DE102020135091A1 - Bidirektionale isolierte gleichspannungswandler-anordnung mit grosser kapazität und kühlstruktur derselben - Google Patents

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Abstract

Die vorliegende Offenbarung betrifft eine bidirektionale isolierte Niederspannungs-Gleichspannungswandler-(LDC-)Anordnung mit hoher elektrischer Leistungsdichte, bei der eine bidirektionale isolierte LDC-Schaltung mit großer Kapazität unter Berücksichtigung eines elektrischen Energieflusses so verpackt ist, dass Komponenten gemeinsam verwendet werden und ein interner Totraum minimiert wird, sowie eine Kühlstruktur davon. Die LDC-Anordnung weist Folgendes auf: eine Leistungsplatinen-Unteranordnung (100), die eine Hochspannungsstufe, einen Teil der Buck-Schaltung und die Boost-Schaltung aufweist; eine Transformator-Unteranordnung (200), die einen Transformator der Buck-Schaltung aufweist; eine Ausgangsleistungsplatinen-Unteranordnung (300), die einen Teil der Buck-Schaltung aufweist; und eine EMV-Filter-Unteranordnung (400), die einen in der Niederspannungsstufe enthaltenen EMV-Filter aufweist.

Description

  • QUERVERWEIS AUF VERWANDTEN ANMELDUNGEN
  • Die vorliegende Anmeldung beansprucht den Vorteil der Koreanischen Patentanmeldung Nr. 10-2020-0179563 , eingereicht am 21. Dezember 2020 beim Koreanischen Amt für Geistiges Eigentum, deren Offenbarung in ihrer Gesamtheit unter Bezugnahme in die vorliegende Anmeldung einbezogen ist.
  • HINTERGRUND
  • 1. Gebiet der Erfindung
  • Die vorliegende Offenbarung betrifft einen bidirektionalen elektrisch isolierten Niederspannungs-Gleichspannungswandler (LDC) mit großer Kapazität, in dem bidirektionale LDC-Schaltungen unter Berücksichtigung eines elektrischen Energieflusses und der Kühleffizienz zum Zeitpunkt des Aufwärts- und Abwärtswandelns verpackt sind, sowie auf eine darauf angewandte Kühlstruktur.
  • 2. Beschreibung des Stands der Technik
  • Ein Niederspannungs-Gleichspannungswandler (LDC), der ein Versorger für elektrische Energie mit Gleichstrom ist, welcher bei umweltfreundlichen Fahrzeugen (HEV, PHEV, EV, FCV, etc.) eingesetzt wird, indem ein Wechselstromgenerator eines Verbrennungsmotor ersetzt wird, ist eine wichtige Vorrichtung, die elektrische Energie einer Hochspannungsbatterie (z.B. 180 V bis 450 V) von einem Fahrzeug empfängt und eine Niederspannungsbatterie (z.B. 12 V) auflädt oder die einer elektronischen Vorrichtung erforderliche elektrische Energie zuführt. Der LDC wird verwendet, um die Kraftstoffeffizienz zu erhöhen und steigende elektrische Last durch Entlastung eines Motors zu bewältigen.
  • Komponenten des LDC bestehen hauptsächlich aus einer Komponente zur Umwandlung elektrischer Energie bei Hochspannung, einer Komponente zur Umwandlung elektrischer Energie bei Niederspannung und einer magnetischen Komponente, welche die Funktionen der elektrischen Energieübertragung und der elektrischen Isolierung zwischen der Hochspannungsstufe und der Niederspannungsstufe übernimmt.
  • Ein herkömmlicher LDC hat die unidirektionale Funktion, elektrische Energie von einer in einem Fahrzeug montierten Hochspannungsbatterie (HVB) zu empfangen und elektrische Energie auf einer Niederspannungseben (z.B. 12 V) durch einen internen elektrischen Energieumwandlungsprozess auszugeben.
  • Die elektrischen Lasten von Fahrzeugen sind in letzter Zeit aufgrund der Nachfrage der Nutzer gestiegen (4-kW-Klasse) und es besteht Bedarf an einem bidirektionalen LDC, der elektrische Energie von einer elektrischen Energiequelle der Niederspannungsbatterie (z.B. 12 V) zur Hochspannungsstufe übertragen kann. Das heißt, es besteht Bedarf an einem bidirektionalen LDC, der nicht nur elektrische Energie von der Hochspannungsstufe zur Niederspannungsstufe übertragen kann (Buck-Modus), was die unidirektionale Funktion des herkömmlichen LDCs ist, sondern auch elektrische Energie von der Niederspannungsstufe zur Hochspannungsstufe übertragen kann (Boost-Modus).
  • Bei Anwendung des bidirektionalen LDCs bei einem Fahrzeug kann ein Verfahren verwendet werden, um einen LDC vom Boost-Typ und einen LDC vom Buck-Typ separat voneinander am Fahrzeug zu montieren; es gibt jedoch auch ein anderes allgemeines Verfahren mit einem Schichtaufbau, bei dem nur ein Kühldurchgang gemeinsam verwendet wird. In diesem Fall benötigt das Fahrzeug einen Raum zur Montage von zwei Vorrichtungen und verschiedene Schnittstellenkomponenten. Selbst wenn die Komponenten als ein einziges Package implementiert sind, ist es schwierig, einen internen Totraum zu nutzen.
