaren Gleichspannungsanschluss.
Gattungsgemäße Energiewandler sind im Stand der Technik umfänglich bekannt, sodass es eines gesonderten druckschriftlichen Nachweises hierfür nicht bedarf. Energiewandler der gattungsgemäßen Art finden insbesondere dann Einsatz, wenn ein Gleichspannungsbordnetz mit einer Wechselspannungsenergiequelle oder einer Gleichspannungsenergiequelle elektrisch gekoppelt werden soll, damit zwischen dem Gleichspannungsbordnetz und der jeweiligen der Energiequellen elektrische Energie ausgetauscht werden kann. Insbesondere ist vorgesehen, dass von den Energiequellen elektrische Energie zum Gleichspannungsbordnetz zugeführt werden kann. Besonders häufig finden derartige elektrische Energiewandler mittlerweile Einsatz bei Kraftfahrzeugen, insbesondere solchen Kraftfahrzeugen, die elektrisch antreibbar ausgebildet sind. Gattungsgemäße Energiewandler können für eine unidirektionale oder auch eine bidirektionale Energiekopplung ausgebildet sein.
Um die Energiewandlung realisieren zu können, ist zumindest in Bezug auf die energietechnische Kopplung mit einer Wechselspannungsenergiequelle ein Energiewandler nach Art einer LLC-Wandlereinheit vorgesehen. Bezüglich der Gleichspannungsenergiequelle ist dagegen in der Regel vorgesehen, dass eine unmittelbare Kopplung ausgebildet ist, sofern die Gleichspannung der Gleichspannungsenergiequelle im Wesentlichen der Gleichspannung des Gleichspannungsbordnetzes entspricht. Weichen diese Gleichspannungen voneinander ab, kann zusätzlich ein Gleichspannungswandler nach Art eines DC/DC-Wandlers vorgesehen sein.
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. Häufig ist das elektrische Bordnetz als Gleichspannungsbordnetz ausgebildet.
Nicht nur aber besonders bei elektrisch antreibbaren Kraftfahrzeugen ist in der Regel das Gleichspannungsbordnetz für eine Beaufschlagung mit einer Gleichspannung im Hochvoltbereich ausgebildet. 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. Eine häufig vorgesehene Bemessungsgleichspannung des Gleichspannungsbordnetzes beträgt zum Beispiel etwa 450 V oder auch etwa 500 V. Darüber hinaus sind mittlerweile auch Gleichspannungsbordnetze bekannt, die für eine Bemessungsspannung von etwa 800 V ausgelegt sind. Das Gleichspannungsbordnetz ist jedoch nicht auf diese Bemessungsgleichspannungen begrenzt.
Gerade elektrisch antreibbare Kraftfahrzeuge verfügen in der Regel über eine elektrische Antriebseinrichtung, die zumindest teilweise dem bestimmungsgemäßen Fahrbetrieb des Kraftfahrzeugs dient und die zu diesem Zweck an das Bordnetz angeschlossen ist oder zumindest teilweise von diesem umfasst ist. Damit das Kraftfahrzeug im bestimmungsgemäßen Fahrbetrieb mit elektrischer Energie versorgt werden kann, umfasst das elektrische Bordnetz in der Regel einen elektrischen Energiespeicher, hier eine Fahrzeugbatterie, die vorzugsweise nach Art eines Akkumulators, beispielsweise durch eine Hochvoltbatterie oder dergleichen, gebildet ist. Während des bestimmungsgemäßen Fahrbetriebs reduziert sich ein Energieinhalt der Fahrzeugbatterie mit der Zeit, wodurch bei Erreichen eines vorgebbaren unteren Ladungszustands ein Aufladen der Fahrzeugbatterie erforderlich wird. Die hierfür benötigte elektrische Energie kann von einer fahrzeugexternen Ladestation bereitgestellt werden, zu welchem Zweck das Kraftfahrzeug an der Ladestation während des Zuführens von elektrischer Energie abgestellt und mit dieser elektrisch gekoppelt wird. Die Ladestation umfasst zu diesem Zweck die Gleichspannungsenergiequelle oder auch die Wechselspannungsenergiequelle oder ist zumindest an eine solche angeschlossen, sodass die Fahrzeugbatterie zum Zwecke des Bereitstellens von elektrischer Energie mit einer oder beiden dieser Energiequellen elektrisch gekoppelt ist.
