DE102019005121A1 - Energiewandler - Google Patents

Energiewandler Download PDF

Info

Publication number
DE102019005121A1
DE102019005121A1 DE102019005121.1A DE102019005121A DE102019005121A1 DE 102019005121 A1 DE102019005121 A1 DE 102019005121A1 DE 102019005121 A DE102019005121 A DE 102019005121A DE 102019005121 A1 DE102019005121 A1 DE 102019005121A1
Authority
DE
Germany
Prior art keywords
voltage
connection
low
coupling
electrical system
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
DE102019005121.1A
Other languages
English (en)
Inventor
Urs Boehme
Akin Candir
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Mercedes Benz Group AG
Original Assignee
Daimler AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Daimler AG filed Critical Daimler AG
Priority to DE102019005121.1A priority Critical patent/DE102019005121A1/de
Publication of DE102019005121A1 publication Critical patent/DE102019005121A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M3/00—Conversion of dc power input into dc power output
    • H02M3/02—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac
    • H02M3/04—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters
    • H02M3/10—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode
    • H02M3/145—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal
    • H02M3/155—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only
    • H02M3/156—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only with automatic control of output voltage or current, e.g. switching regulators
    • H02M3/158—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only with automatic control of output voltage or current, e.g. switching regulators including plural semiconductor devices as final control devices for a single load
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60L—PROPULSION OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; SUPPLYING ELECTRIC POWER FOR AUXILIARY EQUIPMENT OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRODYNAMIC BRAKE SYSTEMS FOR VEHICLES IN GENERAL; MAGNETIC SUSPENSION OR LEVITATION FOR VEHICLES; MONITORING OPERATING VARIABLES OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRIC SAFETY DEVICES FOR ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES
    • B60L1/00—Supplying electric power to auxiliary equipment of vehicles
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60L—PROPULSION OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; SUPPLYING ELECTRIC POWER FOR AUXILIARY EQUIPMENT OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRODYNAMIC BRAKE SYSTEMS FOR VEHICLES IN GENERAL; MAGNETIC SUSPENSION OR LEVITATION FOR VEHICLES; MONITORING OPERATING VARIABLES OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRIC SAFETY DEVICES FOR ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES
    • B60L50/00—Electric propulsion with power supplied within the vehicle
    • B60L50/50—Electric propulsion with power supplied within the vehicle using propulsion power supplied by batteries or fuel cells
    • B60L50/60—Electric propulsion with power supplied within the vehicle using propulsion power supplied by batteries or fuel cells using power supplied by batteries
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60L—PROPULSION OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; SUPPLYING ELECTRIC POWER FOR AUXILIARY EQUIPMENT OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRODYNAMIC BRAKE SYSTEMS FOR VEHICLES IN GENERAL; MAGNETIC SUSPENSION OR LEVITATION FOR VEHICLES; MONITORING OPERATING VARIABLES OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRIC SAFETY DEVICES FOR ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES
    • B60L53/00—Methods of charging batteries, specially adapted for electric vehicles; Charging stations or on-board charging equipment therefor; Exchange of energy storage elements in electric vehicles
    • B60L53/20—Methods of charging batteries, specially adapted for electric vehicles; Charging stations or on-board charging equipment therefor; Exchange of energy storage elements in electric vehicles characterised by converters located in the vehicle
    • B60L53/22—Constructional details or arrangements of charging converters specially adapted for charging electric vehicles
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60L—PROPULSION OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; SUPPLYING ELECTRIC POWER FOR AUXILIARY EQUIPMENT OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRODYNAMIC BRAKE SYSTEMS FOR VEHICLES IN GENERAL; MAGNETIC SUSPENSION OR LEVITATION FOR VEHICLES; MONITORING OPERATING VARIABLES OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRIC SAFETY DEVICES FOR ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES
    • B60L58/00—Methods or circuit arrangements for monitoring or controlling batteries or fuel cells, specially adapted for electric vehicles
    • B60L58/10—Methods or circuit arrangements for monitoring or controlling batteries or fuel cells, specially adapted for electric vehicles for monitoring or controlling batteries
    • B60L58/18—Methods or circuit arrangements for monitoring or controlling batteries or fuel cells, specially adapted for electric vehicles for monitoring or controlling batteries of two or more battery modules
    • B60L58/20—Methods or circuit arrangements for monitoring or controlling batteries or fuel cells, specially adapted for electric vehicles for monitoring or controlling batteries of two or more battery modules having different nominal voltages
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60R—VEHICLES, VEHICLE FITTINGS, OR VEHICLE PARTS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B60R16/00—Electric or fluid circuits specially adapted for vehicles and not otherwise provided for; Arrangement of elements of electric or fluid circuits specially adapted for vehicles and not otherwise provided for
    • B60R16/02—Electric or fluid circuits specially adapted for vehicles and not otherwise provided for; Arrangement of elements of electric or fluid circuits specially adapted for vehicles and not otherwise provided for electric constitutive elements
    • B60R16/03—Electric or fluid circuits specially adapted for vehicles and not otherwise provided for; Arrangement of elements of electric or fluid circuits specially adapted for vehicles and not otherwise provided for electric constitutive elements for supply of electrical power to vehicle subsystems or for
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J1/00—Circuit arrangements for dc mains or dc distribution networks
    • H02J1/08—Three-wire systems; Systems having more than three wires
    • H02J1/082—Plural DC voltage, e.g. DC supply voltage with at least two different DC voltage levels
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M3/00—Conversion of dc power input into dc power output
    • H02M3/22—Conversion of dc power input into dc power output with intermediate conversion into ac
    • H02M3/24—Conversion of dc power input into dc power output with intermediate conversion into ac by static converters
    • H02M3/28—Conversion of dc power input into dc power output with intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode to produce the intermediate ac
    • H02M3/325—Conversion of dc power input into dc power output with intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode to produce the intermediate ac using devices of a triode or a transistor type requiring continuous application of a control signal
    • H02M3/335—Conversion of dc power input into dc power output with intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode to produce the intermediate ac using devices of a triode or a transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only
    • H02M3/33569—Conversion of dc power input into dc power output with intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode to produce the intermediate ac using devices of a triode or a transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only having several active switching elements
    • H02M3/33573—Full-bridge at primary side of an isolation transformer
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M3/00—Conversion of dc power input into dc power output
    • H02M3/22—Conversion of dc power input into dc power output with intermediate conversion into ac
    • H02M3/24—Conversion of dc power input into dc power output with intermediate conversion into ac by static converters
    • H02M3/28—Conversion of dc power input into dc power output with intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode to produce the intermediate ac
    • H02M3/325—Conversion of dc power input into dc power output with intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode to produce the intermediate ac using devices of a triode or a transistor type requiring continuous application of a control signal
    • H02M3/335—Conversion of dc power input into dc power output with intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode to produce the intermediate ac using devices of a triode or a transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only
    • H02M3/33569—Conversion of dc power input into dc power output with intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode to produce the intermediate ac using devices of a triode or a transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only having several active switching elements
    • H02M3/33576—Conversion of dc power input into dc power output with intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode to produce the intermediate ac using devices of a triode or a transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only having several active switching elements having at least one active switching element at the secondary side of an isolation transformer
    • H02M3/33584—Bidirectional converters
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M1/00—Details of apparatus for conversion
    • H02M1/0048—Circuits or arrangements for reducing losses
    • H02M1/0054—Transistor switching losses
    • H02M1/0058—Transistor switching losses by employing soft switching techniques, i.e. commutation of transistors when applied voltage is zero or when current flow is zero
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M1/00—Details of apparatus for conversion
    • H02M1/0064—Magnetic structures combining different functions, e.g. storage, filtering or transformation
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M1/00—Details of apparatus for conversion
    • H02M1/0067—Converter structures employing plural converter units, other than for parallel operation of the units on a single load
    • H02M1/007—Plural converter units in cascade
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M1/00—Details of apparatus for conversion
    • H02M1/0067—Converter structures employing plural converter units, other than for parallel operation of the units on a single load
    • H02M1/008—Plural converter units for generating at two or more independent and non-parallel outputs, e.g. systems with plural point of load switching regulators
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M1/00—Details of apparatus for conversion
    • H02M1/0083—Converters characterised by their input or output configuration
    • H02M1/0085—Partially controlled bridges
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T10/00—Road transport of goods or passengers
    • Y02T10/60—Other road transportation technologies with climate change mitigation effect
    • Y02T10/70—Energy storage systems for electromobility, e.g. batteries
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T10/00—Road transport of goods or passengers
    • Y02T10/60—Other road transportation technologies with climate change mitigation effect
    • Y02T10/7072—Electromobility specific charging systems or methods for batteries, ultracapacitors, supercapacitors or double-layer capacitors
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T10/00—Road transport of goods or passengers
    • Y02T10/80—Technologies aiming to reduce greenhouse gasses emissions common to all road transportation technologies
    • Y02T10/92—Energy efficient charging or discharging systems for batteries, ultracapacitors, supercapacitors or double-layer capacitors specially adapted for vehicles
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T90/00—Enabling technologies or technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02T90/10—Technologies relating to charging of electric vehicles
    • Y02T90/14—Plug-in electric vehicles

