DE102019212930B3 - Vehicle electrical system and method for operating a vehicle electrical system - Google Patents

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Abstract

Ein Fahrzeugbordnetz (1) weist einen HV-Bordnetzteil (10), einen LV-Bordnetzteil (20), einen Ladeanschluss (32) zum Anschließen des Fahrzeugbordnetzes (1) an eine Ladestation (30), und eine Energieübertragungseinrichtung (60) auf, die in einem Lademodus eine Ladestationsspannung (CV) in eine HV-Bordnetzspannung (HV) wandelt und Energie von der Ladestation (30) zu einem HV-Energiespeicher (12) überträgt, in einem Entlademodus die HV-Bordnetzspannung (HV) in die Ladestationsspannung (CV) wandelt und Energie vom HV-Energiespeicher (12) zur Ladestation (30) überträgt, und in einem Umlademodus die HV-Bordnetzspannung (HV) in eine LV-Bordnetzspannung (LV) wandelt und Energie vom HV-Energiespeicher (12) zu einem LV-Energiespeicher (22) überträgt. Erfindungsgemäß wird hierfür eine Energieübertragungseinrichtung (60) vorgeschlagen, aufweisend: einen bidirektionalen Spannungswandler (62, 64), über den in einer ersten Richtung die Übertragung im Lademodus erfolgt, und in einer zweiten Richtung die Übertragung im Entlademodus und Umlademodus erfolgt, und eine Umschalteinrichtung (66), die den Spannungswandler (62, 64) im Lademodus und Entlademodus mit dem Ladeanschluss (32) und dem HV-Bordnetzteil (10) verbindet, und im Umlademodus mit dem HV-Bordnetzteil (10) und dem LV-Bordnetzteil (20) verbindet.A vehicle electrical system (1) has an HV electrical system part (10), an LV electrical system part (20), a charging connection (32) for connecting the vehicle electrical system (1) to a charging station (30), and an energy transmission device (60) which in a charging mode converts a charging station voltage (CV) into an HV vehicle electrical system voltage (HV) and transfers energy from the charging station (30) to an HV energy store (12), in a discharge mode the HV vehicle electrical system voltage (HV) into the charging station voltage (CV) ) converts and transfers energy from the HV energy store (12) to the charging station (30), and in a recharging mode converts the HV vehicle electrical system voltage (HV) into an LV vehicle electrical system voltage (LV) and converts energy from the HV energy store (12) to an LV -Energy storage (22) transfers. According to the invention, an energy transmission device (60) is proposed for this purpose, comprising: a bidirectional voltage converter (62, 64), via which the transmission takes place in the charging mode in a first direction and the transmission takes place in the discharge mode and recharging mode in a second direction, and a switching device ( 66), which connects the voltage converter (62, 64) in charge mode and discharge mode with the charging connection (32) and the HV on-board power supply unit (10), and in reloading mode with the HV on-board power supply unit (10) and the LV on-board power supply unit (20) connects.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein elektrisches Fahrzeugbordnetz, beispielsweise für ein Elektro- oder Hybridfahrzeug, nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben eines derartigen Fahrzeugbordnetzes.The present invention relates to an electrical vehicle electrical system, for example for an electric or hybrid vehicle, according to the preamble of claim 1. Furthermore, the invention relates to a method for operating such a vehicle electrical system.

Derartige Fahrzeugbordnetze sind in vielfältigen Ausführungen aus dem Stand der Technik bekannt und weisen auf:

  • - einen Hochvolt (HV)-Bordnetzteil mit einem elektrischen HV-Energiespeicher zur Bereitstellung einer HV-Gleichspannung (z. B. 400 V) als eine erste Bordnetzspannung,
  • - einen Niedervolt (LV)-Bordnetzteil mit einem elektrischen LV-Energiespeicher zur Bereitstellung einer LV-Gleichspannung (z. B. 12 V) als eine zweite Bordnetzspannung,
  • - einen Ladeanschluss zum Anschließen des Fahrzeugbordnetzes an eine Ladestation, die eine Ladestationsspannung (z. B. 220 V / 50 Hz Wechselspannung) für ein Übertragen von elektrischer Energie zwischen der Ladestation und dem Fahrzeugbordnetz bereitstellt,
  • - eine Energieübertragungseinrichtung, die dazu ausgebildet ist,
  • - in einem Lademodus die Ladestationsspannung in die HV-Bordnetzspannung zu wandeln und damit elektrische Energie von der Ladestation zum elektrischen HV-Energiespeicher zu übertragen,
  • - in einem Entlademodus die HV-Bordnetzspannung in die Ladestationsspannung zu wandeln und damit elektrische Energie vom elektrischen HV-Energiespeicher zur Ladestation zu übertragen, und
  • - in einem Umlademodus die HV-Bordnetzspannung in die LV-Bordnetzspannung zu wandeln und damit elektrische Energie vom elektrischen HV-Energiespeicher zum elektrischen LV-Energiespeicher zu übertragen.
Such vehicle electrical systems are known in various designs from the prior art and have:
  • - A high-voltage (HV) on-board power supply unit with an electrical HV energy store to provide a HV DC voltage (e.g. 400 V) as a first on-board network voltage,
  • - A low-voltage (LV) on-board power supply unit with an electrical LV energy storage device to provide a LV DC voltage (e.g. 12 V) as a second on-board network voltage,
  • - A charging connection for connecting the vehicle electrical system to a charging station, which provides a charging station voltage (e.g. 220 V / 50 Hz AC voltage) for transferring electrical energy between the charging station and the vehicle electrical system,
  • - an energy transmission device which is designed to
  • - to convert the charging station voltage into the HV on-board network voltage in a charging mode and thus transfer electrical energy from the charging station to the electrical HV energy store,
  • - to convert the HV vehicle electrical system voltage into the charging station voltage in a discharge mode and thus to transfer electrical energy from the electrical HV energy store to the charging station, and
  • - To convert the HV vehicle electrical system voltage into the LV vehicle electrical system voltage in a recharging mode and thus transfer electrical energy from the electrical HV energy store to the electrical LV energy store.

Bei derartigen bekannten Fahrzeugbordnetzen umfasst die Energieübertragungseinrichtung typischerweise zum einen ein spezielles Bordladegerät, oftmals als „on-board charger“ (OBC) bezeichnet, um den „Lademodus“ und den „Entlademodus“ zu bewerkstelligen, d. h. beispielsweise eine 400 V Hochvolt (HV)-Batterie aus einem öffentlichen 220 V Wechselspannungsnetz zu laden bzw. Energie aus der HV-Batterie in das Wechselspannungsnetz zu übertragen, und zum anderen zusätzlich einen dedizierten DC/DC-Wandler, um den „Umlademodus“ zu bewerkstelligen, also beispielsweise Energie aus der 400 V HV-Batterie zum Laden der einer 12 V Niedervolt (LV)-Batterie zu verwenden.In such known vehicle on-board networks, the energy transmission device typically comprises, on the one hand, a special on-board charger, often referred to as an “on-board charger” (OBC), in order to achieve the “charging mode” and the “discharging mode”, i.e. H. For example, to charge a 400 V high-voltage (HV) battery from a public 220 V AC voltage network or to transfer energy from the HV battery to the AC voltage network, and on the other hand, a dedicated DC / DC converter to activate the "recharging mode" accomplish, for example, to use energy from the 400 V HV battery to charge a 12 V low-voltage (LV) battery.

Nachteilig ist bei derartigen bekannten Fahrzeugbordnetzen beispielsweise der durch die Energieübertragungseinrichtung verursachte Bauraumbedarf und deren Gewicht, sowie der zur Bereitstellung der Energieübertragungseinrichtung erforderliche Aufwand an Material und Kosten.Disadvantages of such known vehicle electrical systems are, for example, the installation space required by the energy transmission device and its weight, as well as the amount of material and costs required to provide the energy transmission device.

Die Druckschrift DE 10 2019 000 238 A1 betrifft ein Verfahren zum Aufladen einer Batterie eines ersten Bordnetzes, wobei ein Gleichspannungswandler, der zu einem zweiten Bordnetz führt, über einen Umschalter wahlweise mit der Batterie oder mit dem Ausgang einer PFC-Einheit verbunden werden kann.The pamphlet DE 10 2019 000 238 A1 relates to a method for charging a battery of a first vehicle electrical system, wherein a DC voltage converter, which leads to a second vehicle electrical system, can be optionally connected to the battery or to the output of a PFC unit via a switch.

Die Druckschrift DE 11 2016 005 080 T5 beschreibt eine bidirektionale Konversionsvorrichtung, bei der ein AC-Anschluss über die Konversionsvorrichtung mit einer Batterie verbunden ist. Es ergibt sich eine serielle Verknüpfung dieser drei Komponenten, wobei keine weiteren Wahlmöglichkeiten der Verknüpfung bestehen.The pamphlet DE 11 2016 005 080 T5 describes a bidirectional conversion device in which an AC connection is connected to a battery via the conversion device. These three components are linked in series, with no further options for linking.

Die Druckschrift US 2018/0198381 A1 beschreibt eine Schaltung mit galvanischer Trennung, wobei eine H-Brücke galvanisch getrennt von einer weiteren H-Brücke vorgesehen ist. Dies dient zur Versorgung einer Last mittels einer Wechselspannungsquelle über die galvanische Trennung hinweg. Auch hier besteht eine serielle, statische Verknüpfung zwischen den einzelnen Komponenten, die zwischen der Wechselspannungsquelle und der Last bestehen.The pamphlet US 2018/0198381 A1 describes a circuit with galvanic isolation, where an H-bridge is provided galvanically isolated from another H-bridge. This is used to supply a load by means of an AC voltage source across the galvanic isolation. Here, too, there is a serial, static link between the individual components that exist between the AC voltage source and the load.

Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, bei einem Fahrzeugbordnetz der eingangs genannten Art die vorstehenden Nachteile zu beseitigen und einen mit weniger Aufwand verbundenen Weg zur Bewerkstelligung der verschiedenen Betriebsmodi wie insbesondere Lademodus, Entlademodus und Umlademodus aufzuzeigen.It is an object of the present invention to eliminate the above disadvantages in a vehicle electrical system of the type mentioned at the outset and to provide a way of accomplishing the various operating modes such as loading mode, unloading mode and reloading mode, which is less complex.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch ein Fahrzeugbordnetz nach Anspruch 1 bzw. ein Verfahren zum Betreiben eines derartigen Fahrzeugbordnetzes nach Anspruch 7 gelöst. Die abhängigen Ansprüche sind auf vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung gerichtet.According to the invention, this object is achieved by a vehicle electrical system according to claim 1 and a method for operating such a vehicle electrical system according to claim 7. The dependent claims are directed to advantageous developments of the invention.