Ein elektrisch antreibbares Kraftfahrzeug ist insbesondere ein schienenungebundenes Fahrzeug, welches eine elektrische Antriebseinrichtung umfasst, mittels der das elektrisch antreibbare Kraftfahrzeug im bestimmungsgemäßen Fahrbetrieb zumindest teilweise angetrieben werden kann. Die elektrische Antriebseinrichtung weist hierfür üblicherweise eine oder mehrere rotierende elektrische Maschinen auf, die mittels eines geeignet ausgebildeten Maschinenenergiewandlers in vorgebbarer Weise gesteuert werden können. Zu diesem Zweck ist der Maschinenenergiewandler dazu ausgebildet, für die rotierenden elektrischen Maschinen eine jeweilige Maschinenspannung bereitzustellen. Ein derartiger Maschinenenergiewandler kann zum Beispiel ein Wechselrichter, ein Gleichspannungswandler, beispielsweise ein DC/DC-Wandler, und/oder dergleichen sein.
Ein elektrisch antreibbares Kraftfahrzeug ist vorzugsweise ein Elektrofahrzeug oder ein Hybridfahrzeug. Bei einem Elektrofahrzeug ist die elektrische Antriebseinrichtung in der Regel die einzige Einrichtung, die dem Fahrbetrieb des Kraftfahrzeugs dient. Bei einem Hybridfahrzeug ist dagegen üblicherweise eine weitere Antriebseinrichtung vorhanden, die in der Regel in Form einer Verbrennungskraftmaschine ausgebildet sein kann. Die Verbrennungskraftmaschine kann ebenso für den bestimmungsgemäßen Fahrbetrieb wie die elektrische Antriebseinrichtung genutzt werden. Es können auch beide Antriebseinrichtungen kombiniert miteinander betrieben werden. Das Kraftfahrzeug ist insbesondere ein Kraftwagen, vorzugsweise ein Personenkraftwagen.
Die LLC-Wandlereinheit ist ein spezifischer Typ eines Energiewandlers, der dazu genutzt wird, die Wechselspannungsenergiequelle mit dem Gleichspannungsbordnetz über die Gleichrichtereinheit zu koppeln. Die LLC-Wandlereinheit ist eine spezielle Form eines Resonanzwandlers, der häufig für Leistungsanwendungen ab einer Leistung von etwa 1 kW eingesetzt wird, und zwar mit dem Ziel, eine Verlustleistung bei Schaltvorgängen von Schaltelementen zu reduzieren. Derartige Resonanzwandler kommen unter anderem in zwei Varianten vor, welche entweder ausgebildet sind, einen Schaltvorgang nur bei einem Nulldurchgang einer Spannung oder bei einem Nulldurchgang eines Stroms an einen jeweiligen Schaltelement durchzuführen. Dabei wird die leistungsübertragende Strecke beziehungsweise ein Energiewandlungszweig durch Induktivitäten und Kapazitäten gebildet, die auch einen Transformator umfassen kann. Hierdurch ist in der Regel auch eine Taktrate des Resonanzwandlers bestimmt. Für die vorliegende Anwendung zur Energieversorgung eines Gleichspannungsbordnetzes ist die LLC-Wandlereinheit in der Regel für einen unidirektionalen Betrieb ausgebildet, sodass ein Energiefluss von der Wechselspannungsenergiequelle zum Gleichspannungsbordnetz ermöglicht ist. Gleichwohl kann auch eine bidirektionale Ausgestaltung vorgesehen sein. Um Rückwirkungen auf die Wechselspannungsenergiequelle möglichst gering zu halten, ist ferner häufig eine PFC-Wandlereinheit vorgesehen. Mit der PFC-Wandlereinheit kann eine Leistungsfaktorkorrektur (englisch: power factor control; PFC) für die Wechselspannungsenergiequelle realisiert werden. In der Regel stellt die PFC-Wandlereinheit eine Gleichspannung für die LLC-Wandlereinheit bereit.
Damit kraftfahrzeugseitig die Möglichkeit gegeben ist, an unterschiedlichste Ladestationen angeschlossen werden zu können, um elektrische Energie beziehen zu können, ist ein derartiger Energiewandler häufig am Kraftfahrzeug angeordnet. Es zeigt sich, dass insbesondere, wenn die Ladestation eine Gleichspannung bereitstellt, die kleiner als die Gleichspannung des Gleichspannungsbordnetzes ist, ein Aufladen der Fahrzeugbatterie nur unvollständig oder überhaupt nicht möglich ist. Um dieses Problem zu vermeiden, könnte ein zusätzlicher DC/DC-Wandler vorgesehen sein, mittels dem bei Bedarf eine entsprechende Spannungsanpassung realisiert werden kann. Hierdurch sind jedoch entsprechend zusätzliche Komponenten erforderlich, die nicht nur den Kostenaufwand erhöhen, sondern auch Bauraum und Gewicht des Kraftfahrzeugs erhöhen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einem gattungsgemäßen Energiewandler eine zusätzliche Hochsetzstellfunktion mit geringem Aufwand realisieren zu können.
Als Lösung wird mit der Erfindung ein Energiewandler gemäß Anspruch 1 vorgeschlagen.
Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich durch Merkmale der abhängigen Ansprüche.
