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In Fahrzeugen sind zahlreiche Komponenten vorhanden, die mit elektrischer Energie betrieben werden. Hierzu weist ein Fahrzeug beispielsweise eine 12 Volt oder auch eine 24 Volt Batterie auf, um Komponenten zu betreiben, die mit einer passenden Betriebsspannung betrieben werden können. Jedoch gibt es auch Komponenten wie Traktionsantriebe, Heizelemente oder Klimakompressoren innerhalb des Fahrzeugs, die aufgrund ihrer hohen Leistung eine höhere Nennspannung aufweisen. Fahrzeuge mit derartigen Komponenten weisen daher zusätzlich ein Hochvoltbordnetz auf mit Betriebsspannungen von über 60 Volt, beispielsweise von ca. 400 Volt oder 800 Volt. Es ist bekannt, zur Erhöhung der Redundanz einen Gleichspannungswandler vorzusehen, um so beispielsweise das Niedervoltbordnetzes mit Energie aus dem Hochvoltbordnetz versorgen zu können, oder auch umgekehrt.
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Für Hochvoltbordnetze ist allgemein bekannt, dass etwa beim Betrieb von Invertern von Traktionsantrieben Wechelstromkomponenten und somit Wechselspannungskomponenten auftreten, die mittels eines Glättungskondensators (Zwischenkreiskondensator) verringert werden. Hierzu wird üblicherweise ein eigener Hochvolt-Kondensator verwendet, um so der Nennspannung des Hochvoltbordnetzes zu entsprechend und die erwähnten störenden Wechselspannungskomponenten durch Parallelschalten des Kondensators zu verringern, indem ein Ausgleichsstromfluss zum Kondensator du von diesem weg ermöglicht wird. Wie erwähnt wird hierbei von einem eigenen Glättungskondensator ausgegangen, der ausschließlich zur (passiven) Glättung der Spannung im Hochvoltbordnetz dient.
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Es ist allgemein eine Aufgabe, ein Fahrzeug mit einem Niedervolt- und einem Hochvoltbordnetzzweig kostengünstig auszugestalten.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch die Gegenstände der Ansprüche 1 und 15. Weitere Ausgestaltungen, Ausführungsformen, Merkmale, Eigenschaften und Vorteile ergeben sich mit den Unteransprüchen, der Beschreibung und den Figuren.
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Es wird vorgeschlagen, ein Fahrzeugbordnetz derart auszugestalten, dass Teile des Gleichspannungswandlers, der sich zwischen einem Hochvoltzweig und einem Niedervoltzweig befindet, auch zur aktiven DC-Filterung bzw. Glättung einer Spannungsspitze oder einem Spannungseinbruch (allgemein: Wechselspannungskomponente) in dem Hochvoltbordnetzzweig zu verwenden. Es kann so die Wechselspannungskomponente im Hochvoltbordnetz mit einem bereits vorhandenen Bauteil, nämlich dem Gleichspannungswandler inklusive dessen Schalteinheit verwendet werden. Dadurch kann der Glättungskondensator aktiv betrieben werden, d.h. ein Ausgleichsstromfluss zur zumindest teilweisen Kompensation gesteuert werden. Hierbei wird zur Steuerung des Ausgleichsstromflusses die gleiche Schalteinheit verwendet werden, die auch zum Zerhacken der Gleichspannung im Gleichspannungswandler dient. Mit der zerhackten Gleichspannung wird der Transformator des Gleichspannungswandlers angeregt bzw. betrieben.
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Im Weiteren wird statt des Begriffs „Hochvoltbordnetzzweig“ der Begriff „Hochvoltzweig“ verwendet. In gleicher Weise wird statt des Begriffs „Niedervoltbordnetzzweig“ der Begriff „Niedervoltzweig“ verwendet. Dies dient der Vereinfachung der Beschreibung bzw. der Ansprüche. Mit der Vorsilbe „Hochvolt-“ werden vorzugsweise Komponenten und Abschnitte einer Schaltung bezeichnet, die mit Nennströmen von mindestens 60, 100, 400, 800 oder 1000 Volt arbeiten. Mit der Vorsilbe „Niedervolt“ werden Komponenten und Schaltungsabschnitte bezeichnet, die mit Nennspannungen von nicht mehr als 60 Volt arbeiten, beispielsweise mit Nennspannungen von im Wesentlichen 12 Volt, 48 Volt oder auch 24 Volt.
