DE102018221195A1 - Bidirectional DC / DC converter and method for operating the DC / DC converter - Google Patents

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Abstract

Bidirektionaler DC/DC-Wandler zur Energieübertragung zwischen einer Primärseite (HV) und einer Sekundärseite (LV) mit Anschlüssen für einen Primärenergiespeicher (UHV) und einen Sekundärenergiespeicher (UNV), mit einem oder mehreren Transformatoren (1) zum galvanischen Trennen der Primärseite (HV) von der Sekundärseite (LV), mit Schaltelementen (D1 bis D4, M1 bis M4), zum Anschließen und Umpolen der Wicklungen des Transformators (1) primärseitig und sekundärseitig, mit einer Steuereinrichtung (2) zum Steuern der Schaltelemente (D1 bis D4, M1 bis M4); und mit einer sekundärseitigen Serieninduktivität (W1); und mit einem Sperr-Schaltelement (S1), welches parallel zur sekundärseitigen Serieninduktivität (W1) geschaltet ist.Bidirectional DC / DC converter for energy transmission between a primary side (HV) and a secondary side (LV) with connections for a primary energy storage (UHV) and a secondary energy storage (UNV), with one or more transformers (1) for galvanic isolation of the primary side (HV ) from the secondary side (LV), with switching elements (D1 to D4, M1 to M4), for connecting and reversing the polarity of the windings of the transformer (1) on the primary and secondary side, with a control device (2) for controlling the switching elements (D1 to D4, M1 to M4); and with a secondary series inductance (W1); and with a blocking switching element (S1) which is connected in parallel with the secondary-side series inductance (W1).

Description

Die Erfindung betrifft einen bidirektionalen DC/DC-Wandler der eine Ergänzung aufweist, die ein verbessertes Betreiben des DC/DC Wandlers ermöglicht, und sie umfasst auch ein Verfahren zum Betreiben des DC/DC-Wandlers.The invention relates to a bidirectional DC / DC converter which has a supplement which enables improved operation of the DC / DC converter, and also comprises a method for operating the DC / DC converter.

Stand der TechnikState of the art

DC/DC-Wandler werden von einer Gleichspannungsquelle gespeist und stellen einem Verbraucher elektrische Energie als Gleichspannung auf einem anderen Spannungsniveau zur Verfügung. Beispielsweise wird elektrische Energie aus einem Hochvoltnetz in ein Niederspannungsnetz übertragen und auf ein Spannungsniveau des Niedervoltnetzes gewandelt.DC / DC converters are powered by a DC voltage source and provide electrical energy to a consumer as DC voltage at a different voltage level. For example, electrical energy is transferred from a high-voltage network to a low-voltage network and converted to a voltage level of the low-voltage network.

Beispielsweise wird bei Elektro- oder Hybridfahrzeugen der Antriebsmotor aus dem Hochvoltnetz mit einer Spannung vom mehreren 100 Volt betrieben, während das Niedervolt-Bordnetz eine Spannung von zumeist 12 Volt, gelegentlich auch 24 oder 48 Volt aufweist. Beide Netze weisen jeweils eine Batterie auf und sind über einen DC/DC-Wandler miteinander verbunden, was zur Stabilität des Gesamtsystems beiträgt. Dabei wird die Niedervoltbatterie regelmäßig über den DC/DC-Wandler aus dem Hochvoltnetz geladen, ähnlich wie die Batterie bei einem PKW mit Verbrennungsmotor mittels der Lichtmaschine. Die Hochvoltbatterie hingegen muss regelmäßig an Tankstellen aufgeladen oder evtl. auch ausgetauscht werden.For example, in electric or hybrid vehicles, the drive motor is operated from the high-voltage network with a voltage of several 100 volts, while the low-voltage on-board network has a voltage of mostly 12 volts, occasionally also 24 or 48 volts. Both networks each have a battery and are connected to each other via a DC / DC converter, which contributes to the stability of the overall system. The low-voltage battery is regularly charged from the high-voltage network via the DC / DC converter, similar to the battery in a car with a combustion engine using an alternator. The high-voltage battery, on the other hand, has to be regularly recharged at petrol stations or possibly replaced.

In bestimmten Reparatur- und Wartungssituationen aber auch im normalen Aus-Zustand des Fahrzeugs muss die Hochvoltbatterie abgeklemmt werden, und das Hochvoltnetz muss spannungfrei sein; dafür muss insbesondere der Zwischenkreiskondensator, der parallel zur Hochvoltbatterie geschaltet ist, entladen werden.In certain repair and maintenance situations, but also when the vehicle is in the normal off state, the high-voltage battery must be disconnected and the high-voltage network must be voltage-free; for this, the intermediate circuit capacitor, which is connected in parallel to the high-voltage battery, must be discharged.

Würde später die Hochvoltbatterie unvermittelt wieder an das Hochvoltnetz angeschlossen, so würden dabei, insbesondere durch das Wiederaufladen des Zwischenkreiskondensators, potentiell hohe und schnell ansteigende Ströme fließen. Im Stand der Technik ist daher eine Ladevorrichtung für den Zwischenkreiskondensator mit Energie aus der anzuschließenden Batterie vorgesehen. Diese Ladevorrichtung umfasst einen Ohmschen Ladewiderstand und einen mechanischen Schalter. Nach Einschalten des Schalters fließt ein Ladestrom über den Ladewiderstand zum Zwischenkreiskondensator, und erst wenn dieser aufgeladen ist, kann die Hauptverbindung der Batterie mit dem Zwischenkreiskondensator geschaltet werden, die den Ladewiderstand überbrückt.If the high-voltage battery were later suddenly reconnected to the high-voltage network, potentially high and rapidly increasing currents would flow, in particular by recharging the intermediate circuit capacitor. A charging device for the intermediate circuit capacitor with energy from the battery to be connected is therefore provided in the prior art. This charging device comprises an ohmic charging resistor and a mechanical switch. After switching on the switch, a charging current flows through the charging resistor to the intermediate circuit capacitor, and only when this is charged can the main connection of the battery to the intermediate circuit capacitor be switched, which bridges the charging resistor.

