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Die Erfindung geht aus von einem Gleichspannungswandler für ein zumindest teilweise elektrisch angetriebenes Fahrzeug nach der Gattung des unabhängigen Patentanspruchs.
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Aus Katz et al.: Application of integrated magnetics in resonant converters, Proc. IEEE Power Electronics Conference 1997, Seiten 925 bis 930, ist es bekannt, dass bei einem Gleichspannungswandler nach dem Resonanzprinzip ein zusätzlicher Kern vorgesehen sein kann. Über diesen Kern sind die Primärwicklungen gezogen. Dagegen ist über den Transformatorkern sowohl die Primärwicklung als auch die Sekundärwicklung gezogen. Der zusätzliche Kern ersetzt eine Drosselspule.
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Der erfindungsgemäße Gleichspannungswandler für ein zumindest teilweise elektrisch angetriebenes Fahrzeug mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs hat demgegenüber den Vorteil, dass durch die Ausgestaltung der Sekundärwicklung als eine Schienenkonstruktion eine sehr kompakte Bauweise des Transformators möglich ist. Durch die Verwendung des Streukerns, der damit dann näher an den Transformatorkern herangeführt werden kann, ist eine gute Einstellung dieser Streuinduktivität durch den Streukern über den Luftspalt möglich. Dies führt zu einer verbesserten elektromagnetischen Verträglichkeit, denn durch diese Verwendung der Streuinduktivität als Streukern ist eine differentielle Verwendung dieser Resonanzdrossel möglich. Dies reduziert solche Störungen.
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Demnach wird ein Gleichspannungswandler für zumindest ein teilweise elektrisch angetriebenes Fahrzeug vorgeschlagen, wobei der Gleichspannungswandler ein Transformator zur galvanischen Trennung mit einem Transformatorkern aufweist. Weiterhin ist der Streukern vorgesehen, der an einer Hochvoltseite des Gleichspannungswandlers angeordnet ist. Eine Primärwicklung ist sowohl im Bereich des Transformatorkerns als auch im Bereich des Streukerns angeordnet. Eine Sekundärwicklung ist jedoch nur um den Transformatorkern angeordnet. Die Sekundärwicklung ist dabei als eine Schienenkonstruktion ausgebildet.
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Ein Gleichspannungswandler ist eine elektrische Schaltung, die eine am Eingang zugeführte Gleichspannung in eine Gleichspannung mit höherem, niedrigerem oder invertierten Spannungsniveau umwandelt. Die Umsetzung erfolgt mit Hilfe eines oder mehrerer periodisch arbeitender elektronischen Schalter und eines oder mehrerer Energiespeicher. Gleichspannungswandler zählen zu den selbstgeführten Stromrichtern. Zur Zwischenspeicherung der Energie benutzt man einen Kondensator, insbesondere einen Zwischenkreiskondensator. Vorliegend wird ein Wandler mit galvanischer Trennung verwendet. Vorzugsweise kann dafür ein sogenannter Phaseshiftwandler verwendet werden. Dabei wird bei einem Phaseshiftwandler der Bereich des weichen Schaltens (ZVS-Zero Volt Switchung) durch eine Längsinduktivität bestimmt. Es könnte auch ein sogenannter Resonanzwandler verwendet werden, der entweder im Nulldurchgang der Spannung oder des Stromes geschaltet wird. Dabei bildet die leistungsübertragende Strecke inklusive eines Transformators einen Schwingkreis mit zusätzlichen Kapazitäten und Induktivitäten.
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Unter dem zumindest teilweise elektrisch angetriebenen Fahrzeug sind entweder reine Elektrofahrzeuge, also die nur mit einem elektrischen Antrieb angetrieben werden oder auch sogenannte Hybridfahrzeuge zu verstehen, die sowohl einen Verbrenner als auch einen elektrischen Antrieb aufweisen.
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Ein Transformator ist ein Bauelement der Elektrotechnik, der aus zwei oder mehr Spulen bzw. Wicklungen besteht, die in der Regel aus isoliertem Kupferdraht gewickelt sind und sich auf einem gemeinsamen Magnetkern befinden. Ein Transformator wandelt eine Eingangswechselspannung, die an eine der Spulen angelegt ist, in eine Ausgangswechselspannung um, die an der anderen Spule abgegriffen werden kann. Dabei entspricht das Verhältnis der Eingangs- und Ausgangsspannung dem Verhältnis der Windungsanzahlen der beiden Spulen.