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Transportation (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • Sustainable Energy (AREA)
  • Dc-Dc Converters (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Energiewandler (10) zum energietechnischen Koppeln eines Hochvoltbordnetzes (14) eines Kraftfahrzeugs mit einem Niedervoltbordnetz (16) des Kraftfahrzeugs, mit einem Kopplungsanschluss (24) zum elektrischen Koppeln mit dem Hochvoltbordnetz (14), einem Niedervoltanschluss (26) zum Anschließen an das Niedervoltbordnetz (16), einem an den Kopplungsanschluss (24) und den Niedervoltanschluss (26) angeschlossenen Niedervoltwandler (12) und einem zweiten Schaltelement (S1) zwischen einem Betriebspotential (44) des Hochvoltanschlusses (22) und einer Induktivität (L1), wobei der Niedervoltwandler (12) einen mit einer fahrzeugexternen Ladestation (18) koppelbaren Ladeenergiewandler (20) umfasst, der den Hochvoltanschluss (22) aufweist, wobei der Ladeenergiewandler (20) einen Transformator (Tr1), einen Ladewandler (32) und eine Hochvoltgleichrichtereinheit (34) umfasst, wobei ein Bezugspotential (36) des Kopplungsanschlusses (24) mit einem Bezugspotential (38) des Hochvoltanschlusses (22) elektrisch verbunden ist, wobei ein Betriebspotential (40) des Kopplungsanschlusses (24) über ein erstes Schaltelement (S2) an einen durch eine Sekundärwicklung (30) des Transformators (Tr1) und der Induktivität (L1) gebildeten Mittelanschluss (42) angeschlossen ist.