Das erfindungsgemäße Fahrzeugbordnetz ist dadurch gekennzeichnet, dass die Energieübertragungseinrichtung aufweist:

  • - einen bidirektional betreibbaren Spannungswandler, über den in einer ersten Übertragungsrichtung die Übertragung der elektrischen Energie im Lademodus erfolgt, und in einer zweiten Übertragungsrichtung die Übertragung der elektrischen Energie im Entlademodus und im Umlademodus erfolgt, und
  • - eine Umschalteinrichtung, die dazu ausgebildet ist, den Spannungswandler im Lademodus und im Entlademodus einerseits mit dem Ladeanschluss und andererseits mit dem HV-Bordnetzteil zu verbinden, und im Umlademodus einerseits mit dem HV-Bordnetzteil und andererseits mit dem LV-Bordnetzteil zu verbinden.
The vehicle electrical system according to the invention is characterized in that the energy transmission device has:
  • - A bidirectionally operable voltage converter, via which the electrical energy is transmitted in the charging mode in a first transmission direction, and the transmission of the energy in a second transmission direction electrical energy takes place in the discharge mode and in the transfer mode, and
  • - A switching device which is designed to connect the voltage converter in the charging mode and in the discharging mode on the one hand to the charging connection and on the other hand to the HV on-board power supply, and to connect it to the HV on-board power supply on the one hand and the LV on-board power supply on the other in the charging mode.

Mit der Erfindung können die Funktionen des Lademodus, Entlademodus und Umlademodus vorteilhaft mittels ein und derselben Schaltungseinrichtung, nämlich des bidirektional betreibbaren Spannungswandlers bewerkstelligt werden, der hierfür je nach aktuell benötigtem Modus in einer von zwei möglichen Richtungen (der elektrischen Energieübertragung) zu betreiben ist. Die Erfindung ermöglicht somit eine drastische schaltungstechnische Vereinfachung des Fahrzeugbordnetzes. Die von dem aktuell benötigten Modus abhängende und somit variable korrekte „Anbindung“ des bidirektional betreibbaren Spannungswandlers an die entsprechenden Bordnetzkomponenten (HV-Bordnetzteil, LV-Bordnetzteil, Ladeanschluss) kann hierbei in einfacher Weise mittels der Umschalteinrichtung bewerkstelligt werden.With the invention, the functions of the charging mode, discharging mode and recharging mode can advantageously be achieved by means of one and the same circuit device, namely the bidirectionally operable voltage converter, which is to be operated in one of two possible directions (electrical energy transmission) depending on the currently required mode. The invention thus enables a drastic simplification of the circuitry of the vehicle electrical system. The correct "connection" of the bidirectionally operable voltage converter to the corresponding on-board power supply components (HV on-board power supply, LV on-board power supply, charging connection), which depends on the currently required mode and is therefore variable, can be easily accomplished using the switching device.

Eine im Rahmen der Erfindung bevorzugte Verwendung des Fahrzeugbordnetzes ergibt sich für ein Elektrofahrzeug oder ein (Plug-In-)Hybridfahrzeug, insbesondere z. B. Straßenkraftfahrzeuge dieser Art, bei denen eine elektrische Antriebseinrichtung mit elektrischer Energie aus dem Hochvolt (HV)-Bordnetzteil versorgt wird, wohingegen andere (weniger leistungsstarke) elektrische Verbraucher des Fahrzeuges (wie z. B. Beleuchtungseinrichtungen) aus dem Niedervolt (LV)-Bordnetzteil versorgt werden.A preferred use of the vehicle electrical system within the scope of the invention results for an electric vehicle or a (plug-in) hybrid vehicle, in particular z. B. Road vehicles of this type in which an electrical drive device is supplied with electrical energy from the high-voltage (HV) on-board power supply, whereas other (less powerful) electrical consumers of the vehicle (such as lighting devices) from the low-voltage (LV) - On-board power supply are supplied.

In einer Ausführungsform der Erfindung sind die Begriffe „Hochvolt (HV)-Gleichspannung“ (erste Bordnetzspannung) und „Niedervolt (LV)-Gleichspannung“ (zweite Bordnetzspannung) so zu verstehen, dass die HV-Gleichspannung wesentlich größer ist als die LV-Gleichspannung, z. B. um wenigstens einen Faktor 2, insbesondere um wenigstens einen Faktor 5.In one embodiment of the invention, the terms “high voltage (HV) DC voltage” (first vehicle electrical system voltage) and “low voltage (LV) DC voltage” (second vehicle electrical system voltage) are to be understood to mean that the HV DC voltage is significantly greater than the LV DC voltage , e.g. B. by at least one factor 2 , especially by at least one factor 5 .

In einer Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass die HV-Gleichspannung größer als 60 V ist und die LV-Gleichspannung maximal 60 V beträgt (was z. B. auch einer fachüblichen Definition dieser Begriffe entspricht).In one embodiment of the invention, it is provided that the HV DC voltage is greater than 60 V and the LV DC voltage is a maximum of 60 V (which, for example, also corresponds to a customary definition of these terms).

In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die HV-Gleichspannung größer als 200 V, insbesondere größer als 300 V, und/oder beträgt die LV-Gleichspannung maximal 60 V, insbesondere maximal 30 V.In a preferred embodiment of the invention, the HV direct voltage is greater than 200 V, in particular greater than 300 V, and / or the LV direct voltage is a maximum of 60 V, in particular a maximum of 30 V.

Die Ladestation, an welche das Fahrzeugbordnetz bzw. damit ausgestattete Fahrzeug im Lademodus und im Entlademodus angeschlossen ist, kann als Ladestationsspannung z. B. eine Gleichspannung bereitstellen. In diesem Fall ist bevorzugt, dass das Spannungsniveau der Ladestationsspannung zwischen den Spannungsniveaus der ersten Bordnetzspannung (HV) und der zweiten Bordnetzspannung (LV) liegt.The charging station, to which the vehicle electrical system or vehicle equipped with it is connected in the charging mode and in the discharging mode, can be used as charging station voltage z. B. provide a DC voltage. In this case it is preferred that the voltage level of the charging station voltage is between the voltage levels of the first on-board network voltage ( HV ) and the second vehicle electrical system voltage ( LV ) lies.

Die Ladestation kann als Ladestationsspannung jedoch auch eine (z. B. sinusförmige) Wechselsspannung bereitstellen. In diesem Fall ist bevorzugt, dass das der Scheitelwert der Ladestationsspannung zwischen den Spannungsniveaus der ersten Bordnetzspannung (HV) und der zweiten Bordnetzspannung (LV) liegt. However, the charging station can also provide a (z. B. sinusoidal) alternating voltage as the charging station voltage. In this case it is preferred that the peak value of the charging station voltage between the voltage levels of the first on-board electrical system voltage ( HV ) and the second vehicle electrical system voltage ( LV ) lies.

In einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass als Ladestationsspannung eine sinusförmige 220 V Wechselsspannung verwendet wird.In one embodiment it is provided that a sinusoidal 220 V alternating voltage is used as the charging station voltage.

Der Ladeanschluss zum Anschließen des Fahrzeugbordnetzes an die Ladestation kann insbesondere z. B. von einer elektrischen Steckverbinderkomponente wie z. B. einer Ladebuchse oder einem Ladestecker am Ende eines elektrischen Kabels gebildet sein, wobei ein passende Gegensteckverbinderkomponente von der Ladestation bereitgestellt wird. Im Rahmen der Erfindung soll jedoch nicht ausgeschlossen sein, dass der Ladeanschluss eine fahrzeugseitige Komponente einer Induktivladeeinrichtung darstellt, die nach entsprechender Platzierung des Fahrzeuges durch fahrzeugseitige und ladestationsseitige Komponenten gebildet wird.The charging port for connecting the vehicle electrical system to the charging station can in particular, for. B. from an electrical connector component such. B. a charging socket or a charging plug at the end of an electrical cable, with a matching mating connector component is provided by the charging station. In the context of the invention, however, it should not be ruled out that the charging connection represents a component of an inductive charging device on the vehicle side, which is formed by components on the vehicle side and the charging station side after the vehicle has been positioned accordingly.

In einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass der Spannungswandler eine erste Wandlerseite und eine zweite Wandlerseite aufweist, wobei die Umschalteinrichtung dazu ausgebildet ist, die erste Wandlerseite im Lademodus und im Entlademodus mit dem Ladeanschluss zu verbinden und im Umlademodus mit dem LV-Bordnetzteil zu verbinden. Dies ermöglicht vorteilhaft, dass die zweite Wandlerseite permanent mit dem HV-Bordnetzteil verbunden sein kann.In one embodiment it is provided that the voltage converter has a first converter side and a second converter side, the switching device being designed to connect the first converter side to the charging connection in the charging mode and in the discharging mode and to connect it to the LV on-board power supply unit in the charging mode. This advantageously enables the second converter side to be permanently connected to the HV on-board power supply unit.

Die Begriffe „erste Wandlerseite“ und „zweite Wandlerseite“ bezeichnen hierbei im schaltungstechnischen Sinne die beiden Enden des vom Spannungswandler ausgebildeten Energieübertragungspfades. Insofern könnten diese Seiten auch als Eingangsseite und Ausgangsseite des Spannungswandlers bezeichnet werden, wobei jedoch aufgrund der Bidirektionalität des bei der Erfindung eingesetzten Spannungswandlers die Zuschreibungen „Eingang“ und „Ausgang“ davon abhängen, in welcher der beiden möglichen Übertragungsrichtung die elektrische Energie übertragen wird.The terms “first converter side” and “second converter side” refer to the two ends of the energy transmission path formed by the voltage converter in the circuitry sense. In this respect, these sides could also be referred to as the input side and output side of the voltage converter, but due to the bidirectionality of the voltage converter used in the invention, the assignments “input” and “output” depend on which of the two possible transmission directions the electrical energy is transmitted in.

In einer Ausführungsform ist jede der beiden Wandlerseiten von einem zweipoligen Anschluss (zwei Anschlüsse bzw. zwei Anschlusspunkte) gebildet.In one embodiment, each of the two converter sides is formed by a two-pole connection (two connections or two connection points).

In einer Ausführungsform ist ist die Umschalteinrichtung zweipolig wirkend ausgeführt, d. h. dazu ausgebildet, die zwei Pole eines zweipoligen Anschlusses einer Wandlerseite des Spannungswandlers je nach gefordertem Betriebsmodus entweder mit den zwei Polen des zweipoligen Ladeanschlusses oder mit den zwei Polen des LV-Bordnetzteils zu verbinden.In one embodiment, the switching device is designed to act on two poles, i. H. designed to connect the two poles of a two-pole connection of a converter side of the voltage converter either with the two poles of the two-pole charging connection or with the two poles of the LV on-board power supply, depending on the required operating mode.

In einer anderen Ausführungsform ist ist die Umschalteinrichtung einpolig wirkend ausgeführt, d. h. dazu ausgebildet, nur einen der zwei Pole des betreffenden Anschlusses des Spannungswandlers je nach gefordertem Betriebsmodus mit einem der zwei Pole des Ladeanschlusses oder mit einem der zwei Pole des LV-Bordnetzteils zu verbinden. Die jeweils anderen der zwei Pole des Spannungswandlers, des Ladeanschlusses und des LV-Bordnetzteils können in diesem Fall permanent miteinander verbunden sein.In another embodiment, the changeover device is designed to be single-pole; H. designed to connect only one of the two poles of the relevant connection of the voltage converter to one of the two poles of the charging connection or to one of the two poles of the LV on-board power supply, depending on the required operating mode. The other of the two poles of the voltage converter, the charging connection and the LV on-board power supply unit can be permanently connected to one another in this case.

In einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass der Spannungswandler eine Spannungswandlereinheit aufweist, die in der ersten Übertragungsrichtung betrachtet (also der für den „Lademodus“ tatsächlich eingesetzen Übertragungsrichtung) aufweist:

  • - zwei Eingangsanschlüsse, die über eine jeweilige Drossel mit einem jeweiligen von zwei Brückenzweiganschlüssen einer Vollbrücke verbunden sind,
  • - die genannte Vollbrücke mit vier ansteuerbaren Halbleiterschaltern,
  • - zwei Ausgangsanschlüsse, die mit einem jeweiligen von zwei Vollbrückenversorgungsanschlüssen verbunden sind,
  • - einen Kondensator mit zwei Kondensatoranschlüssen, die mit einem jeweiligen der zwei Ausgangsanschlüsse verbunden sind.
In one embodiment it is provided that the voltage converter has a voltage converter unit which, viewed in the first transmission direction (that is, the transmission direction actually used for the “charging mode”) has:
  • - two input connections, which are connected via a respective choke to a respective one of two bridge branch connections of a full bridge,
  • - the mentioned full bridge with four controllable semiconductor switches,
  • - two output ports connected to a respective one of two full bridge supply ports,
  • a capacitor with two capacitor terminals connected to a respective one of the two output terminals.

Eine solche Spannungswandlereinheit wird nachfolgend auch als „erste Spannungswandlereinheit“ bezeichnet (zur Unterscheidung von einer weiter unten noch beschriebenen „zweiten Spannungswandlereinheit“).Such a voltage converter unit is also referred to below as a “first voltage converter unit” (to distinguish it from a “second voltage converter unit” described below).

Hier sind die Begriffe „Eingangsanschlüsse“ und „Ausgangsanschlüsse“ auf die im „Lademodus“ eingesetzte erste Übertragungsrichtung bezogen zu verstehen, d. h. die Spannungswandlereinheit kann eine an den Eingangsanschlüssen angelegte Spannung wandeln und spannungsgewandelt an den Ausgangsanschlüssen bereitstellen, wobei elektrische Energie von den Eingangsanschlüssen zu den Ausgangsanschlüssen übertragen wird. Bei einem Betrieb der Spannungswandlereinheit im „Entlademodus“ oder im „Umlademodus“ vertauschen die hier lediglich zur einfacheren schaltungstechnischen Beschreibung als „Eingangsanschlüsse“ und „Ausgangsanschlüsse“ bezeichneten Anschlüsse der Spannungswandlereinheit ihre Rollen.Here, the terms “input connections” and “output connections” refer to the first transmission direction used in “charging mode”, i.e. H. the voltage converter unit can convert a voltage applied to the input connections and make it available in a voltage-converted manner at the output connections, electrical energy being transmitted from the input connections to the output connections. When the voltage converter unit is operated in “discharge mode” or in “charge reversal mode”, the connections of the voltage converter unit, which are referred to here as “input connections” and “output connections” merely for the sake of simpler circuitry description, swap their roles.

In einer Ausführungsform sind die Eingangsanschlüsse direkt mit den Drosseln verbunden, d. h. durch einen elektrischen Leiter ohne im Leitungsverlauf angeordnete weitere Schaltungskomponenten.In one embodiment, the input terminals are connected directly to the chokes, i.e. H. by an electrical conductor without further circuit components arranged in the course of the line.

Abweichend davon könnte in jedem dieser Leitungsverläufe jedoch auch wenigstens eine derartige weitere Komponente angeordnet sein, insbesondere z. B. eine resistive (z. B. Strommesswiderstand), induktive oder kapazitive Komponente.Notwithstanding this, however, at least one such further component could also be arranged in each of these line courses, in particular z. B. a resistive (z. B. current measuring resistor), inductive or capacitive component.

In einer Ausführungsform ist im schaltungstechnischen Energieübertragungspfad, der zwischen den Eingangsanschlüssen und den Drosseln verläuft, ein Filter, insbesondere z. B. passives Filter angeordnet, welches z. B. vorteilhaft als so genanntes EMV-Filter ausgebildet sein kann, um eine Übertragung hochfrequenter Störsignale über die Spannungswandlereinheit zu unterdrücken.In one embodiment, a filter, in particular, for example, is in the circuit-related energy transmission path that runs between the input connections and the chokes. B. arranged passive filter, which z. B. can advantageously be designed as a so-called EMC filter to suppress the transmission of high-frequency interference signals via the voltage converter unit.

In einer bevorzugten Ausführungsform sind die beiden Drosseln induktiv miteinander gekoppelt. Zu diesem Zweck können diese z. B. an einem gemeinsam genutzten Magnetflussleitmittel („Kern“) angeordnet sein.In a preferred embodiment, the two chokes are inductively coupled to one another. For this purpose, this z. B. be arranged on a jointly used magnetic flux guide ("core").

In einer Ausführungsform sind die Drosseln direkt mit den Brückenzweiganschlüssen der Vollbrücke verbunden (d. h. durch einen elektrischen Leiter ohne im Leitungsverlauf angeordnete weitere Schaltungskomponenten). Auch an dieser Stelle soll jedoch die Anordnung (wenigstens) einer weiteren Komponente nicht ausgeschlossen sein.In one embodiment, the chokes are connected directly to the bridge arm connections of the full bridge (i.e. by an electrical conductor with no further circuit components arranged in the line). At this point, however, the arrangement of (at least) one further component should not be excluded.

Unter einer „Vollbrücke“, die fachüblich oftmals auch als H-Brücke bezeichnet wird, ist eine Schaltungsanordnung zu verstehen, bei der zwei Reihenschaltungen von widerstandsvariablen Elementen, hier den Halbleiterschaltern, parallel zueinander zwischen zwei Anschlüssen, hier als Vollbrückenversorgungsanschlüsse bezeichnet, verlaufen.A “full bridge”, which is often also referred to as an H-bridge in the art, is a circuit arrangement in which two series connections of variable-resistance elements, here the semiconductor switches, run parallel to one another between two connections, here referred to as full-bridge supply connections.

Je nach eingestelltem Widerstand der vier Elemente bzw. hier den Schaltzuständen (Ein oder Aus) der einzelnen Halbleiterschalter kann mit der Vollbrücke somit z. B. eine zwischen den Versorgungsanschlüssen anliegende Spannung an zwei „Mittelabgriffen“ der Reihenschaltungen (jeweils im Pfad zwischen den zwei Halbleiterschaltern liegend) weitergegeben werden (und zwar mit beliebiger Polarität). Aufgrund der üblichen Bezeichnung „Brückenpfad“ für eine an diesen Mittelabgriffen angeschlossene elektrische Last werden diese Mittelabgriffe hier als Brückenzweiganschlüsse bezeichnet.Depending on the set resistance of the four elements or the switching states (on or off) of the individual semiconductor switches, the full bridge can thus be used, for. For example, a voltage between the supply connections can be passed on to two “center taps” of the series connections (each lying in the path between the two semiconductor switches) (with any polarity). Due to the common name " Bridge path ”for an electrical load connected to these center taps, these center taps are referred to here as bridge arm connections.

Die ansteuerbaren Halbleiterschalter der Vollbrücke sind bevorzugt jeweils als ein Feldeffekttransistor (FET), insbesondere z. B. MOSFET ausgebildet, und paarweise in den jeweiligen Reihenschaltungen bevorzugt direkt miteinander verbunden.The controllable semiconductor switches of the full bridge are preferably each designed as a field effect transistor (FET), in particular z. B. MOSFET, and in pairs in the respective series circuits preferably connected directly to one another.

Die zwei Ausgangsanschlüsse der Spannungswandlereinheit können z. B. direkt mit einem jeweiligen der zwei Vollbrückenversorgungsanschlüsse verbunden sein.The two output terminals of the voltage converter unit can, for. B. be connected directly to a respective one of the two full bridge supply connections.

Im schaltungstechnischen Energieübertragungspfad zwischen den Ausgangsanschlüssen und den Vollbrückenversorgungsanschlüssen könnte z. B. ein Filter, insbesondere z. B. passives EMV-Filter ausgebildet sein.In the circuitry energy transmission path between the output connections and the full bridge supply connections could, for. B. a filter, especially z. B. passive EMC filter.

Schließlich kann die Spannungswandlereinheit einen Kondensator mit zwei Kondensatoranschlüssen aufweisen, die mit einem jeweiligen der zwei Ausgangsanschlüsse verbunden sind. Insbesondere in diesem Fall kann die Spannungswandlereinheit dann im Lademodus besonders vorteilhaft auch ein so genanntes Leistungsfaktorkorrekturfilter (PFC) darstellen bzw. als ein solches eingesetzt werden, um die elektrische Energie ausgehend von der Ladestation bzw. dem Ladeanschluss mit einem Leistungsfaktor von annähernd 1 in das Fahrzeugbordnetz bzw. weiter zum elektrischen HV-Energiespeicher zu übertragen.Finally, the voltage converter unit can have a capacitor with two capacitor connections which are connected to a respective one of the two output connections. In this case in particular, the voltage converter unit can then particularly advantageously represent a so-called power factor correction filter (PFC) in the charging mode or be used as such in order to transfer the electrical energy from the charging station or the charging connection with a power factor of approximately 1 into the vehicle electrical system or to be transmitted further to the electrical HV energy store.

Die vorstehend beschriebene Spannungswandlereinheit könnte im Prinzip als solche bereits den bidirektional betreibbaren Spannungswandler des Fahrzeugbordnetzes bilden, indem z. B. deren Ausgangsanschlüsse permanent an den HV-Bordnetzteil bzw. den elektrischen HV-Energiespeicher angeschlossen werden und deren Eingangsanschlüsse mittels der Umschalteinrichtung je nach gewünschtem Betriebsmodus entweder an den Ladeanschluss (Lade- und Entlademodus) oder an den LV-Bordnetzteil bzw. den elektrischen LV-Energiespeicher (Umlademodus) angeschlossen werden.The voltage converter unit described above could in principle already form the bidirectionally operable voltage converter of the vehicle electrical system by, for. B. their output connections are permanently connected to the HV on-board power supply or the electrical HV energy storage device and their input connections by means of the switching device either to the charging connection (charging and discharging mode) or to the LV on-board power supply or the electrical LV, depending on the desired operating mode -Energy storage (recharging mode) can be connected.

Zu bedenken ist hierbei jedoch, dass in der Praxis zumeist eine galvanische Trennung zwischen den beiden Wandlerseiten wünschenswert ist, der bis hierher beschriebene Aufbau der Spannungswandlereinheit jedoch noch keine solche galvanische Trennung vorsieht, sei es zwischen Ladestation und HV-Bordnetzteil (beim Laden und Entladen) oder zwischen HV-Bordnetzteil und LV-Bordnetzteil (beim Umladen).It should be noted, however, that in practice a galvanic separation between the two converter sides is usually desirable, but the structure of the voltage converter unit described up to this point does not yet provide such galvanic separation, be it between the charging station and the HV on-board power supply unit (during charging and discharging) or between the HV on-board power supply and LV on-board power supply (when reloading).

