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Die Erfindung betrifft einen Energiewandler zum galvanischen Koppeln eines ersten Gleichspannungszwischenkreises mit einem zweiten Gleichspannungszwischenkreis, wobei der erste Gleichspannungszwischenkreis mit einer ersten Zwischenkreisgleichspannung und der zweite Gleichspannungszwischenkreis mit einer zweiten Zwischenkreisgleichspannung beaufschlagt ist, wobei der erste und der zweite Gleichspannungszwischenkreis ein gemeinsames elektrisches Bezugspotential nutzen.
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Gattungsgemäße Energiewandler und Verfahren finden insbesondere dann Einsatz, wenn wenigstens zwei elektrische Bordnetze, wie ein erstes und ein zweites Bordnetz eines Kraftfahrzeugs oder auch ein Bordnetz des Kraftfahrzeugs und eine Ladestation, die mit unterschiedlichen elektrischen Gleichspannungen beaufschlagt sein können, galvanisch miteinander gekoppelt werden sollen. Im Rahmen der galvanischen Kopplung kann elektrische Energie zwischen den beiden Bordnetzen mittels des Energiewandlers in vorgebbarer Weise ausgetauscht werden. 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. Der Energiewandler ist vorzugsweise als galvanisch gekoppelter Energiewandler ausgebildet.
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Elektrische Bordnetze sowie auch Kraftfahrzeuge mit solchen Bordnetzen sind dem Grunde nach im Stand der Technik umfänglich bekannt. So offenbart zum Beispiel die
WO 2013/010 693 A1 ein System mit einem Batterieladegerät und einer Bordnetzversorgungsstufe. Kraftfahrzeuge, insbesondere, elektrisch antreibbare Kraftfahrzeuge weisen in der Regel wenigstens ein elektrisches Bordnetz auf, das elektrische Einrichtungen und Einheiten umfasst. Das elektrische Bordnetz dient dazu, die elektrischen Einrichtungen und Einheiten miteinander in vorgebbarer Weise elektrisch zu koppeln. An dem elektrischen Bordnetz ist zumindest ein Teil der elektrischen Einrichtungen beziehungsweise Einheiten angeschlossen. Das elektrische Bordnetz dient somit der Verteilung der elektrischen Energie innerhalb des Kraftfahrzeuges.
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Insbesondere bei elektrisch antreibbaren Kraftfahrzeugen kann zumindest ein zweites Bordnetz vorgesehen sein, wobei wenigstens eines der beiden Bordnetze für die Beaufschlagung mit einer Gleichspannung im Hochvoltbereich ausgebildet ist. Der Begriff „Hochvolt“ umfasst eine elektrische Gleichspannung, die größer als etwa 60 V ist. Vorzugsweise ist der Begriff „Hochvolt“ konform mit der Norm ECE R 100. Wenigstens einer der Gleichspannungszwischenkreise ist daher vorzugsweise durch ein Bordnetz des Kraftfahrzeugs gebildet. Darüber hinaus kann der zweite der Gleichspannungszwischenkreise beispielsweise durch ein zweites Bordnetz des Kraftfahrzeugs oder auch durch eine Ladestation gebildet sein, mit der das Kraftfahrzeug zum Austausch von elektrischer Energie zeitweise koppelt sein kann.
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Mittlerweile kommt es bei elektrisch antreibbaren Kraftfahrzeugen vermehrt vor, dass das erste und das zweite Bordnetz für Hochvolt ausgelegt sind, jedoch für unterschiedliche Gleichspannungen im Bereich Hochvolt. So kann zum Beispiel das erste elektrische Bordnetz mit einer Gleichspannung von etwa 800 V beaufschlagt sein, wohingegen das zweite elektrische Bordnetz mit einer Gleichspannung von etwa 400 V beaufschlagt sein kann. Natürlich können die Werte der Gleichspannungen 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. Das Gleiche gilt dem Grunde nach auch dann, wenn einer der Gleichspannungszwischenkreise durch die Ladestation gebildet ist.