Description

  • Die Erfindung betrifft gemäß einem ersten und zweiten Aspekt einen Energiewandler zum energietechnischen Koppeln eines Hochvoltbordnetzes eines Kraftfahrzeugs mit einem Niedervoltbordnetz des Kraftfahrzeugs, zu welchem Zweck der Energiewandler einen Kopplungsanschluss zum elektrischen Koppeln mit dem Hochvoltbordnetz, einen Niedervoltanschluss zum Anschließen an das Niedervoltbordnetz und einen an den Kopplungsanschluss und den Niedervoltanschluss angeschlossenen Niedervoltwandler aufweist. Ferner betrifft die Erfindung gemäß einem dritten Aspekt einen Energiewandler zum energietechnischen Koppeln eines Hochvoltbordnetzes eines Kraftfahrzeugs mit einem Niedervoltbordnetz des Kraftfahrzeugs, zu welchem Zweck der Energiewandler einen Hochvoltanschluss zum elektrischen Koppeln mit dem Hochvoltbordnetz und einen Niedervoltanschluss zum Anschließen an das Niedervoltbordnetz aufweist, wobei zwei parallelgeschaltete Reihenschaltungen aus jeweils zwei Schaltelementen mit dem Hochvoltanschluss elektrisch gekoppelt sind, wobei eine jeweilige der Reihenschaltungen einen jeweiligen Mittelanschluss bereitstellt, wobei an den Mittelanschlüssen eine Reihenschaltung aus einer Primärwicklung eines ersten Transformators und einer ersten Induktivität anschlossen ist, wobei eine Sekundärwicklung des ersten Transformators an einen Wechselspannungseingang einer Niedervoltgleichrichtereinheit angeschlossen ist, wobei die Niedervoltgleichrichtereinheit einen Gleichspannungsanschluss aufweist, der mit dem Niedervoltanschluss elektrisch gekoppelt ist.
  • Gattungsgemäße Energiewandler sowie Verfahren zu deren Betrieb finden insbesondere dann Einsatz, wenn wenigstens zwei elektrische Bordnetze, wie ein erstes und ein zweites Bordnetz eines Kraftfahrzeugs, die mit unterschiedlichen elektrischen Gleichspannungen beaufschlagt sind, elektrisch miteinander gekoppelt werden sollen. Im Rahmen der elektrischen Kopplung kann zwischen den beiden Bordnetzen elektrische Energie mittels des Energiewandlers in vorgebbarer Weise ausgetauscht werden. Das erste Bordnetz kann zum Beispiel ein Hochvoltbordnetz und das zweite Bordnetz kann zum Beispiel ein Niedervoltbordnetz sein. Besonders häufig finden derartige elektrische Energiewandler mittlerweile Einsatz bei Kraftfahrzeugen, insbesondere bei solchen Kraftfahrzeugen, die elektrisch antreibbar ausgebildet sind.
  • Gattungsgemäße Energiewandler können für eine unidirektionale oder auch für eine bidirektionale Energiekopplung ausgebildet sein. Um die Energiekopplung realisieren zu können, ist der Energiewandler in der Regel als getakteter Energiewandler ausgebildet. Mittels des getakteten Energiewandlers kann die gewünschte elektrische Kopplungsfunktion bereitgestellt werden. Zu diesem Zweck kann der getaktete Energiewandler in geeigneter Weise mittels einer Steuereinheit gesteuert werden.
  • Kraftfahrzeuge, insbesondere elektrisch antreibbare Kraftfahrzeuge, weisen in der Regel wenigstens ein erstes 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 ist zumindest ein Teil der elektrischen Einrichtungen beziehungsweise Einheiten angeschlossen. Das elektrische Bordnetz dient somit der Verteilung der elektrischen Energie innerhalb des Kraftfahrzeugs. Wenigstens eines der beiden Bordnetze ist für die Beaufschlagung mit einer Gleichspannung im Hochvoltbereich ausgebildet. Der Begriff „Hochvolt“ (HV) umfasst eine elektrische Gleichspannung, die größer als etwa 60 V ist. Vorzugsweise ist der Begriff „Hochvolt“ konform mit der Norm ECE R 100.
  • Insbesondere bei elektrisch antreibbaren Kraftfahrzeugen wie zum Beispiel Personenkraftwagen ist ferner in der Regel zumindest ein zweites Bordnetz vorgesehen. Das zweite der beiden Bordnetze ist in der Regel für eine Kleinspannung ausgelegt, die in der Regel kleiner als etwa 60 V ist. Eine solche Spannung wird auch mit „Niedervolt“ (LV) bezeichnet. Ein hierdurch gebildetes Niedervoltbordnetz dient dazu, elektrische Einrichtungen und Einheiten miteinander elektrisch zu koppeln, die für ihren bestimmungsgemäßen Betrieb lediglich eine kleine elektrische Leistung benötigen, beispielsweise eine Innenraumbeleuchtung, ein Navigationsgerät, ein Radio und/oder dergleichen.
  • Das mit Hochvolt beaufschlagte Bordnetz, auch Hochvoltbordnetz genannt, dient dazu, elektrische Einrichtungen und Einheiten miteinander elektrisch zu koppeln, die eine große Leistung im bestimmungsgemäßen Betrieb umsetzen. Hierzu zählen zum Beispiel eine elektrische Antriebseinrichtung, ein Klimakompressor und/oder dergleichen.
  • Die Gleichspannung des Hochvoltbordnetzes kann im bestimmungsgemäßen Betrieb zum Beispiel etwa 400 V betragen. Darüber hinaus kann sie jedoch auch etwa 800 V oder dergleichen betragen. Natürlich können die Werte der Gleichspannung auch abweichend gewählt sein. Grundsätzlich ergeben sich die vorgenannten Spannungswerte jedoch unter Berücksichtigung von standardisierten Bauteilen sowie elektrischen Einrichtungen, die für derartige elektrische Spannungen ausgelegt beziehungsweise standardisiert sind.
  • Aus Gründen der elektrischen Sicherheit ist eine galvanische Verbindung zwischen dem Hochvoltbordnetz und dem Niedervoltbordnetz in der Regel nicht gewünscht beziehungsweise zum Teil auch nicht zulässig. Für die Kopplung der beiden Bordnetze ist deshalb in der Regel ein Energiewandler vorgesehen, der als galvanisch getrennter DC/DC-Wandler ausgebildet ist. Ein solcher Wandler nutzt deshalb den ersten Transformator, der wenigstens eine Primärwicklung sowie wenigstens eine Sekundärwicklung aufweist. Die beiden Wicklungen sind voneinander galvanisch getrennt ausgebildet.
  • Der Energiewandler weist einen Hochvoltanschluss oder einen Kopplungsanschluss zum Anschließen an das Hochvoltbordnetz beziehungsweise zum elektrischen Koppeln mit dem Hochvoltbordnetz und einen Niedervoltanschluss zum Anschließen an das Niedervoltbordnetz auf.
  • Um die Energiewandlungsfunktion zumindest vom Hochvoltbordnetz zum Niedervoltbordnetz zu realisieren, sind häufig zwei parallelgeschaltete Reihenschaltungen aus jeweils zwei Schaltelementen mit dem Hochvoltanschluss gekoppelt. Jede der beiden Reihenschaltungen stellt einen jeweiligen Mittelanschluss bereit, wobei die Primärwicklung des ersten Transformators an den Mittelanschlüssen angeschlossen ist. Die Sekundärwicklung des ersten Transformators ist an eine Niedervoltgleichrichtereinheit angeschlossen, die ihrerseits mit ihrem Gleichspannungsanschluss an den Niedervoltanschluss elektrisch angeschlossen ist. Mittels der Schaltelemente wird die Primärwicklung mit einer Wechselspannung beaufschlagt, die mittels des Transformators in eine an das Niedervoltbordnetz angepasste Wechselspannung transformiert wird, die dann mittels der Niedervoltgleichrichtereinheit gleichgerichtet wird. Dadurch kann vom Hochvoltbordnetz elektrische Energie zum Niedervoltbordnetz geführt werden.
  • Bei elektrisch antreibbaren Kraftfahrzeugen ist ferner in der Regel ein Bordlader beziehungsweise Ladeenergiewandler vorgesehen, der als separate Einheit beziehungsweise als eigenständiges Gerät neben dem vorgenannten Energiewandler vorhanden ist. Zwar können der Energiewandler und der Bordlader gemeinsam in einem Gehäuse angeordnet sein, sodass eine gemeinsame Nutzung von Filtern und Steuereinheiten realisiert werden kann, jedoch erweist sich der Aufwand in Bezug auf die Schaltelemente nach wie vor als hoch, weil jedes der Geräte seine eigenen Schaltelemente nutzt.
  • Der Bordlader ist ein Gerät, welches dazu dient, zumindest das Hochvoltbordnetz außerhalb eines bestimmungsgemäßen Fahrbetriebs des Kraftfahrzeugs mit einer fahrzeugexternen Ladestation elektrisch koppeln zu können, um zumindest einem Energiespeicher des Hochvoltbordnetzes elektrische Energie zuführen zu können, oder auch um elektrische Energie vom Hochvoltbordnetz zur Ladestation führen zu können. Zu diesem Zweck ist der Bordlader in der Regel ebenfalls galvanisch trennend ausgeführt. Der Bordlader kann zum Anschließen an eine Gleichspannung der Ladestation ausgebildet sein. Darüber hinaus kann er natürlich auch dazu ausgebildet sein, an eine Wechselspannung der Ladestation angeschlossen zu werden. Ist der Bordlader für einen Anschluss an eine Wechselspannung ausgebildet, kann er darüber hinaus ausgebildet sein, eine Leistungsfaktorkorrektur durchführen zu können.