In einer Ausführungsform, die z. B. insbesondere im Hinblick auf die damit bewerkstelligte galvanische Trennung sehr vorteilhaft ist, weist der Spannungswandler eine Spannungswandlereinheit auf, die in der ersten Übertragungsrichtung betrachtet aufweist:

  • - zwei Eingangsanschlüsse, die (direkt oder indirekt) mit einem jeweiligen von zwei Vollbrückenversorgungsanschlüssen einer ersten Vollbrücke verbunden sind,
  • - die genannte erste Vollbrücke mit vier ansteuerbaren Halbleiterschaltern (z. B. vier FETs),
  • - einen ersten Schwingkreis mit wenigstens einer Drossel und wenigstens einem Kondensator, und mit zwei Schwingkreisanschlüssen, die mit einem jeweiligen von zwei Brückenzweiganschlüssen der ersten Vollbrücke verbunden sind,
  • - einen zweiten Schwingkreis mit wenigstens einer Drossel und wenigstens einem Kondensator, und mit zwei Schwingkreisanschlüssen, die mit einem jeweiligen von zwei Brückenzweiganschlüssen einer zweiten Vollbrücke verbunden sind (direkt oder indirekt),
  • - die genannte zweite Vollbrücke mit vier ansteuerbaren Halbleiterschaltern (z. B. vier FETs),
  • - zwei Ausgangsanschlüsse, die mit einem jeweiligen von zwei Vollbrückenversorgungsanschlüssen der zweiten Vollbrücke verbunden sind,
wobei die Drossel des ersten Schwingkreises induktiv mit der Drossel des zweiten Schwingkreises gekoppelt ist.In one embodiment, e.g. B. is particularly advantageous with regard to the galvanic separation achieved with it, the voltage converter has a voltage converter unit, which, viewed in the first transmission direction, has:
  • - two input connections that are (directly or indirectly) connected to a respective one of two full bridge supply connections of a first full bridge,
  • - the mentioned first full bridge with four controllable semiconductor switches (e.g. four FETs),
  • - A first resonant circuit with at least one choke and at least one capacitor, and with two resonant circuit connections, which are connected to a respective one of two bridge arm connections of the first full bridge,
  • - A second resonant circuit with at least one choke and at least one capacitor, and with two resonant circuit connections, which are connected (directly or indirectly) to a respective one of two bridge arm connections of a second full bridge,
  • - the mentioned second full bridge with four controllable semiconductor switches (e.g. four FETs),
  • - two output connections, which are connected to a respective one of two full bridge supply connections of the second full bridge,
wherein the choke of the first resonant circuit is inductively coupled to the choke of the second resonant circuit.

Eine solche Spannungswandlereinheit wird nachfolgend auch als „zweite Spannungswandlereinheit“ bezeichnet (zur Unter-scheidung von der weiter oben bereits beschriebenen ersten Spannungswandlereinheit).Such a voltage converter unit is also referred to below as a “second voltage converter unit” (to distinguish it from the first voltage converter unit already described above).

In einer Ausführungsform ist jeder der beiden Schwingkreise von einem (die zwei Schwingkreisanschlüsse verbindenden) Schwingkreispfad gebildet, in dessen Verlauf zwei (z. B. unmittelbar aufeinanderfolgende) Drosseln und ein Kondensator angeordnet sind, wobei eine der Drosseln induktiv (mit einer Drossel des anderen Schwingkreises) gekoppelt ist, beispielsweise mit einem gemeinsam genutzten Magnetkern zur Ausbildung eines Transformators.In one embodiment, each of the two resonant circuits is formed by a resonant circuit path (connecting the two resonant circuit connections), in the course of which two (e.g. immediately successive) chokes and a capacitor are arranged, one of the chokes being inductive (with a choke of the other resonant circuit ) is coupled, for example with a shared magnetic core to form a transformer.

In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung weist der Spannungswandler sowohl eine „erste Spannungswandlereinheit“ als auch eine funktional in Reihenschaltung dazu angeordnete „zweite Spannungswandlereinheit“ auf.In a particularly advantageous embodiment of the invention, the voltage converter has both a “first voltage converter unit” and a “second voltage converter unit” arranged functionally in series with it.

Bevorzugt ist hierbei in der ersten Übertragungsrichtung betrachtet zunächst die erste Spannungswandlereinheit und nachfolgend die zweite Spannungswandlereinheit angeordnet.Considered in the first transmission direction, the first is preferred Voltage converter unit and then arranged the second voltage converter unit.

In einer Ausführungsform der Erfindung weist das Fahrzeugbordnetz ferner eine programmgesteuerte Steuereinrichtung zur Ansteuerung der Energieübertragungseinrichtung auf.In one embodiment of the invention, the vehicle electrical system also has a program-controlled control device for activating the energy transmission device.

Diese Ansteuerung der Energieübertragungseinrichtung umfasst hierbei ein Ansteuern der Umschalteinrichtung, so dass damit die einem aktuell geforderten Betriebsmodus entsprechende Verbindung des Spannungswandlers vorgesehen wird (bzw. durch ein Umschalten bewerkstelligt wird).This activation of the energy transmission device includes activation of the switching device so that the connection of the voltage converter corresponding to a currently required operating mode is provided (or is achieved by switching).

Im Falle der Verwendung eines zu seinem Betrieb geeignet anzusteuernden Spannungswandlers, insbesondere z. B. im Hinblick auf eine durch diese Ansteuerung definierte Übertragungsrichtung des (bidirektional betreibbaren) Spannungswandlers, umfasst die Ansteuerung der Energieübertragungseinrichtung darüber hinaus eine solche Ansteuerung des Spannungswandlers.In the case of using a voltage converter suitable for its operation to be controlled, in particular z. B. with regard to a transmission direction of the (bidirectionally operable) voltage converter defined by this activation, the activation of the energy transmission device also includes such activation of the voltage converter.

Dies ist z. B. bei Einsatz eines Spannungswandlers erforderlich, der eine erste und/oder zweite Spannungswandlereinheit der oben beschriebenen Art beinhaltet. In diesem Fall umfasst die Ansteuerung des Spannungswandlers ein Ein- und Ausschalten der betreffenden Halbleiterschalter (z. B. FETs) gemäß einer (für die gewünschte Spannungswandlung) geeigneten Steuerstrategie.This is e.g. B. required when using a voltage converter which includes a first and / or second voltage converter unit of the type described above. In this case, the control of the voltage converter comprises switching the relevant semiconductor switches (for example FETs) on and off in accordance with a control strategy suitable (for the desired voltage conversion).

Die Steuerstrategie kann hierbei in programmgesteuerter Weise mittels der vorerwähnten programmgesteuerten Steuereinrichtung realisiert sein.The control strategy can be implemented in a program-controlled manner by means of the aforementioned program-controlled control device.

Im Falle einer Ansteuerung einer ersten und/oder zweiten Spannungswandlereinheit der oben beschriebenen Art können durch die z. B. durch in der Steuereinrichtung ablaufende Software implementierte Steuerstrategie insbesondere die Schaltzeitpunkte definiert werden, zu denen das Einschalten und Ausschalten jedes der anzusteuernden Halbleiterschalter erfolgen soll.In the case of a control of a first and / or second voltage converter unit of the type described above, the z. For example, the control strategy implemented in the control device can be used to define, in particular, the switching times at which each of the semiconductor switches to be controlled is to be switched on and off.

Gemäß eines weiteren Aspekts der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum Betreiben eines Fahrzeugbordnetzes der hier beschriebenen Art vorgeschlagen, umfassend die Schritte:

  • - Auswählen eines bestimmten Betriebsmodus des Fahrzeugbordnetzes aus mehreren Betriebsmodi, die den Lademodus, den Entlademodus und den Umlademodus umfassen,
  • - Ansteuern der Umschalteinrichtung derart, dass damit die dem ausgewählten Betriebsmodus entsprechende Verbindung des Spannungswandlers vorgesehen wird,
  • - Ansteuern des Spannungswandlers derart, dass damit die dem ausgewählten Betriebsmodus entsprechende Übertragung der elektrischen Energie vorgesehen wird.
According to a further aspect of the present invention, a method for operating a vehicle electrical system of the type described here is proposed, comprising the steps:
  • - Selecting a specific operating mode of the vehicle electrical system from several operating modes, which include the charging mode, the discharging mode and the reloading mode,
  • - Control of the switching device in such a way that the connection of the voltage converter corresponding to the selected operating mode is provided,
  • - Control of the voltage converter in such a way that the transmission of electrical energy corresponding to the selected operating mode is provided.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen weiter beschrieben. Es stellen dar:

  • 1 ein Blockschaltbild eines Fahrzeugbordnetzes nach dem Stand der Technik,
  • 2 ein Blockschaltbild eines Fahrzeugbordnetzes gemäß eines Ausführungsbeispiels,
  • 3 ein Schaltbild einer Spannungswandlereinheit gemäß eines Ausführungsbeispiels, und
  • 4 ein Schaltbild einer Spannungswandlereinheit gemäß eines weiteren Ausführungsbeispiels.
The invention is described further below on the basis of exemplary embodiments with reference to the accompanying drawings. They represent:
  • 1 a block diagram of a vehicle electrical system according to the prior art,
  • 2 a block diagram of a vehicle electrical system according to an embodiment,
  • 3 a circuit diagram of a voltage converter unit according to an embodiment, and
  • 4th a circuit diagram of a voltage converter unit according to a further embodiment.

1 zeigt den Aufbau eines Fahrzeugbordnetzes 1, wie es aus dem Stand der Technik bekannt ist. 1 shows the structure of a vehicle electrical system 1 as is known in the art.

Das Fahrzeugbordnetz 1 weist einen Hochvolt (HV)-Bordnetzteil 10 mit einem elektrischen HV-Energiespeicher 12 (z. B. elektrische Batterie wie z. B. Lithium-Ionen-Akkumulator) zur Bereitstellung einer HV-Gleichspannung HV von z. B. 400 V als eine erste Bordnetzspannung auf.The vehicle electrical system 1 has a high-voltage (HV) on-board power supply 10 with an electrical HV energy store 12th (e.g. electric battery such as lithium-ion accumulator) to provide HV DC voltage HV from Z. B. 400 V as a first vehicle electrical system voltage.

Ferner weist das Fahrzeugbordnetz 1 einen Niedervolt (LV)-Bordnetzteil 20 mit einem elektrischen LV-Energiespeicher 22 (z. B. elektrische Batterie wie z. B. BleiAkkumulator) zur Bereitstellung einer LV-Gleichspannung LV von z. B. 12 V als eine zweite Bordnetzspannung auf.Furthermore, the vehicle electrical system 1 a low-voltage (LV) on-board power supply 20th with an electrical LV energy storage 22nd (e.g. electric battery such as lead accumulator) to provide LV DC voltage LV from Z. B. 12 V as a second vehicle electrical system voltage.