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Zur Realisierung dessen wird ein Fahrzeugbordnetz mit einem Hochvoltzweig und einem Niedervoltzweig vorgeschlagen. Der Niedervoltzweig ist über die mindestens eine Schalteinheit und mindestens einen Transformator mit dem Hochvoltzweig verbunden. Die mindestens eine Schalteinheit und der mindestens eine Transformator sind Teil eines galvanisch isolierenden Gleichspannungswandlers. Dieser Gleichspannungswandler ist zwischen dem Hochvoltzweig und dem Niedervoltzweig angeschlossen, um so Energie insbesondere vom Hochvoltzweig zum Niedervoltzweig übertragen zu können bei gleichzeitiger (galvanisch trennender) Gleichspannungswandlung. Hierbei dient die Schalteinheit als Chopper bzw. als Zerhacker, um so die Gleichspannung des Hochvoltzweigs in Wechselspannung (getaktete Rechteckspannung) zu wandeln, sodass der Transformator bzw. dessen Primärseite bzw. dessen Primärwicklung(en) angeregt werden können. Dadurch kann mittels des Transformators Energie in den Niedervoltzweig übertragen werden. Die betreffende übertragene Spannung kann in dem Niedervoltzweig mittels eines Gleichrichters, der dem Transformator nachgeschaltet ist, gleichgerichtet werden und mittels eines (weiteren, optionalen) Glättungskondensators seitens des Niedervoltzweigs geglättet werden.
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Das Fahrzeugbordnetz weist neben dem Glättungskondensator eine Steuerung (im Sinne einer Steuervorrichtung bzw. Steuerschaltung) auf. Diese steuert in einem Gleichspannungwandlermodus (kurz: Wandlermodus) die mindestens eine Schalteinheit bzw. den Gleichspannungswandler zur getakteten Gleichspannungswandlung an. Hierzu ist die Steuerung ansteuernd mit der Schalteinheit verbunden. Die Steuerung ist ferner eingerichtet, in einem Aktivglättungsmodus (kurz: Glättungsmodus) die mindestens eine Schalteinheit zur zumindest teilweisen Kompensation einer Wechselspannungskomponente in dem Hochvoltzweig anzusteuern. Die Steuerung ist eingerichtet, mittels der Schalteinheit einen Ausgleichsstrom zwischen Kondensator und Hochvoltzweig zu steuern, insbesondere derart, dass die Wechselspannungskomponente (und somit die betreffende Wechselstromkomponente, die durch Schalten im Hochvoltzweig entsteht) zumindest teilweise kompensiert wird. (Bemerkung: aufgrund des endlichen Leitwerts innerhalb der Spannungsquellen des Hochvoltzweigs wird durch die Verringerung der Wechselstromkomponente auch die betreffende Wechselspannungskomponente reduziert und umgekehrt).
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Es wird zum Glätten die Schalteinheit geschlossen (um so einen Stromfluss zu ermöglichen), wenn die Spannung im Hochvoltzweig durch Stromfluss von oder zu dem Glättungskondensator an eine Soll-Spannung oder an einen Soll-Spannungsbereich angeglichen werden soll. Die Schalteinheit kann ansonsten im Glättungsmodus offen sein. Die aktive Steuerung des Glättungsstroms von oder zu dem Glättungskondensator wird als aktive Gleichstromfilterung (DC-Filterung) bezeichnet, da die Schalteinheit gesteuert wird und somit aktiv in den Stromfluss eingreift. Entsteht somit eine Spannungsspitze im Hochvoltzweig (durch dortige Schaltvorgänge), dann kann die Schalteinheit den Hochvoltzweig mit dem Glättungskondensator verbinden, um so die Spannungsspitze (durch Stromfluss unter Berücksichtigung des endlichen Leitwerts innerhalb des Hochvoltzweigs) zu reduzieren. Gleiches gilt, wenn in dem Hochvoltzweig ein (kurzer) Spannungseinbruch erzeugt wird. Auch hier kann dann die Verbindung über die Schalteinheit mit dem Glättungskondensator hergestellt werden, der während dem Spannungseinbruch die Spannung im Hochvoltzweig unterstützt.
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Vorzugsweise ist ein Umschalter in dem Fahrzeugbordnetz vorgesehen. Dieser verbindet wahlweise die Schalteinheit mit dem Transformator (insbesondere in dem Gleichrichtermodus) oder mit dem Glättungskondensator (insbesondere in dem Glättungsmodus). Die Steuerung ist ansteuernd mit dem Umschalter verbunden. Die Steuerung ist eingerichtet, in dem Wandlermodus den Umschalter derart anzusteuern, dass dieser die Schalteinheit mit dem Transformator verbindet. In dem Wandlermodus kann so die Schalteinheit getaktet betrieben werden und dadurch eine Wechselspannung für den Transformator (aus der Spannung des Hochvoltzweigs) erzeugen. Die Steuerung ist ferner eingerichtet, in dem Glättungsmodus den Umschalter derart anzusteuern, dass dieser die Schalteinheit mit dem Glättungskondensator verbindet, um so zu ermöglichen, dass der Glättungskondensator über die Schalteinheit zur aktiven Gleichspannungsfilterung (das heißt Reduzierung von Wechselspannungskomponenten im Hochvoltzweig) dienen kann. Falls kein Umschalter vorgesehen ist, dann ist die Schalteinheit dauerhaft mit dem Kondensator verbunden (entweder direkt oder über eine Drosselinduktivität). In diesem Fall wirkt der Glättungskondensator in den Niedervoltzweig hinein, insbesondere mit seinem Kapazitätswert multipliziert mit dem Quadrat des Übersetzungsverhältnisses des Transformators ausgehend vom Hochvoltzweig zum Niedervoltzweig hinein.