  • ÜBERBLICK
  • Wie vorstehend beschrieben, ist es als Reaktion auf einen Anstieg der Menge an elektrischer Last eines Fahrzeug, der durch die jüngste Nachfrage von Nutzern verursacht wird, erforderlich, eine Kapazität eines herkömmlichen isolierten unidirektionalen Niederspannungs-Gleichspannungswandlers (LDC) (vom Buck-Typ) zu erhöhen und einen weiteren LDC (vom Boost-Typ) mit einer Boost-Funktion zu enthalten, durch die elektrischer Energie mit niedriger Spannung (z.B. 12 V) zu einer Hochspannungsstufe übertragen wird. Wenn ein LDC, der sowohl die Boost-Funktion als auch die Buck-Funktion umfasst, bei einem Fahrzeug eingesetzt wird, ist eine Packaging-Technologie mit hoher elektrischer Leistungsdichte erforderlich, wie bei einer elektronischen Vorrichtung für ein elektrisch betriebenes Fahrzeug.
  • Der vorliegenden Offenbarung liegt die Aufgabe zugrunde, eine bidirektionale isolierte LDC-Anordnung mit hoher elektrischer Leistungsdichte bereitzustellen, bei der eine bidirektionale isolierte LDC-Schaltung mit großer Kapazität unter Berücksichtigung eines elektrischen Energieflusses so verpackt ist, dass Komponenten gemeinsam verwendet werden und ein interner Totraum minimiert wird.
  • Der vorliegenden Offenbarung liegt ferner die Aufgabe zugrunde, eine bidirektionale isolierte LDC-Anordnung mit hoher elektrischer Leistungsdichte mit einer für die Kühleffizienz optimierten Kühlstruktur bereitzustellen, die für das Package einer bidirektionalen isolierten LDC-Schaltung mit großer Kapazität verwendet wird.
  • Nach einem Aspekt der vorliegenden Offenbarung ist eine bidirektionale isolierte LDC-Anordnung mit einer Hochspannungsstufe, einer Niederspannungsstufe und einer bidirektionalen isolierten LDC-Schaltung vorgesehen, wobei letztere eine Buck-Schaltung und eine Boost-Schaltung aufweist, die zwischen der Hochspannungsstufe und der Niederspannungsstufe parallel geschaltet sind. Die LDC-Anordnung kann Folgendes aufweisen: eine Leistungsplatinen-Unteranordnung, welche die Hochspannungsstufe, einen Teil der Buck-Schaltung und die Boost-Schaltung enthält; eine Transformator-Unteranordnung, die einen Transformator der Buck-Schaltung enthält; eine Ausgangsleistungsplatinen-Unteranordnung, die einen Teil der Buck-Schaltung enthält; und eine EMV-Filter-Unteranordnung, die einen in der Niederspannungsstufe enthaltenen EMV-Filter enthält.
  • Nach einem anderen Aspekt der vorliegenden Offenbarung ist eine Kühlstruktur der bidirektionale isolierten LDC-Anordnung vorgesehen. Die Kühlstruktur kann Folgendes aufweisen: einen erste Kühldurchgang, durch den ein Kühlmittel fließt, um einen BtB-Schalter der Buck-Schaltung der Ausgangsleistungsplatinen-Unteranordnung zu kühlen; einen zweiten Kühldurchgang, durch den das aus dem ersten Kühldurchgang abgeführte Kühlmittel fließt, um den Transformator der Buck-Schaltung der Transformator-Unteranordnung zu kühlen; einen dritten Kühldurchgang, durch den das aus dem zweiten Kühldurchgang abgeführte Kühlmittel fließt, um die Buck-Schaltung der Leistungsplatinen-Unteranordnung zu kühlen; einen vierten Kühldurchgang, durch den das aus dem dritten Kühldurchgang abgeführte Kühlmittel fließt, um die Boost-Schaltung der Leiterplatinen-Unteranordnung zu kühlen; und einen fünften Kühldurchgang, durch den das aus dem vierten Kühldurchgang abgeführte Kühlmittel fließt, um eine Schaltvorrichtung der Buck-Schaltung der Ausgangsleistungsplatinen-Unteranordnung zu kühlen.
  • Ausgestaltungen und Funktionsweisen der vorliegenden Erfindung werden durch spezifische Ausführungsformen deutlicher, die im Folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnung beschrieben werden.