Das Fahrzeugbordnetz 1 weist ferner einen Ladeanschluss 32 zum Anschließen des Fahrzeugbordnetzes 1 an eine (z. B. öffentliche) Ladestation 30 auf.The vehicle electrical system 1 also has a charging port 32 for connecting the vehicle electrical system 1 to a (e.g. public) charging station 30th on.

Die Ladestation 30 stellt hierbei wie in 1 symbolisiert eine Wechselspannung von z. B. 220 V als eine Ladestationsspannung CV bereit, um elektrische Energie von der Ladestation 30 zum Fahrzeugbordnetz 1 oder von dem Fahrzeugbordnetz 1 zur Ladestation 30 übertragen zu können.The charging station 30th as in 1 symbolizes an alternating voltage of z. B. 220 V as a charging station voltage CV ready to get electrical power from the charging station 30th to the vehicle electrical system 1 or from the vehicle electrical system 1 to the charging station 30th to be able to transfer.

Das Fahrzeugbordnetz 1 weist ferner eine Energieübertragungseinrichtung 40, 50 auf, die dazu ausgebildet ist,

  • - in einem Lademodus die Ladestationsspannung CV in die HV-Bordnetzspannung HV zu wandeln und damit elektrische Energie von der Ladestation 30 zum elektrischen HV-Energiespeicher 12 zu übertragen,
  • - in einem Entlademodus die HV-Bordnetzspannung HV in die Ladestationsspannung CV zu wandeln und damit elektrische Energie vom elektrischen HV-Energiespeicher 12 zur Ladestation 30 zu übertragen, und
  • - in einem Umlademodus die HV-Bordnetzspannung HV in die LV-Bordnetzspannung LV zu wandeln und damit elektrische Energie vom elektrischen HV-Energiespeicher 12 zum elektrischen LV-Energiespeicher 22 zu übertragen.
The vehicle electrical system 1 furthermore has an energy transmission device 40 , 50 who is trained to
  • - in a charging mode, the charging station voltage CV into the HV vehicle electrical system voltage HV to convert and thus electrical energy from the charging station 30th for electrical HV energy storage 12th transferred to,
  • - in a discharge mode, the HV vehicle electrical system voltage HV into the charging station voltage CV to convert and thus electrical energy from the electrical HV energy storage 12th to the charging station 30th to transfer, and
  • - the HV vehicle electrical system voltage in a recharging mode HV into the LV vehicle electrical system voltage LV to convert and thus electrical energy from the electrical HV energy storage 12th to electrical LV energy storage 22nd transferred to.

Bei der in 1 gezeigten herkömmlichen Energieübertragungseinrichtung 40, 50 wird ein spezielles „Bordladegerät“ (OBC) 40 zum Laden des HV-Energiespeichers 12 mit elektrischer Energie aus der Ladestation 30 eingesetzt.At the in 1 conventional energy transmission device shown 40 , 50 a special "on-board charger" (OBC) 40 for charging the HV energy store 12th with electrical energy from the charging station 30th used.

Das Bordladegerät 40 weist wie in 1 dargestellt zwei Stufen auf, nämlich eine erste Spannungswandlereinheit 42 und eine zweite Spannungswandlereinheit 44.The on-board charger 40 as in 1 shown two stages, namely a first voltage converter unit 42 and a second voltage converter unit 44 .

Die erste Spannungswandlereinheit 42 besteht wie dargestellt aus einem AC/DC-Wandler samt einem Zwischenkreiskondensator C, wobei die erste Spannungswandlereinheit 42 während des Ladevorganges hierbei gleichzeitig (neben der AC/DC-Wandlung) ein Filter zur Leistungsfaktorkorrektur (PFC) realisiert. Ein so genanntes EMC-Filter ist im Pfadverlauf zwischen dem Ladeanschluss 32 und der Spannungswandlereinheit 42 eingefügt.The first voltage converter unit 42 consists of an AC / DC converter and an intermediate circuit capacitor as shown C. , wherein the first voltage converter unit 42 During the charging process, a filter for power factor correction (PFC) is implemented at the same time (in addition to the AC / DC conversion). A so-called EMC filter is in the path between the charging connection 32 and the voltage converter unit 42 inserted.

Die zweite Spannungswandlereinheit 44 ist ein isolierter (d. h. eine galvanische Trennung vorsehender) DC-DC-Wandler, der wie dargestellt aus einer DC/AC-Wandlerschaltung, einem Transformator, und einer AC/DC-Wandlerschaltung besteht.The second voltage converter unit 44 is an isolated (ie providing galvanic separation) DC-DC converter which, as shown, consists of a DC / AC converter circuit, a transformer and an AC / DC converter circuit.

Im dargestellten Beispiel ist das Bordladegerät 40 bidirektional ausgeführt (wie durch Doppelpfeile in 1 symbolisiert), so dass die Energieübertragung in beiden Richtungen ermöglicht ist, d. h. auch der Entlademodus, oftmals als „Vehicle-to-Grid (V2G)“-Modus bezeichnet, mittels des Bordladegeräts 40 erfolgen kann. Auch weitere Modi wie „Vehicle-to-Device (V2D)“ oder „Vehicle-to-Home (V2H)“ können damit realisiert werden.In the example shown is the on-board charger 40 bidirectional (as indicated by double arrows in 1 symbolized), so that the energy transfer is possible in both directions, ie also the discharge mode, often referred to as "Vehicle-to-Grid (V2G)" mode, using the on-board charger 40 can be done. Other modes such as "Vehicle-to-Device (V2D)" or "Vehicle-to-Home (V2H)" can also be implemented with it.

Zum „Umladen“, d. h. zum Laden der LV-Batterie 22 mittels elektrischer Energie aus der HV-Batterie 12, weist die Energieübertragungseinrichtung 40, 50 außerdem einen dedizierten DC/DC-Wandler 50 auf.For "reloading", ie for charging the LV battery 22nd by means of electrical energy from the HV battery 12th , has the energy transmission device 40 , 50 also a dedicated DC / DC converter 50 on.

Der DC/DC-Wandler 50 ist ein isolierter DC-DC-Wandler, der wie dargestellt aus einer DC/AC-Wandlerschaltung, einem Transformator, und einer AC/DC-Wandlerschaltung besteht.The DC / DC converter 50 is an isolated DC-DC converter, which consists of a DC / AC converter circuit, a transformer, and an AC / DC converter circuit as shown.

Bei der nachfolgenden Beschreibung von weiteren Ausführungsbeispielen werden für gleichwirkende Komponenten die gleichen Bezugszeichen verwendet. Dabei wird im Wesentlichen nur auf die Unterschiede zu dem bzw. den bereits beschriebenen Ausführungsbeispielen eingegangen und im Übrigen hiermit ausdrücklich auf die Beschreibung vorangegangener Ausführungsbeispiele verwiesen.In the following description of further exemplary embodiments, the same reference symbols are used for components with the same effect. Essentially, only the differences from the exemplary embodiment (s) already described are discussed, and reference is hereby expressly made to the description of previous exemplary embodiments.

2 zeigt ein erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel eines Fahrzeugbordnetzes 1, aufweisend einen HV-Bordnetzteil 10 mit einem elektrischen HV-Energiespeicher 12 (z. B. Batterie) zur Bereitstellung einer HV-Gleichspannung HV als eine erste Bordnetzspannung, und einen LV-Bordnetzteil 20 mit einem elektrischen LV-Energiespeicher 22 (z. B. Batterie) zur Bereitstellung einer LV-Gleichspannung LV als eine zweite Bordnetzspannung, sowie einen Ladeanschluss 32 zum Anschließen des Fahrzeugbordnetzes 1 an eine Ladestation 30. Insoweit unterscheidet sich das in 2 gezeigte Fahrzeugbordnetz 1 nicht von dem mit Bezug auf 1 gezeigten Beispiel. 2 shows an embodiment of a vehicle electrical system according to the invention 1 , having a HV on-board power supply unit 10 with an electrical HV energy store 12th (e.g. battery) to provide HV DC voltage HV as a first vehicle electrical system voltage, and an LV vehicle electrical system part 20th with an electrical LV energy storage 22nd (e.g. battery) to provide LV DC voltage LV as a second vehicle electrical system voltage, as well as a charging connection 32 for connecting the vehicle electrical system 1 to a charging station 30th . In this respect, it differs in 2 Vehicle electrical system shown 1 not from the one related to 1 shown example.

Im Unterschied zur herkömmlichen Gestaltung ist bei dem in 2 gezeigten Beispiel jedoch zur Bewerkstelligung der erforderlichen Energieübertragungen beim Laden, Entladen und Umladen eine gemeinsam genutzte Energieübertragungseinrichtung 60 vorgesehen, wodurch sich vorteilhaft eine drastische schaltungstechnische Vereinfachung ergibt.In contrast to the conventional design, the in 2 shown example, however, a jointly used energy transmission device to accomplish the necessary energy transfers during charging, discharging and reloading 60 provided, which advantageously results in a drastic simplification of the circuitry.

Die Energieübertragungseinrichtung 60 wird von einer ersten Spannungswandlereinheit 62, einer zweiten Spannungswandlereinheit 64 und einem Umschalter 66 gebildet.The energy transmission device 60 is from a first voltage converter unit 62 , a second voltage converter unit 64 and a switch 66 educated.

Die erste Spannungswandlereinheit 62 kann hierbei z. B. so wie die Spannungswandlereinheit 42 des herkömmlichen Beispiels (1) einen AC/DC-Wandler und einen Zwischenkreiskondensator C aufweisen und während des Ladevorganges gleichzeitig ein Filter PFC zur Leistungsfaktorkorrektur (PFC) realisieren.The first voltage converter unit 62 can here z. B. as well as the voltage converter unit 42 of the conventional example ( 1 ) an AC / DC converter and an intermediate circuit capacitor C. and at the same time implement a PFC filter for power factor correction (PFC) during the charging process.

Ein EMC-Filter EMC ist im Beispiel von 2 ebenfalls vorgesehen, jedoch vorteilhaft an einer im Energieübertragungspfad zwischen dem Ladeanschluss 32 und dem Umschalter 66 gelegenen Stelle.An EMC filter EMC is in the example of 2 also provided, but advantageously on one in the energy transmission path between the charging connection 32 and the switch 66 located place.

Die zweite Spannungswandlereinheit 64 kann ebenfalls z. B. so wie die Spannungswandlereinheit 44 des herkömmlichen Beispiels (1) einen isolierten DC-DC-Wandler aufweisen bzw. aus einem solchen bestehen, der wie dargestellt aus einer DC/AC-Wandlerschaltung, einem Transformator, und einer AC/DC-Wandlerschaltung gebildet ist.The second voltage converter unit 64 can also z. B. as well as the voltage converter unit 44 of the conventional example ( 1 ) have or consist of an isolated DC-DC converter which, as shown, is formed from a DC / AC converter circuit, a transformer and an AC / DC converter circuit.