Bezüglich eines gattungsgemäßen Energiewandlers wird insbesondere vorgeschlagen, dass das wenigstens eine Gleichrichterelement durch ein mittels eines Schaltsignals steuerbares Schaltelement gebildet ist und der Gleichspannungsanschluss derart an die Gleichrichtereinheit angeschlossen ist, dass das Schaltelement bei Beaufschlagen mit dem Schaltsignal in Zusammenwirkung mit der Wandlerinduktivität ein Hochsetzen einer am Gleichspannungsanschluss bereitgestellten Gleichspannung für den Bordnetzanschluss bewirkt.
Die Erfindung basiert also auf dem Gedanken, durch eine angepasste Schaltungsstruktur den gattungsgemäßen Energiewandler dazu zu ertüchtigen, eine Hochsetzstellfunktion bezüglich der am Gleichspannungsanschluss bereitgestellten Gleichspannung für den Bordnetzanschluss zu erreichen. Dabei braucht lediglich eines der Gleichrichterelemente der Gleichrichtereinheit durch ein Schaltelement ersetzt zu werden. Die Schaltungsstruktur ist dabei entsprechend anzupassen, sodass die Schaltungsstruktur eines Hochsetzstellers realisiert werden kann. Dadurch braucht kein separater DC/DC-Wandler vorgesehen zu werden, um eine Gleichspannungsanpassung bei Energieversorgung aus einer Gleichspannungsenergiequelle zu realisieren. Durch geeignete Wahl der Schaltungsstruktur und Austausch lediglich eines einzigen Gleichrichterelements durch das Schaltelement kann die gewünschte Hochsetzstellfunktion bedarfsweise realisiert werden.
Das Gleichrichterelement kann zum Beispiel durch eine Diode aber auch durch ein geeignet im Schaltbetrieb betriebenes Schaltelement betrieben sein. Das Schaltelement kann dem Grunde nach ein elektromechanisches Schaltelement sein, welches mittels einer Steuereinheit, beispielsweise einer Fahrzeugsteuerung des Kraftfahrzeugs, in geeigneter Weise gesteuert werden kann, indem es mit einem entsprechenden Schaltsignal beaufschlagt wird. Bevorzugt kann das Schaltelement natürlich auch ein Halbleiterschaltelement sein, insbesondere ein Thyristor, beispielsweise ein Gate-Turn-Off-Thyristor, Kombinationsschaltungen hiervon, oder auch ein im Schaltbetrieb betriebener Transistor, beispielsweise ein bipolarer Transistor, ein Feldeffekttransistor und/oder dergleichen.
Wird ein Transistor als Schaltelement genutzt, wird dieser in einem entsprechend geeigneten Betriebsmodus, nämlich dem Schaltbetrieb betrieben. Der Schaltbetrieb des Transistors bedeutet, dass im eingeschalteten Schaltzustand, das heißt, während einer Einschaltzeit, zwischen Anschlüssen des Transistors, zwischen denen eine Schaltstrecke ausgebildet ist, ein sehr kleiner elektrischer Widerstand bereitgestellt wird, sodass ein hoher Stromfluss bei einer sehr kleinen, insbesondere vernachlässigbaren elektrischen Spannung möglich ist. Im ausgeschalteten Schaltzustand, das heißt, während einer Ausschaltzeit, ist die Schaltstrecke des Transistors dagegen hochohmig, was bedeutet, dass sie einen hohen elektrischen Widerstand bereitstellt, sodass auch bei hoher, an der Schaltstrecke anliegender elektrischer Spannung im Wesentlichen kein oder nur ein sehr geringer, insbesondere vernachlässigbarer Stromfluss, vorliegt. Hiervon unterscheidet sich ein Linearbetrieb, der aber bei einem Schaltbetrieb in der Regel nicht zum Einsatz kommt. Der Schaltbetrieb sieht vorzugsweise ausschließlich den Einschaltzustand und den Ausschaltzustand vor.
Die LLC-Wandlereinheit ist vorzugsweise als galvanisch isolierender DC/DC-Wandler ausgebildet und kann über einen Resonanzschwingkreis verfügen, der zwei Induktivitäten und eine Kapazität aufweist. Eine der beiden Induktivitäten kann dabei durch einen Transformator gebildet sein, und zwar eine Hauptinduktivität des Transformators, wobei der Transformator zugleich auch die galvanische Isolierung bereitzustellen vermag. Die Bauteile, die den Resonanzschwingkreis bilden, können dabei beispielsweise auf einer Primärseite des Transformators oder auf einer Sekundärseite des Transformators oder auch auf der Primär- und der Sekundärseite verteilt angeordnet sein. Durch den Resonanzschwingkreis, der häufig als Serienschwingkreis ausgebildet ist, kann ein spannungs- oder stromfreies Schalten der Schaltelemente erreicht werden. Dem Grunde nach kann der Resonanzschwingkreis natürlich auch als Parallelschwingkreis ausgebildet sein. Die Zusammenschaltung der den Resonanzschwingkreis bildenden Bauteile kann dabei auch unterschiedlich gewählt sein. Zum Zwecke des Energiezuführens zum Gleichspannungsbordnetz von der Wechselspannungsenergiequelle ist die LLC-Wandlereinheit in der Regel mit einer Gleichrichtereinheit elektrisch gekoppelt, die sekundärseitig am Transformator angeschlossen ist. Die Gleichrichtereinheit kann eine geeignete Schaltungsstruktur aufweisen, beispielsweise eine Zweiweggleichrichtungsstruktur oder vorzugsweise auch eine Brückengleichrichtungsstruktur.