  • Figurenliste
    • 1 zeigt einen Schaltplan eines bidirektionalen isolierten Niederspannungs-Gleichspannungswandlers (LDC) mit großer Kapazität gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung;
    • 2 zeigt einen Blockschaltplan von Unteranordnungen der LDC-Schaltung aus 1;
    • 3 zeigt eine LDC-Anordnung, bei der Unteranordnungen montiert und verpackt sind;
    • 4 zeigt Positionen einer Buck-Schaltung (10), einer Boost-Schaltung (20), einer Hochspannungsstufe (30) und einer Niederspannungsstufe (40) in der Anordnung aus 3;
    • 5 zeigt einen elektrischen Energiefluss in einem Buck-Modus einer LDC-Anordnung gemäß der vorliegenden Offenbarung;
    • 6 zeigt einen elektrischen Energiefluss in einem Boost-Modus einer LDC-Anordnung gemäß der vorliegenden Offenbarung;
    • 7 zeigt eine Außenansicht eines LDC-Moduls, das durch Einbettung einer LDC-Anordnung in ein Gehäuse hergestellt wird;
    • 8 zeigt einen Kühldurchgang zur Erläuterung einer Kühlstruktur eines LDC-Moduls;
    • 9 zeigt einen Kühldurchgang einer oberen Fläche eines LDC-Moduls; und
    • 10 zeigt einen Kühldurchgang einer unteren Fläche eines LDC-Moduls.
  • DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
  • Vorteile und Merkmale der vorliegenden Offenbarung und ein Verfahren zu deren Umsetzung werden unter Bezugnahme auf bevorzugte Ausführungsformen ersichtlich, die ausführlich unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben werden. Die vorliegende Offenbarung ist jedoch nicht auf die nachstehend beschriebenen Ausführungsformen beschränkt und kann in verschiedenen anderen Formen implementiert werden. Die Ausführungsformen dienen lediglich dazu, die vorliegende Offenbarung umfassend offenzulegen und Fachleuten auf dem Gebiet, zu dem die vorliegende Offenbarung gehört, umfassend über den Umfang der vorliegenden Offenbarung zu informieren, und die vorliegende Offenbarung wird durch die beigefügten Ansprüche definiert. Darüber hinaus werden die in der Spezifikation verwendeten Begriffe nur in einem beschreibenden Sinne betrachtet und dienen nicht der Einschränkung.
  • Die vorliegend verwendete Terminologie dient nur der Beschreibung bestimmter Ausführungsform und ist nicht als einschränkend zu verstehen. Es sei darauf hingewiesen, dass die vorliegend und in den beigefügten Ansprüchen verwendeten Singular-Formen „ein/-e/-er“ und „der/die/das“ auch die Pluralformen umfassen, sofern der Kontext nicht deutlich anderes angibt. Die Begriffe „aufweisen“, „aufweisend“, „enthalten“, „enthaltend“, „umfassen“ und/oder „umfassend“ oder andere Variationen davon sind inbegriffen und geben das Vorhandensein angegebener Einrichtungen, ganzer Zahlen, Schritte, Operationen, Elemente und/oder Komponenten an, ohne das Vorhandensein oder das Hinzufügen einer oder mehrerer anderer Einrichtungen, ganzer Zahlen, Schritte, Operationen, Elemente, Komponenten und/oder Kombinationen davon auszuschließen. Darüber hinaus werden Ausdrücke wie „erste“, „zweite“ und anderen numerische Ausdrücke nur verwendet, um ein Element von einem anderen Element zu unterschieden. Diese Ausdrücke werden im Allgemeinen nur verwendet, um ein Element von einem anderen zu unterscheiden.
  • Im Folgenden werden bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung ausführlich unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung beschrieben. Bei der Beschreibung der Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung wird auf eine detaillierte Beschreibung bekannter verwandter Strukturen oder Funktionen verzichtet, wenn erachtet wird, dass solch eine Beschreibung die Beschreibung der vorliegenden Offenbarung verschleiert.
  • 1 zeigt einen Schaltplan eines bidirektionalen elektrisch isolierten Niederspannungs-Gleichspannungswandlers (LDC) mit großer Kapazität gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung. Bei dem Schaltplan aus 1 kann eine Hauptfunktionseinheit in vier Blöcke 10, 20, 30 und 40 unterteilt sein (d.h. eine funktionale Teilung).
  • Zuerst wird eine allgemeine Schaltungskonfiguration beschrieben. Eine Hochspannung, die von einer Hochspannungsstufe 30 mit einer Hochspannungsbatterie HV für ein Fahrzeug angelegt wird, kann durch eine Buck-Schaltung 10 abwärtsgewandelt (tiefgesetzt) werden, um einer Niederspannungsbatterie LV (z.B. 12 V) einer Niederspannungsstufe 40 zugeführt zu werden, die auf einer rechten Seite des Schaltplans markiert ist. Umgekehrt kann eine niedrige Spannung, die von der Batterie LV der Niederspannungsstufe 40 angelegt wird, durch eine Boost-Schaltung 20 aufwärtsgeschaltet (hochgesetzt) werden, um der Batterie HV der Hochspannungsstufe 30 zugeführt zu werden.