Die Energieübertragungseinrichtung 60 weist demnach den bidirektional betreibbaren Spannungswandler 62, 64 auf, über den in einer ersten Übertragungsrichtung (in 2 von links nach rechts) die Übertragung der elektrischen Energie im Lademodus erfolgt, und in einer zweiten Übertragungsrichtung (in 2 von rechts nach links) die Übertragung der elektrischen Energie im Entlademodus und im Umlademodus erfolgt.The energy transmission device 60 accordingly has the bidirectional voltage converter 62 , 64 via which in a first transmission direction (in 2 from left to right) the electrical energy is transferred in charging mode, and in a second transfer direction (in 2 from right to left) the electrical energy is transferred in the discharge mode and in the transfer mode.

Der Umschalter 66 realisiert eine Umschalteinrichtung, die wie dargestellt dazu ausgebildet ist, den Spannungswandler 62, 64 im Lademodus und im Entlademodus einerseits mit dem Ladeanschluss 32 und andererseits mit dem HV-Bordnetzteil 10 zu verbinden, und im Umlademodus einerseits mit dem HV-Bordnetzteil 10 und andererseits mit dem LV-Bordnetzteil 20 zu verbinden.The switch 66 realizes a switching device, which is designed as shown, the voltage converter 62 , 64 in the charging mode and in the discharging mode on the one hand with the charging connection 32 and on the other hand with the HV on-board power supply 10 to be connected, and in reloading mode on the one hand with the HV on-board power supply 10 and on the other hand to connect to the LV on-board power supply 20.

Vorteilhaft ist ein dedizierter DC/DC-Wandler (vgl. Wandler 50 in 1) zum Umladen entbehrlich, da diese Funktionalität im Beispiel von 2 mittels der Spannungswandlereinheiten 62 und 64 in Verbindung mit dem Umschalter 66 realisiert wird.A dedicated DC / DC converter is advantageous (see converter 50 in 1 ) is not necessary for reloading, since this functionality is in the example of 2 by means of the voltage converter units 62 and 64 in connection with the switch 66 is realized.

In 2 ist ferner eine programmgesteuerte Steuereinrichtung 80 (z. B. Mikrocontroller) zur Ansteuerung der Energieübertragungseinrichtung 60 eingezeichnet. Die Ansteuerung ist in 2 durch gestrichelte Linien symbolisiert.In 2 is also a program-controlled control device 80 (e.g. microcontroller) to control the energy transmission device 60 drawn. The control is in 2 symbolized by dashed lines.

Mittels der Steuereinrichtung 80 kann ein Verfahren zum Betreiben des Fahrzeugbordnetzes 1 erfolgen, umfassend die Schritte:

  • - Auswählen eines bestimmten Betriebsmodus des Fahr-zeugbordnetzes aus den Betriebsmodi Lademodus, Entlademodus und Umlademodus,
  • - Ansteuern des Umschalters 66 derart, dass damit die dem ausgewählten Betriebsmodus entsprechende Verbindung des Spannungswandlers 62, 64 vorgesehen wird, und
  • - Ansteuern des Spannungswandlers 62, 64 derart, dass damit die dem ausgewählten Betriebsmodus entsprechende Übertragung der elektrischen Energie vorgesehen wird.
By means of the control device 80 can be a method for operating the vehicle electrical system 1 take place, comprising the steps:
  • - Selection of a certain operating mode of the vehicle electrical system from the operating modes of loading mode, unloading mode and reloading mode,
  • - Actuation of the switch 66 such that the connection of the voltage converter corresponding to the selected operating mode 62 , 64 is provided, and
  • - Control of the voltage converter 62 , 64 in such a way that the transmission of electrical energy corresponding to the selected operating mode is provided.

Nachfolgend werden mit Bezug auf die 3 und 4 beispielhafte schaltungstechnische Ausgestaltungen der in 2 schematisch eingezeichneten ersten und zweiten Spannungswandlereinheiten 62 und 64 erläutert.With reference to the 3 and 4th exemplary circuit configurations of the in 2 schematically drawn first and second voltage converter units 62 and 64 explained.

3 zeigt ein Schaltbild der Spannungswandlereinheit 62, aufweisend zwei Eingangsanschlüsse (in der Figur links), die über eine jeweilige Drossel L1 bzw. L2 mit einem jeweiligen von zwei Brückenzweiganschlüssen einer Vollbrücke verbunden sind, die von vier ansteuerbaren Halbleiterschaltern, hier in Form von FETs S1 bis S4 gebildet ist, zwei Ausgangsanschlüsse (in der Figur rechts), die mit einem jeweiligen von zwei Vollbrückenversorgungsanschlüssen verbunden sind, und einen Kondensator C mit zwei Kondensatoranschlüssen, die mit einem jeweiligen der zwei Ausgangsanschlüsse verbunden sind. 3 shows a circuit diagram of the voltage converter unit 62 , having two input connections (on the left in the figure), which have a respective throttle L1 or. L2 are connected to each of two bridge branch connections of a full bridge, that of four controllable semiconductor switches, here in the form of FETs S1 to S4 is formed, two output terminals (on the right in the figure), which are connected to a respective one of two full bridge supply terminals, and a capacitor C. with two capacitor terminals connected to a respective one of the two output terminals.

Die Bezeichnungen „Eingangsanschlüsse“ und „Ausgangsanschlüsse“ für die beiden Wandlerseiten sind bezogen auf den Betrieb der bidirektional betreibbaren Spannungswandlereinheit 62 in der „ersten Übertragungsrichtung“ (in der Figur von links nach rechts), die erfindungsgemäß für den Lademodus vorgesehen ist.The terms “input connections” and “output connections” for the two converter sides refer to the operation of the bidirectional voltage converter unit 62 in the “first transmission direction” (from left to right in the figure), which according to the invention is provided for the charging mode.

In diesem Fall arbeitet die Spannungswandlereinheit 62 als AC/DC-Wandler (Gleichrichter), und zwar bevorzugt aufwärtswandelnd, so dass die ausgegebene DC-Spannung größer ist als der Scheitelwert der zugeführten AC-Spannung. Im Beispiel erfolgt eine Wandlung von 220 V Wechselspannung auf 400 V Gleichspannung.In this case the voltage converter unit works 62 as AC / DC converter (rectifier), preferably up-converting, so that the output DC voltage is greater than the peak value of the supplied AC voltage. In the example there is a conversion from 220 V AC to 400 V DC.

Falls die Spannungswandlereinheit 62 jedoch in der „zweiten Übertragungsrichtung“ (in der Figur von rechts nach links) betrieben wird, was erfindungsgemäß für den Entlademodus und den Umlademodus vorgesehen ist, so vertauschen die „Eingangsanschlüsse“ und „Ausgangsanschlüsse“ gewissermaßen ihre Rollen, d. h. die zu wandelnde Spannung wird an den „Ausgangsanschlüssen“ (rechts) zugeführt und die spannungsgewandelte Spannung an den „Eingangsanschlüssen“ (links) abgegeben.If the voltage converter unit 62 however, if the "second transmission direction" is operated (from right to left in the figure), which is provided according to the invention for the discharge mode and the charge transfer mode, the "input connections" and "output connections" to a certain extent swap their roles, ie the voltage to be converted becomes at the "output connections" (right) and the voltage-converted voltage is output at the "input connections" (left).

Die Eingangsanschlüsse stellen eine erste Wandlerseite und die Ausgangsanschlüsse eine zweite Wandlerseite dar, wobei der Umschalter 66 ( 2) von der Steuereinrichtung so angesteuert wird, dass die erste Wandlerseite im Lademodus und im Entlademodus mit dem Ladeanschluss 32 verbunden wird (bzw. bleibt) und im Umlademodus mit dem LV-Bordnetzteil 20 verbunden wird (bzw. verbunden bleibt). Die zweite Wandlerseite kann hierbei permanent mit dem HV-Bordnetzteil 10 verbunden bleiben.The input connections represent a first transducer side and the output connections represent a second transducer side, the changeover switch 66 ( 2 ) is controlled by the control device in such a way that the first converter side is connected to the charging connection in the charging mode and in the discharging mode 32 is connected (or remains) and in reloading mode with the LV on-board power supply 20th connected (or remains connected). The second converter side can permanently connect to the HV on-board power supply 10 stay connected.

Im Falle der Energieübertragung in der zweiten Übertragungsrichtung (in 3 von rechts nach links) sind zwei Unterfälle zu unterscheiden, nämlich zum einen der Betrieb im Entlademodus und zum anderen der Betrieb im Umlademodus.In the case of energy transmission in the second transmission direction (in 3 from right to left), a distinction must be made between two sub-cases, namely on the one hand operation in the unloading mode and on the other hand operation in transfer mode.

Im Entlademodus arbeitet die Spannungswandlereinheit 62 als DC/AC-Wandler (Wechselrichter), und zwar bevorzugt abwärtswandelnd, so dass der Scheitelwert der ausgegebenen AC-Spannung kleiner ist als die zugeführte DC-Spannung. Im Beispiel erfolgt eine Wandlung von 400 V Gleichspannung auf 220 V (50 Hz) Wechselspannung.The voltage converter unit works in the discharge mode 62 as a DC / AC converter (inverter), preferably down-converting, so that the peak value of the output AC voltage is smaller than the supplied DC voltage. In the example there is a conversion from 400 V direct voltage to 220 V (50 Hz) alternating voltage.

Im Umlademodus arbeitet die Spannungswandlereinheit 62 als DC/DC-Wandler (Gleichspannungswandler), und zwar bevorzugt abwärtswandelnd, so dass die ausgegebene DC-Spannung kleiner ist als die zugeführte DC-Spannung. Im Beispiel erfolgt eine Wandlung von 400 V Gleichspannung auf 12 V Gleichspannung. Die im Lademodus auch als PFC-Stufe dienende AC/DC-Spannungswandlereinheit 62 wird im Umlademodus somit als DC/DC-Abwärtswandler verwendet, um HV auf LV zu wandeln.The voltage converter unit works in recharging mode 62 as a DC / DC converter (DC voltage converter), preferably down-converting, so that the output DC voltage is lower than the supplied DC voltage. In the example there is a conversion from 400 V direct voltage to 12 V direct voltage. The AC / DC voltage converter unit, which also serves as a PFC stage in charging mode 62 is thus used as a DC / DC step-down converter in recharging mode HV on LV to walk.