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 eine schematische Blockschaltbilddarstellung für eine Bordladeeinrichtung eines nicht weiter dargestellten Kraftfahrzeugs, welche an eine Gleichspannungsladestation angeschlossen ist;
2 eine schematische Blockschaltbilddarstellung wie 1, wobei die Bordladeeinrichtung für einen Gleichspannungsanschluss ergänzend einen DC/DC-Wandler aufweist;
3 eine schematische Schaltbilddarstellung für eine LLC-Wandlereinheit in Verbindung mit einer Gleichrichtereinheit;
4 eine Blockschaltbilddarstellung eines Bordladers gemäß 1;
5 eine schematische Schaltbilddarstellung für einen Hochsetzsteller;
6 eine schematische Schaltbilddarstellung für eine Bordladeeinrichtung gemäß der Erfindung in einer ersten Ausgestaltung;
7 eine Schaltbilddarstellung wie 6 für eine Bordladeeinrichtung gemäß der Erfindung in einer zweiten Ausgestaltung; und
8 eine schematische Blockschaltbilddarstellung wie 1 mit einer Bordladeeinrichtung gemäß 7.

In den Fig. sind gleiche oder funktionsgleiche Elemente mit gleichen Bezugszeichen versehen.
1 zeigt in einer schematischen Blockschaltbilddarstellung ein Bordnetz 12 als Gleichspannungsbordnetz eines nicht weiter dargestellten Kraftfahrzeugs, welches vorliegend ein Elektrofahrzeug ist. Die folgenden Ausführungsbeispiele können jedoch gleichermaßen auch bei einem Hybridfahrzeug oder einem konventionellen Kraftfahrzeug zum Einsatz kommen.
Das Bordnetz 12 umfasst eine Fahrzeugbatterie 30, die vorliegend als Hochvoltbatterie ausgebildet ist. Die Fahrzeugbatterie 30 ist für eine Bemessungsspannung von etwa 500 V ausgelegt. An die Fahrzeugbatterie 30 ist ferner ein Bordlader 28 angeschlossen, an dem eine erste Ladedose 14 angeschlossen ist, die einen Wechselspannungsanschluss zum elektrischen Koppeln mit einer nicht dargestellten Wechselspannungsenergiequelle bereitstellt. Der Bordlader 28 ist ebenso wie die erste Ladedose 14 am Elektrofahrzeug angeordnet.
Der Bordlader 28 umfasst eine PFC-Wandlereinheit 24, die wechselspannungsseitig an die Ladedose 14 angeschlossen ist. Gleichspannungsseitig ist an die PFC-Wandlereinheit 24 eine LLC-Wandlereinheit 18 in Verbindung mit einer Gleichrichtereinheit 20 angeschlossen. Diese Einheit 18, 20 ist über ein Schütz 26 an die Fahrzeugbatterie 30 angeschlossen. Das Schütz 26 ist vorliegend als elektromechanisches Schütz ausgebildet und weist eine zweipolige Trennmöglichkeit auf. Dem Grunde nach kann anstelle des Schützes 26 natürlich auch ein elektronisches Schütz mit Halbleiterschaltelementen als Schaltelementen eingesetzt sein.
An die Fahrzeugbatterie 30 ist ferner ein zweites Schütz 32 angeschlossen, welches ebenfalls eine zweipolige Trennmöglichkeit bereitstellt. Das Schütz 32 kann dem Grunde nach wie das Schütz 26 ausgebildet sein. An das Schütz 32 ist ferner eine zweite Ladedose 22 angeschlossen, an die - wie in der vorliegenden 1 dargestellt - ein Stecker 38 lösbar eingesteckt ist. Die zweite Ladedose 22 am ebenfalls Elektrofahrzeug angeordnet.