  • Der LDC gemäß dieser Ausführungsform kann die Hochspannungsstufe 30 und die Niederspannungsstufe 40, die als eine gemeinsame Schaltung konfiguriert sind, und zwei unabhängige Schaltungen aufweisen, die parallel zwischen der Hochspannungsstufe 30 und der Niederspannungsstufe 40 vorgesehen sind; d.h. die Buck-Schaltung 10 und die Boost-Schaltung 20. Die Buck-Schaltung 10 kann eine aktive Klemmeintaktflusswandler-Schaltung (im Folgenden als Eintaktflusswandler-Schaltung bezeichnet) sein, und die Boost-Schaltung 20 kann eine aktive Klemmsperrwandler-Schaltung (im Folgenden als Sperrwandler-Schaltung bezeichnet) sein.
  • Zunächst lauten die gemeinsam verwendeten Hauptschaltungskomponenten wie folgt:
    • - eine Hochspannungsstufe 30 HV: eine Hochspannungsbatterie für ein Fahrzeug (z.B. 180 V bis 450 V) CY1, CY2: ein Hochspannungsstufen-Y-CAP (Kondensator, der zur Rauschfilterung zwischen jede elektrischen Leistung und Masse geschaltet ist) CM: ein Hochspannungsstufen-CM-Filter (Induktor) Ci: ein Hochspannungsstufen-DC-Filter (Kondensator) CS1: ein Hochspannungsstufen-Stromsensor (unter Verwendung eines Hall-Sensors)
    • - eine Niederspannungsstufe 40 LV: eine Niederspannungsbatterie für ein Fahrzeug (z.B. 12 V) Co: ein Niederspannungsstufen-DC-Filter (Kondensator) CS2: ein Niederspannungsstufen-Stromsensor (unter Verwendung eines Hall-Sensors). CS2 kann mit einem Hochspannungsstufen-Stromsensor CS1 einen Strom im Boost-Modus und Buck-Modus überwachen und ein Fehlersignal erzeugen, wenn ein Überstrom auftritt, um einen Betriebsstopp zu bestimmen. CS2 kann ferner verwendet werden, um einen Strom der Niederspannungsstufe auf einem konstanten Niveau zu halten. BtB: ein bidirektionaler Back-to-Back-Schalter zur Isolierung einer Niederspannungsstufe EMV-Filter: ein EMV-Filter (ein elektromagnetischer Wellenfilter) einer Niederspannungsstufe, durch den ein Hochstrom fließt
  • Als nächstes lauten die Hauptkomponenten der Buck-Schaltung 10 und der Boost-Schaltung 20 wie folgt:
    • - eine Buck-Schaltung 10 CT: ein Stromsensor zum Sensieren und Umwandeln eines Stroms in einen Spannungswert zur Stromregelung einer Hochspannungsstufe, der eine Eingangseinheit der Buck-Schaltung 10 ist. Der CT kann als ein Stromwandler implementiert sein. CL1: ein Kondensator zur Begrenzung einer Transformatorspannung (Klemmkondensator) Q_HSMN, Q_HSCL: Hochspannungsstufen-Schaltvorrichtungen TR1: Trenntransformator mit einem Hochspannungseingang (Primärseite) und zwei Niederspannungsausgängen (Sekundärseite und Tertiärseite) Q_ST, Q_SB: Schaltvorrichtungen vom Hochstrom-Typ einer Niederspannungsstufe Lo: ein Induktor zur Filterung eines Ausgangsstroms
    • - eine Boost-Schaltung (20) CL2: ein Kondensator zur Begrenzung einer Transformatorspannung (Klemmkondensator) Q_LSMN, Q_LSCL: Niederspannungsstufen-Schaltvorrichtungen TR2: ein Trenntransformator mit einem Eingang (Primärseite) und einem Ausgang (Sekundärseite) D1: eine Diode zur Gleichrichtung einer Ausgangsleistung
  • Wie vorstehend beschrieben, kann die Buck-Schaltung 10 als eine Eintaktflusswandler-Schaltung konfiguriert sein. Ein Eintaktflusswandler, der eine HV als Eingang und eine LV als Ausgang verwendet, kann elektrische Energie der HV zur LV übertragen, während die Hochspannungsstufen-Schaltvorrichtungen Q_HSCL und Q_HSMN abwechselnd geschaltet werden. Da eine Spannungsdifferenz zwischen der HV und der LV sehr groß ist, ist es nur begrenzt möglich, eine gewünschte Ausgangsspannung durch Einstellen des Tastgrads (= ein Zeitraum, in dem ein Schalter eingeschaltet ist) auf die gleiche Weise wie bei einem allgemeinen Gleichspannungswandler zu erhalten. Ein Transformator TR1 kann ein Element sein, das zur Überwindung einer solchen signifikanten Differenz der Eingangs- und Ausgangsspannungen und zur elektrischen Isolierung erforderlich ist. Der Transformator TR1 kann ein Verhältnis einer Primärwicklung zu Sekundär- und Tertiärwicklungen unter Berücksichtigung einer HV-LV-Spannungsdifferenz und einer variablen Tastgradgrenze bestimmen. Wenn die Schaltvorrichtungen Q_HSMN und Q_HSCL der Hochspannungsstufe arbeiten, können zweite und dritte Terminals des Transformators eine Wechselstrom-Rechteckschwingung ausgegeben. Die Rechteckschwingung kann durch die Niederspannungsstufen-Hochstrom-Schaltvorrichtungen Q_ST und Q_SB gleichgerichtet werden. Die Schaltvorrichtungen Q_ST und Q_SB können zur Verringerung einer Effizienzverringerung verwendet werden, selbst wenn ein Ausgangsstrom hoch ist, indem die bestehenden Gleichrichterdioden, die in dem Eintaktflusswandler verwendet werden, durch Halbleitervorrichtungen wie z.B. einen MOSFET ersetzt werden. Dadurch kann eine hohe Effizienz erreicht werden, was ein wichtiger Faktor für umweltfreundliche Fahrzeuge ist. Die gleichgerichtete Ausgangsspannung kann anschließend durch einen Filterungsvorgang eines Ausgangsinduktors Lo und eines Ausgangskondensators Co konstant und stabil gehalten werden.