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Die Schalteinheit kann als eine Halbbrücke mit zwei Transistoren ausgestaltet sein. Die Transistoren sind insbesondere über einen Verbindungspunkt miteinander verbunden. Der Umschalter (falls vorgesehen) verbindet den Verbindungspunkt wahlweise (je nach Ansteuerung durch die Steuerung) mit dem Transformator oder mit dem Glättungskondensator.
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Der Transformator kann eine Primärspule aufweisen, die zwischen dem Umschalter und einem Verbindungspunkt eines kapazitiven Spannungsteilers (des Bordnetzes bzw. Spannungswandlers) geschaltet ist. Der kapazitive Spannungsteiler ist an den Hochvoltzweig angeschlossen. Der kapazitive Spannungsteiler umfasst insbesondere zwei Kondensatoren, die über den Verbindungspunkt miteinander verbunden sind, wobei die sich ergebende Reihenschaltung parallel an den Hochvoltzweig angeschlossen ist. Die beiden Kondensatoren sind vorzugsweise mit gleicher Kapazität ausgebildet. Der kapazitive Spannungsteiler ist somit vorzugsweise ein 1: 1-Spannungsteiler.
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Die Schalteinheit bzw. der Gleichrichter kann einteilig bzw. einphasig ausgebildet sein und beispielsweise eine Halbbrücke mit zwei Transistoren oder zwei Halbbrücken mit jeweils zwei Transistoren aufweisen, wobei die zwei Halbbrücken als Vollbrücke geschaltet sind. Im Falle der Vollbrücke ist eine erste und eine zweite Halbbrücke vorgesehen, wobei die erste Halbbrücke ein Verbindungspunkt aufweist, der über den Umschalter wahlweise mit dem Transformator oder dem Glättungskondensator verbunden werden kann, und wobei die zweite Halbbrücke einen weiteren Verbindungspunkt aufweist, der ebenso mit dem Transformator verbunden ist. Hierbei ist der Transformator bzw. dessen Primärwicklung zwischen den Verbindungspunkten der beiden Halbbrücken der Vollbrücke angeschlossen. Der Transformator liegt dann im Querzweig bzw. Brückenzweig der Vollbrücke. Dies gilt auch für den Umschalter. Auch der Glättungskondensator ist in der Vollbrücke vorgesehen bzw. mit dieser (direkt oder über eine Drosselinduktivität) verbunden.
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Der Gleichspannungswandler kann mehrteilig (d.h. mehrphasig) ausgebildet sein und zwei oder mehr der Schalteinheiten aufweisen. Hierbei sind die Schalteinheiten parallel zum Hochvoltzweig angeschlossen. Die Enden der Reihenschaltung, die sich durch die beiden Transistoren bzw. Schalteinheiten ergibt, sind somit parallel zum Hochvoltzweig angeschlossen. Es kann vorgesehen sein, dass nur ein Teil der Schalteinheiten mit dem Glättungskondensator direkt oder über den Umschalter verbunden ist. Mit anderen Worten kann mindestens eine Phase des Wandlers mit dem Glättungskondensator (und betreffenden Schaltelementen des Umschalters) ausgestattet sein, während mindestens eine andere Phase keine Verbindung keinen Glättungskondensator aufweist. Es kann vorgesehen sein, dass mindestens eine Schalteinheit nicht mit einem Glättungskondensator verbunden ist, sondern nur über ein Schaltelement mit dem Transformator bzw. mit dessen Primärspule. Die Schalteinheit wird hierbei vorzugsweise getaktet betrieben, um so einen Wechselstrom zur Anregung des Transformators zu erzeugen. Es ergibt sich eine Zerhackerschaltung für diese Phase und für diese Phase keine Schaltung, die zur aktiven Dämpfung bzw. Glättung dient.
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Weiterhin kann vorgesehen sein, dass der Gleichspannungswandler mehrteilig ist und zwei oder mehr der Schalteinheiten aufweist, die jedoch seriell geschaltet sind. Diese Schalteinheiten sind als Reihenschaltung miteinander verbunden. Insbesondere sind hierbei die mehreren Halbbrücken in Reihenschaltung miteinander verbunden, wobei diese Reihenschaltung an den Hochvoltzweig angeschlossen ist. Die sich ergebene Reihenschaltung der Schalteinheiten ist an den Hochvoltzweig angeschlossen. Daher können die Halbbrücken seriell miteinander verbunden sein, wobei weitere Ausführungsformen (siehe unter anderem oben) vorsehen, dass diese parallel zueinander angeschlossen sind. Die sich ergebene Reihen- oder Parallelschaltung ist an den Hochvoltzweig angesch lossen .
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Es kann vorgesehen sein, dass die Schalteinheiten, wenn diese mehrfach (insbesondere innerhalb einer Phase) vorliegen über den Glättungskondensator miteinander verbunden sind. Insbesondere sind hierbei die Verbindungspunkte der Halbbrücken, welche in Reihenschaltung miteinander verbunden sind, über den Glättungskondensator (und ggf. über den Umschalter) miteinander verbunden.
