DE102018006810A1

DE102018006810A1 - Energiewandler zum energietechnischen Koppeln eines Gleichspannungsbordnetzes mit einer Wechselspannungs- oder einer Gleichspannungsenergiequelle

Info

Publication number: DE102018006810A1
Application number: DE102018006810.3A
Authority: DE
Inventors: André Haspel; Urs Boehme
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2018-08-28
Filing date: 2018-08-28
Publication date: 2019-02-28

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Energiewandler (10) zum energietechnischen Koppeln eines Gleichspannungsbordnetzes (12) mit einer Wechselspannungs- oder einer Gleichspannungsenergiequelle, mit einer Wechselspannungsanschlusseinheit (14), einer Bordnetzanschlusseinheit (16), einer LLC-Wandlereinheit (18), einem Brückengleichrichter (20) sowie einer Gleichspannungsanschlusseinheit (22), wobei die Wandlerinduktivität (L1, L2, Tr2) wenigstens zwei separat ausgebildete Teilinduktivitäten (L, L_r) aufweist, wobei jeweils eine der Teilinduktivitäten (L, L_r) mit einem ersten ihrer Anschlüsse an einen jeweiligen von zwei Gleichrichterwechselspannungsanschlüssen des Brückengleichrichters (20) angeschlossen ist und mit einem jeweiligen zweiten ihrer Anschlüsse mit der Gleichspannungsanschlusseinheit (22) elektrisch gekoppelt ist, wobei der Brückengleichrichter (20) ein Schaltelement (26) aufweist, das an die Gleichrichterwechselspannungsanschlüsse angeschlossen ist, und wobei der Energiewandler (10) ausgebildet ist, das Schaltelement (26) in einem vorgebbaren Schaltbetrieb zu betreiben, wenn der Energiekoppler die Gleichspannungsenergiequelle mit dem Gleichspannungsbordnetz koppelt und eine Energiequellenspannung kleiner als eine Bordnetzspannung ist, um eine Hochsetzstellfunktion zu realisieren.

Description

Die Erfindung betrifft einen Energiewandler zum energietechnischen Koppeln eines Gleichspannungsbordnetzes mit einer Wechselspannungs- oder einer Gleichspannungsenergiequelle, mit einer mit der Wechselspannungsenergiequelle elektrisch koppelbaren Wechselspannungsanschlusseinheit, einer mit dem Gleichspannungsbordnetz elektrisch koppelbaren Bordnetzanschlusseinheit, einer mit der Wechselspannungsanschlusseinheit elektrisch gekoppelten LLC-Wandlereinheit, die eine Wandlerinduktivität und eine Wandlerkapazität aufweist, einem mit der LLC-Wandlereinheit und mit der Bordnetzanschlusseinheit elektrisch gekoppelten Brückengleichrichter sowie einer mit dem Brückengleichrichter elektrisch gekoppelten und mit der Gleichspannungsenergiequelle elektrisch koppelbaren Gleichspannungsanschlusseinheit.
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 Wechselspannungsquelle 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 beziehungsweise Bordnetzspannung 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 das Gleichspannungsbordnetz in der Regel für eine Beaufschlagung mit einer Gleichspannung im Hochvoltbereich ausgebildet. Der Begriff „Hochvolt“ umfasst eine elektrische Gleichspannung, die üblicherweise 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 oder darüber 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 und/oder auch die Wechselspannungsquelle 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 möglichst gering zu halten. Derartige Resonanzwandler kommen unter anderem in zwei Varianten vor, welche entweder ausgebildet sind, einen Schaltvorgang im Wesentlichen nur bei einem Nulldurchgang einer Spannung oder bei einem Nulldurchgang eines Stroms an einen jeweiligen Schaltelement des Resonanzwandlers durchzuführen. Dabei wird eine leistungsübertragende Strecke beziehungsweise ein Energiewandlungszweig durch wenigstens eine Induktivität, nämlich die Wandlerinduktivität, die auch einen Transformator umfassen kann, und wenigstens einer Wandlerkapazität gebildet. Die Wandlerkapazität kann durch einen oder mehrere Kondensatoren gebildet sein. 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. Die LLC-Wandlereinheit stellt üblicherweise eine Wechselspannung bereit, die mittels des Brückengleichrichters gleichgerichtet und dem Gleichspannungsbordnetz zugeführt wird.
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.
Zugleich sind in der Regel besondere Sicherheitsaspekte zu berücksichtigen, sodass Anforderungen hinsichtlich der elektrischen Sicherheit im bestimmungsgemäßen Betrieb gewährleistet werden können. Würde ein zusätzlicher DC/DC-Wandler vorgesehen, müsste dieser bereits aus Sicherheitserwägungen auch eine galvanische Trennung bereitstellen. Dadurch würde der Aufwand weiter erhöht.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einem gattungsgemäßen Energiewandler eine zusätzliche Hochsetzstellfunktion mit geringem Aufwand realisieren zu können, mit der zugleich auch Anforderungen hinsichtlich der elektrischen Sicherheit realisiert werden 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 die Wandlerinduktivität wenigstens zwei separat ausgebildete Teilinduktivitäten aufweist, wobei jeweils eine der Teilinduktivitäten mit einem ersten ihrer Anschlüsse an einen jeweiligen von zwei Gleichrichterwechselspannungsanschlüssen des Brückengleichrichters angeschlossen ist und mit einem jeweiligen zweiten ihrer Anschlüsse mit der Gleichspannungsanschlusseinheit elektrisch gekoppelt ist, wobei der Brückengleichrichter ein Schaltelement aufweist, das an die Gleichrichterwechselspannungsanschlüsse angeschlossen ist, und wobei der Energiewandler ausgebildet ist, das Schaltelement in einem vorgebbaren Schaltbetrieb zu betreiben, wenn der Energiekoppler die Gleichspannungsenergiequelle mit dem Gleichspannungsbordnetz koppelt und eine Energiequellenspannung kleiner als eine Bordnetzspannung ist, um eine Hochsetzstellfunktion zu realisieren.