Aus der WO 2017/125204 A1 ist einDC-DC-Wandler bekannt, der unter bestimmten Randbedingungen auch zum Leistungstransfer von der Sekundärauf die Primärseite eingesetzt werden kann, wenn auf der Sekundärseite aktive Schaltelemente eingesetzt werden. Für geringe Spannungen benötigt man für den Leistungstransfer in Rückwärtsrichtung zusätzliche leistungselektronische Komponenten. Bevorzugt wird hierzu eine zusätzliche magnetische Komponente mit Beschaltung verwendet.From the WO 2017/125204 A1 a DC-DC converter is known which, under certain boundary conditions, can also be used for power transfer from the secondary to the primary side if active switching elements are used on the secondary side. For low voltages, additional power electronic components are required for the power transfer in the reverse direction. For this purpose, an additional magnetic component with circuitry is preferably used.

Offenbarung der Erfindung und Vorteile der ErfindungDisclosure of the Invention and Advantages of the Invention

Ein erster Aspekt der Erfindung ist auf die hardwaremäßige Schaltung des Wandlers gerichtet. Der DC/DC-Wandler gemäß der Erfindung zur Energieübertragung zwischen einer Primärseite und einer Sekundärseite weist Anschlüsse für einen Primärenergiespeicher und einen Sekundärenergiespeicher auf. Bevorzugt umfasst der DC/DC Wandler primärseitig einen Zwischenkreiskondensator welcher primärseitig mit den Anschlüssen für den Primärenergiespeicher verbunden ist. Ein oder mehrere Transformatoren sichern das galvanische Trennen der Primärseite von der Sekundärseite derart, dass ein Energieübergang nur über die induktive Kopplung zwischen den Transformatorspulen erfolgt. Die Transformatorspulen können auf der jeweils Energie abgebenden Seite mit Stromimpulsen aus dem entsprechenden Energiespeicher, Primärenergiespeicher oder Sekundärenergiespeicher beaufschlagt werden, indem als Schaltelemente ausgebildete Dioden sie mittels einer Steuereinrichtung mit hoher Frequenz (einige kHz) an den Energiespeicher anschließen und sie umpolen. Auf der Energie empfangenen Seite arbeiten Dioden als Gleichrichter für die übertragenen Stromimpulse (Synchrongleichrichter), jedoch müssen, wenn der DC/DC-Wandler bidirektional betrieben wird, solche Dioden zum Einsatz kommen, die bei Bedarf auch geschaltet werden können.A first aspect of the invention is directed to the hardware circuitry of the converter. The DC / DC converter according to the invention for energy transmission between a primary side and a secondary side has connections for a primary energy store and a secondary energy store. The DC / DC converter preferably comprises on the primary side an intermediate circuit capacitor which is connected on the primary side to the connections for the primary energy store. One or more transformers ensure the galvanic separation of the primary side from the secondary side in such a way that an energy transfer takes place only via the inductive coupling between the transformer coils. The transformer coils can be supplied with current pulses from the corresponding energy store, primary energy store or secondary energy store on the energy-emitting side in that diodes designed as switching elements connect them to the energy store by means of a control device with high frequency (a few kHz) and reverse the polarity. On the energy-receiving side, diodes act as rectifiers for the transmitted current pulses (synchronous rectifiers), but if the DC / DC converter is operated bidirectionally, diodes must be used that can also be switched if necessary.

Eine sekundärseitige Serieninduktivität dient im Normalbetrieb, d.h. bei Energieübertragung von der Primärseite zur Sekundärseite, dazu, die Stromimpulse sekundärseitig zu glätten.A secondary series inductance is used in normal operation, i.e. in the case of energy transmission from the primary side to the secondary side, to smooth the current pulses on the secondary side.

Um nun bevorzugt einen primärseitigen Zwischenkreiskondensator aus dem Sekundärenergiespeicher gesteuert und strombegrenzt laden zu können, ist ein Sperr-Schaltelement vorgesehen, welches parallel zur sekundärseitigen Serieninduktivität geschaltet wird. Die Bezeichnung Sperr-Schaltelement bezieht sich auf die Fähigkeit des Sperr-Schaltelementes, bidirektional sperren zu können. Dafür ist ein Sperr-Schaltelement vorgesehen, welches parallel zur sekundärseitigen Serieninduktivität geschaltet ist, und im geschlossen Zustand die sekundärseitigen Serieninduktivität kurz schließt.In order to be able to control a primary-side intermediate circuit capacitor from the secondary energy store and charge it in a current-limited manner, a blocking switching element is provided, which is connected in parallel with the secondary-side series inductance. The term blocking switching element refers to the ability of the blocking switching element to be able to block bidirectionally. For this purpose, a blocking switching element is provided, which is connected in parallel to the series inductance on the secondary side and short-circuits the series inductance on the secondary side in the closed state.

Ein so ergänzter DC/DC-Wandler hat den Vorteil, dass ein verbesserter Rückwärtsbetrieb ermöglicht wird und beispielsweise keine Ladeschaltung zum Laden eines Zwischenkreiskondensators der Primärseite aus einem Primärenergiespeicher mehr benötigt wird, die insbesondere einen zusätzlichen aufwändigen mechanischen Schalter primärseitig erforderlich macht; vielmehr kann der Zwischenkreiskondensator, durch geeignetes Steuern der sekundärseitigen Schaltelemente des Wandlers, ausgehend von der Spannung Null auf seinen Sollwert aufgeladen werden, bevor der Primärenergiespeicher angeschlossen wird. Auch die Verluste, die sonst im Ladewiderstand einer Ladeschaltung nach dem Stand der Technik entstehen, entfallen, was den Wirkungsgrad erhöht. A DC / DC converter supplemented in this way has the advantage that improved reverse operation is made possible and, for example, no longer a charging circuit for charging an intermediate circuit capacitor on the primary side from a primary energy store is required, which in particular requires an additional complex mechanical switch on the primary side; rather, the intermediate circuit capacitor can be charged to its setpoint value from zero voltage by suitably controlling the switching elements of the converter on the secondary side, before the primary energy store is connected. The losses that otherwise occur in the charging resistor of a charging circuit according to the prior art are also eliminated, which increases the efficiency.