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Es kann vorgesehen sein, dass die Schalteinheiten jeweils als eine Halbbrücke mit zwei Transistoren ausgebildet sind, wobei diese zwei Transistoren über einen Verbindungspunkt miteinander verbunden sind. Der Verbindungspunkt einer der Schalteinheiten ist über den Umschalter und den Glättungskondensator mit dem Verbindungspunkt einer anderen der Schalteinheiten verbunden. Es ergibt sich (mindestens) eine Vollbrückenschaltung, bei der der Brückenzweig bzw. Querzweig den Transformator aufweist. Wie erwähnt können hierbei die Transistoren der Halbbrücken und auch die Halbbrücken selbst in Serie miteinander verbunden sein, so dass sich eine mehrphasige Ausführung ergibt, wobei die Phasen in Reihenschaltung an den Hochvoltzweig angeschlossen sind.
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Es kann ferner vorgesehen sein, dass die Schalteinheit als eine Vollbrücke mit zwei Halbbrücken ausgebildet ist. Die Halbbrücken weisen jeweils zwei Transistoren auf, die über einen jeweiligen Verbindungspunkt miteinander verbunden sind. Die Vollbrücke umfasst somit eine erste Halbbrücke und eine zweite Halbbrücke, wobei die erste Halbbrücke einen ersten Verbindungspunkt zwischen den zwei Transistoren der ersten Halbbrücke aufweisen, und die zweite Halbbrücke einen zweiten Verbindungspunkt aufweist, der zwischen den zwei Transistoren der zweiten Halbbrücke besteht. Der Transformator kann hierbei zwischen den Verbindungspunkten der zwei Halbbrücken angeschlossen sein. Der Brückenzweig bzw. Querzweig der Brückenschaltung umfasst somit den Transformator und kann ggf. ferner den Umschalter umfassen, sowie zumindest einen Anschluss des Glättungskondensators, wobei ein weiterer Anschluss des Glättungskondensators mit einem Versorgungspotential des Hochvoltbordnetzes verbunden ist.
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Weiterhin kann vorgesehen sein, dass der Gleichspannungswandler mehrteilig ist und mehrere Vollbrücken aufweist. Hierbei hat der Gleichspannungswandler mehrere Schalteinheiten, wobei diese Schalteinheiten mehrere Vollbrücken ausbilden. Die Vollbrücken weisen jeweils zwei gegenüberliegende Halbbrücken auf. Eine Schalteinheit kann einer Halbbrücke entsprechen. Es kann vorgesehen sein, dass die Vollbrücken parallel miteinander verbunden an den Hochvoltbordnetzzweig angeschlossen sind. Hierbei sind die Enden Halbbrücken, welche jeweils eine der Vollbrücken ausbilden, miteinander verbunden, so dass die Halbbrücken parallel zueinander angeschlossen sind. Die sich ergebende Parallelschaltung ist an den Hochvoltzweig angeschlossen. Auch bei dieser Ausführungsform weist vorzugsweise jede Halbbrücke jeweils zwei Transistoren auf, sodass jede Vollbrücke vier Transistoren aufweist. Bei beispielsweise zwei Vollbrücken ergeben sich somit acht Transistoren, wobei jeweils zwei von diesen in Reihenschaltung miteinander verbunden sind und die Enden dieser Reihenschaltungen an die Versorgungspotentiale des Hochvoltzweigs angeschlossen ist.
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Die Halbbrücken können jeweils zwei Transistoren aufweisen, die über einen Verbindungspunkt miteinander in Reihe verbunden sind. Hierbei ist bei mindestens einer der Vollbrücken, insbesondere bei einer Untergruppe aller Vollbrücken oder bei allen Vollbrücken jeweils der Transformator zwischen den Verbindungspunkten der zwei Halbbrücken der betreffenden Vollbrücke angeschlossen. Alternativ ist jeweils eine Primärwicklung desselben Transformators zwischen den Verbindungspunkten der zwei Halbbrücken der betreffenden Vollbrücke angeschlossen. Somit kann bei der zuletzt genannten Möglichkeit ein einziger Transformator mit mehreren Primärwicklungen verwendet werden, wobei die Primärwicklungen unterschiedlichen Vollbrücken zugeordnet sind und von diesen angeregt werden.
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Bei mindestens einer der Vollbrücken kann der Verbindungspunkt einer der Halbbrücken der betreffenden Vollbrücke über den Umschalter wahlweise mit dem Glättungskondensator oder mit dem Verbindungspunkt der anderen Halbbrücke verbunden sein. Ferner kann vorgesehen sein, dass wiederum bei mindestens einer der Vollbrücken (nämlich bei einer anderen der oben genannten Vollbrücke) nur ein Schaltelement (des Umschalters) vorgesehen ist, welches im Wandlermodus den Transformator zuschaltet und im Glättungsmodus trennt, wobei in dieser Vollbrücke kein Schaltelement (insbesondere des Umschalters) eine zuschaltbare Verbindung zu dem Glättungskondensator vorsieht.