  • Bei konventionellen Topologien von batteriebetriebenen elektrisch antreibbaren Kraftfahrzeugen (BEV) und Plug-In-HEV-Fahrzeugen wird das 12V-Bordnetz über einen einzigen LV-DCDC-Wandler als Bordnetzwandler beziehungsweise Energiewandler versorgt. Dieser LV-DCDC-Wandler hat eine Leistungsauslegung von zum Beispiel > 3kW. Er ist sowohl beim Fahren als auch während des Ladevorgangs aktiv, zum Beispiel mit etwa 150W. Es kann jedoch auch vorgesehen sein, dass ein Mini-LV-DCDC-Wandler für den Use-Case „Notruf“ und „AC-Laden“ verwendet wird. Der sogenannte „Hauptwandler“ mit großer Leistungsauslegung ist dann beim Laden inaktiv. Er wird nur während der Betriebszustände „Fahren“, „DC-Laden“ und „Preconditionning“ benötigt.
  • Zudem ist durch die Vorgabe einer „Fussgarage“ für flache Kraftfahrzeuge die Notwendigkeit entstanden, dass es HV-Batterien für Fahrzeuge mit Fußgarage geben wird (flache Fahrzeuge, niedrige HV-Spannung) und HV-Batterien für Fahrzeuge ohne Fußgarage (hohe Fahrzeuge, hohe Batteriespannung). Dieser vergrößerte Eingangsspannungsbereich, der nun abgedeckt werden muss, führt bei den HV-Leistungselektroniken mit Transformatoren wie dem Bordlader (OBC) und dem Bordnetzwandler (LV-DCDC) zu Maßnahmen, die mit einem erhöhten Aufwand verbunden sind.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den kraftfahrzeugseitigen Aufwand bei verbesserter energietechnischer Kopplung für die Energiewandlung insgesamt weiter zu reduzieren.
  • Als Lösung wird mit der Erfindung ein Energiewandler gemäß den unabhängigen Ansprüchen vorgeschlagen.
  • Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich durch Merkmale des abhängigen Anspruchs.
  • In Bezug auf einen gattungsgemäßen Energiewandler wird gemäß einem ersten Aspekt insbesondere vorgeschlagen, dass der Energiewandler einen mit einer fahrzeugexternen Ladestation koppelbaren Ladeenergiewandler aufweist, der einen Hochvoltanschluss aufweist, wobei der Ladeenergiewandler einen Transformator, einen an einer Primärwicklung des Transformators angeschlossenen Ladewandler und eine an einer Sekundärwicklung des Transformators über eine Induktivität angeschlossene und mit dem Hochvoltanschluss gleichspannungsseitig gekoppelte Hochvoltgleichrichtereinheit umfasst, wobei ein Bezugspotential des Kopplungsanschlusses mit einem Bezugspotential des Hochvoltanschlusses elektrisch verbunden ist, wobei ein Betriebspotential des Kopplungsanschlusses über ein erstes Schaltelement an einen durch die Sekundärwicklung des zweiten Transformators und die Induktivität gebildeten Mittelanschluss angeschlossen ist und wobei die Hochvoltgleichrichtereinheit zwischen einem Betriebspotential des Hochvoltanschlusses und der Induktivität wenigstens ein im Schaltbetrieb betreibbares zweites Schaltelement aufweist.
  • In Bezug auf einen gattungsgemäßen Energiewandler wird gemäß einem zweiten Aspekt insbesondere vorgeschlagen, dass der Energiewandler einen mit einer fahrzeugexternen Ladestation koppelbaren Ladeenergiewandler aufweist, der einen Hochvoltanschluss aufweist, wobei der Ladeenergiewandler einen Transformator, einen an einer Primärwicklung des Transformators angeschlossenen Ladewandler und eine an einer Sekundärwicklung des Transformators angeschlossene und gleichspannungsseitig über eine Induktivität mit dem Hochvoltanschluss gekoppelte Hochvoltgleichrichtereinheit umfasst, wobei ein Bezugspotential des Kopplungsanschlusses mit einem Bezugspotential des Hochvoltanschlusses elektrisch verbunden ist, wobei ein Betriebspotential des Kopplungsanschlusses über eine Diode an einen durch die Hochvoltgleichrichtereinheit und die Induktivität gebildeten Mittelanschluss angeschlossen ist und wobei die Hochvoltgleichrichtereinheit wenigstens zwei in Reihe geschaltete Gleichrichterelemente aufweist, die durch im Schaltbetrieb betreibbare Schaltelemente gebildet sind.
  • In Bezug auf einen gattungsgemäßen Energiewandler wird gemäß einem dritten Aspekt insbesondere vorgeschlagen, dass der Energiewandler einen mit einer fahrzeugexternen Ladestation koppelbaren Ladeenergiewandler aufweist, der einen Kopplungsanschluss aufweist, wobei der Ladeenergiewandler einen zweiten Transformator, einen an einer Primärwicklung des zweiten Transformators angeschlossenen Ladewandler und eine an einer Sekundärwicklung des zweiten Transformators angeschlossene und gleichspannungsseitig mit dem Kopplungsanschluss gekoppelte Ladegleichrichtereinheit umfasst, wobei ein Bezugspotential des Kopplungsanschlusses mit einem Bezugspotential des Hochvoltanschlusses elektrisch verbunden ist, wobei ein Betriebspotential des Kopplungsanschlusses über eine zweite Induktivität an einen der Mittelanschlüsse derart angeschlossen ist, dass einer der Mittelanschlüsse mit der ersten Induktivität und der andere der Mittelanschlüsse mit der zweiten Induktivität elektrisch verbunden ist, und wobei am Hochvoltanschluss ein Kondensator angeschlossen ist.
  • Die Erfindung basiert unter anderem auf dem Gedanken, dass die energietechnische Kopplung innerhalb des Energiewandlers durch eine Spannungsanpassung verbessert werden kann, wobei die Spannungsanpassung durch wenige zusätzliche Bauteile erreicht werden kann.
  • Unter der Annahme, dass bei Preconditioning der LV-DCDC-Wandler nur für kurze Zeit mit höherer Leistung benötigt wird (Aufheizen Scheiben und Sitze) und die restlichen Funktionen durch den eKMV oder HV-Heizer abgedeckt werden, kann so ein gleichzeitiger Betrieb des „Hauptwandlers“ und des OBC vermieden werden. Dies macht es möglich, dass Teile des OBC im Falle des Betriebes des Hauptwandlers unbenutzt sind und somit die Aufgabe der Spannungsanpassung für den Hauptwandler zu übernehmen können. Andersherum besteht auch die Möglichkeit, dass der Hauptwandler während des Ladevorgangs zur Spannungsanpassung des Bordladers verwendet werden kann. Alle Lösungen haben gemein, dass unbenutzte Komponenten für die Funktion der Spannungsanpassung einer anderen Komponente verwendet werden. Vorteile ergeben sich damit in günstigeren Gesamtkosten, aber auch in kleinerer Bauform, geringerem Gewicht. Der Wirkungsgrad kann ebenfalls verbessert werden.
  • Die Fußgarage ist eine Aussparung von Batteriezellen unterhalb einer Fußposition für Fondpassagiere im Kraftfahrzeug. Dadurch soll ein Absenken der Position des Fondpassagiers erreicht werden, ohne dessen Ergonomie negativ zu beeinflussen. Die Fußgarage ist mit einem Wegfall von Batteriezellen verbunden.
  • Das Schaltelement kann als elektromechanisches Schaltelement ausgebildet sein. Darüber hinaus kann es natürlich auch als elektronisches Schaltelement, beispielsweise als Halbleiterschalter, ausgebildet sein, und zwar unter Nutzung von elektronisch steuerbaren Bauelementen wie Thyristoren, Transistoren, Kombinationen hiervon und/oder dergleichen.
  • Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnungen. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
  • Dabei zeigen:
    • 1 Eine schematische Schaltbilddarstellung eines Energiewandlers mit einem OBC, bei dem eine Tiefsetzstellfunktion für einen Niedervoltwandler vorgesehen ist,
    • 2 Eine schematische Schaltbilddarstellung wie 1, wobei eine Hochvoltgleichrichtereinheit Gleichrichterelemente aufweist, die durch im Schaltbetrieb betreibbare zweite Schaltelemente gebildet sind,
    • 3 Eine schematische Schaltbilddarstellung wie 1, bei dem eine Hochsetzstellfunktion für einen Niedervoltwandler vorgesehen ist, und
    • 4 Eine schematische Schaltbilddarstellung wie 1, bei dem eine Hochsetzstellfunktion für ein Hochvoltbordnetz vorgesehen ist.
  • 1 zeigt in einer schematischen Schaltbilddarstellung einen Energiewandler 10 zum energietechnischen Koppeln eines Hochvoltbordnetzes 14 eines Kraftfahrzeugs mit einem Niedervoltbordnetz 16 des Kraftfahrzeugs gemäß einem ersten Aspekt. Das Kraftfahrzeug ist in den Fig. nicht dargestellt. Zu diesem Zweck weist der Energiewandler 10 einen Kopplungsanschluss 24 zum elektrischen Koppeln mit dem Hochvoltbordnetz 14, einen Niedervoltanschluss 26 zum Anschließen an das Niedervoltbordnetz 16 und einen an den Kopplungsanschluss 24 und den Niedervoltanschluss 26 angeschlossenen Niedervoltwandler 12 auf. Die Funktion dieser Komponenten ist dem Grunde nach bekannt, weshalb von detaillierten Erläuterungen diesbezüglich abgesehen wird.