Aber auch für andere Anwendungsfälle, beispielsweise für bestimmte Funktionstests, kann ein derart modifizierter DC/DC-Wandler einen primärseitigen Zwischenkreiskondensator bei abgeklemmtem Primärenergiespeicher aus dem sekundärseitigen Sekundärenergiespeicher auf jede gewünschte Spannung aufladen.But also for other applications, for example for certain function tests, a DC / DC converter modified in this way can charge a primary-side intermediate circuit capacitor to any desired voltage from the secondary-side secondary energy store when the primary energy store is disconnected.

Ausführungsarten des Wandlers bringen weitere Vorteile.Types of the converter bring further advantages.

Der DC/DC-Wandler mit einem Sperr-Schaltelement, welches parallel zur sekundärseitigen Serieninduktivität geschaltet ist, kann ein Durchflusswandler mit galvanischer Trennung von Primär- und Sekundärseite und mit stromgespeister Sekundärseite sein. Beispielsweise kann er ein ein- oder mehrphasiger Phase-Shifted-Full-Bridge (PSFB)-Wandler, ein Push-Pull-Wandler, Resonanzwandler oder ein Multilevel-Wandler sein. Insbesondere können der Transformator, die Schaltelemente und die Steuereinrichtung auch derart beschaltet und betrieben werden, dass der Wandler als ein einphasiger Phase-Shifted-Full-Bridge (PSFB) DC/DC-Wandler, bevorzugt für Hybrid- und Elektrofahrzeuge, ausgebildet ist.The DC / DC converter with a blocking switching element, which is connected in parallel to the series inductance on the secondary side, can be a forward converter with electrical isolation of the primary and secondary side and with a current-supplied secondary side. For example, it can be a single-phase or multi-phase phase-shifted full-bridge (PSFB) converter, a push-pull converter, resonance converter or a multilevel converter. In particular, the transformer, the switching elements and the control device can also be connected and operated in such a way that the converter is designed as a single-phase phase-shifted full bridge (PSFB) DC / DC converter, preferably for hybrid and electric vehicles.

Es ist ein Vorteil der Erfindung, dass diese bei allen diesen Wandlertypen universell eingesetzt werden kann.It is an advantage of the invention that it can be used universally in all of these types of converters.

In einer anderen Ausgestaltung der Erfindung ist das Sperr-Schaltelement ein bidirektional sperrfähiges Schaltelement. Das Sperr-Schaltelement kann somit einen Stromfluss in beide Richtungen verhindern. Bei derart geöffnetem Sperr-Schaltelement ist ein Rückwärtsbetrieb des DC/DC Wandlers, also eine Energieübertragung von der Sekundärseite zur Primärseite, nur möglich, falls die primärseitige Spannung größer als ein spezifischer Spannungswert ist, der sich aus dem Produkt der Spannung des Sekundärenergiespeichers und dem Quotient aus dem Windungsverhältnis der primärseitigen Wicklung zur sekundärseitigen Wicklung des Transformators ergibt. Bei geschlossenem Sperr-Schaltelement ist ein Rückwärtsbetrieb des DC/DC Wandlers auch dann möglich, falls die primärseitige Spannung kleiner als dieser spezifische Spannungswert ist. Vorteilhaft wird ein DC/DC Wandler bereitgestellt, der auch bei kleinsten primärseitigen Spannungen und auch bei 0 Volt im Rückwärtsbetrieb betrieben werden kann.In another embodiment of the invention, the blocking switching element is a bidirectionally blocking switching element. The blocking switching element can thus prevent current flow in both directions. When the blocking switching element is opened in this way, reverse operation of the DC / DC converter, i.e. energy transfer from the secondary side to the primary side, is only possible if the primary-side voltage is greater than a specific voltage value, which is the product of the voltage of the secondary energy storage and the quotient from the turns ratio of the primary winding to the secondary winding of the transformer. With the blocking switching element closed, reverse operation of the DC / DC converter is also possible if the primary-side voltage is less than this specific voltage value. A DC / DC converter is advantageously provided, which can be operated in reverse mode even with the smallest primary-side voltages and also at 0 volts.

In einer anderen Ausgestaltung der Erfindung umfasst das Sperr-Schaltelement zwei Halbleiterschalter, deren Gateanschlüsse verbunden sind und einen ersten Anschluss des Sperr-Schaltelementes ausbilden und deren Sourceanschlüsse verbunden sind und einen zweiten Anschluss des Sperr-Schaltelementes ausbilden. Das bidirektional sperrfähige Sperr-Schaltelement wird aus zwei derart angeordneten Halbleiterschaltern gebildet, dass die beiden intrinsischen Freilauf-Dioden gegeneinander ausgerichtet sind. Vorteilhaft wird eine Topologie für ein bidirektional sperrfähiges Schaltelement bereitgestellt, welche mittels verfügbarer Bauelemente in der Wandlerschaltung umgesetzt werden kann.In another embodiment of the invention, the blocking switching element comprises two semiconductor switches, whose gate connections are connected and form a first connection of the blocking switching element and whose source connections are connected and form a second connection of the blocking switching element. The bidirectionally lockable blocking switching element is formed from two semiconductor switches arranged in such a way that the two intrinsic free-wheeling diodes are aligned with one another. A topology for a bidirectionally lockable switching element is advantageously provided, which can be implemented in the converter circuit using available components.