In der in 1 dargestellten Situation ist das Elektrofahrzeug an einer Ladestation 34 abgestellt, um der Fahrzeugbatterie 30 elektrische Energie zuzuführen. Zu diesem Zweck ist die zweite Ladedose 22 über ein Ladekabel 36 der Ladestation 34 mittels des Steckers 38 des Ladekabels 36 an die Ladestation 34 angeschlossen. Die Ladestation 34 ist ausgebildet, eine Gleichspannung zum Aufladen der Fahrzeugbatterie 30 bereitzustellen. Die durch die Ladestation 34 in dieser Ausgestaltung bereitgestellte Spannung beträgt etwa 500 V. Dadurch entspricht die durch die Ladestation 34 als Gleichspannungsenergiequelle bereitgestellte Gleichspannung im Wesentlichen der Bemessungsspannung der Fahrzeugbatterie 30. Somit ist es möglich, durch die Ladestation 34 die Fahrzeugbatterie 30 elektrisch aufzuladen.
Mittlerweile sind auch elektrisch antreibbare Kraftfahrzeuge im Einsatz, bei denen die Bemessungsspannung der Fahrzeugbatterie nicht 450 V oder 500 V sondern sogar etwa 800 V ist. Mit der Ausgestaltung gemäß 1 kann eine solche Fahrzeugbatterie 30, wenn sie für eine Bemessungsspannung von etwa 800 V ausgelegt ist, durch die Ladestation 34 nicht aufgeladen werden, oder zumindest kann sie nicht vollständig geladen werden, weil die Ladestation 34 vorliegend eine Ladegleichspannung von nur etwa 500 V bereitstellt.
2 zeigt eine alternative Ausgestaltung in einem schematischen Blockschaltbild wie 1, wobei bei der Ausgestaltung gemäß 2 vorgesehen ist, dass zwischen der Fahrzeugbatterie 30 und dem Schütz 32 ein DC/DC-Wandler 40 geschaltet ist, der mittels eines weiteren Schützes 42 überbrückt werden kann. Das Schütz 42 kann ebenso wie die anderen Schütze ausgebildet sein.
Dadurch ist es möglich, die von der Ladestation 34 bereitgestellte Gleichspannung, hier in der vorliegenden Ausgestaltung etwa 500 V, auf die Bemessungsspannung der Fahrzeugbatterie 30 von etwa 800 V zu wandeln. Das anhand von 1 beschriebene Problem bei einer Fahrzeugbatterie 30, die für eine Bemessungsspannung von etwa 800 V ausgelegt ist, kann somit vermieden werden.
Steht dagegen eine Ladestation 34 zur Verfügung, die eine Gleichspannung von etwa 800 V bereitzustellen vermag, kann mittels des Schützes 42 der DC/DC-Wandler 40 überbrückt werden und somit die Fahrzeugbatterie 30 von der Ladestation 34 unmittelbar mit elektrischer Energie versorgt werden. Das Schütz 42 ist zwar der Ausgestaltung gemäß 2 nur einpolig ausgebildet, es kann jedoch bei Bedarf auch zweipolig ausgebildet sein.
Die Ausgestaltung gemäß 2 löst zwar die Problematik hinsichtlich des Aufladens mit Gleichspannung bei unterschiedlichen Gleichspannungen zwischen der Ladestation 34 und der Fahrzeugbatterie 30, jedoch ist ein zusätzlicher Aufwand erforderlich, und zwar zumindest durch das Schütz 42 und den DC/DC-Wandler 40. Da diese Elemente im Elektrofahrzeug angeordnet sind, ist dies nicht nur hinsichtlich der Kosten ungünstig, sondern es ist auch ein zusätzlicher Aufwand in Bezug auf Bauraum und Gewicht erforderlich. Bei Elektrofahrzeugen soll dies jedoch möglichst vermieden werden.
3 zeigt in einer schematischen Schaltbilddarstellung die LLC-Wandlereinheit 18 in Verbindung mit der Gleichrichtereinheit 20. Die Gleichrichtereinheit 20 ist hier durch einen Brückengleichrichter gebildet, der vier nicht bezeichnete Dioden in bekannter Schaltungstopologie umfasst. Wechselspannungsseitig ist eine Sekundärwicklung eines Transformators Tr an die Gleichrichtereinheit 20 angeschlossen. Eine Primärseite des Transformators Tr ist in Reihe zu einer Induktivität L_r sowie zu einem Kondensator C_r geschaltet. Diese Elemente bilden einen Resonanzschwingkreis, der vorliegend als Serienschwingkreis ausgebildet ist. Dieser Resonanzschwingkreis wird mittels einer Halbbrückenschaltung bestehend aus Feldeffekttransistoren Q1 und Q2 als Schaltelementen beaufschlagt. Eine für den Betrieb der Halbbrückenschaltung erforderliche Zwischenkreisgleichspannung wird von der PFC- Wandlereinheit 24 bereitgestellt.