4 zeigt den Aufbau der Spannungswandlereinheit 64, aufweisend

  • - zwei Eingangsanschlüsse (in der Figur links), die mit einem jeweiligen von zwei Vollbrückenversorgungsanschlüssen einer ersten Vollbrücke verbunden sind, die von vier FETs Si1 bis Si4 gebildet ist,
  • - einen ersten Schwingkreis Lr1, Lt1, Cr1 mit zwei Drosseln Lr1, Lm, Lt1 und einem Kondensator Cr1, und mit zwei Schwingkreisanschlüssen, die mit einem jeweiligen von zwei Brückenzweiganschlüssen der ersten Vollbrücke verbunden sind (Lm in 4 repräsentiert eine Magnetisierungsinduktivität eines aus Lt1 und Lt2 gebildeten Transformators),
  • - einen zweiten Schwingkreis Lr2, Lt2, Cr2 mit zwei Drosseln Lr2, Lt2 und einem Kondensator Cr2, und mit zwei Schwingkreisanschlüssen, die mit einem jeweiligen von zwei Brückenzweiganschlüssen einer zweiten Vollbrücke verbunden sind, die von vier FETs So1 bis So4 gebildet ist,
  • - zwei Ausgangsanschlüsse (in der Figur rechts), die mit einem jeweiligen von zwei Vollbrückenversorgungsanschlüssen der zweiten Vollbrücke verbunden sind,
wobei die Drossel Lt1 des ersten Schwingkreises induktiv und unter Einsatz eines Magnetleitmittels (z. B. Eisenkern) mit der Drossel Lt2 des zweiten Schwingkreises gekoppelt ist, so dass diese Drosseln funktional betrachtet einen Transformator ausbilden. 4th shows the structure of the voltage converter unit 64 , having
  • two input terminals (on the left in the figure) which are connected to a respective one of two full bridge supply terminals of a first full bridge, that of four FETs Si1 to Si4 is formed
  • - a first resonant circuit Lr1 , Lt1 , Cr1 with two chokes Lr1 , Lm , Lt1 and a capacitor Cr1 , and with two resonant circuit connections which are connected to a respective one of two bridge arm connections of the first full bridge ( Lm in 4th represents a magnetizing inductance of an off Lt1 and Lt2 formed transformer),
  • - a second resonant circuit Lr2 , Lt2 , Cr2 with two chokes Lr2 , Lt2 and a capacitor Cr2 , and with two resonant circuit connections which are connected to a respective one of two bridge arm connections of a second full bridge, those of four FETs So1 to So4 is formed
  • - two output connections (on the right in the figure), which are connected to a respective one of two full bridge supply connections of the second full bridge,
being the throttle Lt1 of the first resonant circuit inductively and using a magnetic conductor (e.g. iron core) with the choke Lt2 of the second resonant circuit is coupled so that these chokes form a transformer from a functional point of view.

Die Bezeichnungen Eingangsanschlüsse und Ausgangsanschlüsse für die beiden Wandlerseiten sind wieder bezogen auf den Betrieb der Spannungswandlereinheit 64 in der ersten Übertragungsrichtung (in 4 von links nach rechts), die erfindungsgemäß für den Lademodus vorgesehen ist. Falls die Spannungswandlereinheit 64 in der zweiten Übertragungsrichtung (in der Figur von rechts nach links) betrieben wird (Ent-Iademodus und Umlademodus), so vertauschen die Eingangsanschlüsse und Ausgangsanschlüsse wieder gewissermaßen ihre Rollen.The designations input connections and output connections for the two converter sides are again related to the operation of the voltage converter unit 64 in the first transmission direction (in 4th from left to right), which is provided according to the invention for the charging mode. If the voltage converter unit 64 is operated in the second transmission direction (from right to left in the figure) (unloading mode and reloading mode), the input connections and output connections again to a certain extent swap their roles.

Die Eingangsanschlüsse stellen eine erste Wandlerseite und die Ausgangsanschlüsse eine zweite Wandlerseite dar, wobei im Verwendungsfall gemäß 2 die erste Wandlerseite der Spannungswandlereinheit 64 mit der zweiten Wandlerseite der Spannungswandlereinheit 62 verbunden ist und die zweite Wandlerseite der Spannungswandlereinheit 64 mit dem HV-Bordnetzteil 10 verbunden ist.The input connections represent a first transducer side and the output connections represent a second transducer side, in which case according to FIG 2 the first converter side of the voltage converter unit 64 with the second converter side of the voltage converter unit 62 is connected and the second converter side of the voltage converter unit 64 with the HV on-board power supply 10 connected is.

Die Spannungswandlereinheit 64 arbeitet in beiden möglichen Energieübertragungsrichtungen (erste und zweite Übertragungsrichtung) und somit in allen drei hier relevanten Betriebsmodi (Lademodus, Entlademodus, Umlademodus) als isolierter DC/DC-Wandler, also Gleichspannungswandler mit galvanischer Trennung zwischen den beiden Wandlerseiten, und zwar beispielsweise so, dass die ausgegebene DC-Spannung gleich (bzw. nicht nennenswert abweichend von) der zugeführten DC-Spannung ist. Im Beispiel erfolgt eine Wandlung von 400 V Gleichspannung auf 400 V Gleichspannung.The voltage converter unit 64 works in both possible energy transmission directions (first and second transmission direction) and thus in all three operating modes relevant here (charging mode, discharging mode, recharging mode) as an isolated DC / DC converter, i.e. DC / DC converter with electrical isolation between the two converter sides, for example in such a way that the output DC voltage is the same (or not significantly different from) the supplied DC voltage. In the example there is a conversion from 400 V direct voltage to 400 V direct voltage.

Die Ansteuerung der Spannungswandlereinheit 64 erfolgt so, dass in der ersten Übertragungsrichtung (von links nach rechts) die erste Vollbrücke Si1 bis Si4 als Wechselrichter zur Bestromung des erwähnten Transformators angesteuert wird und die zweite Vollbrücke So1 bis So4 als Gleichrichter zur Gleichrichtung eines auf der anderen Seite des Transformators in Verbindung mit dem zweiten Schwingkreis erzeugten Wechselstromes angesteuert wird.The control of the voltage converter unit 64 takes place so that in the first transmission direction (from left to right) the first full bridge Si1 to Si4 is controlled as an inverter to energize the transformer mentioned and the second full bridge So1 to So4 is controlled as a rectifier for rectifying an alternating current generated on the other side of the transformer in connection with the second resonant circuit.

Im Hinblick auf eine möglichst effiziente Energieübertragung bilden die beiden Schwingkreise samt Transformator ein resonantes Netzwerk. Bevorzugt erfolgt dessen Anregung (z. B. durch paarweise komplementäres Ein- und Ausschalten der FETs Si1 bis Si4) mit einer Frequenz (Resonanzfrequenz), die mindestens 100 kHz oder sogar mindestens 200 kHz beträgt. Andererseits ist für viele Anwendungen vorteilhaft, wenn diese Frequenz maximal 2 MHz, insbesondere maximal 1 MHz beträgt.With a view to the most efficient energy transfer possible, the two oscillating circuits including the transformer form a resonant network. It is preferably excited (e.g. by switching the FETs on and off in complementary pairs Si1 to Si4 ) with a frequency (resonance frequency) that is at least 100 kHz or even at least 200 kHz. On the other hand, it is advantageous for many applications if this frequency is a maximum of 2 MHz, in particular a maximum of 1 MHz.

Ein besonderer Vorteil der Verwendung einer Konfiguration wie mit dem Spannungswandlereinheit 64 realisiert besteht jedoch darin, dass damit gewünschtenfalls auch eine Gleichspannungsaufwärts- oder -abwärtswandlung (ebenfalls mit galvanischer Trennung) bewerkstelligt werden kann, bei der also die ausgegebene DC-Spannung von der zugeführten DC-Spannung abweicht. Eine dies realisierende Ansteuerung kann für bestimmte Anwendungsfälle, oder bestimmte Betriebszustände des betreffenden Fahrzeugbordnetzes, von Nutzen sein.A particular advantage of using a configuration like that with the voltage converter unit 64 realized, however, is that, if desired, a DC voltage upward or downward conversion (also with galvanic isolation) can be accomplished with it, in which the output DC voltage deviates from the supplied DC voltage. A control that realizes this can be useful for specific applications or specific operating states of the relevant vehicle electrical system.

Zusammenfassend ist bei den beschriebenen Ausführungsbeispielen sowohl das herkömmliche Bordladegerät (OBC) als auch das herkömmliche „Umladegerät“ (LV-DC/DC-Wandler) in einem Wandler (60) integriert. Dieser bidirektionale Wandler kann vorteilhaft verwendet werden, um einen elektrischen HV-Energiespeicher via Ladestation aus dem öffentlichen Netz zu laden und auch um elektrische Energie zurück ins Netz zu speisen (oder in ein mit elektrischem Energiespeicher ausgestattetes Haus, Gerät, Fahrzeug etc.), und auch um einen LV-Energiespeicher aus dem HV-Energiespeicher zu laden (Umlademodus). Es kann vorteilhaft z. B. ein einfacher Schalter (z. B. als Halbleiterschalter wie FET etc. ausgebildet) verwendet werden, um abhängig vom Betriebsmodus ein Anschließen/Trennen des Wandlers an die und von der Ladestation (bzw. „Grid“, oder sonstige elektrische Einrichtung) bzw. an den und von dem LV-Energiespeicher zu realisieren. Vorteilhaft können herkömmliche OBC-Komponenten weiterverwendet bzw. in ihrer Funktionalität erheblich verbessert werden (zusätzliche Verwendung zum Laden/Nachladen einer LV-Batterie). Dies führt zu großen Einsparungen hinsichtlich der bisherigen Kosten des LV-DC/DC-Wandlers, sowie beim Volumen und beim Gewicht.In summary, both the conventional on-board charger (OBC) and the conventional "recharging device" (LV-DC / DC converter) are in one converter ( 60 ) integrated. This bidirectional converter can be used to advantage to charge an electrical HV energy storage device from the public grid via a charging station and also to feed electrical energy back into the grid (or in a house, device, vehicle, etc. equipped with an electrical energy storage device), and also to charge a LV energy store from the HV energy store (recharging mode). It can be advantageous e.g. B. a simple switch (z. B. as a semiconductor switch such as FET etc.) can be used to connect / disconnect the converter to and from the charging station (or "grid", or other electrical device) or depending on the operating mode to realize to and from the LV energy storage. Conventional OBC components can advantageously continue to be used or their functionality can be significantly improved (additional use for charging / recharging an LV battery). This leads to great savings in terms of the previous costs of the LV DC / DC converter, as well as in terms of volume and weight.