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Um die beiden elektrischen Gleichspannungszwischenkreise elektrisch miteinander Koppeln zu können, ist es im Stand der Technik üblich, die beiden elektrischen Bordnetze galvanisch getrennt miteinander elektrisch zu koppeln. Aus Gründen der elektrischen Sicherheit ist eine galvanische Verbindung zwischen diesen beiden Gleichspannungszwischenkreisen, insbesondere im Bereich Hochvolt, in der Regel nicht gewünscht, beziehungsweise zum Teil auch nicht zulässig. Die Kopplung der beiden Gleichspannungszwischenkreise erfolgt deshalb im Stand der Technik in der Regel mittels eines galvanisch getrennten DC/DC-Wandlers als getakteter Energiewandler. Ein solcher galvanisch getrennter DC/DC-Wandler ist wegen der Bereitstellung der elektrischen Isolation groß, teuer, schwer und erlaubt nur einen begrenzten Wirkungsgrad. Darüber hinaus sind zur Überwachung der beiden Gleichspannungszwischenkreise, insbesondere bei Anwendung im Bereich Hochvolt, zwei separate Isolationswächter erforderlich.
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Würden die beiden Gleichspannungszwischenkreise galvanisch miteinander gekoppelt, könnte durch das Verbinden der beiden Gleichspannungszwischenkreise, insbesondere wenn sie mit unterschiedlichen Gleichspannungen beaufschlagt sind, durch den DC/DC-Wandler eine Asymmetrie der elektrischen Potentiale der beiden Bordnetze in Bezug auf das elektrische Bezugspotential entstehen. Eine Überschreitung der gesetzlich limitierten elektrisch gespeicherten Energie in den Y-Kondensatoren des positiven HV-Potential zum Potentialausgleich und des negativen HV-Potentials zu einem Potentialausgleich kann die Folge sein. Aus Gründen der elektrischen Sicherheit darf ein solcher Fall jedoch nicht zu einer Gefährdung eines Nutzers oder des Kraftfahrzeuges führen.
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Darüber hinaus ist zu bedenken, dass bei einem Verbinden zweier Gleichspannungszwischenkreise mit unterschiedlichen Gleichspannungen weitere Probleme auftreten können, die sich dadurch ergeben können, dass die beiden Bordnetze hinsichtlich der elektrischen Isolation, insbesondere in Bezug auf Kriech- und Luftstrecken, unterschiedlich ausgelegt sind. Die Auslegung der Kriech- und Luftstrecken eines jeweiligen der Bordnetze erfolgt in der Regel anhand der jeweiligen Bemessungsgleichspannung, mit der der jeweilige der Gleichspannungszwischenkreise beaufschlagt ist. Im Falle eines Isolationsfehlers bei demjenigen der Gleichspannungszwischenkreise, welcher mit der höheren der Gleichspannungen beaufschlagt ist, kann daher bei einer galvanischen Kopplung die elektrische Isolation desjenigen der Gleichspannungszwischenkreise, welcher mit der kleineren der Gleichspannungen beaufschlagt ist, überlastet werden. Dies kann nicht nur Beschädigungen sondern sogar eine Zerstörung zur Folge haben. In der Folge besteht also die Gefahr, dass der zweite der Gleichspannungszwischenkreise aufgrund der Störung der elektrischen Isolation des ersten der Gleichspannungszwischenkreise ebenfalls beschädigt wird.
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Würde bei einem galvanisch gekoppelten Energiewandler ein solcher Isolationsfehler auftreten, könnte der galvanisch gekoppelte Energiewandler nach dem Stand der Technik eine Überlastung der Isolierung nicht verhindern.
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In Hochvoltsystemen sind im Allgemeinen die beiden zu koppelnden Gleichspannungszwischenkreise galvanisch von einem Massepotential beziehungsweise einer Bezugsmasse getrennt ausgebildet. Eine Verbindung besteht in der Regel lediglich über Isolationswiderstände und sogenannte Y-Kapazitäten. Diese Widerstände und Kapazitäten führen in der Regel dazu, dass sich die Spannungspotentiale der Zwischenkreisgleichspannungen im Normalfall symmetrisch zur Bezugsmasse einstellen.