In einer anderen Ausgestaltung der Erfindung sind ein oder mehrere Dämpfungskondensatoren vorgesehen, die parallel zu den Anschlüssen für den Sekundärenergiespeicher geschaltet sind. Oder es ist eine Serienschaltung eines Dämpfungswiderstands und eines Dämpfungskondensators, die parallel zur Serienschaltung von Serieninduktivität und zu den Anschlüssen für den Sekundärenergiespeicher geschaltet ist, vorgesehen. Diese Schaltungsergänzungen dienen zum vorteilhaften Glätten von Spannungsspitzen bei den sekundärseitigen Schaltvorgängen.In another embodiment of the invention, one or more damping capacitors are provided which are connected in parallel to the connections for the secondary energy store. Or there is a series connection of a damping resistor and a damping capacitor, which is connected in parallel to the series connection of series inductance and to the connections for the secondary energy store. These circuit supplements are used for the advantageous smoothing of voltage peaks in the secondary switching operations.

Ein zweiter Aspekt der Erfindung betrifft das Verfahren zum Betreiben eines bidirektionalen DC/DC Wandlers im Rückwärtsbetrieb, wobei das Sperrschaltelement geschlossen ist und damit die sekundärseitigen Serieninduktivität kurzgeschlossen ist.A second aspect of the invention relates to the method for operating a bidirectional DC / DC converter in reverse operation, the blocking switching element being closed and thus the secondary series inductor being short-circuited.

Der Vorteil ist hier, dass bei geschlossenem Sperr-Schaltelement ein Rückwärtsbetrieb des DC/DC Wandlers ermöglicht wird, selbst bei kleinsten primärseitigen Spannungen und auch bei 0 Volt. In diesem Boost-Modus kann bevorzugt ein primärseitiger Zwischenkreiskondensator praktisch auf jede gewünschte Spannung aufgeladen werden.The advantage here is that when the blocking switching element is closed, reverse operation of the DC / DC converter is made possible, even with the smallest primary-side voltages and also at 0 volts. In this boost mode, a primary-side intermediate circuit capacitor can preferably be charged to practically any desired voltage.

In einer anderen Ausgestaltung umfasst das Verfahren zum Betreiben eines bidirektionalen DC/DC Wandlers im Rückwärtsbetrieb, folgende Schritte:

  • - Schließen des Sperr-Schaltelement, solange die primärseitige Spannung einen vorgebbaren ersten Spannungsgrenzwert unterschreitet;
  • - Öffnen des Sperr-Schaltelementes, falls die die primärseitige Spannung einen vorgebbaren zweiten Spannungsgrenzwert nicht unterschreitet.
Es wird ein Verfahren bereitestellt, welches den Boostbetrieb bei kleinsten primärseitigen Spannungen und auch bei 0 Volt ermöglicht. Der erste und der zweite Spannungsgrenzwert korrelieren mit dem oben beschriebenen spezifischen Spannungswert. Der erste und der zweite Spannungsgrenzwert wird dem Verfahren entweder vorgegeben oder online während des Betriebs des DC/DC Wandlers ermittelt und in Abhängigkeit der sekundärseitigen Spannung vorgegeben. Inbesondere gibt es einen ersten und einen zweiten Spannungsgrenzwert um gegebenenfalls eine Hysterese vorzusehen, dass ein häufiges Umschalten vermieden wird. Hierzu ist bevorzugt der erste Spannungsgrenzwert kleiner als der zweite Spannungsgrenzwert. Bevorzugt kann der erste und der zweite Spannungsgrenzwert auch identisch sein.In another embodiment, the method for operating a bidirectional DC / DC converter in reverse operation comprises the following steps:
  • - Closing the blocking switching element as long as the primary-side voltage falls below a predeterminable first voltage limit value;
  • - Opening the blocking switching element if the primary voltage does not fall below a predeterminable second voltage limit.
A method is provided which enables the boost operation at the smallest primary-side voltages and also at 0 volts. The first and second voltage thresholds correlate with the specific voltage value described above. The first and second voltage limit values are either predefined for the method or determined online during the operation of the DC / DC converter and predefined as a function of the secondary-side voltage. In particular, there are a first and a second voltage limit value in order, if necessary, to provide a hysteresis that frequent switching is avoided. For this purpose, the first voltage limit is preferably less than the second voltage limit. The first and second voltage limit values can preferably also be identical.

Bei geschlossenem Sperr-Schaltelement ergibt sich ein DC/DC Wandler, welcher unabhängig von der primär- und sekundärseitigen Spannung bidirektional Leistung übertragen kann, so dass der Leistungstransfer in Rückwärtsrichtung möglich wird. Zur Übertragung der Leistung werden mindestens zwei der vier Halbbrücken aktiv angesteuert. Zur Optimierung der Effektivwerte der Schalter- und Transformatorströme, können bevorzugt komplexere Ansteuerungen wie die „Three-level“- bzw. „Triple-phase-shift“-Ansteuerung verwendet werden, welche aus der Ansteuerung von Dual-Active-Bridge DC/DC-Wandlern bekannt ist. Während der hochfrequente Wechselstromanteil der sekundärseitigen Vollbrückenschalterströme von der mittels des Sperr-Schalters kurzgeschlossenen sekundärseitigen Induktivität nicht geleitet wird, da die Impedanz sehr viel größer als die des geschlossenen Sperr-Schaltelementes ist, kann der Gleichstromanteil teilweise von der kurzgeschlossenen sekundärseitigen Induktivität übernommen werden. Das Sperr-Schaltelement muss dadurch nicht für den Effektivwert des sekundärseitigen Stroms ausgelegt werden. Bevorzugt wird in allen anderen Betriebsbereichen des Wandlers das Sperr-Schaltelement geöffnet, so dass der Einfluss auf die Schaltung vernachlässigbar wird. Die Glättung des Ausgangsstroms durch die sekundärseitige Induktivität verringert in diesen Betriebsbereichen die Effektivwerte der Wandlerströme (Transformator- und Schalterströme). Dies verbessert die Effizienz und erhöht die maximale Ausgangsleistung.When the blocking switching element is closed, a DC / DC converter results, which can transmit power bidirectionally regardless of the primary and secondary voltage, so that the power transfer in the reverse direction is possible. At least two of the four half bridges are actively controlled to transmit the power. To optimize the RMS values of the switch and transformer currents, more complex controls such as the "three-level" or "triple-phase shift" control can be used, which are derived from the control of dual active bridge DC / DC Is known to walkers. While the high-frequency alternating current component of the secondary-side full bridge switch currents is not conducted by the secondary-side inductance short-circuited by means of the blocking switch, since the impedance is very much greater than that of the closed blocking switching element, the direct-current component can in part be taken over by the short-circuited secondary-side inductor. As a result, the blocking switching element does not have to be designed for the effective value of the secondary-side current. The blocking switching element is preferably opened in all other operating areas of the converter, so that the influence on the circuit is negligible. The smoothing of the output current by the secondary inductance reduces the effective values of the converter currents (transformer and switch currents) in these operating ranges. This improves efficiency and increases the maximum output power.