BezugszeichenlisteList of reference symbols

11
FahrzeugbordnetzVehicle electrical system
1010
HV (Hochvolt)-BordnetzteilHV (high voltage) on-board power supply
1212
HV-EnergiespeicherHV energy storage
HVHV
HV-Bordnetzspannung (erste Bordnetzspannung)HV vehicle electrical system voltage (first vehicle electrical system voltage)
2020th
LV (Niedervolt)-BordnetzteilLV (low voltage) on-board power supply
2222nd
LV-EnergiespeicherLV energy storage
LVLV
LV-Bordnetzspannung (zweite Bordnetzspannung)LV vehicle electrical system voltage (second vehicle electrical system voltage)
3030th
LadestationCharging station
3232
LadeanschlussCharging port
CVCV
LadestationsspannungCharging station voltage
EMCEMC
EMC-FilterEMC filter
4040
Bordladegerät (OBC)Board charger (OBC)
4242
erste Spannungswandlereinheitfirst voltage converter unit
CC.
Kondensatorcapacitor
4444
zweite Spannungswandlereinheitsecond voltage converter unit
5050
DC/DC-Wandler (Bordumladegerät)DC / DC converter (on-board charger)
6060
EnergieübertragungseinrichtungEnergy transmission device
6262
erste Spannungswandlereinheitfirst voltage converter unit
L1L1
Drosselthrottle
L2L2
Drosselthrottle
S1-S4S1-S4
FETsFETs
6464
zweite Spannungswandlereinheitsecond voltage converter unit
Si1-Si4Si1-Si4
FETsFETs
Lr1Lr1
Drosselthrottle
Lt1Lt1
Drosselthrottle
Cr1Cr1
Kondensatorcapacitor
Lr2Lr2
Drosselthrottle
Lt2Lt2
Drosselthrottle
Cr2Cr2
Kondensatorcapacitor
So1-So4So1-So4
FETsFETs
6666
UmschalterToggle switch
8080
SteuereinrichtungControl device

Claims (7)

Fahrzeugbordnetz (1), aufweisend - einen HV-Bordnetzteil (10) mit einem elektrischen HV-Energiespeicher (12) zur Bereitstellung einer HV-Gleichspannung (HV), - einen LV-Bordnetzteil (20) mit einem elektrischen LV-Energiespeicher (22) zur Bereitstellung einer LV-Gleichspannung (LV), - einen Ladeanschluss (32) zum Anschließen des Fahrzeugbordnetzes (1) an eine Ladestation (30), die eine Ladestationsspannung (CV) für ein Übertragen von elektrischer Energie zwischen der Ladestation (30) und dem Fahrzeugbordnetz (1) bereitstellt, - eine Energieübertragungseinrichtung (60), die dazu ausgebildet ist, - in einem Lademodus die Ladestationsspannung (CV) in die HV-Bordnetzspannung (HV) zu wandeln und damit elektrische Energie von der Ladestation (30) zum elektrischen HV-Energiespeicher (12) zu übertragen, - in einem Entlademodus die HV-Bordnetzspannung (HV) in die Ladestationsspannung (CV) zu wandeln und damit elektrische Energie vom elektrischen HV-Energiespeicher (12) zur Ladestation (30) zu übertragen, - in einem Umlademodus die HV-Bordnetzspannung (HV) in die LV-Bordnetzspannung (LV) zu wandeln und damit elektrische Energie vom elektrischen HV-Energiespeicher (12) zum elektrischen LV-Energiespeicher (22) zu übertragen, dadurch gekennzeichnet, dass die Energieübertragungseinrichtung (60) aufweist: - einen bidirektional betreibbaren Spannungswandler (62, 64), über den in einer ersten Übertragungsrichtung die Übertragung der elektrischen Energie im Lademodus erfolgt, und in einer zweiten Übertragungsrichtung die Übertragung der elektrischen Energie im Entlademodus und im Umlademodus erfolgt, - eine Umschalteinrichtung (66), die dazu ausgebildet ist, den Spannungswandler (62, 64) im Lademodus und im Entlademodus einerseits mit dem Ladeanschluss (32) und andererseits mit dem HV-Bordnetzteil (10) zu verbinden, und im Umlademodus einerseits mit dem HV-Bordnetzteil (10) und andererseits mit dem LV-Bordnetzteil (20) zu verbinden.Vehicle electrical system (1), comprising - an HV electrical system part (10) with an electrical HV energy store (12) for providing an HV direct voltage (HV), - an LV electrical system part (20) with an electrical LV energy store (22) for providing a LV DC voltage (LV), - a charging connection (32) for connecting the vehicle electrical system (1) to a charging station (30), which has a charging station voltage (CV) for transferring electrical energy between the charging station (30) and the Vehicle electrical system (1) provides - an energy transmission device (60) which is designed to - convert the charging station voltage (CV) into the HV vehicle electrical system voltage (HV) in a charging mode and thus convert electrical energy from the charging station (30) to the electrical HV - to transfer energy storage (12), - to convert the HV on-board electrical system voltage (HV) into the charging station voltage (CV) in a discharge mode and thus to transfer electrical energy from the electrical HV energy storage device (12) to the charging station (30) - to convert the HV vehicle electrical system voltage (HV) into the LV vehicle electrical system voltage (LV) in a recharging mode and thus transfer electrical energy from the electrical HV energy store (12) to the electrical LV energy store (22), characterized in that the energy transmission device (60) has: - a bidirectionally operable voltage converter (62, 64), via which the electrical energy is transmitted in the charging mode in a first transmission direction, and the electrical energy is transmitted in the discharging mode and in the recharging mode in a second transmission direction, - A switching device (66) which is designed to connect the voltage converter (62, 64) in the charging mode and in the discharging mode, on the one hand, to the charging connection (32) and, on the other hand, to the HV on-board power supply unit (10), and, in the charging mode, to the HV on-board power supply (10) and on the other hand to connect to the LV on-board power supply (20). Fahrzeugbordnetz (1) nach Anspruch 1, wobei der Spannungswandler (62, 64) eine erste Wandlerseite und eine zweite Wandlerseite aufweist, wobei die Umschalteinrichtung (66) dazu ausgebildet ist, die erste Wandlerseite im Lademodus und im Entlademodus mit dem Ladeanschluss (32) zu verbinden und im Umlademodus mit dem LV-Bordnetzteil (20) zu verbinden, und wobei die zweite Wandlerseite mit dem HV-Bordnetzteil (10) verbunden ist.Vehicle electrical system (1) according to Claim 1 , wherein the voltage converter (62, 64) has a first converter side and a second converter side, the switching device (66) being designed to connect the first converter side to the charging connection (32) in the charging mode and in the discharging mode and to the LV in the charging mode -Board power supply (20) to connect, and wherein the second converter side is connected to the HV on-board power supply (10). Fahrzeugbordnetz (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der Spannungswandler (62, 64) eine erste Spannungswandlereinheit (62) aufweist, die in der ersten Übertragungsrichtung betrachtet aufweist: - zwei Eingangsanschlüsse, die über eine jeweilige Drossel (L1, L2) mit einem jeweiligen von zwei Brückenzweiganschlüssen einer Vollbrücke verbunden sind, - die genannte Vollbrücke mit vier ansteuerbaren Halbleiterschaltern (S1 bis S4), - zwei Ausgangsanschlüsse, die mit einem jeweiligen von zwei Vollbrückenversorgungsanschlüssen verbunden sind, - optional einen Kondensator (C) mit zwei Kondensatoranschlüssen, die mit einem jeweiligen der zwei Ausgangsanschlüsse verbunden sind.Vehicle electrical system (1) according to one of the preceding claims, wherein the voltage converter (62, 64) has a first voltage converter unit (62) which, viewed in the first transmission direction, has: - two input connections, which are connected via a respective choke (L1, L2) to a respective one of two bridge branch connections of a full bridge, - the mentioned full bridge with four controllable semiconductor switches (S1 to S4), - two output ports connected to a respective one of two full bridge supply ports, - optionally a capacitor (C) with two capacitor connections which are connected to a respective one of the two output connections. Fahrzeugbordnetz (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der Spannungswandler (62, 64) eine zweite Spannungswandlereinheit (64) aufweist, die in der ersten Übertragungsrichtung betrachtet aufweist: - zwei Eingangsanschlüsse, die mit einem jeweiligen von zwei Vollbrückenversorgungsanschlüssen einer ersten Vollbrücke verbunden sind, - die genannte erste Vollbrücke mit vier ansteuerbaren Halbleiterschaltern (Si1 bis Si4), - einen ersten Schwingkreis (Lr1, Lm, Lt1, Cr1) mit wenigstens einer Drossel (Lr1, Lm, Lt1) und wenigstens einem Kondensator (Cr1), und mit zwei Schwingkreisanschlüssen, die mit einem jeweiligen von zwei Brückenzweiganschlüssen der ersten Vollbrücke verbunden sind, - einen zweiten Schwingkreis (Lr2, Lt2, Cr2) mit wenigstens einer Drossel (Lr2, Lt2) und wenigstens einem Kondensator (Cr2), und mit zwei Schwingkreisanschlüssen, die mit einem jeweiligen von zwei Brückenzweiganschlüssen einer zweiten Vollbrücke verbunden sind, - die genannte zweite Vollbrücke mit vier ansteuerbaren Halbleiterschaltern (So1 bis So4), - zwei Ausgangsanschlüsse, die mit einem jeweiligen von zwei Vollbrückenversorgungsanschlüssen der zweiten Vollbrücke verbunden sind, wobei die Drossel (Lt1) des ersten Schwingkreises induktiv mit der Drossel (Lt2) des zweiten Schwingkreises gekoppelt ist.Vehicle electrical system (1) according to one of the preceding claims, wherein the voltage converter (62, 64) has a second voltage converter unit (64) which, viewed in the first transmission direction, has: - two input connections that are connected to a respective one of two full bridge supply connections of a first full bridge, - the mentioned first full bridge with four controllable semiconductor switches (Si1 to Si4), - A first resonant circuit (Lr1, Lm, Lt1, Cr1) with at least one choke (Lr1, Lm, Lt1) and at least one capacitor (Cr1), and with two resonant circuit connections which are connected to a respective one of two bridge arm connections of the first full bridge, - a second resonant circuit (Lr2, Lt2, Cr2) with at least one choke (Lr2, Lt2) and at least one capacitor (Cr2), and with two resonant circuit connections, which are connected to a respective one of two bridge arm connections of a second full bridge, - the mentioned second full bridge with four controllable semiconductor switches (So1 to So4), - Two output connections which are connected to a respective one of two full bridge supply connections of the second full bridge, the choke (Lt1) of the first resonant circuit being inductively coupled to the choke (Lt2) of the second resonant circuit. Fahrzeugbordnetz (1) mit den Merkmalen der Ansprüche 3 und 4, wobei in der ersten Übertragungsrichtung betrachtet zunächst die erste Spannungswandlereinheit (62) und nachfolgend die zweite Spannungswandlereinheit (64) angeordnet ist.Vehicle electrical system (1) with the features of Claims 3 and 4th , the first voltage converter unit (62) and then the second voltage converter unit (64) being arranged in the first transmission direction. Fahrzeugbordnetz (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, ferner aufweisend eine programmgesteuerte Steuereinrichtung (80) zur Ansteuerung der Energieübertragungseinrichtung (60).Vehicle electrical system (1) according to one of the preceding claims, further comprising a program-controlled control device (80) for controlling the energy transmission device (60). Verfahren zum Betreiben eines Fahrzeugbordnetzes (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, umfassend - Auswählen eines bestimmten Betriebsmodus des Fahrzeugbordnetzes (1) aus mehreren Betriebsmodi, die den Lademodus, den Entlademodus und den Umlademodus umfassen, - Ansteuern der Umschalteinrichtung (66) derart, dass damit die dem ausgewählten Betriebsmodus entsprechende Verbindung des Spannungswandlers (62, 64) vorgesehen wird, - Ansteuern des Spannungswandlers (62, 64) derart, dass damit die dem ausgewählten Betriebsmodus entsprechende Übertragung der elektrischen Energie vorgesehen wird.Method for operating a vehicle electrical system (1) according to one of the preceding claims, comprising - Selecting a specific operating mode of the vehicle electrical system (1) from several operating modes which include the charging mode, the discharging mode and the reloading mode, - controlling the switching device (66) in such a way that the connection of the voltage converter (62, 64) corresponding to the selected operating mode is provided, - Control of the voltage converter (62, 64) in such a way that the transmission of electrical energy corresponding to the selected operating mode is provided.
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