Die Erfindung basiert also auf dem Gedanken, durch eine geringfügig angepasste Schaltungsstruktur den gattungsgemäßen Energiewandler dazu zu ertüchtigen, eine Hochsetzstellfunktion bezüglich der am Gleichspannungsanschluss bereitgestellten Gleichspannung für den Bordnetzanschluss zu erreichen. Dabei braucht lediglich ein Schaltelement ergänzend vorgesehen 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.
Dabei berücksichtigt die Erfindung auch Sicherheitsaspekte. Um nämlich die Gleichspannungsenergiequelle mit dem Gleichspanungsbordnetz elektrisch 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 zum Teil auch nicht zulässig. Darüber hinaus kann bei Bordnetzen, die für Hochvolt ausgelegt sind und weiterhin in der Regel gegenüber einem elektrischen Bezugspotenzial, beispielsweise einer Fahrzeugmasse des Kraftfahrzeuges oder dergleichen, elektrisch isoliert sind, die Funktion eines Isolationswächter beeinträchtigt sein. Dies kann durch eine Asymmetrie von elektrischen Potentialen der Gleichspannungen in Bezug auf das elektrische Bezugspotential verursacht sein. Die Kopplung der beiden Gleichspannungen erfolgt deshalb im Stand der Technik in der Regel mittels eines galvanisch getrennten DC/DC-Wandlers als getakteter Energiewandler. 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 zur Überwachung der beiden Gleichspannungen, insbesondere bei Anwendung im Bereich Hochvolt, zwei separate Isolationswächter erforderlich.
Würden die beiden Gleichspannungen galvanisch miteinander gekoppelt, könnte durch das Verbinden der beiden Gleichspannungen durch den DC/DC-Wandler eine Asymmetrie der elektrischen Potentiale der beiden Gleichspannungen in Bezug auf das elektrische Bezugspotential auftreten. Dies kann zu Ausgleichsströmen, beispielsweise in einer Potentialausgleichsleitung oder auch in entsprechenden Hochvolt-Schirmungen führen. Ist eine elektrische Leitfähigkeit diesbezüglich nicht ausreichend verfügbar, können an unerwünschten Stellen gefährliche Spannungen entstehen, so zum Beispiel an einem Wandlergehäuse des DC/DC-Wandlers. Aus Gründen der elektrischen Sicherheit darf ein solcher Fall jedoch nicht zu einer Gefährdung eines Nutzers oder des Kraftfahrzeuges führen.
Darüber hinaus ist zu bedenken, dass bei einem Verbinden zweier unterschiedlicher Gleichspannungen weitere Probleme auftreten können, die sich dadurch ergeben können, dass die beiden Gleichspannungen hinsichtlich der elektrischen Isolation, insbesondere in Bezug auf Kriech- und Luftstrecken, unterschiedlich ausgelegt sind. Die Auslegung der Kriech- und Luftstrecken der Gleichspannungsenergiequelle und des Gleichspannungsbordnetzes erfolgt in der Regel anhand der jeweiligen Gleichspannung.
Im Falle eines Isolationsfehlers bei dem Gleichspannungsbordnetz, kann daher bei einer galvanischen Kopplung die elektrische Isolation der Gleichspannungsenergiequelle überlastet werden. Dies kann nicht nur Beschädigungen sondern sogar eine Zerstörung zur Folge haben. In der Folge besteht also die Gefahr, dass die Gleichspannungsenergiequelle aufgrund der Störung der elektrischen Isolation des Gleichspannungsbordnetzes ebenfalls beschädigt wird.
Die Erfindung basiert deshalb ergänzend auf dem Gedanken, dass durch die zwei Teilinduktivitäten in Verbindung mit dem Schaltelement eine galvanische Kopplung zwischen der Gleichspannungsenergiequelle und dem Gleichspannungsbordnetz realisiert werden kann, wobei aufgrund der Art der Kopplung besondere Sicherheitsanforderungen realisiert werden können, mittels denen insbesondere die vorgenannten Probleme hinsichtlich der elektrischen Sicherheit gelöst werden können. Es ist also - entgegen dem Stand der Technik - mit der Erfindung möglich, die Gleichspannungsenergiequelle mit dem Gleichspannungsbordnetz galvanisch elektrisch zu koppeln und zugleich eine hohe Zuverlässigkeit und elektrische Sicherheit zu gewährleisten.
Dadurch ist es möglich, für die bei einer galvanischen Kopplung der beiden unterschiedlichen Gleichspannungen in der Regel entstehende Asymmetrie in Bezug auf das elektrische Bezugspotenzial einen Ausgleich zu schaffen. Dies kann durch das Zusammenwirken des Schaltelements mit den Teilinduktivitäten erreicht werden, sodass mittels des erfindungsgemäßen Energiewandlers die elektrischen Potentiale der Gleichspannungsenergiequelle und des Gleichspannungsbordnetzes nahezu schwimmend gegenübereinander eingestellt werden können. Dadurch ist es möglich, einen Ausgleich in Bezug auf das Bezugspotential zwischen den elektrischen Potentialen der Gleichspannungen realisieren zu können. Besonders vorteilhaft wirkt sich dies bei Maßnahmen zur Herstellung der elektromagnetischen Verträglichkeit, insbesondere einer Funkentstörung, aus. Die Erfindung eignet sich deshalb insbesondere auch für den Einsatz bei Gleichspannungsbordnetzen, deren Gleichspannung von dem Bezugspotential elektrisch isoliert ist, beispielsweise IT-Netze oder dergleichen.