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Unter der galvanischen Trennung ist das Vermeiden der elektrischen Leitung zwischen zwei Stromkreisen zwischen denen Leistungen oder Signale ausgetauscht werden sollen zu verstehen. Vorliegend sind dies die beiden Kreise des Transformators.
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Unter dem Transformatorkern ist ein magnetischer Kreis zu verstehen, um den dann die Spulen oder die Wicklungen gewickelt bzw. angeordnet werden. Beim Material des Transformatorkerns kann es sich bspw. um ein Ferrit handeln. Aber auch Eisen oder eine Blechstruktur sind möglich.
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Unter dem Streukern ist wiederum als eine Drosselinduktivität zu verstehen, die nunmehr an eine Hochvoltseite angeordnet ist. Diese Drosselinduktivität speichert primär Energie, um die Ausgangskapazitäten der Schalter (MOSFETs) umzuladen und somit eine ZVS zu erreichen, also ein Schalten bei einem Nulldurchgang der Spannung. Vorliegend dient der Gleichspannungswandler zum Wandeln von einer Hochvoltspannung bspw. mehrere hundert Volt in eine Niedervoltspannung bspw. 12, 24 oder 48 Volt. Damit ist dann eine Bordnetzspannung gemeint. Die Hochvoltspannung kommt von einer Hochvoltbatterie oder einem Generator.
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Die Primärwicklung ist vorliegend sowohl im Bereich des Transformatorkerns als auch im Bereich des Streukerns angeordnet, d. h. sie erstreckt sich über beide Kernen. Die Sekundärwicklung jedoch ist nur um den Transformatorkern angeordnet und dabei erfindungsgemäß als Schienenkonstruktion ausgebildet. Mit dieser Schienenkonstruktion sind raumsparende Möglichkeiten der Anordnung gegeben und auf diese Schienenkonstruktionen können bspw. andere Leitungen angeschweißt, gelötet oder geklemmt werden. Das Verhältnis der Primärwicklung zur Sekundärwicklung bestimmt dann wie die Spannung vorliegend heruntertransformiert wird. Es ist möglich, dass auch eine Hochtransformation vorliegend durchgeführt werden kann.
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Bei der Primärwicklung kann es sich bspw. um einen isolierten Kupferdraht handeln, der um eine Halterung gewickelt ist, während die Sekundärwicklung erfindungsgemäß eine Schienenkonstruktion aufweist. Diese kann auch aus Kupfer gefertigt sein ggf. beschichtet. Aber auch andere Metalle wie Aluminium sind möglich. Eine Schienenkonstruktion ermöglicht einen geringen Widerstand und eine leichte Handhabbarkeit des Zusammenbaus des Transformators.
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Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Gleichspannungswandlers gehen aus den abhängigen Ansprüchen und der Beschreibung hervor.
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Es ist vorgesehen, dass der Transformatorkern pilzförmig ausgebildet ist. Diese pilzförmige Ausbildung ermöglicht eine geschickte Anordnung der Schienenkonstruktion, um möglichst wenig Raum einzunehmen. Außerdem ist diese pilzförmige Ausbildung des Transformatorkerns besonders leicht herzustellen. Diese pilzförmige Ausbildung ist insbesondere bei der Draufsicht auf die Struktur gut zu erkennen.
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Darüber hinaus ist vorgesehen, dass die Schienenkonstruktion abgewinkelt ausgeführt ist. Diese Abwinkelung ermöglicht den effektiven Einsatz des Raumes. Damit können durch verschiedene Knicke die Schienen so geformt werden, dass sie mit der entsprechenden Betrachtung der elektrischen Parameter platzsparend angeordnet werden können.
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Weiterhin ist es vorgesehen, dass die Schienenkonstruktion zweiteilig ausgeführt ist. Dies ermöglicht eine leichte Fertigung der Teile als auch einen leichten Zusammenbau.
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Darüber hinaus ist es vorgesehen, dass der Streukern auf einem zweiteilig ausgeführten Rechteck ausgeführt ist, durch das die Primärwicklung geführt ist, wobei der Streukern halbmondförmig ausgebildet ist.
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Dies ermöglicht die kompakte Bauweise des gesamten Transformators und des Gleichspannungswandlers.
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Weiterhin ist es vorgesehen, dass die beiden Teile der Schienenkonstruktion übereinander liegen. Diese Ausführung ermöglicht eine platzsparende und einfach zusammenbauende Konstruktion.
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Alternativ dazu können die beiden Teile der Schienenkonstruktion gekreuzt angeordnet sein. Auch dies ermöglicht eine kompakte Bauweise.