  • Die Boost-Schaltung 20, wie vorstehend beschrieben, kann als eine Sperrwandler-Schaltung konfiguriert sein. Der Sperrwandler, der die LV als Eingang und die HV als Ausgang verwendet, kann elektrische Energie von der LV zur HV übertragen, während die Niederspannungsstufen-Schaltvorrichtungen Q_LSCL und Q_LSMN abwechselnd geschaltet werden. Da eine Spannungsdifferenz zwischen der LV und der HV sehr groß ist, kann ein Transformator TR2 in der gleichen Weise wie bei der Buck-Schaltung erforderlich sein, und ein Wicklungsverhältnis des Transformators TR2 muss möglicherweise im Voraus ausgelegt werden. Wenn die Schaltvorrichtungen Q_LSCL und Q_LSMN der Niederspannungsstufe arbeiten, kann eine Sekundärwicklung des Transformators TR2 eine Wechselstrom-Rechteckschwingung ausgegeben. Die Rechteckschwingung kann durch eine Diode D1 gleichgerichtet werden, die eine Gleichrichtungsvorrichtung ist, welche zwischen dem Transformator TR2 und der Hochspannungsstufe geschaltet ist. Anschließend kann ein Ausgangskondensator Ci die Ausgangsspannung durch Filterung der Ausgangsspannung konstant und stabil halten.
  • 2 zeigt Komponenten, die in der Schaltung von 1 physisch getrennt sind, um die Komponenten unter Berücksichtigung eines elektrischen Energieflusses und der Kühleffizienz zum Zeitpunkt des Aufwärts- und Abwärtswandelns für eine Konfiguration eines Package (Package-Anordnung) der bidirektionalen isolierten LDC-Schaltung mit großer Kapazität von 1 anzuordnen. Außerdem zeigt 3 eine LDC-Anordnung, die durch Montage und Packaging der jeweiligen physisch getrennten Unteranordnungen, wie in 2 dargestellt, erhalten wird.
  • Jeder der physisch getrennten Unteranordnungen kann Folgendes aufweisen: eine Leistungsplatinen-Unteranordnung 100, welche die Hochspannungsstufe 30, einen Teil der Buck-Schaltung 10 (einen Stromsensor CT auf einer Primärseite des Transformator TR1, einen Klemmtransformator CL1 und die Hochspannungsstufen-Schaltvorrichtungen Q_HSMN and Q_HSCL) und die Boost-Schaltung enthält 20; eine Transformator-Unteranordnung 200, die einen Transformator TR1 und den Induktor Lo der Buck-Schaltung 10 enthält; eine Ausgangsleistungsplatinen-Unteranordnung 300, welche die Hochstrom-Schaltvorrichtungen Q_ST und Q_SB einer Ausgabeeinheit (Niederspannungsstufe), die sich auf einer Sekundärseite des Transformators TR1 der Buck-Schaltung 10 befindet, und einen DC-Filter-Kondensator Co und einen BtB-Schalter der Niederspannungsstufe enthält; und eine EMV-Filter-Unteranordnung 400, die einen EMV-Filter enthält, der eine Funktion der Rauschfilterung der Ausgabeeinheit (Niederspannungsstufe) in einem Buck-Modus und eine Funktion der Blockierung von Schaltrauschen der Niederspannungsstufe ausführt, was eine Eingabeeinheit in einem Boost-Modus ist.
  • Hierbei können die Stromsensoren (einschließlich dem Hochspannungs-Stromsensor CS1 und dem Niederspannungs-Stromsensor CS2), die Sensoren sind, welche einen Strom im Boost-Modus und Buck-Modus überwachen und ein Fehlsignal erzeugen, wenn ein Überstrom auftritt, um einen Betriebsstopp zu bestimmen, in der EMV-Filter-Unteranordnung 400 enthalten sein und alternativ kann eine Stromsensor-Unteranordnung 500 als eine separate Einheit konfiguriert sein.