Darüber hinaus erlaubt es die Erfindung, das bei Auftreten einer Störung bei der Gleichspannungsenergiequelle oder beim Gleichspannungsbordnetz mittels des erfindungsgemäßen Energiewandlers eine Entkopplung beziehungsweise ein Deaktivierung der elektrischen Kopplung erreicht werden kann, sodass die Störung nicht auf die jeweilige andere der Gleichspannungen einwirken kann. Dadurch kann insbesondere die elektrische Sicherheit, besonders der Schutz von Personen, verbessert werden. Schließlich kann mit der Erfindung ferner erreicht werden, dass lediglich mit einem einzigen Isolationswächter die elektrische Isolation sowohl der Gleichspannungsenergiequelle als auch des Gleichspannungsbordnetzes überwacht werden kann.
Mit der Erfindung kann insbesondere erreicht werden, dass keines der elektrischen Potentiale der Gleichspannungen gemeinsam gewählt zu sein braucht. Vielmehr erlaubt es die Erfindung aufgrund der Schaltungsstruktur, die elektrischen Potentiale der Gleichspannung der Gleichspannungsenergiequelle von den elektrischen Potentialen der Gleichspannung des Gleichspannungsbordnetzes elektrisch zu entkoppeln. Mit der erfindungsgemäßen Schaltungsstruktur kann in einer einzigen Wandlerstufe des getakteten Energiewandlers eine entsprechende Anpassung erreicht werden.
Mit dem erfindungsgemäßen Energiewandler ist es somit möglich, eine Symmetrierung der elektrischen Potentiale der Gleichspannungen in Bezug auf das elektrische Bezugspotential zu erreichen. Durch den Energiewandler der Erfindung ist es ferner möglich, eine wesentlich höhere Leistungsdichte, ein geringeres Gewicht sowie auch geringere Kosten und einen höheren Wirkungsgrad gegenüber DC/DC-Wandlern des Stands der Technik zu erreichen, die als galvanisch isolierende Wandler ausgebildet sind.
Weiterhin erlaubt es die Erfindung, beide Gleichspannungen mit lediglich einem einzigen Isolationswächter zu überwachen. Ausgleichsströme auf Potentialleitungen sowie auch auf Schirmungen können reduziert wenn nicht sogar weitgehend vermieden werden. Zugleich ist eine Erhöhung der Sicherheit des Berührschutzes möglich, indem eine ungenügende Verbindung der Potentialausgleichsleitung keine gefährliche elektrische Spannung mehr an einem Wandlergehäuse des Energiewandlers erzeugen kann. Darüber hinaus kann eine höhere Ausfallsicherheit gegenüber dem DC/DC-Wandler des Stands der Technik erreicht werden. Weiterhin kann erreicht werden, dass bei einem Isolationsfehler bei einer beiden Gleichspannungen die andere der beiden Gleichspannungen dadurch im Wesentlichen nicht beeinträchtigt zu werden braucht. Der Isolationsfehler kann also auf die Gleichspannungsenergiequelle beziehungsweise das Gleichspannungsbordnetz beschränkt werden. Darüber hinaus kann im Falle eines Isolationsfehlers durch eine Anpassung der elektrischen Potentiale mittels des Energiewandlers immer noch ein Weiterbetrieb ermöglicht werden, ohne dass die Gefahr einer Überlastung der dortigen Isolation in Kauf genommen zu werden braucht. Schließlich kann auch eine Gewährleistung einer Sicherheit, insbesondere einer Hochvolt-Sicherheit, erreicht werden.
Als besonders vorteilhaft erweist es sich, wenn die elektrischen Potentiale der Gleichspannungsenergiequelle und des Gleichspannungsbordnetzes symmetrisch zu einem gemeinsamen elektrischen Bezugspotential eingestellt werden. Dies ermöglicht es, die elektrischen Potentiale der elektrischen Gleichspannungen 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.
Der Brückengleichrichter weist Gleichrichterelemente auf, die in der entsprechenden Schaltungsstruktur die gewünschte Gleichrichtwirkung bereitstellen. 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. Wichtig ist, dass das Schaltelement in beide Richtungen sperren kann, das heißt, sowohl beim Laden an einer Wechselspannungsenergiequelle als auch im taktenden Betrieb beim Hochsetzstellen. Je nach Bedarf kann das Schaltelement hier zwei antiseriell geschaltete Transistoren aufweisen, insbesondere wenn diese integrierte Inversdioden umfassen. Ist hingegen keine Inversdiode vorgesehen, kann auch ein einzelner Transistor das Schaltelement bilden, beispielsweise ein bipolarer Transistor wie zum Beispiel ein IGBT oder dergleichen.