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Es kann allgemein vorgesehen sein, dass dem Glättungskondensator eine Drosselinduktivität in Reihe vorgeschaltet oder nachgeschaltet ist. So kann beispielsweise der Glättungskondensator über die Drosselaktivität mit dem Umschalter, einem anderen Verbindungspunkt einer anderen Halbbrücke oder über jeweils eine Drosselinduktivität mit verschiedenen Verbindungspunkten von verschiedenen Halbbrücken verbunden sein. Das nicht mit dem Umschalter verbundene Ende des Glättungskondensators kann direkt oder über eine Drosselinduktivität mit einem Versorgungspotential des Hochvoltzweigs verbunden sein, etwa mit einem Bezugspotential wie Masse.
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Im Weiteren wird die Verwendung eines Glättungskondensators und einer Schalteinheit innerhalb eines Fahrzeugbordnetzes beschrieben, wie sie das vorangehend erwähnte Fahrzeugbordnetz ermöglicht. Hierbei wird die Schalteinheit eines Gleichspannungswandlers innerhalb eines Fahrzeugbordnetzes nicht nur (üblicherweise) verwendet, um eine Leistung vom Hochvoltzweig in den Niedervoltzweig spannungswandelnd zu übertragen, sondern auch, um eine Wechselspannungskomponente, die durch Schaltvorgänge im Hochvoltzweig entsteht, durch aktiv gesteuerten Stromfluss zu einem Glättungskondensator zu verringern, indem die Schalteinheit (zusammen mit dem Glättungskondensator) zur aktiven Gleichstromfilterung eines Stromrippels (des Hochvoltzweigs) verwendet wird. Hierbei wird die Schalteinheit bei der Gleichspannungswandlung vom Hochvoltzweig in den Niedervoltzweig verwendet, und wird ferner verwendet als Stellglied eines Ausgleichs- bzw Kompensationsstroms zwischen Hochvoltzweig und Glättungskondensator zur Verringerung bzw. im Wesentlichen vollständigen Kondensation einer Wechselspannungskomponente, die im Hochvoltzweig besteht, d.h. zur Steuerung der aktiven Glättung im Glättungsmodus. Das mindestens eine Schaltelement des galvanisch trennenden Gleichspannungswandlers wird somit im Wandlermodus und im Glättungsmodus verwendet. Der Glättungskondensator ist insbesondere nur dann zugeschaltet, wenn die Schalteinheit zur Verringerung der Wechselspannungskomponente im Hochvoltzweig verwendet wird (d.h. im Glättungsmodus). Während der Verringerung der Wechselspannungskomponente im Hochvoltzweig wird die Schalteinheit vorzugsweise nicht dazu verwendet, eine Gleichspannung vom Hochvoltzweig in den Niedervoltzweig (oder umgekehrt) zu übertragen. Ferner wird der Glättungskondensator vorzugsweise nur dann verwendet, wenn die Wechselspannungskomponente des Hochvoltzweigs verringert wird, und nicht, wenn eine Spannung des Hochvoltzweigs in den Niedervoltzweig spannungswandelnd übertragen wird. Dies bezieht sich somit auf die doppelte Nutzung der Schalteinheit sowohl zur Wandlung von Spannung vom Hochvoltbordnetzzweig zum Niedervoltbordnetzzweig, als auch zur aktiven Gleichspannungsdämpfung, das heißt zur Verringerung der Wechselspannungskomponente im Hochvoltzweig, etwa wenn im Hochvoltzweig Schaltvorgänge durchgeführt werden, die eine entsprechende Wechselspannungskomponente (als Störkomponente) erzeugen.
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Der Umschalter umfasst mindestens zwei einzelne Schaltelemente. Ein (erstes) Schaltelement dient zur schaltbaren Verbindung der betreffenden Schalteinheit mit dem Transformator bzw. mit dessen Primärwicklung. Das andere (zweite) Schaltelement des Umschalters dient zur gesteuerten Verbindung des Verbindungspunkts mit dem Glättungskondensator bzw. mit der Drossel, die zu dem Glättungskondensator führt. Das erstgenannte Schaltelement, welches den Verbindungspunkt mit dem Transformator bzw. mit dessen Primärwicklung verbindet, dient zur Übertragung der Gleichspannung des Hochvoltzweigs, welche von der Schalteinheit zerhackt wurde, an den Transformator. Der Umschalter umfasst somit zwei unterschiedlich geschaltete Schaltelemente, wobei das erstgenannte Schaltelement, welches den Verbindungspunkt mit dem Transformator verbindet, geschlossen ist, wenn der Wandlermodus vorgesehen ist, und somit zum Leiten einer zerhackten Spannung an den Transformator dient. Im Glättungsmodus ist dieses Schaltelement vorzugsweise offen. Das zweitgenannte Schaltelement, welches den Verbindungspunkt (bzw. die Schalteinheit) schaltbar mit dem Glättungskondensator verbindet, ist vorzugsweise nur im Glättungsmodus geschlossen. Die Schaltelemente des Umschalters können als elektromechanische Schalter ausgebildet sein, da diese nur in Moduswechseln geschaltet werden (und vorzugsweise nicht getaktet betrieben werden) oder sind als Halbleiterschalter ausgebildet. Eine Ausführungsform sieht vor, dass die Steuerung eingerichtet ist, getaktet bzw. zwischen den genannten Modi zu wechseln, insbesondere mit einer Frequenz von mehr als 1 Hz oder mehr als 1 kHz oder mehr als 5 oder 10 kHz.