  • Durch Montage der jeweiligen Unteranordnungen kann eine bidirektionale isoliertere LDC-Anordnung mit großer Kapazität wie in 3 dargestellt konfiguriert werden. Bezugnehmend auf 3 können die Unteranordnungen 100, 200, 300 und 400 oder 500, die in Form einer Platine oder einer einzelnen Einheit montiert werden, unter Verwendung bestimmter Mittel (z.B. einer Schraube, einer Niete, einer Sammelschiene oder dergleichen) verbunden werden und es kann ein Drahtlöten an den Unteranordnungen 100, 200, 300 und 400 oder 500 durchgeführt werden, um die LDC-Anordnung herzustellen. Dadurch ist es möglich, den effizienten elektrischen Energiefluss und eine hervorragende Kühlleistung zum Zeitpunkt der LDC-Aufwärtswandlung oder -Abwärtswandlung zu erzielen.
  • 4 zeigt Position, in der Anordnung aus 3, der Buck-Schaltung 10, der Boost-Schaltung 20, der Hochspannungsstufe 30 und der Niederspannungsstufe 40, die Funktionsblöcke sind, wie in 1 dargestellt.
  • Die Buck-Schaltung 10 kann in die Leistungsplatinen-Unteranordnung 100, die Transformator-Unteranordnung 200 und die Ausgangsleistungsplatinen-Unteranordnung 300 unterteilt sein. Insbesondere können eine Schalteinheit und eine Boost-Schaltung der Primärseite des Transformators TR1 der Buck-Schaltung 10 in der Leistungsplatinen-Unteranordnung 100 vorgesehen sein und der Transformator TR1 und der Induktor Lo können in der Transformator-Unteranordnung 200 vorgesehen sein und eine Ausgabeschalteinheit der Sekundärseite des Transformators TR1 kann in der Ausgangsleistungsplatinen-Unteranordnung 300 vorgesehen sein.
  • Die Boost-Schaltung 200 kann in der Leistungsplatinen-Unteranordnung 100 vorgesehen sein (oberer Abschnitt von 4).
  • Die Hochspannungsstufe 30 kann vollständig in der Leistungsplatinen-Unteranordnung 100 vorgesehen sein (unten rechts in 4). Auf diese Weise wird eine einzelne Hochspannungsstufe 30 in einem Boost-/Buck-LDC (bidirektionaler LDC) zur gemeinsamen Nutzung konstruiert.
  • Der DC-Filter-Kondensator Co und der BtB-Schalter der Niederspannungsstufe 40 können in der Ausgangsleistungsplatinen-Unteranordnung 300 vorgesehen sein und der EMV-Filter kann in der EMV-Filter-Unteranordnung 400 vorgesehen sein (zusammen mit dazugehörigen Komponenten). Zudem können die Stromsensoren CS1 und CS2 in der Stromsensor-Unteranordnung 500 vorgesehen sein (zusammen mit dazugehörigen Komponenten).
  • 5 zeigt einen elektrischen Energiefluss in dem Buck-Modus der LDC-Anordnung gemäß der vorliegenden Offenbarung. Eine Spannung der Hochspannungsbatterie HV kann an den CM-Filter der Hochspannungsstufe der Leistungsplatinen-Unteranordnung 100 angelegt werden (hier können Filter wie der CM-Filter, der DC-Filter und der Y-CAP der Hochspannungsstufe eine Rolle spielen, um in die Hochspannungsstufen eingeleitetes oder von ihr abgeleitetes Rauschen zu blockieren) und kann durch den Transformator und den Induktor der Transformator-Unteranordnung 200 und eine synchrone Gleichrichterschaltung (Sekundärseite der Buck-Schaltung) der Ausgangsleistungsplatinen-Unteranordnung 300 in einer Pfeilrichtung durch den altiven Klemmeintaktflusswandler (Primärseite der Buck-Schaltung) gleichgerichtet werden, um in eine Niederspannung umgewandelt zu werden. Die umgewandelte Niederspannung kann als eine Niederspannung (LV OUT) durch den BtB-Schalter und die EMV-Filter-Unteranordnung 400 ausgegeben werden.
  • 6 zeigt einen elektrischen Energiefluss im Boost-Modus der LDC-Anordnung gemäß der vorliegenden Offenbarung. Eine Spannung der Niederspannungsbatterie LV kann in die EMV-Filter-Unteranordnung 400 eingegeben werden, um derart gefiltert zu werden, dass das Schaltrauschen der Niederspannungsstufe nicht nach außen dringt. Anschließend kann die gefilterte Spannung umgewandelt werden, indem sie durch eine Schaltvorrichtung, einen Transformator und eine Gleichrichterdiode der Boost-Schaltung 100 (aktiven Klemmsperrwandler) durch den BtB-Schalter der Ausgangsleistungsplatinen-Unteranordnung 300 verläuft, und die umgewandelte Spannung kann als eine Hochspannung HV OUT durch die Hochspannungsstufe der Leistungsplatinen-Unteranordnung ausgegeben werden.