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Kommt es zu einem Isolationsfehler, reduziert sich die Spannung zwischen dem betroffenen Hochvoltpotential und der Bezugsmasse auf null. Infolgedessen vergrößert sich die Spannung zwischen der Bezugsmasse und dem anderen HV-Potential auf etwa den doppelten Wert.
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Galvanisch gekoppelte Energiewandler nach Art von Spannungswandlern wie Boost-Wandler oder Buck-Wandler, Kombinationen hiervon oder dergleichen, die zwei Gleichspannungszwischenkreise mit unterschiedlicher Zwischenkreisgleichspannung miteinander koppeln, sind hinlänglich bekannt. Topologiebedingt ist im Allgemeinen ein elektrisches Potential des ersten Gleichspannungszwischenkreises direkt mit einem elektrischen Potential des zweiten Gleichspannungszwischenkreises verbunden. Im schlimmsten Fall kann daher nach einem Isolationsfehler, die volle Zwischenkreisgleichspannung des größer ausgelegten Gleichspannungszwischenkreises zwischen der Bezugsmasse und einem elektrischen Potentiale des kleiner ausgelegten Gleichspannungszwischenkreises anliegen. Dies führt bei längerer Einwirkung zur Zerstörung der Isolation im kleiner ausgelegten Gleichspannungszwischenkreise. Ein Abschalten des Energiewandlers kann den Fehler dabei nicht beheben.
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Ein batteriebetriebenes Fahrzeug beziehungsweise elektrisch antreibbares Kraftfahrzeug kann nur dann mit einer Gleichspannung an einer Ladesäule geladen werden, wenn die einstellbare Ausgangsspannung der Ladesäule mindestens so hoch ist wie die maximale Batteriespannung beziehungsweise Zwischenkreisgleichspannung des Kraftfahrzeugs. Zum Koppeln der Ladestation mit dem Kraftfahrzeug werden in der Regel zwei Ladeschütze verwendet. Ist die Spannungslage des Gleichspannungszwischenkreises des Kraftfahrzeugs größer als eine Gleichspannung beziehungsweise Zwischenkreisgleichspannung der Ladestation, so ist ein Spannungswandler beziehungsweise Energiewandler im Kraftfahrzeug vorzusehen, der die Gleichspannung der Ladestation auf das Niveau der Fahrzeugbatterie anhebt. Umgekehrt muss aber auch bei einem Rückspeisen von Energie vom Kraftfahrzeug zur Ladestation fahrzeugseitig vorgesehen sein, eine höhere Spannungslage als die der Ladestation auf deren Spannungsniveau absenken können. In beiden Fällen können je nach Wahl des Spannungswandlerkonzepts Risiken hinsichtlich der Isolationskoordination bei einem Isolationsfehler im Kraftfahrzeug bestehen. Zudem ist der Spannungswandler üblicherweise auf Ladeströme für den Auslegungsfall des Ladens an der Ladestation mit geringerer Ausgangsspannung (zum Beispiel etwa 500V) als auch bei einer ausreichenden Ausgangsspannung (zum Beispiel etwa 800V) auszulegen, oder es sind Zusatzschalter vorzusehen, die dies nicht notwendig machen. Das Gleiche gilt auch für das Einspeisen beim bidirektionalen Laden.
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Weiterhin können folgenden Nachteile auftreten:
- 1. Ein galvanisch gekoppelter Energiewandler mit Auslegung auf die Ströme beim Laden/Einspeisen mit höherer Spannung (zum Beispiel etwa 800V) und beim Laden/Einspeisen mit geringerer Spannung (zum Beispiel maximal 500V). Zudem sind zwei DC-Ladeschütze zum Koppeln mit der Ladesäule und zum Sicherstellen der Spannungsfreiheit an der DC-Ladedose während der Fahrzeugzustände ohne DC-Ladeverbindung nötig.
- 2. Ein galvanisch gekoppelter Energiewandler mit Auslegung auf die Ströme beim Laden/Entladen mit geringerer Spannung. Für das Laden/Entladen bei einer Spannungslage (zum Beispiel etwa 800V) wird zudem ein Bypass-Schütz im nicht direkt durchverbundenem HV-Pfad verwendet, das den Energiewandler überbrückt. Zudem sind zwei DC-Ladeschütze zum Koppeln mit der Ladestation und zum Sicherstellen der Spannungsfreiheit an der DC-Ladedose während der Fahrzeugzustände ohne DC-Ladeverbindung nötig.