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Durch die Trägheit des Hochvoltzweigs aufgrund eigener Kapazitäten und des Niedervoltzweigs aufgrund eigener Kapazitäten können dadurch beide Funktionen (Wandeln und Glätten) gleichzeitig ausgeführt werden. Bei einer Ausbildung als Halbleiterschalter können die Schaltelemente des Umschalters als Transistoren ausgebildet sein, insbesondere als MOSTFETs oder IGBTs. Die beiden Schaltelemente sind vorzugweise im Wesentlichen wechselseitig geschlossen und insbesondere nicht gleichzeitig geschlossen. Das erste Schaltelement und das zweite Schaltelement können gleichzeitig offen sein. Die Steuerung ist eingerichtet, dies zu realisieren.
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Die 1 bis 5 zeigen Beispiele von Ausführungsformen des hier beschriebenen Fahrzeugbordnetzes.
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Den 1 bis 5 ist gemein, dass das jeweils dort dargestellte Fahrzeugbordnetz FB ein Hochvoltzweig HV und einen Niedervoltzweig NV umfasst (wobei in den 2, 3 und 5 der Niedervoltzweig NV doppelt dargestellt ist). Ferner umfassen alle Beispiele eine Steuerung C, die auf die Schaltelemente bzw. Umschalter des betreffenden Fahrzeugbordnetzes FB steuernd wirkt. Die steuernde Wirkung ist mit einem Doppelpfeil dargestellt. In allen Figuren verbindet sein Gleichspannungswandler, der mindestens eine Schalteinheit SE oder eine Halbbrücke HB, das Niedervoltzweig mit dem Hochvoltzweig.
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In der 1 ist ein Fahrzeugbordnetz FB dargestellt, bei dem eine Schalteinheit SE bestehend aus zwei in Reihe geschalteten Transistoren (MOSFETs) an den Hochvoltzweig HV angeschlossen ist. In gleicher Weise ist eine Reihenschaltung von zwei Kondensatoren KS an den Hochvoltzweig HV angeschlossen. In beiden entsprechenden Reihenschaltungen (SE und KS) ergeben sich jeweils ein Verbindungspunkt. Diese Verbindungspunkte sind über ein erstes Schaltelement des Umschalters U und über den Transformator T bzw. eine Primärspule hiervon miteinander verbunden. Der Umschalter U umfasst ein zweites Schaltelement, welches den Verbindungspunkt zwischen den beiden Transistoren der Schalteinheit SE mit dem Glättungskondensator PC verbindet. Hierbei ist eine Drosselinduktivität D zwischen dem zweiten Schaltelement des Umschalters U (das untere der dargestellten Schaltelemente) mit dem Glättungskondensator PC verbunden. Der Glättungskondensator ist zwischen dem Umschalter U und dem Bezugspotential (hier: Masse oder Minuspol) des Hochvoltbordnetzes verbunden. Eine Sekundärspule des Transformators T ist mit dem Niedervoltzweig NV verbunden, wobei dort eine Gleichrichtung und eine entsprechende nachgeschaltete Glättung stattfindet (aus Gründen der Vereinfachung nicht dargestellt). Im Glättungsmodus ist das zweite Schaltelement geschlossen und das erste Schaltelement offen, so dass das zweite Schaltelement den Glättungskondensator mit der Schalteinheit verbindet. Dies ermöglicht eine aktive Steuerung eines Ausgleichs- bzw. Glättungsstroms zwischen Glättungskondensator und Hochvoltbordnetz. Der Ausgleichs- bzw. Glättungsstrom wirkt der Wechselspannungskomponente des Hochvoltbordnetzes entgegen und verringert diese (oder kompensiert diese vollständig).