  • Der Energiewandler 10 umfasst ferner einen mit einer fahrzeugexternen Ladestation 18 mittels einer nicht dargestellten Ladeleitung elektrisch koppelbaren Ladeenergiewandler 20, der einen Hochvoltanschluss 22 aufweist, wobei der Ladeenergiewandler 20 einen Transformator Tr1, einen an einer Primärwicklung 28 des Transformators Tr1 angeschlossenen Ladewandler 32 und eine an einer Sekundärwicklung 30 des Transformators Tr1 über eine Induktivität L1 und einen hierzu in Reihe geschalteten Kondensator C1 angeschlossene und mit dem Hochvoltanschluss 22 gleichspannungsseitig gekoppelte Hochvoltgleichrichtereinheit 34 umfasst.
  • Ein Bezugspotential 36 des Kopplungsanschlusses 24 ist mit einem Bezugspotential 38 des Hochvoltanschlusses 22 elektrisch verbunden. Ein Betriebspotential 40 des Kopplungsanschlusses 24 ist über ein erstes Schaltelement S2, welches vorliegend durch einen MOSFET bereitgestellt ist, an einen durch die Sekundärwicklung 30 des Transformators Tr1 und die Induktivität L1 und hier insbesondere durch den Kondensator C1 und die Induktivität L1 gebildeten Mittelanschluss 42 angeschlossen.
  • Die Hochvoltgleichrichtereinheit 34 weist zwischen einem Betriebspotential 44 des Hochvoltanschlusses 22 und der Induktivität L1 ein im Schaltbetrieb betreibbares zweites Schaltelement S1 auf, welches vorliegend ebenfalls durch einen MOSFET gebildet ist.
  • Der Ladeenergiewandler 20 umfasst einen LLC/DCDC-Wandler mit Resonanzbauteilen, nämlich der Induktivität L1 und dem Kondensator C1, auf der Sekundärseite des Transformators Tr1 auf. Durch Ersetzen einer der Dioden der Hochvoltgleichrichtereinheit 34 durch das Schaltelement S1 besteht die Möglichkeit, die Funktion eines Tiefsetzstellers (Buck) bereitzustellen. Während dieses Betriebs ist das erste Schaltelement S2 permanent eingeschaltet. Hierdurch kann eine Eingangsspannung am Kopplungsanschluss 24 für den Niedervoltwandler 12 stabilisiert werden, beispielsweise von einem Bereich von etwa 300 V bis etwa 400 V, insbesondere auf konstant etwa 300 V.
  • Während des Betriebs des Schalters S1 im Taktbetrieb beziehungsweise Schaltbetrieb wird eine Energieübertragung über den Transformator Tr1 verhindert, sodass der Ladeenergiewandler 20 im Wesentlichen energiefrei beziehungsweise spannungsfrei gehalten werden kann. Dieser Betriebszustand eignet sich also insbesondere für die Nutzung beim Fahrbetrieb des Kraftfahrzeugs. Eine Energieübertragung auf einen Kondensator C_bulk des Ladewandlers 32 kann damit vermieden werden.
  • Das Schaltelement S2 wird für den Betrieb des Energiewandlers 10 an der Ladestation 18 benötigt. In diesem Betriebszustand ist das Schaltelement S2 im ausgeschalteten Schaltzustand. Somit wird einerseits ein Aufladen eines Eingangskondensators am Kopplungsanschluss 24 verhindert, andererseits können Effekte des Eingangskondensators auf den durch die Induktivität L1 und den Kondensator C1 gebildeten Schwingkreis vermieden werden.
  • Es können folgende Vorteile erreicht werden:
    • • Standard OBC-Topologie als LLC umsetzbar (Schwingkreis auf Sek. Seite)
    • • Leichte Verbesserung in Wirkungsgrad beim OBC durch Ersatz einer Diode durch einen MOSFET
    • • Bessere Effizienz des LV-DCDC durch engeren Arbeitsspannungsbereich auf der HV-Seite
    • • Leistung OBC ist immer >= Leistung DCDC → Lösung sowohl bei kleinen Ladern (3,7kW bis hin zu großen Ladern (22kW) umsetzbar
    • • Regelung/Taktung/Synchronisation des Schalters S_1 und der H-Brücke LV-DCDC entkoppelt
    • • Verbesserte Filterung der Störungen von LVDC/DC-H-Brücke durch zusätzliche Drossel LLC-Drossel und OBC-Ausgangskondensator
    • • DCDC-Betrieb führt nicht zu Spannungen bei C_Bulk (Resonsanz-C wird nur mit DC-Spannung beaufschlagt → Keine AC-Spannung an Trafo)
  • 2 zeigt in einer schematischen Schaltbilddarstellung wie 1 eine Weiterbildung des Energiewandlers 10, weshalb im Folgenden lediglich kurz die Unterschiede in Bezug auf den Energiewandler 10 gemäß 1 erläutert werden. Im Übrigen wird auf die vorhergehenden Ausführungen zum Energiewandler 10 gemäß 1 verwiesen.
  • Im Unterschied zur Ausgestaltung gemäß 1 ist bei dem Energiewandler 10 gemäß 2 vorgesehen, dass die Hochvoltgleichrichtereinheit 34 Gleichrichterelemente aufweist, die durch den Schaltbetrieb betreibbare Schaltelemente S1, S3, S4, S5 gebildet sind. Es sind also sämtliche Gleichrichterelemente durch Schaltelemente gebildet. Sämtliche Schaltelemente sind vorliegend durch MOSFET gebildet. Sie können in alternativen Ausgestaltungen jedoch auch durch andere Transistoren gebildet sein. Die grundlegende Funktion entspricht jedoch der, wie es bereits zur 1 erläutert ist.
  • Es können ergänzend folgende Vorteile erreicht werden:
    • • Standard OBC-Topologie als Dual Active Bridge umsetzbar ohne Wirkungsgrad zu beeinflussen (bidirektional)
    • • Bessere Effizienz des LV-DCDC durch engeren Arbeitsspannungsbereich auf der HV-Seite
    • • Leistung OBC ist immer >= Leistung DCDC → Lösung sowohl bei kleinen Ladern (3,7kW bis hin zu großen Ladern (22kW) umsetzbar
    • • Regelung/Taktung/Synchronisation des Schalters S_1 und der H-Brücke LV-DCDC entkoppelt
    • • Verbesserte Filterung der Störungen von LVDC/DC-H-Brücke durch zusätzliche Drossel LLC-Drossel und OBC-Ausgangskondensator
    • • DCDC-Betrieb führt nicht zu Spannungen bei C_Bulk (Keine AC-Spannung an Trafo)
  • 3 zeigt in einer schematischen Schaltbilddarstellung wie 1 einen Energiewandler 48 gemäß einem zweiten Aspekt, der zum energietechnischen Koppeln eines Hochvoltbordnetzes 14 eines Kraftfahrzeugs mit einem Niedervoltbordnetz 16 des Kraftfahrzeugs dient, zu welchem Zweck der Energiewandler 48 einen Kopplungsanschluss 24 zum elektrischen Koppeln mit dem Hochvoltbordnetz 14, einen Niedervoltanschluss 26 zum Anschließen an das Niedervoltbordnetz 16 und einen an den Kopplungsanschluss 24 und den Niedervoltanschluss 26 angeschlossenen Niedervoltwandler 12 aufweist.
  • Der Energiewandler 48 weist ferner einen mit einer fahrzeugexternen Ladestation 18 elektrisch koppelbaren Ladeenergiewandler 20 auf, der einen Hochvoltanschluss 22 aufweist, wobei der Hochvoltanschluss 22 zum Anschließen an das Hochvoltbordnetz 14 dient. Der Ladeenergiewandler 20 umfasst einen Transformator Tr1, einen an einer Primärwicklung 28 des Transformators Tr1 angeschlossenen Ladewandler 32 und eine an einer Sekundärwicklung 30 des Transformators Tr1 angeschlossene und gleichspannungsseitig über eine Induktivität L2 mit dem Hochvoltanschluss 22 gekoppelte Hochvoltgleichrichtereinheit 34.
  • Ein Bezugspotential 36 des Kopplungsanschlusses 24 ist mit einem Bezugspotential 38 des Hochvoltanschlusses 22 elektrisch verbunden. Ein Betriebspotential 40 des Kopplungsanschlusses 24 ist über eine Diode D1 an einem durch die Hochvoltgleichrichtereinheit 34 und die Induktivität L2 gebildeten Mittelanschluss 50 angeschlossen.
  • Die Hochvoltgleichrichtereinheit 34 weist zwei in Reihe geschaltete Gleichrichterelemente auf, die durch im Schaltbetrieb betreibbare Schaltelemente S1, S2 gebildet sind. Die Schaltelemente S1, S2 sind vorliegend durch MOSFET gebildet. Sie können jedoch auch bedarfsweise durch geeignete andere Transistoren gebildet sein.
  • Der Energiewandler 48 besteht vorliegend aus einem Face-Shift-Full-Bridge-Wandler. Sofern keine Bidirektionalität des Energiewandlers 48 gefordert ist, befinden sich auf der Sekundärseite in Bezug auf die Hochvoltgleichrichtereinheit 34 vier Gleichrichterdioden in Brückenschaltung. In der vorliegenden Ausgestaltung ist vorgesehen, dass zwei der in Reihe geschalteten Dioden in Bezug auf den Gleichspannungsausgang der Hochvoltgleichrichtereinheit 34 durch die Schaltelemente S1, S2 ersetzt sind. Somit kann die Glättungsdrossel L2 zusammen mit den Schaltelementen S1, S2 und der Diode D1 als Hochsetzsteller (Booster) genutzt werden. Dadurch kann eine Eingangsspannung am Kopplungsanschluss 24 auf einen festen Wert stabilisiert werden, wobei Ein- und Ausgangskapazitäten des hierdurch gebildeten Boost-Wandlers durch eine Ausgangskapazität am Hochvoltanschluss 22 und einer Eingangskapazität am Kopplungsanschluss 24 realisiert sein können.
  • Im Boost-Betrieb ist der Transformator Tr1 nicht mit Wechselspannung beaufschlagt, sodass ein Aufladen des Kondensators C_bulk des Ladewandlers 32 vermieden ist.