In der vorliegenden Ausgestaltung ist die LLC-Wandlereinheit 18 als galvanisch isolierender DC/DC-Wandler ausgebildet. Der Resonanzschwingkreis besteht vorliegend aus zwei Induktivitäten und einer Kapazität, und zwar der Induktivität L_r , einer Hauptinduktivität des Transformators Tr sowie der Kapazität in Form des Kondensators C_r . Die Bauteile des Resonanzschwingkreises können dabei zumindest teilweise entweder auf der Primärseite des Transformators Tr oder auch auf der Sekundärseite des Transformators Tr oder auch verteilt auf der Primärseite und der Sekundärseite des Transformators Tr angeordnet sein. Der Resonanzschwingkreis ist vorliegend als Serienschwingkreis ausgebildet, sodass ein Spannungs- oder stromfreies Schalten der Feldeffekttransistoren Q1 und Q2 erreicht werden kann. Die Reihenfolge der Verschaltung der Bauteile des Resonanzschwingkreises kann jedoch bedarfsweise auch variiert werden. Darüber hinaus kann anstelle der Ausbildung als Serienschwingkreis auch eine Ausbildung als Parallelschwingkreis vorgesehen sein.
4 zeigt in einer schematischen Blockschaltbilddarstellung den Bordlader 28 gemäß der 1 und 2, wobei die Elemente gemäß 3 als ein einziger Block in 4 dargestellt sind. Derartige Bordlader - wie der Bordlader 28 - werden üblicherweise bei elektrisch antreibbaren Kraftfahrzeugen wie dem Elektrofahrzeug eingesetzt. Die Gleichrichtereinheit 20 umfasst vorliegend Dioden. Alternativ kann auch vorgesehen sein, dass die Dioden zumindest teilweise durch Schaltelemente nach Art von Halbleiterschaltelementen ersetzt sind, beispielsweise Thyristoren, Transistoren und/oder dergleichen.
5 zeigt in einer schematischen Schaltbilddarstellung ein Prinzipschaltbild für einen Hochsetzsteller. Eine als Spule L ausgebildete Induktivität ist in Reihe mit einer Diode D geschaltet, an deren Kathode ein Kondensator C angeschlossen ist, an dem eine Ausgangsspannung U_A in Bezug auf ein Bezugspotential bereitgestellt wird. An der Spule L wird in Bezug auf dem Bezugspotential eine elektrische Spannung U_E angelegt. Die beiden Spannungen U_E und U_A sind vorliegend Gleichspannungen. Zwischen der Induktivität L und der Diode D ist als Schaltelement ein Halbleiterschaltelement S angeschlossen, das mittels eines Steuersignals einer nicht weiter dargestellten Steuereinheit im Taktbetrieb betrieben wird. Dabei wird das Halbleiterschaltelement S derart im Taktbetrieb betrieben, dass eine Hochsetzstellfunktion in bekannter Weise bereitgestellt wird. Die Funktion dieses Hochsetzstellers ist dem Fachmann dem Grunde nach bekannt, sodass von weiteren Erläuterungen bezüglich der Funktionalität dieser Schaltung in der vorliegenden Offenbarung abgesehen wird.
6 zeigt nun eine schematische Schaltbilddarstellung eine erste Ausgestaltung eines Energiewandlers 10 zum energietechnischen Koppeln des Gleichspannungsbordnetzes 12 mit einer nicht dargestellten Wechselspannungsenergiequelle oder einer Gleichspannungsenergiequelle 44. Der Energiewandler 10 weist einen mit der Wechselspannungsenergiequelle elektrisch koppelbaren Wechselspannungsanschluss 14, einen mit dem Gleichspannungsbordnetz 12 elektrisch koppelbaren Bordnetzanschluss 16, eine mit dem Wechselspannungsanschluss 14 elektrisch gekoppelte LLC-Wandlereinheit 18, die eine Wandlerinduktivität L1, L2, Tr2 aufweist, eine mit der LLC-Wandlereinheit 18 und mit dem Bordnetzanschluss 16 elektrisch gekoppelte Gleichrichtereinheit 20, die eine Brückenschaltung aus Dioden D1, D2, D3 und einem Feldeffekttransistor FET1 als Gleichrichterelementen aufweist, sowie eine mit der Gleichrichtereinheit 20 elektrisch gekoppelte und mit der Ladestation 34 elektrisch koppelbare zweite Ladedose 22 als Gleichspannungsanschluss auf. Die Ladestation 34 ist zu diesem Zweck mit der nicht weiter spezifizierten Gleichspannungsenergiequelle 44 elektrisch gekoppelt. Die Ladestation 34 selbst ist in dieser 6 nicht weiter dargestellt.