  • 7 zeigt einen Außenbereich eines LDC-Moduls, das durch Einbettung der vorstehend beschriebenen LDC-Anordnung in ein Gehäuse herstellt wurde. Das LDC-Modul kann mehrere wärmerzeugende Komponenten enthalten; ein Kühlmittel (Kühlwasser, Kältemittel etc.) kann in einen in dem Gehäuse installierten Einlass injiziert werden, damit das Kühlmittel durch einen Kühldurchgang fließen kann, der auf einem vorbestimmten Weg in dem Gehäuse vorgesehen ist, um die LDC-Anordnung zu kühlen und das Kühlmittel durch einen Auslass abzuführen. Vorstehend wurde beschrieben, dass ein Motiv der Ausgestaltung des Package (Package-Anordnung) der bidirektionalen isolierten LDC-Schaltung mit großer Kapazität gemäß der vorliegenden Offenbarung darin besteht, die Kühleffizienz sowie einen effizienten elektrischen Energiefluss zum Zeitpunkt der LDC-Aufwärtswandlung und -Abwärtswandlung zu berücksichtigen.
  • 8 zeigt eine Kühlstruktur eines LDC-Moduls, das durch Einbettung einer LD-Anordnung gemäß der vorliegenden Offenbarung in ein Gehäuse hergestellt wurde. 9 zeigt eine untere Fläche des LDC-Moduls und 10 zeigt eine obere Fläche des LDC-Moduls.
  • Ein Kühldurchgang zum Kühlen des LDC-Moduls der vorliegenden Offenbarung kann wie in 8 gezeigt konzipiert sein. ① Ein durch einen Einfluss eingeleitetes Kühlmittel kann durch den Kühldurchgang fließen, um einen BtB-Schalter (einen bidirektionalen Back-to-Back-Schalter zur Trennung einer Niederspannungsstufe) zu kühlen, der eine wärmeerzeugende Komponenten der Ausgabeleistungsplatinen-Unteranordnung 300 ist. ② Anschließend kann das Kühlmittel einen Transformator (und Inverter) durch den Kühldurchgang kühlen, der durch die Transformator-Unteranordnung 200 verläuft (siehe 10), ③ dann kann das Kühlmittel eine Buck-Schaltung (am unteren Teil dargestellt) und ④ eine Boost-Schaltung (am oberen Teil dargestellt) der Leistungsplatinen-Unteranordnung 100 der Reihe nach kühlen, ⑤ anschließend kann das Kühlmittel eine Niederspannungsstufen-Hochstrom-Schaltvorrichtung der Buck-Schaltung in der Ausgabeleistungsplatinen-Unteranordnung 300 durch den Kühldurchgang kühlen, der sich an einer unteren Fläche des LDC-Modulgehäuses befindet, und dann ⑥ kann das Kühlmittel durch einen Auslass abgeführt werden. Durch solch eine Ausgestaltung des Kühldurchgangs ist es möglich, die Schaltkreiskomponenten des bidirektionale LDC vom Boost-/Buck-Typ der Reihe nach zu kühlen, wodurch eine hervorragender Kühleffekt erzielt wird.
  • Gemäß der vorliegenden Offenbarung ist es möglich, durch die Verwendung gemeinsamer Komponenten und die Minimierung der Größe einen Effekt der Reduzierung der Anzahl der Komponententypen und der Materialkosten zu erzielen. Insbesondere können eine Hochspannungsstufe, eine Niederspannungsstufe, ein Kühldurchgang, ein Gehäuse und ein Steuerkreis gemeinsam verwendet werden, wodurch ein Raum, in den das Produkt eingebaut werden soll (hauptsächlich ein Motorraum), in einem Fahrzeug gesichert und das Gewicht des Produkts reduziert werden kann. Darüber hinaus können Drähte (für Hochspannung, Niederspannung und Signale) zum Verbinden des Fahrzeugs mit dem Produkt reduziert werden und auch die Steuervariablen können reduziert werden, so dass viele Vorteile im Hinblick auf das Fahrzeug erzielt werden können. Darüber hinaus ist es möglich, Kosten und Platz zu reduzieren, indem Filter von Hoch- und Niederspannungsstufen, eine Leiterplatte und dergleichen gemeinsam verwendet werden.
  • Die vorstehenden Beschreibungen dienen lediglich der Darstellung technischer Ideen und Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung und für Fachleute auf dem Gebiet, zu dem die Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung gehören, sollte ersichtlich sein, dass verschiedenen Modifikationen, Kombinationen und Veränderungen durchgeführt werden können, ohne von der Idee und dem Umfang der Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung abzuweichen. Daher sind Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung lediglich in einem beschreibenden Sinne zu verstehen und dienen nicht der Einschränkung. Die vorliegende Offenbarung ist somit nicht auf die oben beschriebenen Ausführungsformen beschränkt und soll vielmehr die folgenden beigefügten Ansprüche sowie alle Modifikationen, Äquivalente und Alternativen umfassen, die Teil der Idee und des Umfangs beigefügten Ansprüche sind.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • 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.