Vorteilhaft ist es auch, wenn die Steuereinrichtung mit Impulsen einer festen Frequenz arbeiten kann.It is also advantageous if the control device can work with pulses of a fixed frequency.

FigurenlisteFigure list

  • 1 zeigt die Schaltung eines einphasigen Phase-Shifted-Full-Bridge (PSFB) DC/DC-Wandler mit den für ein Betreiben des bidirektionalen DC/DC-Wandlers vorgesehenen Ergänzungen; 1 shows the circuit of a single-phase phase-shifted full bridge (PSFB) DC / DC converter with the additions provided for operating the bidirectional DC / DC converter;
  • 2 zeigt eine schematische Darstellung eines Sperr-Schaltelementes; 2nd shows a schematic representation of a blocking switching element;
  • 3 stellt schematisch ein Verfahrensablaufdiagramm für das Betreiben des bidirektionalen DC/DC Wandlers dar. 3rd schematically represents a process flow diagram for the operation of the bidirectional DC / DC converter.

1 zeigt die Schaltung eines einphasigen Phase-Shifted-Full-Bridge (PSFB) DC/DC-Wandlers, der ein möglichen Wandler-Typ ist, bei dem durch Modifikationen, die nachfolgend im Einzelnen beschrieben werden, ein Betreiben des bidirektionalen DC/DC Wandlers und damit ein Boostbetrieb ab der primärseitigen Spannung Null Volt und einer Energieübertragung aus dem Sekundärenergiespeicher möglich ist. Die Modifikationen können aber an jedem Durchflusswandler mit galvanischer Trennung und stromgespeistem Primär-Zwischenkreis eingesetzt werden, z.B. bei Push-Pull-Wandlern oder Multilevel-Wandlern. 1 shows the circuit of a single-phase phase-shifted full-bridge (PSFB) DC / DC converter, which is a possible converter type, in which, by means of modifications, which are described in detail below, an operation of the bidirectional DC / DC converter and so that a boost operation from the primary voltage zero volts and an energy transfer from the secondary energy storage is possible. However, the modifications can be used on any flow converter with galvanic isolation and current-fed primary intermediate circuit, for example in push-pull converters or multilevel converters.

Der in 1 dargestellte PSFB-Wandler weist einen Transformator 1 auf, der im Normalbetrieb von dem am primärseitigen Anschluss HV angeschlossenen Primärenergiespeicher UHV, bevorzugt eine Hochvoltbatterie, gespeist wird. Primärseitig angeordnete zwei Halbbrücken mit den Schaltelemente M1 bis M4 schalten diese Spannung mit einer Taktfrequenz von einigen kHz mit alternierendem Vorzeichen auf die primäre Wicklung des Transformators 1, wodurch dessen Kern, periodisch alternierend, magnetisch aufgeladen wird. Durch eine Verschiebung der Einschaltzeitpunkte der zweiten Halbbrücke mit den Schaltelementen M2 und M4 gegenüber denen der ersten Halbbrücke mit den Schaltelementen M1 und M3 wird die relative Dauer der alternierenden Spannungspulse verändert. Die Dauer der benötigten Spannungspulse wird im Wesentlichen durch das Verhältnis aus der Spannung des Primärenergiespeichers und der des Sekundärenergiespeichers bestimmt. Bevorzugt sorgt eine Resonanzspule LRES primär- und/ oder sekundärseitig des Transformators 1 für ein weiches Schalten der Schaltelemente, sodass deren Schaltverlustleistung minimiert wird.The in 1 PSFB converter shown has a transformer 1 on that in normal operation from that on the primary side connection HV connected primary energy storage UHV , preferably a high-voltage battery, is fed. Two half bridges with the switching elements arranged on the primary side M1 to M4 switch this voltage to the primary winding of the transformer with an alternating sign with a clock frequency of a few kHz 1 , whereby its core, periodically alternating, is magnetically charged. By shifting the switch-on times of the second half-bridge with the switching elements M2 and M4 compared to those of the first half bridge with the switching elements M1 and M3 the relative duration of the alternating voltage pulses is changed. The duration of the required voltage pulses is essentially determined by the ratio of the voltage of the primary energy store and that of the secondary energy store. A resonance coil LRES preferably provides the primary and / or secondary side of the transformer 1 for smooth switching of the switching elements so that their switching power loss is minimized.