  • Beim Laden mit Wechselspannung durch die Ladestation 18 liegt beispielsweise am HV-Eingang des Niedervoltwandlers 12 die maximale Spannung der Sekundärseite des Transformators Tr1 an. Dies ist kleiner oder gleich der Spannung am Hochvoltanschluss 22 und stellt somit kein Problem dar. Wäre der Ladeenergiewandler 20 bidirektional, so befänden sich auf der Sekundärseite 30 bei der Hochvoltgleichrichtereinheit 34 vier MOSFET als Schaltelemente anstelle der Dioden und der Zusatzaufwand würde sich lediglich auf die Diode D1 beschränken. Sollte der Niedervoltwandler 12 bidirektional ausgestaltet werden, so wäre die Diode D1 durch ein Schaltelement nach Art eines MOSFET oder dergleichen zu ersetzen. Dabei sollte eine Bodydiode des MOSFET die gleiche Stromrichtung aufweisen wie die Diode D1.
  • In einer weiteren Ausgestaltung kann vorgesehen sein, dass die Hochvoltgleichrichtereinheit 34 als Diodengleichrichtereinheit ausgebildet ist, beispielsweise als Brückengleichrichter unter Nutzung von vier Dioden. Um in diesem Fall die Funktionalität des Boosters beziehungsweise Hochsetzstellers realisieren zu können, kann vorgesehen sein, dass unmittelbar am Gleichspannungsanschluss der Hochvoltgleichrichtereinheit 34 ein Schaltelement angeschlossen ist, welches im Taktbetrieb betrieben werden kann. Auch hierdurch kann die gewünschte Energiewandlungsfunktionalität erreicht werden. Bei dieser Ausgestaltung braucht daher in den Aufbau der Hochvoltgleichrichtereinheit 34 nicht eingegriffen zu werden. Darüber hinaus kann die Anzahl der erforderlichen Schaltelemente reduziert werden, weil für die Wandlungsfunktionalität als solche nur noch ein Schaltelement erforderlich ist.
  • Es können folgende Vorteile erreicht werden:
    • • Standard OBC-Topologie als Phase Shift Full Bridge umsetzbar
    • • Leichte Verbesserung in Wirkungsgrad OBC durch Ersatz zweier Dioden durch MOSFETs
    • • Bei Bidirektionalität des OBCs sind S_1 und S_2 bereits vorhanden
    • • Bessere Effizienz des LV-DCDC durch engeren Arbeitsspannungsbereich auf der HV-Seite
    • • Leistung OBC ist immer >= Leistung DCDC → Lösung sowohl bei kleinen Ladern (3,7kW bis hin zu großen Ladern (22kW) umsetzbar
    • • Regelung/Taktung/Synchronisation des Schalters S_1 und der H-Brücke LV-DCDC entkoppelt
    • • Verbesserte Filterung der Störungen von LVDC/DC-H-Brücke durch zusätzliche Drossel LLC-Drossel und OBC-Ausgangskondensator
    • • DCDC-Betrieb führt nicht zu Spannungen bei C_Bulk (Keine AC-Spannung am Transformator)
    • • Wie vorangehende Ausführungsbeispiele, aber günstigere Anpassung bei einem unidirektionalen OBC
  • 4 zeigt in einer schematischen Schaltbilddarstellung wie 1 einen Energiewandler 52, bei dem eine Hochsetzstellfunktion für ein Hochvoltbordnetz 14 vorgesehen ist. Auch hier dient der Energiewandler 52 zum energietechnischen Koppeln des Hochvoltbordnetzes 14 des Kraftfahrzeugs mit einem Niedervoltbordnetz 16 des Kraftfahrzeugs. Zu diesem Zweck weist der Energiewandler 52 einen Hochvoltanschluss 22 zum elektrischen Koppeln mit dem Hochvoltbordnetz 14 und einen Niedervoltanschluss 26 zum Anschließen an das Niedervoltbordnetz 16 auf. Der Energiewandler 52 umfasst ferner zwei parallelgeschaltete Reihenschaltungen aus jeweils zwei Schaltelementen T1, T2, T3, T4, die vorliegend durch MOSFET oder vergleichbare geeignete Transistoren gebildet sind. Die Reihenschaltungen sind mit dem Hochvoltanschluss 22 elektrisch gekoppelt.
  • Jede der Reihenschaltungen weist einen jeweiligen Mittelanschluss 54, 56 auf. An den Mittelanschlüssen 54, 56 ist eine Reihenschaltung aus einer Primärwicklung 58 eines ersten Transformators Tr1 und einer ersten Induktivität L4 angeschlossen. Eine Sekundärwicklung 60 des ersten Transformators Tr1 ist an einen Wechselspannungseingang einer Niedervoltgleichrichtereinheit 66 angeschlossen. Die Niedervoltgleichrichtereinheit 66 weist ferner einen Gleichspannungsanschluss auf, der mit dem Niedervoltanschluss 26 elektrisch gekoppelt ist. Ferner ist am Hochvoltanschluss 22 ein Kondensator C4 angeschlossen.
  • Der Energiewandler 52 umfasst ferner einen mit einer fahrzeugexternen Ladestation 18 koppelbaren Ladeenergiewandler 20, der einen Kopplungsanschluss 62 aufweist, wobei der Ladeenergiewandler 20 einen zweiten Transformator, einen an einer Primärwicklung des zweiten Transformators angeschlossenen Ladewandler und eine an einer Sekundärwicklung des zweiten Transformators angeschlossene und gleichspannungsseitig mit dem Kopplungsanschluss 62 gekoppelte Ladegleichrichtereinheit 64 umfasst. Die grundlegende Funktion des Ladeenergiewandlers 20 ist dem Fachmann bekannt, weshalb auch hier von weiteren Erläuterungen abgesehen wird.
  • Ein Bezugspotential 36 des Kopplungsanschlusses 62 ist mit einem Bezugspotential 38 des Hochvoltanschlusses 22 elektrisch verbunden. Ein Betriebspotential 40 des Kopplungsanschlusses 62 ist über eine zweite Induktivität L3 an einen der Mittelanschlüsse 54 angeschlossen, sodass einer der Mittelanschlüsse 56 mit der ersten Induktivität L4 und der andere der Mittelanschlüsse 54 mit der zweiten Induktivität L3 elektrisch verbunden ist.
  • Der Energiewandler 52 besteht aus Face-Shift-Full-Bridge-Wandler. Durch Ändern einer Verschaltungsreihenfolge am Ausgang einer der Glättungsdrossel L3 kann eine Hochsetzstellfunktionalität (Booster) durch die H-Brückenschaltung der Schaltelemente T1, T2, T3, T4 realisiert werden. Um einen Ausgangs-Stromrippel klein zu halten, ist ein Ausgangskondensator, hier der Kondensator C4, entsprechend zu wählen. Im Unterschied zu den vorherigen Varianten wird hier also nicht die Spannung für den Niedervoltteil stabilisiert, sondern es wird die Ausgangsspannung für das Hochvoltbordnetz stabilisiert beziehungsweise angehoben. Außerhalb des Ladezustands verhindern die Dioden der Ladegleichrichtereinheit 64 eine Energieübertragung auf C_bulk. Dadurch wird gewährleistet, dass dieser Kondensator im Wesentlichen spannungsfrei ist.
  • Es können unter anderem folgende Vorteile erreicht werden:
    • • Standard OBC-Topologie als Phase Shift Fulll Bridge umsetzbar
    • • OBC wird auf weiteren Ausgangsspannungsbereich (Batterievarianten) ertüchtigt
    • • Regelung/Taktung/Synchronisation des Schalters S_1 und der H-Brücke LV-DCDC entkoppelt
    • • Wenig Zusatzaufwand (Vergrößerung Ausgangs-C des OBCs)
    • • DCDC-Betrieb führt nicht zu Spannungen bei C_Bulk ( Keine AC-Spannung an Trafo)
  • Die Ausgestaltungen und Aspekte sind im Folgenden nochmals tabellarisch als Varianten gegenübergestellt:
    Variante Beschreibung Schaltung OBC Zusätzliche Komponenten Synergetisch genutzte Komponenten Vorteil
    1 OBC dient als Buck-Wandler für LV-DCDC-Betrieb LLC auf Sekundärseite 2 MOSFETs Drossel, Eingangs- und Ausgangskondensatoren • Verbesserung Wirkungsgrad DCDC
    • leichte Verbesserung Wirkungsgrad OBC
    • Reduzierung Varianten
    2 OBC dient als Boost-Wandler für LV-DCDC-Betrieb Phase Shift Full Bridge 1 oder 2 MOSFETs, 1 Diode (wahlweise auch MOSFET) Drossel, Eingangs- und Ausgangskondensatoren • Verbesserung Wirkungsgrad DCDC
    • leichte Verbesserung Wirkungsgrad OBC
    • Reduzierung Varianten
    3 OBC dient als Buck-Wandler für LV-DCDC-Betrieb Dual Active Bridge 1 Diode (wahlweise auch MOSFET) Drossel, Eingangs- und Ausgangskondensatoren • Verbesserung Wirkungsgrad DCDC
    • Reduzierung Varianten
    4 LV-DCDC dient als Boost-Wandler fur OBC Phase Shift Full Bridge Vergrößerung AusgangsKondensator OBC Drossel, Ausgangskondensator, Halbbrücke DCDC
  • Die Ausführungsbeispiele dienen ausschließlich der Erläuterung der Erfindung und sollen diese nicht beschränken.
  • Bezugszeichenliste
    • 10
    Energiewandler
    12
    Niedervoltwandler
    14
    Hochvoltbordnetz
    16
    Niedervoltbordnetz
    18
    Ladestation
    20
    Ladeenergiewandler
    22
    Hochvoltanschluss
    24
    Kopplungsanschluss
    26
    Niedervoltanschluss
    28
    Primärwicklung
    30
    Sekundärwicklung
    32
    Ladewandler
    34
    Hochvoltgleichrichtereinheit
    36
    Bezugspotential
    38
    Bezugspotential
    40
    Betriebspotential
    42
    Mittelanschluss
    44
    Betriebspotential
    48
    Energiewandler
    50
    Mittelanschluss
    52
    Energiewandler
    54
    Mittelanschluss
    56
    Mittelanschlüsse
    58
    Primärwicklung
    60
    Sekundärwicklung
    62
    Kopplungsanschluss
    64
    Ladegleichrichtereinheit
    66
    Niedervoltgleichrichtereinheit
    Tr1
    Transformator
    L1, L2, L3, L4
    Induktivität
    C1, C4
    Kondensator
    T1, T2, T3, T4
    MOSFET
    S1, S2, S3, S4, S5
    MOSFET