  • Zitierte Patentliteratur
    • KR 1020200179563 [0001]

Claims (12)

  1. Bidirektionale isolierte Niederspannungs-Gleichspannungswandler-(LDC-)Anordnung, die mit einer Hochspannungsstufe, einer Niederspannungsstufe und einem bidirektionalen isolierten Gleichspannungswandler verpackt ist, der eine Buck-Schaltung und eine Boost-Schaltung aufweist, die zwischen der Hochspannungsstufe und der Niederspannungsstufe parallel geschaltet sind, wobei die LDC-Anordnung aufweist: eine Leistungsplatinen-Unteranordnung, welche die Hochspannungsstufe, einen Teil der Buck-Schaltung und die Boost-Schaltung aufweist; eine Transformator-Unteranordnung, die einen Transformator der Buck-Schaltung aufweist; eine Ausgangsleistungsplatinen-Unteranordnung, die einen Teil der Buck-Schaltung aufweist; und eine EMV-Filter-Unteranordnung, die einen in der Niederspannungsstufe enthaltenen EMV-Filter aufweist.
  2. Bidirektionale isolierte LDC-Anordnung nach Anspruch 1, wobei der Teil der Buck-Schaltung, der in der Leistungsplatinen-Unteranordnung enthalten ist, eine Hochspannungsstufen-Schaltvorrichtung aufweist, die sich auf einer Primärseite des Transformators befindet.
  3. Bidirektionale isolierte LDC-Anordnung nach Anspruch 2, wobei der Teil der Buck-Schaltung, der in der Leistungsplatinen-Unteranordnung enthalten ist, einen Stromwandler und einen Klemmkondensator aufweist, die sich auf der Primärseite des Transformators befinden.
  4. Bidirektionale isolierte LDC-Anordnung nach Anspruch 1, wobei die Transformator-Unteranordnung ferner einen Induktor der Buck-Schaltung aufweist.
  5. Bidirektionale isolierte LDC-Anordnung nach Anspruch 1, wobei der Teil der Buck-Schaltung, der in der Ausgangsleistungsplatinen-Unteranordnung entfalten ist, eine Schaltvorrichtung und einen BtB-Schalter aufweist, die sich auf einer Sekundärseite des Transformator befinden.
  6. Bidirektionale isolierte LDC-Anordnung nach Anspruch 1, ferner aufweisend: eine Stromsensor-Unteranordnung, die einen Hochspannungsstufen-Stromsensor und einen Niederspannungsstufen-Stromsensor aufweist.
  7. Bidirektionale isolierte LDC-Anordnung nach Anspruch 1, wobei die EMV-Filter-Unteranordnung einen Hochspannungsstufen-Stromsensor und einen Niederspannungsstufen-Stromsensor aufweist.
  8. Bidirektionale isolierte LDC-Anordnung nach Anspruch 1, wobei die Buck-Schaltung eine aktive Klemmeintaktflusswandler-Schaltung ist und die Boost-Schaltung eine aktive Klemmsperrwandler-Schaltung ist.
  9. Kühlstruktur einer bidirektionalen isolierten LDC-Anordnung, wobei die Kühlstruktur zum Kühlen der LDC-Anordnung nach Anspruch 1 aufweist: einen erste Kühldurchgang, durch den Kühlmittel fließt, um einen BtB-Schalter der Buck-Schaltung der Ausgangsleistungsplatinen-Unteranordnung zu kühlen; einen zweiten Kühldurchgang, durch den das aus dem ersten Kühldurchgang abgeführte Kühlmittel fließt, um den Transformator der Buck-Schaltung der Transformator-Unteranordnung zu kühlen, einen dritten Kühldurchgang, durch den das aus dem zweiten Kühldurchgang abgeführte Kühlmittel fließt, um die Buck-Schaltung der Leistungsplatinen-Unteranordnung zu kühlen; einen vierten Kühldurchgang, durch den das aus dem dritten Kühldurchgang abgeführte Kühlmittel fließt, um die Boost-Schaltung der Leistungsplatinen-Unteranordnung zu kühlen; und einen fünften Kühldurchgang, durch den aus dem vierten Kühldurchgang abgeführte Kühlmittel fließt, um eine Schaltvorrichtung der Buck-Schaltung der Ausgangsleistungsplatinen-Unteranordnung zu kühlen.
  10. Kühlstruktur einer bidirektionalen isolierten LDC-Anordnung nach Anspruch 9, wobei das Kühlmittel, das durch den zweiten Kühldurchgang fließt, einen Induktor der Buck-Schaltung kühlt.
  11. Kühlstruktur einer bidirektionalen isolierten LDC-Anordnung nach Anspruch 9, wobei der fünfte Kühldurchgang durch eine untere Fläche der Ausgangsleistungsplatinen-Unteranordnung verläuft.
  12. Kühlstruktur einer bidirektionalen isolierten LDC-Anordnung nach Anspruch 9, die Folgendes aufweist: einen Einlass, durch den das Kühlmittel in den ersten Kühldurchgang eingeführt wird; und einen Auslass, durch den das Kühlmittel aus dem fünften Kühldurchgang abgeführt wird.
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