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Weiterhin ist es vorgesehen, dass der Streukern einen Luftspalt aufweist. Dieser Luftspalt im Mittelsteg des Streukerns vorgesehen. Damit kann die Streuinduktivität eingestellt werden.
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Weiterhin ist es vorgesehen, dass die Primärwicklung zur Sekundärwicklung sich in einem Windungsverhältnis 12:1:1 bei einer Ausführung als Mittelpunktgleichrichter verhält. Dieses Windungsverhältnis hat sich als besonders vorteilhaft erwiesen, wobei ein Mittelpunktgleichrichter einen Mittelabgriff an der Sekundärseite des Transformators aufweist. D. h. es sind zwei Eingänge und drei Ausgänge vorgesehen. Es sind jedoch auch andere Topologien denkbar, wobei die Sekundärwicklung keinen Mittelpunktabgriff aufweist. Beispiele hierfür sind eine sogenannte Current Doubler Topologie oder ein Vollbrückengleichrichter.
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Letztlich ist es vorgesehen, dass der Gleichspannungswandler als Phaseshiftwandler oder als Resonanzwandler ausgeführt ist.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
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Es zeigen
- 1 eine Anordnung des Gleichspannungswandlers im Fahrzeug;
- 2 ein beispielhaftes Schaltbild eines Resonanzwandlers;
- 3 ein Aufbau eines Transformators eines Resonanzwandlers mit Transformatorkern und Streukern;
- 4 eine Außenansicht dieses Transformators;
- 5 ein Aufbau des Transformators ohne Kern;
- 6 ein Aufbau des Transformators ohne den zweiten Teil des Transformatorkerns bzw. Streukerns;
- 7 ein Aufbau einer übereinanderliegenden Sekundärwicklung;
- 8 ein Aufbau einer sich kreuzenden Sekundärwicklung;
- 9 ein Aufbau des erfindungsgemäßen Transformators des erfindungsgemäßen Gleichspannungswandlers;
- 10 eine erste Ansicht des Streukerns mit Luftspalt und
- 11 eine zweite Ansicht des Streukerns mit Luftspalt.
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1 zeigt den Gleichspannungswandler DC-DC-W, der das Hochvoltnetz HVN und das Niedervoltnetz NV in einem Fahrzeug miteinander verbindet. Der Gleichspannungswandler DC-DC-W wird über das Hochvoltnetz HVN mit elektrischer Energie versorgt und wandelt die Spannung, die im Hochvoltnetz HVN vorliegt, in die Niedervoltspannung NV um. Das Hochvoltnetz HVN wird bspw. von einer Hochvoltbatterie oder von einem Generator und einem Stromrichter bereitgestellt. Das Hochvoltnetz HVN kann eine Spannung von mehreren hundert Volt aufweisen. Während das Niedervoltnetz NV bei 12, 24, 48 oder vergleichbaren Spannungswerten liegt. Am Hochvoltnetz HVN sind insbesondere elektrische Antriebe angeschlossen, während am Niedervoltnetz, das das Bordnetz ist, die Steuergeräte usw. angeschlossen sind, um diese zu versorgen.
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2 zeigt in einem beispielhaften Schaltbild einen Aufbau eines solchen Gleichspannungswandlers. Die Spannung VHV liegt an einem ersten Transistor T1 und einer Diode und dabei am Minuspol W1 an. Der Transistor T1 ist zum einen mit der Drosselinduktivität LR und einem zweiten Transistor T2 verbunden. Weiterhin wird der Transistor T1 über sein Gate gesteuert wie auch der Transistor T2. Der Transistor T2 ist an der anderen Seite an Null Volt angeschlossen sowie an dem Kondensator CR sowie dem Pluspol der Diode D2. Die Diode D2 und der Kondensator CR sind parallel geschaltet und liegen am Transformator TR an. Am anderen Anschluss des Transformators TR liegt die Drosselspule LR an. An der Parallelschaltung Kondensator CR und der Diode D2 liegt die Diode D1 an seiner anderen Seite in Serie.