- 3. Ein galvanisch gekoppelter Spannungswandler mit Schütz im direkt verbundenen HV-Pfad zum Schutz der Isolation der DC-Ladesäule. Der Wandler ist auf die Ströme bei beiden Spannungslagen auszulegen in Verbindung mit einem zusätzlichen Ladeschütz im jeweiligen anderen Ladepfad (zum Beispiel HV+) zum Sicherstellen der Spannungsfreiheit an der DC-Ladedose während der Fahrzeugzustände ohne DC-Ladeverbindung.
- 4. Ein galvanisch gekoppelter Spannungswandler mit Schütz im direkt verbundenen HV-Pfad zum Schutz der Isolation der DC-Ladesäule. Der Wandler ist auf die Ströme bei einer der beiden Spannungslagen ausgelegt. Für das Laden/Entladen bei höherer Ladespannung (zum Beispiel 800V) wird zudem ein Bypass-Schütz im nicht direkt durchverbundenem HV-Pfad verwendet, das den Spannungswandler überbrückt. Zudem ist in diesem HV-Pfad ein DC-Ladeschütz zum Koppeln mit der Ladestation vorgesehen.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Energiekopplung zwischen Bordnetzen, insbesondere bei elektrisch antreibbaren Kraftfahrzeugen, zu verbessern.
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Mit der Erfindung wird ein Energiewandler gemäß dem unabhängigen Anspruch 1 vorgeschlagen.
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Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich durch Merkmale der abhängigen Ansprüche.
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Bezüglich eines gattungsgemäßen Energiewandlers wird insbesondere vorgeschlagen, dass dieser ein erstes Schaltelement zum elektrischen Trennen des gemeinsam genutzten Bezugspotentials zwischen dem ersten und dem zweiten Gleichspannungszwischenkreis sowie ein zweites Schaltelement zum Koppeln eines ersten Betriebspotentials des ersten Gleichspannungszwischenkreises mit einem zweiten Betriebspotential des zweiten Gleichspannungszwischenkreises aufweist.
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Die Erfindung basiert auf dem Gedanken, dass der Energiewandler um ein Schaltelement, zum Beispiel ein Relais oder ein Halbleiterschalter, im durchgekoppelten Potential ergänzt wird. Im Fall eines Isolationsfehlers kann das Schaltelement geöffnet werden, wodurch eine dauerhafte Überbelastung des für eine kleinere Bemessungsspannung ausgelegten zweiten Gleichspannungszwischenkreises vermieden werden kann. Der Energiewandler verfügt somit zum Beispiel über ein Schütz im durchverbundenen HV-Pfad, das sowohl zum Schutz der Isolation als auch als DC-Ladeschütz verwendet wird. Im anderen HV-Pfad wird ein weiteres Schaltelement beispielsweise ein Schütz verwendet, das als Bypass-Schütz bei einer höheren Spannungslage dient. Der Energiewandler braucht daher nur auf die Ströme einer der beiden Spannungslagen ausgelegt zu werden.
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Bei Auftreten eines Isolationsfehlers kann die dauerhafte Überlastung der Isolation des auf die kleinere Zwischenkreisgleichspannung ausgelegten zweiten Gleichspannungszwischenkreises vermieden werden. Dadurch kann die Zerstörung von Komponenten des zweiten Gleichspannungszwischenkreises verhindert werden und die Gefahr eines elektrischen Schlags reduziert werden.
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Die Schaltelemente können ferner eine erhöhte Sicherheit gegen ungewollte Überspannung bereitstellen. Sollte ein die Wandlungsfunktion des Energiewandlers realisierendes Betriebsschaltelement elektrisch leitend ausfallen, kann wenigstens eines der Schaltelemente geöffnet werden, um eventuelle Überspannungen im zweiten Gleichspannungszwischenkreis zu verhindern. Das erste und/oder das zweite Schaltelement können zum Beispiel als elektromechanisches Schaltelement ausgebildet sein. Darüber hinaus können das erste und/oder das zweite Schaltelement auch als elektronisches Schaltelement ausgebildet sein, beispielsweise als Thyristor, Transistor im Schaltbetrieb wie zum Beispiel MOSFET, IGBT oder dergleichen.