Die LLC-Wandlereinheit ist vorzugsweise als galvanisch isolierender DC/DC-Wandler ausgebildet und kann über einen Resonanzschwingkreis verfügen, der die Wandlerinduktivität mit den zwei Teilinduktivitäten und die Wandlerkapazität aufweist. Darüber hinaus kann die Wandlerinduktivität auch einen Transformator umfassen, wobei der Transformator zugleich auch die galvanische Isolierung bereitzustellen vermag. Die Bauteile, die den Resonanzschwingkreis bilden, sind dabei auf einer Sekundärseite des Transformators angeordnet. Durch den Resonanzschwingkreis, der häufig als Serienschwingkreis ausgebildet ist, kann ein spannungs- oder stromfreies Schalten von Schaltelementen der LLC-Wandlereinheit 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 dem Brückengleichrichter elektrisch gekoppelt, der zum Beispiel sekundärseitig am Transformator angeschlossen sein kann.
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.

1 eine schematische Blockschaltbilddarstellung für einen Bordlader eines nicht weiter dargestellten Elektrofahrzeugs, welche an eine Gleichspannungsladestation angeschlossen ist;
2 eine schematische Blockschaltbilddarstellung wie 1, wobei der Bordlader 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 einer Schaltungsstruktur für einen galvanisch gekoppelten Hochsetzsteller mit einem gemeinsamen elektrischen Potential für die Gleichspannungen;
7 eine schematische Schaltbilddarstellung wie 6, bei ein Isolationsfehler aufgetreten ist;
8 eine schematische Schaltbilddarstellung für einen galvanisch gekoppelten unidirektionalen Hochsetzsteller mit voneinander getrennten elektrischen Potentialen für die Gleichspannungen;
9 eine schematische Schaltbilddarstellung für einen Bordlader gemäß der Erfindung unter Nutzung einer LLC-Wandlereinheit mit einem sekundärseitigen Resonanzkreis und einem Brückengleichrichter;
10 eine schematische Schaltbilddarstellung wie 10 für eine abgewandelte LLC-Wandlereinheit, bei der eine Wandlerinduktivität zwei Teilinduktivitäten aufweist;
11 eine schematische Schaltbilddarstellung basierend auf 10, bei der zusätzlich eine Hochsetzstellfunktion für einen separaten Gleichspannungsanschluss für eine Gleichspannungsenergiequelle vorgesehen ist;
12 eine schematische Blockschaltbilddarstellung wie 1 mit einem Bordlader gemäß 11;
13 bis 16 schematische Diagrammdarstellungen, die die Funktion des Bordladers gemäß 12 bei Versorgung durch eine Wechselspannungsenergiequelle zeigen;
17 bis 22 schematische Diagrammdarstellungen bezüglich der Funktion des Bordladers gemäß 12 bei Versorgung durch eine Gleichspannungsenergiequelle;
23 eine schematische Schaltbilddarstellung zur Erweiterung des Bordladers gemäß 10, um Isolationsfehler ausregeln zu können;
24-27 schematische Diagrammdarstellungen zur Darstellung der Potentialsymmetrierung mit dem Bordlader gemäß 12;
28 eine schematische Schaltbilddarstellung wie 12 mit einem aktiven Brückengleichrichter; und
29-37 schematische Diagrammdarstellungen zur Darstellung von Verhältnissen bei Auftreten eines Isolationsfehlers im Gleichspannungsbordnetz des Elektrofahrzeugs für den Energiewandler gemäß 28.

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 eine Wechselspannungsanschlusseinheit zum elektrischen Koppeln mit einer nicht weiter 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 einem Brückengleichrichter 20 angeschlossen. Diese Einheit 18, 20 ist über ein Schütz 48 an die Fahrzeugbatterie 30 angeschlossen. Das Schütz 48 ist vorliegend als elektromechanisches Schütz ausgebildet und weist eine zweipolige Trennmöglichkeit auf. Dem Grunde nach kann anstelle des Schützes 48 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 als Gleichspannungsanschlusseinheit 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, entspricht also etwa der Bemessungsspannung der Fahrzeugbatterie 30. 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 beträgt. Mit der Ausgestaltung gemäß 1 kann eine solche Fahrzeugbatterie, 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 galvanisch trennender 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. Das Schütz 42 ist vorliegend zweipolig ausgeführt, sodass ein galvanisch getrennter DC/DC-Wandler 40 überbrückt werden kann. Bei einem galvanisch gekoppelten DC/DC-Wandler 40 könnte es -je nach Schaltungsstruktur - auch ausreichen, wenn das Schütz 42 einpolig ausgeführt ist. 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 hier jetzt 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 einen prinzipiellen Aufbau der 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 Primärwicklung 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, die in dieser Fig. nicht dargestellt ist.
In der vorliegenden Ausgestaltung ist die LLC-Wandlereinheit 18 als galvanisch isolierender 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 den Bordlader 28 in einer schematischen Blockschaltbilddarstellung 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. Der Brückengleichrichter 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 gegenüber einem 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 in einer schematischen Schaltbilddarstellung nun eine Schaltungsstruktur für einen galvanisch gekoppelten Hochsetzsteller. Bei dieser Topologie ist einer der Eingangsanschlüsse direkt auf die Ausgangsseite unmittelbar elektrisch verbunden beziehungsweise durchkontaktiert. Dies ist in der Regel - wie hier - das HV- Potential. Durch die direkte Durchkontaktierung weisen beide Seiten auch dasselbe elektrische Bezugspotential 16, nämlich das HV- Potential, auf. Durch Y-Kapazitäten C11 und Isolationswiderstände R11 sind die beiden Hochvoltpotentiale eines jeweiligen Hochvoltsystems im Normalfall symmetrisch zum Massepotential als Bezugspotential, hier eine Fahrzeugmasse 14. Da die Ladestation 34 in der Regel größere Kapazitäten C11 und eine bessere Masseanbindung als das Elektrofahrzeug besitzt, werden sich die Potentiale auf dieser Seite des Hochsetzstellers annähernd symmetrisch einstellen. Bei einer Gleichspannung von 400V an der Ladestation 34 ergeben sich so +200V und -200V gegenüber der Fahrzeugmasse 14. Wegen der topologiebedingten Durchkontaktierung des negativen HV- Potential liegen auf der Ausgangsseite des Hochsetzstellers ebenfalls -200V gegenüber der Fahrzeugmasse 14 an. Das positive HV₂+-Potential der Ausgangsseite ergibt sich durch die Spannung des Hochvoltbordnetzes des Elektrofahrzeugs. Bei einer Bemessungsspannung von 800V ergibt sich somit an der Ausgangsseite in Bezug auf das positive HV₂+-Potential eine elektrische Spannung in Höhe von +600V gegenüber der Fahrzeugmasse 14.