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Mit einer Halbbrücke aus den Transistoren T1 und T2 sowie den Dioden D1 und D2 wird eine Rechteckspannung durch eine entsprechende Ansteuerung erzeugt. Am Ausgang dieser Halbbrücke befindet sich ein Serienschwingkreis aus LR und CR, bei dem auch der Transformator TR in Serie geschaltet ist. Der Transformator TR arbeitet als Flusswandler, dessen Ausgangsspannung direkt gleichgerichtet mit der Schaltung DD wird und mit dem Kondensator CA gesiebt wird. Den maximalen Ausgangsstrom liefert der Gleichspannungswandler, wenn der Rechteckgenerator genau auf die Resonanzfrequenz abgestimmt ist. Beim ausgangseitigen Kurzschluss würde sich der Schwingkreis unkontrolliert aufschaukeln und den Rechteckgenerator mit einem sehr hohen Strom belasten, bis dieser zerstört würde, sofern keine Schutzmaßnahmen getroffen würden. Die Dioden D1 und D2 begrenzen die Spannung am Schwingkreiskondensator CR und führen überschüssige Energie wieder der Versorgungsspannung zurück. Die Spannungsbegrenzung an CR bedeutet gleichzeitig auch eine Strombegrenzung im Kurzschlussfall. Der maximale Strom kann fließen, wenn die Spannung an CR im Resonanzfall etwa gegenphasig zur Erregerspannung des Rechteckgenerators ist. Wenn die Bauteile diesen maximalen Strom dauerhaft vertragen, ist der Resonanzwandler prinzipiell dauerkurzschlussfest. Dies ist ein großer Vorteil des Resonanzwandlers, denn die etwas schwierigere Strombegrenzung von Halbbrückenendstufen kann komplett entfallen. Wenn man die Dioden D1 und D2 weglässt, ist trotzdem eine Strombegrenzung möglich. Durch eine genaue Justierung des Oszillators könnte man erreichen, dass die Resonanzfrequenz nie genau erreicht wird. Das hat allerdings den Nachteil, dass man die Endstufe durch unvorsichtige Einstellung leicht zerstören kann.
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Die größte Leerlaufspannung am Transformator TR kann theoretisch im Resonanzfall erreicht werden, wenn die Erregerspannung und die Spannung am CR gegenphasig sind und Plus-Minus VHV am Trafo anliegen würde. Allerdings würde dann kein Strom fließen und die Spannung wäre nicht belastbar. Ganz abgesehen davon, dass sie dann wegen des fehlenden Stroms am Kondensator CR auch gar nicht erst entstehen könnte. Die kleinstmögliche Leerlaufspannung wird außerhalb der Resonanzfrequenz und/oder bei geringer Last erreicht, wenn an dem Kondensator CR und der Drossel LR keine nennenswerte Wechselspannung mehr anliegt. An der Primärspule des Trafos liegen dann plus/minus VHV durch 2 an. Damit der Gleichspannungswandler leerlauffest ist, sollte also die primärseitige Nennspannung am Trafo nicht kleiner als etwa VHV durch 2 sein. Gleichzeitig erreicht der Wandler bei VHV durch 2 auch seine maximale Ausgangsleistung. Es ist also ratsam den Wandler so zu dimensionieren, dass die primärseitige Transformatorspannung etwas weniger als plus/minus VHV durch 2 beträgt. Das bedeutet aber auch, dass der Resonanzwandler keinen sehr großen Eingangsspannungsbereich verträgt.
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Wie man im Prinzipschaltbild sieht, liegt die Drossel LR in Serie zum Transformator TR. Somit kann man die Drossel LR auch als Streuinduktivität des Transformators TR auffassen. Das bedeutet einerseits, dass LR entfallen könnte, wenn der Trafo eine genügend hohe Streuinduktivität hätte, und andererseits braucht man beim Bau des Trafos TR auch nicht auf eine geringe Streuinduktivität achten, was eine gute Isolation zwischen Primär- und Sekundärspule erleichtert. Folglich ist der erfindungsgemäße Vorschlag einen Streukern zu verwenden, um diese Streuinduktivität gezielt herzustellen, vorteilhaft.
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3 zeigt den prinzipiellen Aufbau des erfindungsgemäßen Transformators. Der Transformatorkern TK umfasst sowohl die Primärwindung PW als auch die Sekundärwindung SW. Der Streukern SK wird nur von der Primärwindung durchfasst. Dies ist auch sinnvoll, denn der Streukern SK soll ja die Induktivität LR ersetzt. Transformatorkern und Streukern weisen vorliegend beispielhaft Ferrit-Material auf.