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Es können unter anderem die folgenden Vorteile erreicht werden:
- - Beibehaltung des Schutzes der Isolation
- - In Summe wird im Fahrzeug die Anzahl der Schütze um mindestens 1 Schütz reduziert
- - Auslegung des Spannungswandlers nur für die Lade-/Entladeströme bei niedrigerer Spannungslage notwendig
- - Gewährleistung der HV-Sicherheit bezüglich Isolationsfehlern und der Spannungsfreiheit der DC-Ladepins über Freischaltung die Kombination von einem Schütz und einem Halbleiter
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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.
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Dabei zeigt:
- 1 In einer schematischen Schaltbilddarstellung einen Energiewandler zum galvanischen Koppeln eines ersten Gleichspannungszwischenkreises mit einem zweiten Gleichspannungszwischenkreis, die ein gemeinsames Bezugspotential nutzen, wobei ein erstes und ein zweites Schaltelement vorgesehen sind, um das gemeinsame Bezugspotential zu trennen und um den Energiewandler zu überbrücken.
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1 zeigt in einer schematischen Schaltbilddarstellung einen galvanisch gekoppelten Energiewandler 10, der ein Bordnetz 12 als ersten Gleichspannungszwischenkreis mit einer Ladestation 14 als zweiten Gleichspannungszwischenkreis energietechnisch koppelt. Das Bordnetz ist Bestandteil eines nicht weiter dargestellten elektrisch antreibbaren Kraftfahrzeugs.
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In der in 1 dargestellten Situation ist das Kraftfahrzeug an der Ladestation 14 abgestellt und über eine nicht weiter dargestellte elektrische Leitung mit dem Energiewandler 10 an einem Ladeanschluss 36 lösbar elektrisch leitend verbunden. In diesem Betriebszustand ist das Kraftfahrzeug außerhalb des bestimmungsgemäßen Fahrbetriebs. Das Bordnetz 12 ist über den Energiewandler 10 und den mit diesem verbundenen Ladeanschluss 36 mit der Ladestation 14 elektrisch verbunden.
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Das Bordnetz 12 des Kraftfahrzeugs umfasst nicht weiter dargestellte elektrische Einheiten beziehungsweise elektrische Einrichtungen, beispielsweise eine elektrische Antriebseinrichtung, einen elektrischen Klimakompressor und/oder dergleichen und umfasst insbesondere eine ebenfalls nicht dargestellte Fahrzeugbatterie, die vorliegend als Hochvoltbatterie ausgebildet ist. Das Bordnetz 12 wird mit einer Bordnetzgleichspannung 16 als erste Zwischenkreisgleichspannung betrieben.
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Die Ladestation 14 stellt eine Ladestationsgleichspannung 18 als zweite Zwischenkreisgleichspannung bereit. Die Ladestation 14 ist energietechnisch über nicht weiter dargestellte Energiewandler mit einem öffentlichen Energieversorgungsnetz gekoppelt, sodass zwischen dem Energieversorgungsnetz und dem Bordnetz 12 im vorliegenden dargestellten Zustand elektrische Energie ausgetauscht werden kann.
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Zu diesem Zweck ist der Energiewandler 10 als bidirektionaler Spannungswandler ausgebildet. Der Energiewandler 10 stellt für die galvanische Kopplung ein gemeinsames elektrisches Bezugspotential 22 bereit. Dieses Bezugspotential 22 ist unmittelbar mit dem Bordnetzanschluss 38 und dem Ladeanschluss 36 elektrisch verbunden. Ferner ist am Bordnetzanschluss 38 ein Betriebspotential 20 angeschlossen, welches dem entsprechenden Betriebspotential des Bordnetzes 12 entspricht.