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In der 2 ist ein Fahrzeugbordnetz FB dargestellt, das zwei Schalteinheiten SE1 und SE2 umfasst. Die obere der dargestellten Schalteinheiten SE1 umfasst zwei in Reihenschaltung geschaltete Transistoren (MOSFETs). Die Schalteinheit SE2 ist in gleicher Weise aufgebaut. Die Enden der betreffenden Reihenschaltungen sind parallel zu dem Hochvoltzweig HV angeschlossen. Somit sind die Schaltungseinheiten SE1 und SE2 parallel an den Hochvoltzweig HV angeschlossen und arbeiten parallel. Während an die zweite Schalteinheit SE2 nur ein Schaltelement des Umschalters angeschlossen ist, über das eine Primärwicklung des Transformators T' mit einem kapazitiven Spannungsteiler verbunden ist (und somit ausschließlich der Spannungswandlung, d.h. der schaltbaren Verbindung von Transformator T und Schalteinheit SE2 dient), ist die Schalteinheit SE1 mit einem Schaltelement des Umschalters U verbunden, das den Glättungskondensator PC mit einer Schalteinheit verbindet, nämlich mit der Schalteinheit SE1. Die Schalteinheit SE1 umfasst einen Verbindungspunkt, der über den Umschalter U auswählbar zum einen mit dem Transformator T bzw. mit dessen Primärspule verbindbar ist, und zum anderen über den Umschalter mit dem Glättungskondensator PC (über die Drosselinduktivität D) verbindbar. Hierzu besteht zwischen dem Transformator T und dem Verbindungspunkt der Schalteinheit SE1 ein erstes Schaltelement. Dies trifft auch für den Transformator T' und die Schalteinheit SE2 zu. Zum anderen besteht jedoch eine weitere, zweite Schalteinheit des Umschalters U, die ebenso mit dem Verbindungspunkt der Schalteinheit SE1 verbunden ist, um diesen Verbindungspunkt mit dem Glättungskondensator PC schaltbar zu verbinden. Mittels des unteren dargestellten Schaltelements des Umschalters U, der die erste Schalteinheit zum Glättungskondensator PC führt, wird die aktive Glättung ermöglicht, wobei die Höhe des Ausgleichs- oder Glättungsstroms mittels der Schalteinheit SE1 eingestellt wird.
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Eine Steuerung C wirkt auf alle Schaltelemente des Fahrzeugbordnetzes, das heißt auf die Schaltelemente, die an die erste und die zweite Schalteinheit SE1, SE2 angeschlossen sind. Die Steuerung wirkt ferner vorzugsweise auf die Transistoren der Schalteinheit(en) - dies gilt für zahlreiche Ausführungsformen und nicht nur für die 2. In einem Wandlermodus werden die Schalteinheiten der 2 getaktet geschaltet und die Schaltelemente des Umschalters zwischen den Schalteinheiten SE1, SE2 und dem Transformator T, T' bzw. dessen Primärwicklung oder Primärwicklungen geschlossen. In einem Glättungsmodus ist das Schaltelement zwischen dem Glättungskondensator PC und der betreffenden Schalteinheit SE1 geschlossen und die betreffende Schalteinheit wird zur aktiven Dämpfung von Wechselspannungskomponenten (getaktet) angesteuert.
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In einer nicht dargestellten Ausführungsform, die bis auf die folgende Eigenschaft die Eigenschaften der 2 aufweist, ist auch die zweite Schaltereinheit SE2 über einen Umschalter mit einem Glättungskondensator DC verbunden und somit angeschlossen wie die Schalteinheit SE1. Es ergibt sich eine Verdopplung der Glättu ngse igenschaften.
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In der 2 sind zwei verschiedene Transistoren T, T' dargestellt. In einer alternativen Ausführungsform handelt es sich um denselben Transformator mit zwei verschiedenen Primärwicklungen, wobei die erste Primärwicklung mit der ersten Schalteinheit SE1 verbunden ist und die zweite Primärwicklung mit der zweiten Schaltereinheit SE2 verbunden ist. Die Sekundärwicklungen können als eine einzige Wicklung ausgeführt sein, wenn es sich um denselben Transformator handelt bzw. wenn die Primärwicklungen denselben Kern umgreifen oder können von zwei verschiedenen Sekundärwicklungen verschiedene Transformatoren T, T' versorgt werden.
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Die 3 zeigt eine Ausführungsform mit zwei Schalteinheiten SE1, SE2, wobei die erste Schalteinheit in Serie zu der zweiten Schalteinheit angeschlossen ist. Beide Schalteinheiten SE1, SE2 umfassen eine Halbbrücke, die aus Transistoren (MOSFETs) besteht. Im Gegensatz zur Parallelschaltung der Schalteinheiten SE1, SE2 der 2 sind die Schalteinheiten SE1, SE2 in der 3 in Serie miteinander verbunden. Die beiden Schalteinheiten SE1, SE2 weisen jeweils einen Verbindungspunkt auf, der über einen entsprechenden Transformator T oder über eine entsprechende Primärwicklung eines Transformators mit einem Verbindungspunkt innerhalb des kapazitiven Spannungsteiler KS verbunden ist. Der Spannungsteiler KS ist jeweils parallel zu der betreffenden Schalteinheit SE1, 2 geschaltet. Der kapazitive Spannungsteiler KS ist jeweils gegenüberliegend zu der betreffenden Schalteinheit angeordnet; im sich ergebenden Querzweig ist ein Transformator oder eine Primärspule eines Transformators angeschlossen. Ein Glättungskondensator PC ist zwischen die Verbindungspunkte der beiden Schalteinheiten SE1, SE2 angeschlossen, insbesondere über eine Drosselinduktivität D und über einen Umschalter U bzw. ein Schaltelement hiervon. Der Umschalter U umfasst ein Schaltelement, das die Schalteinheit SE1 bzw. dessen Verbindungspunkt mit dem Transformator bzw. der Primärwicklung schaltbar verbindet. Gleiches gilt für die Schalteinheit SE2. Ferner umfasst der Umschalter eine Schalteinheit, die in einer Verbindung zwischen den beiden Verbindungspunkten der Schalteinheiten SE1, SE2 in Reihe geschaltet ist, wobei diese Verbindung auch den Glättungskondensator PC umfasst, der vorzugsweise dort in Reihe geschaltet ist. Die Drosselinduktivität D, die auch in Reihenschaltung in der Verbindung vorliegt, ist optional. Die Steuerung C ist ansteuernd mit allen Schaltelementen des Umschalters U und insbesondere auch ansteuernd mit den Schalteinheiten SE1, 2verbunden. Wie auch in der 2 kann es sich in der 3 um einen einzigen Transformator handeln, der zwei Primärwicklungen umfasst, die an unterschiedlichen Schalteinheiten angeschlossen sind (über den Umschalter U), wobei dann das Niedervoltbordnetz sowie die Sekundärwicklung dargestellt wären. Alternativ kann ein erster Transistor vorliegen, dessen Primärwicklung über den Umschalter mit der ersten Schalteinheit SE1 verbunden ist, und es kann ein zweiter Transistor T vorliegen, der über den Umrichter bzw. den unteren dargestellten Schaltelement mit dem zweiten Schaltelement SE2 verbunden ist.