Claims (4)

  1. Energiewandler (10) zum energietechnischen Koppeln eines Hochvoltbordnetzes (14) eines Kraftfahrzeugs mit einem Niedervoltbordnetz (16) des Kraftfahrzeugs, zu welchem Zweck der Energiewandler (10) einen Kopplungsanschluss (24) zum elektrischen Koppeln mit dem Hochvoltbordnetz (14), einen Niedervoltanschluss (26) zum Anschließen an das Niedervoltbordnetz (16) und einen an den Kopplungsanschluss (24) und den Niedervoltanschluss (26) angeschlossenen Niedervoltwandler (12) aufweist, gekennzeichnet durch einen mit einer fahrzeugexternen Ladestation (18) koppelbaren Ladeenergiewandler (20), der einen Hochvoltanschluss (22) aufweist, wobei der Ladeenergiewandler (20) einen Transformator (Tr1), einen an einer Primärwicklung (28) des Transformators (Tr1) angeschlossenen Ladewandler (32) und eine an einer Sekundärwicklung (30) des Transformators (Tr1) über eine Induktivität (L1) angeschlossene und mit dem Hochvoltanschluss (22) gleichspannungsseitig gekoppelte Hochvoltgleichrichtereinheit (34) umfasst, wobei ein Bezugspotential (36) des Kopplungsanschlusses (24) mit einem Bezugspotential (38) des Hochvoltanschlusses (22) elektrisch verbunden ist, wobei ein Betriebspotential (40) des Kopplungsanschlusses (24) über ein erstes Schaltelement (S2) an einen durch die Sekundärwicklung (30) des Transformators (Tr1) und die Induktivität (L1) gebildeten Mittelanschluss (42) angeschlossen ist und wobei die Hochvoltgleichrichtereinheit (34) zwischen einem Betriebspotential (44) des Hochvoltanschlusses (22) und der Induktivität (L1) wenigstens ein im Schaltbetrieb betreibbares zweites Schaltelement (S1) aufweist.
  2. Energiewandler (42) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Hochvoltgleichrichtereinheit (34) Gleichrichterelemente aufweist, die durch im Schaltbetrieb betreibbare zweite Schaltelemente (S1, S3, S4, S5) gebildet sind.
  3. Energiewandler (48) zum energietechnischen Koppeln eines Hochvoltbordnetzes (14) eines Kraftfahrzeugs mit einem Niedervoltbordnetz (16) des Kraftfahrzeugs, zu welchem Zweck der Energiewandler (48) einen Kopplungsanschluss (24) zum elektrischen Koppeln mit dem Hochvoltbordnetz (14), einen Niedervoltanschluss (26) zum Anschließen an das Niedervoltbordnetz (16) und einen an den Kopplungsanschluss (24) und den Niedervoltanschluss (26) angeschlossenen Niedervoltwandler (12) aufweist, gekennzeichnet durch einen mit einer fahrzeugexternen Ladestation (18) koppelbaren Ladeenergiewandler (20), der einen Hochvoltanschluss (22) aufweist, wobei der Ladeenergiewandler (20) einen Transformator (Tr1), einen an einer Primärwicklung (28) des Transformators (Tr1) angeschlossenen Ladewandler (32) und eine an einer Sekundärwicklung (30) des Transformators (Tr1) angeschlossene und gleichspannungsseitig über eine Induktivität (L2) mit dem Hochvoltanschluss (22) gekoppelte Hochvoltgleichrichtereinheit (34) umfasst, wobei ein Bezugspotential (36) des Kopplungsanschlusses (24) mit einem Bezugspotential (38) des Hochvoltanschlusses (22) elektrisch verbunden ist, wobei ein Betriebspotential (40) des Kopplungsanschlusses (24) über eine Diode (D1) an einen durch die Hochvoltgleichrichtereinheit (34) und die Induktivität (L2) gebildeten Mittelanschluss (50) angeschlossen ist und wobei die Hochvoltgleichrichtereinheit (34) wenigstens zwei in Reihe geschaltete Gleichrichterelemente (S1, S2) aufweist, die durch im Schaltbetrieb betreibbare Schaltelemente (S1, S2) gebildet sind.
  4. Energiewandler (52) zum energietechnischen Koppeln eines Hochvoltbordnetzes (14) eines Kraftfahrzeugs mit einem Niedervoltbordnetz (16) des Kraftfahrzeugs, zu welchem Zweck der Energiewandler (52) einen Hochvoltanschluss (22) zum elektrischen Koppeln mit dem Hochvoltbordnetz (14) und einen Niedervoltanschluss (26) zum Anschließen an das Niedervoltbordnetz (16) aufweist, wobei zwei parallelgeschaltete Reihenschaltungen aus jeweils zwei Schaltelementen (T1, T2, T3, T4) mit dem Hochvoltanschluss (22) elektrisch gekoppelt sind, wobei eine jeweilige der Reihenschaltungen einen jeweiligen Mittelanschluss (54, 56) bereitstellt, wobei an den Mittelanschlüssen (54, 56) eine Reihenschaltung aus einer Primärwicklung (58) eines ersten Transformators (Tr1) und einer ersten Induktivität (L4) anschlossen ist, wobei eine Sekundärwicklung (60) des ersten Transformators (Tr1) an einen Wechselspannungseingang einer Niedervoltgleichrichtereinheit (32) angeschlossen ist, wobei die Niedervoltgleichrichtereinheit (32) einen Gleichspannungsanschluss aufweist, der mit dem Niedervoltanschluss (26) elektrisch gekoppelt ist, gekennzeichnet durch einen mit einer fahrzeugexternen Ladestation (18) koppelbaren Ladeenergiewandler (20), der einen Kopplungsanschluss (62) aufweist, wobei der Ladeenergiewandler (20) einen zweiten Transformator, einen an einer Primärwicklung des zweiten Transformators angeschlossenen Ladewandler und eine an einer Sekundärwicklung des zweiten Transformators angeschlossene und gleichspannungsseitig mit dem Kopplungsanschluss (62) gekoppelte Ladegleichrichtereinheit (34) umfasst, wobei ein Bezugspotential (36) des Kopplungsanschlusses (62) mit einem Bezugspotential (38) des Hochvoltanschlusses (22) elektrisch verbunden ist, wobei ein Betriebspotential (40) des Kopplungsanschlusses (62) über eine zweite Induktivität (L3) an einen der Mittelanschlüsse (54) derart angeschlossen ist, dass einer der Mittelanschlüsse (56) mit der ersten Induktivität (L4) und der andere der Mittelanschlüsse (54) mit der zweiten Induktivität (L3) elektrisch verbunden ist, und wobei am Hochvoltanschluss (22) ein Kondensator (C4) angeschlossen ist.
DE102019005121.1A 2019-07-22 2019-07-22 Energiewandler Withdrawn DE102019005121A1 (de)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102019005121.1A DE102019005121A1 (de) 2019-07-22 2019-07-22 Energiewandler