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Ladestationsseitig ist hingegen ein Betriebspotential 24 am Ladeanschluss 36 angeschlossen, welches einem entsprechenden Potential der am Ladeanschluss 36 angeschlossenen Ladestation 14 entspricht.
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Das Bezugspotential 22 ist innerhalb des Energiewandlers 10 mittels eines ersten Schaltelements 30 trennbar. Das erste Schaltelement 30 ist vorliegend ein elektromechanisches Schaltelement nach Art eines Schützes.
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Parallel zum Bordnetzanschluss 38 beziehungsweise zum Ladeanschluss 36 sind jeweilige X-Kondensatoren C1, C2 angeschlossen.
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Parallel zum X-Kondensator C1 ist eine Reihenschaltung aus zwei MOSFET 28, 34 als Betriebsschaltelemente angeschlossen, die einen Mittelabgriff 42 bereitstellen. Am Mittelabgriff 42 ist eine Induktivität L1 mit einem ihrer Anschlüsse angeschlossen. Ein zweiter Anschluss der Induktivität L1 ist an das Betriebspotential 24 angeschlossen.
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Die Betriebspotentiale 20, 24 sind ferner mittels eines zweiten Schaltelements 32 elektrisch verbindbar. Das zweite Schaltelement 32 kann wie das erste Schaltelement 30 als elektromechanisches Schaltelement ausgebildet sein. Dem Grunde nach kann für jedes der Schaltelemente hier natürlich auch ein elektronisches Schaltelement mittels geeigneter elektronischer Bauteile wie Transistoren, Thyristoren oder dergleichen vorgesehen sein.
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Der Energiewandler 10 ist vorliegend als Spannungswandler ausgebildet und dient unter anderem dazu, eine bidirektionale energietechnische Kopplung für den Fall herzustellen, dass die Bordnetzgleichspannung 16 größer als die Ladestationsgleichspannung 18 ist. Die grundlegende Funktion eines derartigen Spannungswandlers ist umfänglich bekannt, weshalb von weiteren entsprechenden Ausführungen hierzu abgesehen wird.
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Aus 1 ist ferner ersichtlich, dass das Kraftfahrzeug eine Fahrzeugmasse 40 aufweist. Die Fahrzeugmasse 40 ist über Isolationswiderstände 28 mit den jeweiligen Potentialen des Bordnetzes 12 und der Ladestation 14 verbunden. Parallel zu den Isolationswiderständen 26 sind jeweilige Y-Kapazitäten C3, C4, C5, C6 dargestellt. Die Isolationswiderstände 26 in Verbindung mit den Y-Kapazitäten C3, C4, C5, C6 repräsentieren das Verhalten des Bezugspotentials 22 sowie der Betriebspotentiale 20, 24 gegenüber der Fahrzeugmasse 40. Die Y-Kapazitäten C3, C4, C5, C6 können zumindest teilweise auch durch reale Kondensatoren gebildet sein. Insbesondere sind durch diese in der 1 dargestellten Elemente jedoch auch parasitäre Effekte dargestellt.
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Die Schaltelemente 30, 32 dienen zugleich auch als Ladeschütz für das Bordnetz 12.
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In der vorliegenden Ausgestaltung ist vorgesehen, dass die Bordnetzgleichspannung 16 etwa 800 V beträgt. Die Ladestationsgleichspannung beträgt hingegen lediglich etwa 500 V. Durch den Energiewandler 10 kann nun eine entsprechende Spannungsanpassung durch einen geeigneten Schaltbetrieb der MOSFET 28, 34 erreicht werden. In diesem Betriebszustand ist das erste Schaltelement 30 im eingeschalteten Schaltzustand. Das zweite Schaltelement 32 ist hingegen im ausgeschalteten Schaltzustand. In diesem Betriebszustand ist ein Energiefluss in beide Richtungen möglich.
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Tritt bei dieser Situation ein Isolationsfehler auf, wird dies mittels eines nicht dargestellten Isolationswächters erfasst und der Betrieb der MOSFET 28, 34 im Schaltbetrieb eingestellt. Die Energiewandlung wird daher unterbrochen.