Sekundärseitig des Transformators 1, bevorzugt in dem Niedervoltbereich, wird eine Induktionsspannung erzeugt, die durch die passiven Dioden D1 bis D4 gleichgerichtet wird. Der Induktionsstoß wird über die Serieninduktivität W1 bevorzugt auf den Kondensator C2 und bevorzugt die sekundärseitigen Anschlüsse LV geleitet, an die der Sekundärenergiespeicher UNV und bevorzugt die sekundärseitigen Verbraucher des Niedervoltkreis angeklemmt sind. Die Serieninduktivität W1 dient dem Glätten des Ausgangsstroms. Im Normalbetrieb arbeitet der PSFB-Wandler als Tiefsetzsteller.Secondary side of the transformer 1 , preferably in the low-voltage range, an induction voltage is generated by the passive diodes D1 to D4 is rectified. The induction shock is about the series inductance W1 preferably on the capacitor C2 and preferably the secondary connections LV to which the Secondary energy storage UNV and preferably the secondary-side consumers of the low-voltage circuit are connected. The series inductance W1 is used to smooth the output current. In normal operation, the PSFB converter works as a buck converter.

Es ist hier anzumerken, dass die Schaltelemente M1 bis M4 auf der Primärseite und sekundärseitig D1 bis D4 auf der Niedervoltseite sowohl als „Dioden“ wie auch „Schalter“ bezeichnet werden, je nachdem, ob im Vordergrund steht, dass in der aktuellen Funktion der Schaltung der Übergang zwischendem leitenden und dem nichtleitenden Zustand passiv vom Vorzeichen der anliegenden Spannung bestimmt wird, oder dass dieser Übergang durch aktives Schalten zu bestimmten Zeitpunkten von der Steuereinrichtung 2 vorgegeben wird. Unter den beiden Begriffen sind jedoch immer dieselben Schaltelemente zu verstehen.It should be noted here that the switching elements M1 to M4 on the primary side and on the secondary side D1 to D4 on the low voltage side are referred to as "diodes" as well as "switches", depending on whether it is in the foreground that in the current function of the circuit the transition between the conductive and the non-conductive state is passively unsigned the applied voltage is determined, or that this transition by active switching at certain times by the control device 2nd is specified. However, the same terms are always to be understood under the two terms.

Bevorzugt bei bestimmten Reparatur- und Wartungssituationen, aber auch im normalen Aus-Zustand des Fahrzeugs, z.B. bei einem Elektro- oder Hybridfahrzeug, muss der Primärenergiespeicher UHV, insbesondere eine Hochvoltbatterie, abgeklemmt werden, und die Primärseite HV muss spannungfrei sein; dafür muss insbesondere der Zwischenkreiskondensator CZK entladen werden.The primary energy store must be preferred in certain repair and maintenance situations, but also in the normal off state of the vehicle, for example in the case of an electric or hybrid vehicle UHV , in particular a high-voltage battery, are disconnected, and the primary side HV must be free of tension; the DC link capacitor must be used for this CZK be discharged.

Würde später der Primärenergiespeicher UHV, insbsondere die Hochvoltbatterie unvermittelt wieder an die Primärseite, bevorzugt dasHochvoltnetz, angeschlossen werden, so würden dabei, insbesondere durch das Wiederaufladen des Zwischenkreiskondensators CZK, so hohe und so schnell ansteigende Ströme fließen, dass zumindest bei einigen Bauteilen die zulässigen Werte überschritten werden und diese Bauteile dadurch gefährdet sind.Would later become the primary energy store UHV , in particular the high-voltage battery, are suddenly reconnected to the primary side, preferably the high-voltage network, in this case, in particular by recharging the intermediate circuit capacitor CZK , so high and rapidly increasing currents flow that at least some components exceed the permissible values and these components are at risk.

Der soweit beschriebene Wandler, der bezüglich Ein- und Ausgang im Wesentlichen symmetrisch aufgebaut ist, soll nun so modifiziert werden, dass er bidirektional arbeitet und einen Boostbetrieb bei kleinsten primärseitigen Spannungen und auch bei 0 Volt ermöglicht. Bevorzugt ist der Hochsetzsteller in der Lage, den Zwischenkreiskondensator CZK mit sekundärseitiger Energie aus der Niedervoltbatterie UNV aufzuladen. Damit wird eine besondere Ladevorrichtung überflüssig, die im Stand der Technik zu diesem Zweck Energie aus der anzuschließenden Hochvoltbatterie UHV an den Zwischenkreiskondensator CZK überträgt. Hierzu wird der beschriebene Wandler bei mittels des Sperr-SchaltelementesThe converter described so far, which is essentially symmetrical in terms of input and output, is now to be modified in such a way that it works bidirectionally and enables boost operation at the smallest primary-side voltages and also at 0 volts. The step-up converter is preferably capable of the intermediate circuit capacitor CZK with secondary-side energy from the low-voltage battery UNV charge. This eliminates the need for a special charging device that uses energy from the high-voltage battery to be connected in the prior art for this purpose UHV to the intermediate circuit capacitor CZK transmits. For this purpose, the converter described is by means of the blocking switching element

Hierfür wird bei geschlossenem Sperr-Schaltelement der DC/DC Wandler wie ein Dual-Active-Bridge DC/DC-Wandler betrieben.For this purpose, the DC / DC converter is operated like a dual active bridge DC / DC converter when the blocking switching element is closed.

Die Serieninduktivität W1 kann in konventioneller Technik, also bedrahtet oder in Planartechnik in eine Leiterplatte integriert realisiert werden.The series inductance W1 can be implemented using conventional technology, i.e. wired or integrated in a printed circuit board using planar technology.

Das Kurzschließen der Serieninduktivität W1 ist nur bei geringen primärseitigen Spannungen notwendig. Daher ist das Sperr-Schaltelement S1 parallel zur sekundärseitigen Serieninduktivität W1 vorgesehen, das durch die Steuereinrichtung 2 nur für die Zeit, solange die primärseitige Spannnung kleiner als ein vorgebbarer erster Spannungsgrenzwert ist, dieser ersten Phase geschlossen ist; in allen anderen Betriebszuständen des Wandler ist bevorzugt das Sperr-Schaltelement S1 geöffnet, und damit ist dann die Modifikation der Schaltung durch das Sperr-Schaltelement S1 wirkungslos.Shorting the series inductance W1 is only necessary for low primary voltages. Therefore, the lock switch element S1 parallel to the series inductance on the secondary side W1 provided that by the control device 2nd this first phase is only closed for as long as the primary-side voltage is less than a predeterminable first voltage limit value; in all other operating states of the converter, the blocking switching element is preferred S1 opened, and then the modification of the circuit by the blocking switching element S1 ineffective.