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4 zeigt den Aufbau des erfindungsgemäßen Transformators TR von außen betrachtet. Zu sehen ist der Streukern SK, der mit einem Luftspalt am Transformatorkern TK angebracht ist. Der Streukern SK und der Transformatorkern TK sind beispielhaft miteinander sowie mit dem Wicklungshalter verklebt. Für die mechanische Stabilität kann eine darüberliegende Klammer und/oder ein Verguss im Kühlkörper sorgen. Am Ausgang des Transformatorkerns TK liegen die drei Anschlüsse für den Niedervoltbereich CU-S vor. Folglich sind diese hier als Schienenkonstruktion ausgebildet. Es sind drei Schienen vorgesehen, da ein Mittelabgriff vorliegend verwendet wird.
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5 zeigt nun ohne die Transformatorkerne die Windungen und insbesondere dabei die Schienenkonstruktion der Sekundärwindung. Die Sekundärwindung besteht aus zwei Teilen, nämlich aus SW1 und SW2. Die Primärwindung PW besteht aus einem aufgewickelten Kupferdraht. Die Schienenkonstruktion SW1 und SW2 besteht aus Kupfer, könnte beschichtet sein, und ist wie hier dargestellt abgewinkelt und um den nicht dargestellten Transformatorkern raumsparend angeordnet.
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6 zeigt eine Draufsicht von oben auf die Schienenkonstruktion mit der Primärwindung PW und dem unteren Teil des Transformatorkerns TK und des Streukerns SK. Deutlich ist auch wieder die Abwinkelung der Schienenkonstruktion, um geschickt den Raum im Transformator auszunutzen. Da die Sekundärwindungen hier den Wert 1 haben, können Sie sich auch um die Primärwindungen entsprechend schmiegen.
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7 zeigt die übereinanderliegende Schienenkonstruktion in Bild a ist die Windung SW 1 dargestellt und in Abbildung b die Windung SW2, die dann in c zusammengelegt werden und dabei übereinanderliegen. D. h. die Windung SW2 liegt unter der Windung SW1.
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In 8 ist eine Alternative dargestellt. Hier liegt eine gekreuzte Anordnung der beiden Windungen vor. In Abbildung a ist wiederum die erste Windung SW1 dargestellt und in Abbildung b die zweite Windung SW2. In ist dann die kombinierte Darstellung zu sehen, bei der einmal die Windung SW2 und einmal die Windung SW1 oben anliegt.
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9 zeigt einen schematischen Ablauf des Zusammenbaus des erfindungsgemäßen Transformators. Der Streukern SK wird mit einem Luftspalt zum Transformatorkern TK angeordnet (Abbildung a). Vorliegend sind die beiden Transformatorkerne mit U bezeichnet, um darzustellen, dass es sich um den unteren Teil der Kerne handelt. In Abbildung b wird nun die untere Sekundärwindung SW1 hinzugefügt, indem sie um den Transformatorkern herum, der hier wieder pilzförmig ausgebildet ist, aufgesteckt wird. In folgt dann das Aufsetzen der Primärwindung PW.
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In wird gezeigt, wie nunmehr auf die Primärwindung und die erste Sekundärwindung SW1 die zweite Sekundärwindung SW2 aufgesteckt wird. In Abbildung e wird abschließend der obere Teil des Streukerns SK und des Transformatorkerns TK aufgesteckt. Die Kerne SK und TK sind vorliegend beispielhaft miteinander verklebt.
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Die 10 und 11 zeigen jeweils Ansichten des Streukerns SK mit dem Luftspalt LS. Durch die Dimensionierung des Luftspalts, insbesondere durch die Breite des Luftspalts in vertikaler Richtung lässt sich die Induktivität des Streukerns SK einstellen. Die beiden Hälften des Streukern sind vorteilhafterweise zusammengeklebt, so dass der Luftspalt LS durch eine vorhergehende Bearbeitung der beiden Hälften definiert wird. Diese Bearbeitung kann auch bereits die Herstellung der beiden Hälften sein.
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Bezugszeichenliste
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- HVN
- Hochvoltnetz
- NV
- Niedervoltnetz
- DC-DC-W
- Gleichspannungswandler
- VHV
- Hochvoltspannung
- T1, T2
- Transistoren
- CR, CA
- Kondensatoren
- D1, D2, DD
- Dioden
- LR
- Drosselinduktivität
- TR
- Transformator
- VB
- Niedervoltspannung
- TK
- Transformatorkern
- SW
- Sekundärwindung
- PW
- Primärwindung
- SK
- Streukern
- CU-S
- Kupferschienen
- SW1, SW2
- Sekundärwindungen
- SKU, TKU
- untere Hälften der Kerne
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- Katz et al.: Application of integrated magnetics in resonant converters, Proc. IEEE Power Electronics Conference 1997, Seiten 925 bis 930 [0002]