Diese Asymmetrie der HV-Potentiale entsteht im Elektrofahrzeug, wie zuvor beschrieben, nicht erst im Fehlerfall, sondern sie stellt sich bereits im bestimmungsgemäßen Betrieb ein. Die Asymmetrie stört gängige Isolationsüberwachungen in Ihrer Funktion und kann dazu führen, dass die Messung einen fälschlichen Isolationsfehler meldet oder tatsächliche Isolationsfehler nicht erkennt. Daneben führt die Asymmetrie dazu, dass sich ein Energiegehalt der Y-Kapazitäten C11 deutlich erhöht. Im Berührungsfall bei beschädigter Isolierung kann sich damit auch ein Ableitstrom erhöhen, wodurch Verletzungen und Personenschäden hervorgerufen werden können.
7 zeigt in einer schematischen Schaltbilddarstellung wie 6 die Auswirkungen eines Isolationsfehlers 15 in Bezug auf die elektrische Sicherheit. Neben den Sicherheitsrisiken beziehungsweise der Gefahr für Personen kann im Fehlerfall auch die Ladestation 34 erheblich beschädigt werden. Tritt im Hochvoltsystem des Elektrofahrzeugs der Isolationsfehler 15 auf, wird das betroffene Potential auf 0V gegenüber der Fahrzeugmasse 14 gezogen. In 7 ist dies für das Potential HV₂+ dargestellt. Da die Spannung im System aber weiterhin 800V beträgt, lädt sich das negative HV-Potential auf -800V auf. Dieses Potential liegt nun zwangsläufig auch auf der Eingangsseite des Hochsetzstellers, nämlich an der Ladestation 34, an. Während das HV-System des Elektrofahrzeugs für diese Spannung ausgelegt ist, ist die Isolierung der Ladestation, welche typischerweise bis maximal 500V ausgelegt ist, überlastet, wodurch es zur Beschädigung der Ladestation 34 kommen kann.
8 zeigt in einer schematischen Schaltbilddarstellung wie 6 eine abgewandelte Schaltungsstruktur für einen galvanisch gekoppelten Hochsetzsteller, bei dem die elektrischen Potentiale der Eingangsseite und der Ausgangsseite weitgehend unabhängig voneinander eingestellt werden können. Dieser Hochsetzsteller dient dem galvanischen elektrischen Koppeln der ersten elektrischen Gleichspannung U₁ mit der zweiten elektrischen Gleichspannung U₂ . Zum Anschließen an die zweite elektrische Gleichspannung U₂ umfasst der Hochsetzsteller eine Reihenschaltung aus drei in Reihe geschalteten Schaltelementen D11, D12, T11. Die Reihenschaltung weist zwei Verbindungsstellen von zwei jeweiligen der Schaltelemente D11, D12, T11 auf, an denen die jeweiligen Schaltelemente D11, D12, T11 elektrisch miteinander gekoppelt sind. Eine jeweilige der Verbindungsstellen ist mittels der jeweiligen elektrischen Induktivität L11, L12 an die Potentiale der ersten elektrischen Gleichspannung U₁ angeschlossen.
Die weiteren Elemente bezüglich der Y-Kapazitäten C11, Isolationswiderstände R11 sowie der Fahrzeugmasse 14 entsprechen dem, was bereits anhand von 6 zuvor erläutert wurde, weshalb diesbezüglich auf die entsprechenden Ausführungen verwiesen wird.
Aufgrund des speziellen Aufbaus dieses Hochsetzstellers braucht keines der elektrischen Potentiale der ersten und des zweiten Gleichspannung U₁ , U₂ durch den Hochsetzsteller hindurchgeschleift zu werden. An dieser Stelle unterscheidet sich die Schaltungstopologie daher deutlich von der, wie sie in Bezug auf 6 erläutert wurde. Dadurch können bei dem Hochsetzsteller gemäß 8 nämlich die HV- -Potentiale nahezu unabhängig voneinander eingestellt werden.
Das Schaltelement T11 ist in dieser Ausgestaltung als Halbleiterschalter ausgebildet. Der Halbleiterschalter ist hier als Metaloxide Semiconductor Field Effect Transistor (MOSFET) ausgebildet. In alternativen Ausgestaltungen können hier auch andere Transistoren, insbesondere bipolare Transistoren wie Insulated Gate Bipolar Transistor (IGBT) zum Einsatz kommen. Die Halbleiterschalter sind vorliegend durch Transistoren gebildet, die im Schaltbetrieb betrieben werden. Zu diesem Zweck erhalten sie geeignete Steuersignale von einer nicht weiter dargestellten Steuereinheit. Da dieser Hochsetzsteller lediglich für einen unidirektionalen Wandlungsbetrieb ausgelegt ist, kann hier eine sehr einfache Schaltungsstruktur erreicht werden, sodass der Hochsetzsteller vom Aufwand her sehr kompakt ausgebildet sein kann.