Im Unterschied zu den Ausgestaltungen gemäß den 1 und 2 ist bei dem Energiewandler 10 gemäß 6 das wenigstens eine Gleichrichterelement durch ein mittels eines Schaltsignals steuerbares Schaltelement, nämlich einen Feldeffekttransistor FET1, gebildet. Zusätzlich ist die zweite Ladedose 22 derart an die Gleichrichtereinheit 20 angeschlossen, dass das Schaltelement FET1 bei Beaufschlagen mit dem Schaltsignal in Zusammenwirkung mit der Wandlerinduktivität L1, L2, Tr2 ein Hochsetzstellen einer an der zweiten Ladedose 22 bereitgestellten Gleichspannung für den Bordnetzanschluss 16 bewirkt.
Gegenüber einem normalen Brückengleichrichter ist bei der Gleichrichtereinheit 20 also eine der Dioden durch einen Transistor, vorliegend den Feldeffekttransistor FET1, ersetzt. Die Funktion der LLC-Wandlereinheit 18 kann damit im Wesentlichen vollständig erhalten bleiben. Gleichzeitig besteht die Möglichkeit, durch ein geeignetes Takten des Feldeffekttransistors FET1 einen galvanisch gekoppelten Hochsetzsteller zu realisieren. Die Hochsetzstellfunktion bezieht sich dabei auf die Gleichspannung, die mittels der Gleichspannungsenergiequelle 44 an der zweiten Ladedose 22 bereitgestellt wird. Dadurch ist es möglich, wenn die Ladestation 34 eine Ladespannung von etwa 400 V oder etwa 500 V bereitstellt, die Fahrzeugbatterie 30 auch dann aufzuladen, wenn diese für eine Bemessungsspannung von etwa 800 V ausgelegt ist.
Die folgenden Bauteile wirken dabei als Hochsetzsteller zusammen, nämlich die Diode D3, eine Induktivität L1, die dem Speichern von Energie dient, und die in dieser vorliegenden Ausgestaltung unter Berücksichtigung eines Trafoübersetzungsverhältnisses ü wirkt, sowie dem Feldeffekttransistor FET1. Die Induktivität L1 braucht hierbei kein separates Bauteil zu sein und kann beispielsweise durch eine Streuinduktivität des Transformators Tr2 zumindest teilweise bereitgestellt sein. Dabei ist zu beachten, dass eine transformierte Spannung der Induktivität L1 über Dioden D5 bis D8 derart gleichgerichtet wird, dass an einem Kondensator C3 eine Gleichspannung anliegt und ein Stromfluss im Bereich einer Brückenschaltung aus Feldeffekttransistoren FET2, FET3, FET4, FET5 weitgehend vermieden werden kann. Bezüglich der Spannungsauslegung auf der Primärseite des Transformators Tr2 ist zu beachten, dass diese vorzugsweise für 1/ü ausgelegt werden sollte (zum Beispiel 400 V / 2=200 V).
7 zeigt nun eine zweite Ausgestaltung für einen Energiewandler 50, der auf der ersten Ausgestaltung des Energiewandlers 10 gemäß 6 basiert. Im Folgenden sollen deshalb lediglich noch die Unterschiede erläutert werden. Ein Unterschied der Ausgestaltung gemäß 7 besteht darin, dass die den Resonanzschwingkreis bildenden Elemente L2 und C3 entgegen der Ausgestaltung gemäß 6 nunmehr sekundärseitig in Bezug auf den Transformator Tr2 angeordnet sind. In dieser Ausgestaltung wird die Induktivität L2 somit für die Wandlungsfunktionalität genutzt. Die weitere Funktion entspricht dem, wie es bereits anhand von 6 erläutert wurde, weshalb diesbezüglich auf die entsprechenden Ausführungen verwiesen wird.
8 zeigt in einer schematischen Blockschaltbilddarstellung wie 1 einen Bordlader 46, der einen Energiewandler 50 mit integrierter Hochsetzstellfunktion gemäß 7 umfasst. Bezüglich der weiteren Details wird auf die vorhergehenden Ausführungen verwiesen.
Die Erfindung ermöglicht die folgenden Vorteile. Die Funktion des Hochsetzstellers kann ohne weitere Bauteile realisiert werden, ausgenommen dem Vorsehen des Schaltelements anstelle eines Gleichrichtelements. Ist eine aktive Gleichrichtung oder eine Bidirektionalität der LLC-Wandlereinheit 18 vorgesehen, kann die Hochsetzstellfunktion sogar gänzlich ohne weitere Bauteile realisiert werden. Bei Verwendung einer LLC-Wandlereinheit mit integrierter Brückengleichrichtung über Dioden reicht es aus, eine der Dioden durch ein Halbleiterschaltelement zu ersetzen, um die gewünschte Funktionalität in Bezug auf das Hochsetzstellen realisieren zu können. Mit diesem Prinzip kann aus einem Bordlader für ein Bordnetz, welches für eine Bemessungsspannung von etwa 800 V ausgelegt ist, ohne signifikanten Mehraufwand beziehungsweise durch Ersetzen lediglich einer Diode durch ein Schaltelement, die Funktion des Hochsetzstellens realisiert werden, wodurch es ermöglicht wird, dieses Kraftfahrzeug auch an einer Ladestation zu laden, die eine Gleichspannung bereitstellt, die kleiner als etwa 800 V ist, zum Beispiel etwa 500 V oder dergleichen. Die Spannungsangaben sind lediglich beispielhaft und können je nach Bedarf variieren. Die vorgenannten Anschlüsse brauchen nicht als separate Elemente ausgebildet zu sein. Sie können bei Bedarf auch durch andere Elemente bereitgestellt oder in diese integriert sein.