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Die 1 bis 3 zeigen eine oder mehrere Brückenschaltungen mit einer Halbbrücke einerseits und einem (dieser gegenüberliegendem) kapazitiven Spannungsteiler andererseits. Die 4 zeigt hingegen eine Schaltung mit zwei gegenüberliegenden Halbbrücken HB (die als Schalteinheiten angesehen werden können), die beidseitig von dem Transformator angeschlossen sind. In der 4 ist somit ein Fahrzeugbordnetz FB dargestellt, bei dem eine erste Halbbücke HB1 und eine zweite Halbbrücke HB2 jeweils zwei Transistoren in Reihenschaltung umfassen, die jeweils an einem Verbindungspunkt miteinander verbunden sind. Die Halbbrücken bzw. dadurch entstehenden Schalteinheiten sind an den äußeren Enden parallel miteinander verbunden und insbesondere an den Hochvoltzweig HV angeschlossen. Der Umschalter U umfasst ein erstes Schaltelement, welches in einer Verbindung vorliegt, die die beiden Verbindungspunkte der verschiedenen Halbbrücken HB1, HB2 miteinander verbindet. Die Verbindung umfasst ferner einen Transistor und insbesondere dessen Primärwicklung sowie einen Reihenkondensator. Dadurch kann das Schaltelement dieser Verbindung geschlossen sein, wenn der Gleichrichtermodus besteht. Ferner umfasst der Umschalter U zwei zweite Schaltelemente, die (ausgehend von gegenüberliegenden Halbbrücken) mit an dasjenige Ende des Glättungskondensators PC angeschlossen sind, das dem mit dem Versorgungspotential verbundenen Ende des Glättungskondensators PC entgegengesetzt ist. Diese beiden Schalter sind geschlossen, wenn der Glättungsmodus besteht. Der Glättungskondensator PC ist hierbei über Drosseln D, D' mit den zweiten Schaltelementen verbunden, die die jeweilige Drossel D, D' mit den verschiedenen Verbindungspunkten der unterschiedlichen Halbbrücken HB1, HB2 verbindet.
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Die 5 zeigt ein Fahrzeugbordnetz, das eine Vollbrücke wie in der 4 dargestellt umfasst und das ferner eine weitere Vollbrücke umfasst, in der jedoch keinen Umschalter und auch keinen Glättungskondensator vorgesehen sind. Die obere Vollbrücke wird gebildet von den Halbbrücken HB3, HB4, die wie in 4 dargestellt über einen Umschalter wahlweise mit dem Transformator T oder mit dem Glättungskondensator PC verbunden sind. Die zweite Vollbrücke, unten dargestellt, umfasst zwei Halbbrücken HB5, HB6, wobei die Verbindungspunkte der Halbbrücken nur über einen Transformator bzw. dessen Primärwicklung und einer vorgeschalteten (optionalen) Kapazität verbunden sind. In der unteren Vollbrücke besteht kein Umschalter (bzw. kein Schaltelement des Umschalters) und somit auch nicht die Möglichkeit, einen Glättungskondensator mit einer der Halbbrücken HB5, HB6 zu verbinden. Jedoch ermöglich die obere dargestellte Vollbrücke sowohl eine getaktete Gleichspannungswandlung als auch eine Glättung bzw. zumindest teilweise Kompensation einer Wechselspannungskomponente in dem Hochvoltzweig HV, der an die Vollbrücken angeschlossen ist. Wie auch in der 4 sind die Vollbrücken der 5 zueinander parallel geschaltet und somit in paralleler Konfiguration an den Hochvoltzweig HV angeschlossen.