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102019005121.1A DE102019005121A1 (de) 2019-07-22 2019-07-22 Energiewandler

Publications (1)

Publication Number Publication Date
DE102019005121A1 true DE102019005121A1 (de) 2020-04-09

Family

ID=69886635

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
DE102019005121.1A Withdrawn DE102019005121A1 (de) 2019-07-22 2019-07-22 Energiewandler

Country Status (1)

Country Link
DE (1) DE102019005121A1 (de)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20220190734A1 (en) * 2020-12-15 2022-06-16 Hyundai Mobis Co., Ltd. Bidirectional insulating dc-dc converter, control apparatus therefor, and operating method thereof

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20220190734A1 (en) * 2020-12-15 2022-06-16 Hyundai Mobis Co., Ltd. Bidirectional insulating dc-dc converter, control apparatus therefor, and operating method thereof
US11870360B2 (en) * 2020-12-15 2024-01-09 Hyundai Mobis Co., Ltd. Bidirectional insulating DC-DC converter, control apparatus therefor, and operating method thereof

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP1761987B1 (de) Vorrichtung und verfahren zum ladungsausgleich von in reihe angeordneten einzelnen zellen eines energiespeichers
DE112006003033T5 (de) System und Verfahren zur allgemeinen Steuerung von Stromrichtern
DE112015001844T5 (de) Ladevorrichtung für Elektrofahrzeuge
DE102016122008A1 (de) Allstrom-Ladegerät
DE102013201637A1 (de) Energieübertragungsanordnung
DE102018006409A1 (de) Energiewandler zum energietechnischen Koppeln eines Gleichspannungsbordnetzes mit einer Wechselspannungs- oder einer Gleichspannungsenergiequelle
DE102020131600A1 (de) Vorrichtung und verfahren zum laden einer batterie eines fahrzeugs
DE102019218194A1 (de) Bidirektionales bordladegerät und verfahren zum steuern desselben
DE102021119431A1 (de) System und Verfahren für eine verbesserte einstufige Bordladeeinrichtung mit integriertem Gleichrichter
DE102012014178A1 (de) Vorrichtung und Verfahren zum Laden mindestens einer Traktionsbatterie eines Elektrofahrzeugs
DE102021130757A1 (de) System und Verfahren für eine reaktive Steuerung für eine Leistungsfaktorkorrektur (PFC) an einem einstufigen Onboard-Ladegerät
WO2020064432A1 (de) Ladeschaltung für einen fahrzeugseitigen elektrischen energiespeicher
EP3536535B1 (de) Ladeeinrichtung für ein kraftfahrzeug
EP0772902B1 (de) Stromversorgungsgerät, insbesondere batterie-ladegerät für elektrofahrzeuge oder dergleichen
DE102013203734A1 (de) Modularer Hochfrequenz-Umrichter
DE102017206497A1 (de) Ladevorrichtung und Verfahren zum Laden eines elektrischen Energiespeichers eines Fahrzeugs, sowie Kraftfahrzeug
DE102021119585A1 (de) System und Verfahren für On-Board-Ladegerät mit pulsierendem Puffer
DE102019212930B3 (de) Fahrzeugbordnetz und Verfahren zum Betreiben eines Fahrzeugbordnetzes
DE102020135085A1 (de) Bidirektionaler isolierter gleichspannungswandler mit grosser kapazität und steuerverfahren desselben
DE102019005121A1 (de) Energiewandler
DE102018221519B4 (de) Fahrzeugseitige Ladevorrichtung
DE102014013039A1 (de) Vorrichtung für ein Kraftfahrzeug zum galvanisch entkoppelten Übertragen einer elektrischen Spannung
DE102020205494A1 (de) Elektrisches Leistungsumwandlungssystem für ein Fahrzeug und Steuerungsverfahren dafür
DE19913115A1 (de) Isolationstyp-DC-DC-Leistungswandlereinheit und elektrisches System für ein Elektrofahrzeug
DE102019001196A1 (de) Verfahren zum Bereitstellen einer Spannung für ein Bordnetz und Bordlader hierzu

Legal Events

Date Code Title Description
R230 Request for early publication
R081 Change of applicant/patentee

Owner name: DAIMLER AG, DE

Free format text: FORMER OWNER: DAIMLER AG, 70327 STUTTGART, DE

R119 Application deemed withdrawn, or ip right lapsed, due to non-payment of renewal fee