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Um nun ungünstige Auswirkungen vom Bordnetz 12 mit der höheren Betriebsspannung auf die Ladestation 14 zu vermeiden, wird dann das erste Schaltelement 30 in den ausgeschalteten Schaltzustand geschaltet. Dadurch kann verhindert werden, dass die ladeanschlussseitige Isolation, die lediglich für eine Bemessungsspannung von etwa 500 V ausgelegt ist, durch die deutlich höhere Bordnetzgleichspannung 16 überlastet werden könnte.
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Bei einer zweiten Ausgestaltung ist vorgesehen, dass die Spannungswandlungsfunktionalität des Energiewandlers 10 nicht benötigt wird, beispielsweise weil die Ladestationsgleichspannung 18 etwa der Bordnetzgleichspannung 16 entspricht beziehungsweise gegebenenfalls zum Laden geringfügig größer ist oder zum Entladen geringfügig kleiner ist. In diesem Betriebszustand sind sowohl das erste Schaltelement 30 als auch das zweite Schaltelement 32 im eingeschalteten Schaltzustand. Der Betrieb der MOSFET 28, 34 ist hier nicht vorgesehen. Die beiden MOSFET 28, 34 sind im ausgeschalteten Zustand. Die energietechnische Kopplung erfolgt daher in diesem Fall lediglich über die beiden Schaltelemente 30, 32.
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In einem weiteren Betriebszustand des Energiewandlers 10 sind die Schaltelemente 30, 32 jeweils im ausgeschalteten Schaltzustand, sodass die beiden Schaltelemente 30, 32 als Ladeschütz dienen. Dieser Betriebszustand ist zum Beispiel im bestimmungsgemäßen Fahrbetrieb des Kraftfahrzeugs möglich, beim Laden der Fahrzeugbatterie an einer Ladestation, die Wechselspannung bereitstellt, bei einer Montage beziehungsweise einem Service, beim Pre-Conditioning und/oder dergleichen. In diesem Betriebszustand sind die elektrischen Potentiale am Ladeanschluss 36 durch die Kombination der im ausgeschalteten Schaltzustand geschalteten Schaltelemente 30, 32 sowie durch die im ausgeschalteten Schaltzustand geschalteten MOSFET 28, 34 sicher spannungsfrei geschaltet.
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Das zweite Schaltelement 32 kann also als Bypass sowie als Funktion des Ladeschützes für das Hochvoltpotential beziehungsweise das Betriebspotential 20, 24 dienen. Das erste Schaltelement 30 kann dagegen zur Sicherung der Isolation im Hochvoltsystem der niedrigeren Auslegungsspannung und gleichzeitig auch als Ladeschütz für das zweite Hochvoltpotential beziehungsweise das Bezugspotential 22 dienen.
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Es können die folgenden Vorteile unter anderem erreicht werden:
- - Beibehaltung des Schutzes der Isolation
- - In Summe wird im Fahrzeug die Anzahl der Schütze um mindestens ein Schütz reduziert
- - Auslegung des Spannungswandlers nur für die Lade-/Entladeströme bei niedrigerer Spannungslage notwendig
- - Gewährleistung der HV-Sicherheit bezüglich Isolationsfehlern und der Spannungsfreiheit der DC-Ladepins über Freischaltung durch die Kombination von einem Schütz und einem Halbleiter
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Das Ausführungsbeispiel dient ausschließlich der Erläuterung der Erfindung und soll diese nicht beschränken.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Energiewandler
- 12
- Bordnetz
- 14
- Ladestation
- 16
- Bordnetzgleichspannung
- 18
- Ladestationsgleichspannung
- 20
- Betriebspotential
- 22
- Bezugspotential
- 24
- Betriebspotential
- 26
- Isolationswiderstand
- 28
- MOSFET
- 30
- Schaltelement
- 32
- Schaltelement
- 34
- MOSFET
- 36
- Ladeanschluss
- 38
- Bordnetzanschluss
- 40
- Fahrzeugmasse
- 42
- Mittelabgriff
- L1
- Induktivität
- C1
- X-Kondensator
- C2
- X-Kondensator
- C3-C6
- Y-Kapazität
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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