9 zeigt in einer schematischen Schaltbilddarstellung eine prinzipielle Schaltungstopologie für die LLC-Wandlereinheit 18, die vorliegend als galvanische getrennte LLC-Wandlereinheit ausgebildet ist. Bei der LLC-Wandlereinheit 18 ist vorliegend vorgesehen, dass der Resonanzschwingkreis sekundärseitig bezüglich des Transformators Tr2 ausgebildet ist. Bezüglich der Funktionalität der LLC-Wandlereinheit 18 sowie der Elemente wird im Übrigen auf die Beschreibung zur 3 verwiesen.
10 zeigt eine schematische Schaltbilddarstellung wie 9, wobei jedoch die Induktivität L2 gemäß 9, die zur Wandlerinduktivität gehört, nunmehr auf zwei Teilinduktivitäten aufgeteilt ist, nämlich der Induktivität L2 und der Induktivität L3. Bezüglich der Funktionalität der Schaltung ändert sich hierdurch jedoch nichts. Die Kapazität C2 stellt den Gleichspannungszwischenkreis für die LLC-Wandlereinheit 18 dar. An dieser Stelle ist üblicherweise die PFC-Wandlereinheit 24 angeschlossen, die die entsprechende Zwischenkreisgleichspannung bereitstellt. C1 ist eine Ausgangskapazität am Brückengleichrichter 20 und dient dem Anschluss an das Gleichspannungsbordnetz 12. Der Brückengleichrichter 20 ist vorliegend durch die Dioden D1 bis D4 gebildet und somit als rein passiver Brückengleichrichter ausgebildet.
11 zeigt nun eine schematische Schaltbilddarstellung basierend auf der Schaltbilddarstellung gemäß 10 unter Integration einer Hochsetzstellfunktion, zu welchem Zweck die von der Ladestation 34 zugeführte Gleichspannung an jeweiligen ersten Anschlüssen der Induktivitäten L2, L3 zugeführt wird. Diese Induktivitäten L2, L3 sind mit einem ersten ihrer Anschlüsse an Wechselspannungsanschlüsse 44, 46 des Brückengleichrichters 20 angeschlossen. Darüber hinaus ist an die jeweiligen Wechselspannungsanschlüsse 44, 46 ein Schaltelement 26 anschlossen, welches vorliegend durch zwei antiseriell geschaltete Feldeffekttransistoren FETD und FETD1 gebildet ist. In alternativen Ausgestaltungen kann dieses Schaltelement 26 natürlich auch durch andere geeignete Elemente beziehungsweise Transistoren gebildet sein.
Wird mit dem Bordlader 28 eine nicht dargestellte Wechselspannungsenergiequelle mit dem Gleichspannungsbordnetz 12 energietechnisch gekoppelt, um zum Beispiel eine Fahrzeugbatterie aufzuladen, kann der Brückengleichrichter 20 als normaler Brückengleichrichter betreiben werden, ohne dass die Funktion durch das Schaltelement 26 beeinträchtigt wäre. Das Schaltelement 26 ist in diesem Betriebszustand im ausgeschalteten Schaltzustand. Dadurch kann die gewünschte Energiewandlungsfunktionalität wie üblich realisiert werden.
Soll nun stattdessen das Gleichspannungsbordnetz 12 mit der Ladestation 34 energietechnisch gekoppelt werden, wobei die Ladestation 34 eine Gleichspannung von etwa 400V bereitstellt und das Gleichspannungsbordnetz 12 für eine Gleichspannung von etwa 800V ausgelegt ist, wird das Schaltelement 26 in einem geeigneten Taktbetrieb mittels der nicht dargestellten Steuereinheit betrieben. Durch den Taktbetrieb des Schaltelements 26 beziehungsweise der Feldeffekttransistoren FETD und FETD1 kann sekundärseitig bezüglich des Transformators Tr2 eine Hochsetzstellfunktionalität realisiert werden. Je nach Bedarf kann dabei auch einer der Feldeffekttransistoren FETD oder FETD1 auch dauerhaft im eingeschalteten Schaltzustand betrieben werden und nur der jeweils andere der beiden Feldeffekttransistoren FETD und FETD1 im Taktbetrieb betrieben werden.
12 zeigt in einer schematische Schaltbilddarstellung wie 1 die Integration der Hochsetzstellfunktionalität. Die 13 bis 16 zeigen in schematischen Diagrammdarstellungen die Auswirkungen des zuvor genannten Betriebs bei einer Energieversorgung durch die Ladestation 34. Dabei stellt 13 einen Ausgangsstrom des Hochsetzstellers bezüglich des Bordnetzes 12 dar, wohingegen 14 die entsprechende Gleichspannung U₂ darstellt. Die 15 und 16 zeigen die entsprechenden Potentiale der Gleichspannung U₂ in Bezug auf die Fahrzeugmasse 14. Zu erkennen ist, dass sich die Potentiale HV₂₊ und HV_2- symmetrisch in Bezug auf die Fahrzeugmasse 14 einstellen.