Die in 1 dargestellte Schaltung zeigt noch weitere Modifikationen zum sicheren Betrieb des DC/DC-Wandlers. Parallel zur Serienschaltung von Serieninduktivität W1 und den Anschlüssen für einen Sekundärenergiespeicher ist bevorzugt die Serienschaltung eines Dämpfungskondensators CS und eines Dämpfungswiderstands RS vorgesehen. Diese Bauelemente glätten Spannungsspitzen bei den Schaltvorgängen mit den sekundärseitigen Schaltelementen D1 bis D4. Weitere Glättungskondensatoren CFB sind parallel zu den Anschlüssen für den Sekundärenergiespeicher UNV geschaltet.In the 1 The circuit shown shows further modifications for the safe operation of the DC / DC converter. Parallel to the series connection of series inductance W1 and the connections for a secondary energy storage device are preferably the series connection of a damping capacitor CS and a damping resistor RS intended. These components smooth out voltage peaks during the switching processes with the switching elements on the secondary side D1 to D4 . More smoothing capacitors CFB are parallel to the connections for the secondary energy storage UNV switched.

2 zeigt eine schematische Darstellung eines Sperr-Schaltelementes S1, bevorzugt ein bidirektional sperrfähiges Schaltelement. Beispielsweise sind zwei Halbleiterschalter 210, 220 so angeordnet, dass deren Gateanschlüsse 212, 222 verbunden sind und einen ersten Anschluss 230 des Sperrschaltelementes S1 ausbilden. Die Sourceanschlüsse 214, 224 der zwei Halbleiterschalter 210, 220 sind ebenfalls verbunden und bilden einen zweiten Anschluss 240 des Sperrschaltelementes S1 aus. Dadurch stehen sich die intrinsischen Bodydioden der Halbleiterschalter 210, 220 gegenüber, so dass ein Stromfluss in beide Richtungen durch das Sperr-Schaltelement S1 verhindert werden kann. 2nd shows a schematic representation of a blocking switching element S1 , preferably a bidirectionally lockable switching element. For example, there are two semiconductor switches 210 , 220 arranged so that their gate connections 212 , 222 are connected and a first connection 230 of the blocking switching element S1 form. The source connections 214 , 224 of the two semiconductor switches 210 , 220 are also connected and form a second connection 240 of the blocking switching element S1 out. This creates the intrinsic body diodes of the semiconductor switches 210 , 220 opposite so that current flows in both directions through the blocking switching element S1 can be prevented.

3 stellt schematisch schematisch ein Verfahrensablaufdiagramm für das Betreiben des bidirektionalen DC/DC Wandlers dar. Die einzelnen Schritte des Verfahrens 100 werden für den Betrieb des DC/DC Wandlers von der Steuervorrichtung 2 ausgeführt. Mit Schritt 10 startet das Verfahren 100. In Schritt 20 wird die primärseitige Spannung, welche bevorzugt an den Anschlüssen für den Primärenergiespeicher UHV anliegt, erfasst, beispielsweise mittels einer Spannungsmessung oder durch Auslesen bereits im System erfasster physikalischer Größen, aus denen die Spannung abgeleitet werden kann. In Schritt 30 wird die Spannung mit einem ersten und/ oder einem zweiten Spannungsgrenzwert verglichen. Falls die primärseitige Spannung einen vorgebbaren ersten Spannungsgrenzwert unterschreitet verzweigt das Verfahren zu Schritt 40. In Schritt 40 wird das Sperr-Schaltelement S1 geschlossen. Falls die primärseitige Spannung einen vorgebbaren zweiten Spannungsgrenzwert nicht unterschreitet verzweigt das Verfahren zu Schritt 50. In Schritt 50 wird das Sperr-Schaltelement S1 geöffnet. Hierzu ist bevorzugt der erste Spannungsgrenzwert kleiner als der zweite Spannungsgrenzwert. Bevorzugt kann der erste und der zweite Spannungsgrenzwert auch identisch sein. Nach Ausführen des Schritt 40 oder 50 verzweigt das Verfahren zurück zu Schritt 20, indem die primärseitige Spannung erfasst wird. 3rd schematically illustrates a process flow diagram for operating the bidirectional DC / DC converter. The individual steps of the method 100 are used for the operation of the DC / DC converter by the control device 2nd executed. With step 10th starts the process 100 . In step 20th becomes the primary-side voltage, which is preferred at the connections for the primary energy storage UHV is present, recorded, for example by means of a voltage measurement or by reading physical quantities already recorded in the system, from which the voltage can be derived. In step 30th the voltage is compared with a first and / or a second voltage limit. If the primary voltage is one The method branches to step below the predeterminable first voltage limit value 40 . In step 40 becomes the blocking switching element S1 closed. If the voltage on the primary side does not fall below a predeterminable second voltage limit value, the method branches to step 50 . In step 50 becomes the blocking switching element S1 open. For this purpose, the first voltage limit is preferably less than the second voltage limit. The first and second voltage limit values can preferably also be identical. After completing the step 40 or 50 the method branches back to step 20th by detecting the primary side voltage.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturPatent literature cited

  • WO 2017/125204 A1 [0006]WO 2017/125204 A1 [0006]

Claims (10)