Die Ausführungsbeispiele dienen ausschließlich der Erläuterung der Erfindung und sollen diese nicht beschränken.
Bezugszeichenliste

10: Energiewandler
12: Gleichspannungsbordnetz
14: erste Ladedose
16: Bordnetzanschluss
18: LLC-Wandlereinheit
20: Gleichrichtereinheit
22: zweite Ladedose
24: PFC- Wandlereinheiteinheit
26: Schütz
28: Bordlader
30: Hochvoltbatterie
32: Schütz
34: Ladestation
36: Ladekabel
38: Stecker
40: DC/DC-Wandler
42: Schütz
44: Gleichspannungsenergiequelle
46: Bordlader
50: Energiewandler
C3: Kondensator
C, C_r: Kondensator
D, D5 bis D8: Diode
D1 bis D3: Diode
L1, L2,: Wandlerinduktivität
L, L_r: Induktivität
FET1: Feldeffekttransistor
FET2 bis FET5: Feldeffekttransistor
S: Halbleiterschaltelement
Tr: Transformator
Tr2: Transformator
U_A: Ausgangsspannung
U_E: elektrische Spannung
ü: Transformastorübersetzungsverhältnis
Q1,Q2: Feldeffekttransistor

Claims

Energiewandler (10) zum energietechnischen Koppeln eines Gleichspannungsbordnetzes (12) mit einer Wechselspannungs- oder einer Gleichspannungsenergiequelle, mit einem mit der Wechselspannungsenergiequelle elektrisch koppelbaren Wechselspannungsanschluss (14), einem mit dem Gleichspannungsbordnetz (12) elektrisch koppelbaren Bordnetzanschluss (16), einer mit dem Wechselspannungsanschluss (14) elektrisch gekoppelten LLC-Wandlereinheit (18), die eine Wandlerinduktivität (L1, L2, Tr2) aufweist, einer mit der LLC-Wandlereinheit (18) und mit dem Bordnetzanschluss (16) elektrisch gekoppelten Gleichrichtereinheit (20), die wenigstens ein Gleichrichterelement (D1, D2, D3, FET1) aufweist, sowie einem mit der Gleichrichtereinheit (20) elektrisch gekoppelten und mit der Gleichspannungsenergiequelle (44) elektrisch koppelbaren Gleichspannungsanschluss (22), dadurch gekennzeichnet, dass das wenigstens eine Gleichrichterelement durch ein mittels eines Schaltsignals steuerbares Schaltelement (FET1) gebildet ist und der Gleichspannungsanschluss (22) derart an die Gleichrichtereinheit (20) angeschlossen ist, dass das Schaltelement (FET1) bei Beaufschlagen mit dem Schaltsignal in Zusammenwirkung mit der Wandlerinduktivität (L1, L2, Tr2) ein Hochsetzen einer am Gleichspannungsanschluss (22) bereitgestellten Gleichspannung für den Bordnetzanschluss (16) bewirkt.
Energiewandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die LLC-Wandlereinheit (18) einen Resonanzkreis aufweist, der die Wandlerinduktivität (L1, L2, Tr2) und einen Kondensator (C3) umfasst.
Energiewandler nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Wandlerinduktivität (L1, L2, Tr2) einen Transformator (Tr2) umfasst, dessen Sekundärseite mit der Gleichrichtereinheit (20) elektrisch gekoppelt ist.
Energiewandler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an einer Primärseite des Transformators (Tr2) eine Zusatzinduktivität (L1) parallelgeschaltet angeschlossen und/oder der Resonanzkreis primärseitig ausgebildet ist.
Energiewandler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Resonanzkreis sekundärseitig ausgebildet ist.
Energiewandler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Gleichrichtereinheit (20) als Brückengleichrichter ausgebildet ist und eines der Gleichrichterelemente des Brückengleichrichters, das mit der Wandlerinduktivität (L1, L2, Tr2) elektrisch gekoppelt und an ein negatives elektrisches Potential der Gleichspannung für den Bordnetzanschluss (16) angeschlossen ist, durch das Schaltelement (FET1) gebildet ist.
Energiewandler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die LLC-Wandlereinheit (18) über einen PFC-Wandlereinheit (24) an den Wechselspannungsanschluss (14) angeschlossen ist.