Die 17 bis 23 zeigen in schematischen Diagrammdarstellungen verschiedene Spannungs- und Strommessungen, die mittels eines Simulationsaufbaus entsprechend der Schaltung gemäß 11 ermittelt worden sind. Mit den 24 bis 27 werden Spannungen zwischen einzelnen Potentialen und der Fahrzeugmasse 14 dargestellt. Zu erkennen ist, dass sich die Gleichspannungen U1 und U2 auf beiden Seiten des Hochsetzstellers gleichmäßig in Bezug auf die Fahrzeugmasse 14 einstellen. Somit können gängige Isolationsüberwachungen fehlerfrei arbeiten und ein Energieinhalt der Y-Kapazitäten C11 kann gering gehalten werden. Insgesamt kann den 19 und 22 ferner entnommen werden, dass während des Wandlerbetriebs kein Strom über den Transformator Tr2 fließt.
Ein Problem kann jedoch auftreten, wenn ein Isolationsfehler im Gleichspannungsbordnetz 12 des Elektrofahrzeugs auftreten sollte. Um hier eine Überlastung der Ladestation 34 zu vermeiden beziehungsweise zu reduzieren, wird mit der schematischen Schaltbilddarstellung gemäß 23 eine zusätzliche Änderung vorgeschlagen. In Bezug auf den Brückengleichrichter 20 sind bezüglich der Dioden D1 und D4 entsprechend weitere Schaltelemente vorzusehen, um eine entsprechende Entkopplung erreichen zu können. Vorzugsweise werden die Dioden D1 und D4 durch Transistoren, beispielsweise Feldeffekttransistoren wie das Schaltelement 26 oder dergleichen eingesetzt. Die 28 zeigt einen entsprechenden Energiewandler, bei dem sämtliche Dioden D1 bis D4 durch Transistoren, hier vorliegend Feldeffekttransistoren FETD6 bis FETD9 ersetzt sind. Mit den folgenden Diagrammen gemäß der 29 bis 37 wird die Auswirkung des Isolationsfehlers 15 dargestellt. Dabei zeigen die 29 bis 33 verschiedene Spannungs- und Strommessungen, die bei einer entsprechenden Simulation auftreten. Mit U₁ und I₁ sind die elektrischen Größen dargestellt, die die Ladestation 34 betreffen, wohingegen mit U₂ und I₂ die entsprechenden Größen des Gleichspannungsbordnetzes 12 dargestellt sind. Mit I_TR ist der Strom im Transformator Tr sekundärseitig dargestellt. Der Isolationsfehler 15 tritt zum Schaltelement t=0s auf. Zu erkennen ist aus den Diagrammdarstellungen gemäß der 29 bis 33, dass sich keine Auswirkungen auf den bestimmungsgemäßen Betrieb ergeben. Die Ströme und die Spannungen verhalten sich vor und nach dem Fehler gleich. Interessanter sind dagegen die Potentiale gegenüber der Fahrzeugmasse 14. Diese sind in den 34 bis 37 dargestellt.
Beim Auftreten des Isolationsfehlers 15 verschieben sich die Potentiale schlagartig. Bevor die Reaktion auf den Isolationsfehler 15 eintritt, hat sich die Spannung zwischen der Fahrzeugmasse 14 und dem negativen Hochvoltpotential HV- auf beiden Seiten der Ladestation 34 bereits auf etwa 600V erhöht. Es kann im höchsten Fall zu einer Spannung von etwa 800V kommen. Nach 2 ms wurde der Fehler erkannt und das Schaltelement FETD6 wird eingeschaltet. Dadurch sinkt die Spannung nach einem kurzen Einschwingvorgang wieder unter etwa 400V ab und ist somit unkritisch (vergleiche 37). Die kurzzeitige Überspannung bis zur Reaktion stellt in der Regel keine Gefahr dar, weil eine Isolation kurzzeitigen Überspannungen standhalten können muss. Beispielsweise muss eine Isolation für eine Bemessungsspannung von 500V transienten Überspannungen bis zu etwa 800V standhalten können, bei einem Anschluss an eine externe Gleichspannungsquelle sogar bis zu einer Spannung von etwa 2500V. Die 34 bis 37 zeigen entsprechende Diagrammdarstellungen für die Potentiale der Gleichspannungen U₁ und U₂ .
Mit diesem Prinzip kann ein Energiewandler des Elektrofahrzeugs mit einem Gleichspannungsbordnetz, welches für eine Bemessungsspannung von etwa 800V ausgelegt ist, durch sehr geringe Änderungen beziehungsweise durch lediglich wenigstens ein zusätzliches Schaltelement die Funktion eines Hochsetzstellers (Booster) realisieren, wodurch es ermöglicht wird, dieses Elektrofahrzeug auch an einer Ladestation 34 aufladen zu können, welche für eine Ladegleichspannung von etwa 500V ausgelegt ist. Die Hochvoltpotentiale sind bedingt durch das erfindungsgemäße Konzept in der Regel etwa symmetrisch zum elektrischen Bezugspotential, hier die Fahrzeugmasse 14. Dadurch kann eine Störung gängiger Isolationsüberwachungen vermieden und ein Energieinhalt von Y-Kapazitäten C11 möglichst gering gehalten werden. Ist der Brückengleichrichter 20 zumindest teilweise als aktiver Brückengleichrichter ausgebildet, beispielsweise in dem wenigstens zwei Schaltelemente für die Dioden D1 und D4 vorgesehen sind, kann die Schaltung im Isolationsfehlerfall sogar so reagieren, dass eine Überlastung einer Isolation, insbesondere in Bezug auf die Ladestation 34, weitgehend vermieden werden kann. Ein Ladevorgang kann also im Wesentlichen ohne eine Überlastung von Kriech- und Luftstrecken bezüglich der Ladestation 34 fortgesetzt werden.