Bidirektionaler DC/DC-Wandler zur Energieübertragung zwischen einer Primärseite (HV) und einer Sekundärseite (LV) mit Anschlüssen für einen Primärenergiespeicher (UHV) und einen Sekundärenergiespeicher (UNV), • mit einem oder mehreren Transformatoren (1) zum galvanischen Trennen der Primärseite (HV) von der Sekundärseite (LV), • mit Schaltelementen (D1 bis D4, M1 bis M4), zum Anschließen und Umpolen der Wicklungen des Transformators (1) primärseitig und sekundärseitig, • mit einer Steuereinrichtung (2) zum Steuern der Schaltelemente (D1 bis D4, M1 bis M4); • und mit einer sekundärseitigen Serieninduktivität (W1); • und mit einem Sperr-Schaltelement (S1), welches parallel zur sekundärseitigen Serieninduktivität (W1) geschaltet ist.Bidirectional DC / DC converter for energy transmission between a primary side (HV) and a secondary side (LV) with connections for a primary energy store (UHV) and a secondary energy store (UNV), With one or more transformers (1) for galvanically separating the primary side (HV) from the secondary side (LV), With switching elements (D1 to D4, M1 to M4), for connecting and reversing the polarity of the windings of the transformer (1) on the primary and secondary sides, • with a control device (2) for controlling the switching elements (D1 to D4, M1 to M4); • and with a secondary series inductance (W1); • and with a blocking switching element (S1), which is connected in parallel to the secondary series inductance (W1). Bidirektionaler DC/DC-Wandler nach Anspruch 1, wobei der Wandler ein Durchflusswandler mit galvanischer Trennung und stromgespeister Sekundärseite ist.Bidirectional DC / DC converter after Claim 1 , wherein the converter is a flow converter with galvanic isolation and powered secondary side. Bidirektionaler DC/DC-Wandler nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Wandler als ein- oder mehrphasiger Phase-Shifted-Full-Bridge (PSFB)-Wandler, als Push-Pull-Wandler oder als Multilevel-Wandler ausgebildet ist.Bidirectional DC / DC converter after Claim 1 or 2nd , wherein the converter is designed as a single-phase or multi-phase phase-shifted full bridge (PSFB) converter, as a push-pull converter or as a multilevel converter. Bidirektionaler DC/DC-Wandler nach Anspruch 1, bei dem der Transformator (1), die Schaltelemente (D1 bis D4, M1 bis M4) und die Steuereinrichtung (2) als einphasiger Phase-Shifted-Full-Bridge (PSFB) DC/DC-Wandler für Hybrid- und Elektrofahrzeuge ausgebildet sind.Bidirectional DC / DC converter after Claim 1 , in which the transformer (1), the switching elements (D1 to D4, M1 to M4) and the control device (2) are designed as a single-phase phase-shifted full bridge (PSFB) DC / DC converter for hybrid and electric vehicles . Bidirektionaler DC/DC-Wandler nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei das Sperr-Schaltelement (S1) ein bidirektional sperrfähiges Schaltelement ist.Bidirectional DC / DC converter according to one of the Claims 1 to 4th , wherein the blocking switching element (S1) is a bidirectionally blocking switching element. Bidirektionaler DC/DC-Wandler nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei das Sperr-Schaltelement (S1) zwei Halbleiterschalter umfasst, deren Gateanschlüsse verbunden sind und einen ersten Anschluss des Sperrschaltelementes (S1) ausbilden und deren Sourceanschlüsse verbunden sind und einen zweiten Anschluss des Sperrschaltelementes (S1) ausbilden.Bidirectional DC / DC converter according to one of the Claims 1 to 5 , wherein the blocking switching element (S1) comprises two semiconductor switches, whose gate connections are connected and form a first connection of the blocking switching element (S1) and whose source connections are connected and form a second connection of the blocking switching element (S1). Bidirektionaler DC/DC-Wandler nach einem der Ansprüche 1 bis 6, mit einem oder mehreren parallel geschalteten Glättungskondensatoren (CFB), die parallel zu den Anschlüssen für den Sekundärenergiespeicher (UNV) geschaltet sind.Bidirectional DC / DC converter according to one of the Claims 1 to 6 , with one or more parallel smoothing capacitors (CFB), which are connected in parallel to the connections for the secondary energy storage (UNV). Bidirektionaler DC/DC-Wandler nach einem der Ansprüche 1 bis 7, mit einer Serienschaltung eines Dämpfungswiderstands (RS) und eines Dämpfungskondensators (CS), die parallel zur Serienschaltung von Serieninduktivität (W1) und den Anschlüssen für den Sekundärenergiespeicher (UNV) geschaltet ist.Bidirectional DC / DC converter according to one of the Claims 1 to 7 , with a series connection of a damping resistor (RS) and a damping capacitor (CS), which is connected in parallel to the series connection of series inductance (W1) and the connections for the secondary energy storage (UNV). Verfahren (100) zum Betreiben eines bidirektionalen DC/DC Wandlers nach einem der Ansprüche 1 bis 8 im Rückwärtsbetrieb, wobei das Sperrschaltelement (S1) geschlossen ist und damit die sekundärseitigen Serieninduktivität (W1) kurzgeschlossen ist.Method (100) for operating a bidirectional DC / DC converter according to one of the Claims 1 to 8th in reverse operation, the blocking switching element (S1) being closed and thus the secondary series inductance (W1) being short-circuited. Verfahren (100) zum Betreiben eines bidirektionalen DC/DC Wandlers nach Anspruch 9, wobei das Sperr-Schaltelement (S1) geschlossen wird solange die primärseitige Spannung einen vorgebbaren ersten Spannungsgrenzwert unterschreitet und geöffnet wird, falls die primärseitige Spannung einen vorgebbaren zweiten Spannungsgrenzwert nicht unterschreitet.Method (100) for operating a bidirectional DC / DC converter Claim 9 , wherein the blocking switching element (S1) is closed as long as the primary-side voltage falls below a predeterminable first voltage limit value and is opened if the primary-side voltage does not fall below a predeterminable second voltage limit value.
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