In den schematischen Diagrammdarstellungen ist die Abszisse jeweils der Zeit zugeordnet.
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, braucht lediglich ein zusätzliches Schaltelement zwischen den Wechselspannungsanschlüssen vorgesehen zu sein, wobei die Hochsetzstellfunktion dann sogar gänzlich ohne weitere Bauteile realisiert werden kann. Mit diesem Prinzip kann aus einem Bordlader für ein Bordnetz, welches für eine Bemessungsspannung von etwa 800 V ausgelegt ist, ohne signifikanten Mehraufwand 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: Bordnetz
14: Fahrzeugmasse
15: Isolationsfehler
16: Bezugspotential
18: LLC-Wandlereinheit
20: Brückengleichrichter
22: Ladedose
24: PFC-Wandlereinheit
26: Schaltelement
28: Bordlader
30: Fahrzeugbatterie
32: Schütz
34: Ladestation
36: Ladekabel
38: Stecker
40: DC/DC-Wandler
42: Schütz
44: Wechselspannungsanschluss
46: Wechselspannungsanschluss
48: Schütz
C_r: Kondensator
C1, C2, C11: Kapazität
D1 bis D4: Diode
D11, D12: Schaltelement
FETD, FETD1, FETD6 bis 9: Feldeffekttransistor
HV₂+,HV₂-: Hochvoltpotential
HV-: negatives Hochvoltpotential
HV+: positives Hochvoltpotential
I₁, I₂: Gleichspannung
I_TR: Strom im Transformator
L, L_r, L₁, L₂. Tr2: Induktivität
L11: Induktivität
Q1, Q2: Feldeffekttransistor
R11: Isolationswiderstand
S: Halbleiterschaltelement
t: Zeitpunkt
T11: Schaltelement
Tr: Transformator
U₁, U₂: Gleichspannung
U_A: Ausgangsspannung
U_E: Spannung

Claims

Energiewandler (10) zum energietechnischen Koppeln eines Gleichspannungsbordnetzes (12) mit einer Wechselspannungs- oder einer Gleichspannungsenergiequelle, mit einer mit der Wechselspannungsenergiequelle elektrisch koppelbaren Wechselspannungsanschlusseinheit (14), einer mit dem Gleichspannungsbordnetz (12) elektrisch koppelbaren Bordnetzanschlusseinheit (16), einer mit der Wechselspannungsanschlusseinheit (14) elektrisch gekoppelten LLC-Wandlereinheit (18), die eine Wandlerinduktivität (L1, L2, Tr2) und eine Wandlerkapazität (C) aufweist, einem mit der LLC-Wandlereinheit (18) und mit der Bordnetzanschlusseinheit (16) elektrisch gekoppelten Brückengleichrichter (20) sowie einer mit dem Brückengleichrichter (20) elektrisch gekoppelten und mit der Gleichspannungsenergiequelle (44) elektrisch koppelbaren Gleichspannungsanschlusseinheit (22), dadurch gekennzeichnet, dass die Wandlerinduktivität (L1, L2, Tr2) wenigstens zwei separat ausgebildete Teilinduktivitäten (L, L_r) aufweist, wobei jeweils eine der Teilinduktivitäten (L, L_r) mit einem ersten ihrer Anschlüsse an einen jeweiligen von zwei Gleichrichterwechselspannungsanschlüssen des Brückengleichrichters (20) angeschlossen ist und mit einem jeweiligen zweiten ihrer Anschlüsse mit der Gleichspannungsanschlusseinheit (22) elektrisch gekoppelt ist, wobei der Brückengleichrichter (20) ein Schaltelement (26) aufweist, das an die Gleichrichterwechselspannungsanschlüsse angeschlossen ist, und wobei der Energiewandler (10) ausgebildet ist, das Schaltelement (26) in einem vorgebbaren Schaltbetrieb zu betreiben, wenn der Energiekoppler die Gleichspannungsenergiequelle mit dem Gleichspannungsbordnetz koppelt und eine Energiequellenspannung kleiner als eine Bordnetzspannung ist, um eine Hochsetzstellfunktion zu realisieren.
Energiewandler (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Brückengleichrichter (20) vier in Brückenschaltung angeschlossene Dioden (D1-D4) als Gleichrichterelemente umfasst.
Energiewandler (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Brückengleichrichter (20) vier in Brückenschaltung angeschlossene Transistoren als Gleichrichterelemente umfasst, wobei der Energiewandler (10) ausgebildet ist, die Transistoren in einem Schaltbetrieb zu betreiben, wenn der Energiekoppler die Wechselspannungsenergiequelle mit dem Gleichspannungsbordnetz koppelt, um eine Gleichrichterfunktion zu realisieren.
Energiewandler (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Schaltelement (26) zwei in Reihe geschaltete Wandlertransistoren aufweist, wobei der Energiewandler (10) ausgebildet ist, die Wandlertransistoren in einem Schaltbetrieb zu betreiben, wenn der Energiekoppler die Gleichspannungsenergiequelle mit dem Gleichspannungsbordnetz koppelt und eine Energiequellenspannung kleiner als eine Bordnetzspannung ist, um die Hochsetzstellfunktion zu realisieren.
Energiewandler (10) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Wandlertransistoren vom gleichen Typ sind und antiseriell geschaltet sind.
Energiewandler (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die LLC-Wandlereinheit (18) galvanisch trennend ausgebildet ist.