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Die Erfindung betrifft eine Wandlereinrichtung und ein Verfahren zum Herabsetzen einer ersten Gleichspannung eines elektrischen Energiespeichers eines elektrisch betreibbaren Fahrzeugs auf eine zweite Gleichspannung eines Bordnetzes des Fahrzeugs.
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In elektrisch betreibbaren Fahrzeugen mit sehr weitem Eingangsspannungsbereich, beispielsweise mit einem umschaltbaren elektrischen Energiespeicher, bei dem zwei Batteriestränge wahlweise von einer Reihenschaltung in eine Parallelschaltung angeordnet werden können, müssen bei einer Wandlereinrichtung wie einem DC-DC-Wandler Maßnahmen ergriffen werden, um zumindest in allen Spannungsbereichen die geforderte Ausgangsspannung, beispielsweise mindestens 12V erreichen zu können.
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Wenn der DC-DC-Wandler als Versorgungswandler für das 12V-Bordnetz verwendet wird, so sind bedingt durch die Anforderungen der 12V-Seite zudem Maßnahmen zum Verpolschutz der 12V-Batterie und zur Vermeidung eines internen Kurzschlusses zu treffen.
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Die
DE 10 2019 006 272 A1 offenbart eine Wandlereinrichtung, bei der zwei Spannungswandler bezüglich eines ersten Anschlusses untereinander in Reihe und bezüglich eines zweiten Anschlusses parallel zueinander geschaltet sind. Die jeweiligen Wechselrichtereinheiten der zwei Spannungswandler sind bezüglich des ersten Anschlusses untereinander in Reihe geschaltet. Auf diese Weise teilt sich die Spannung des elektrischen Energiespeichers, wenn diese am ersten Anschluss anliegt, entsprechend der Widerstände der zumindest zwei Spannungswandler auf diese auf. Die Spannung des elektrischen Energiespeichers am ersten Anschluss teilt sich nach den Gesetzen einer Reihenschaltung auf die zumindest zwei Spannungswandler, insbesondere deren jeweilige Wechselrichtereinheiten, auf. Die zwei Spannungswandler sind damit primärseitig in Reihe geschaltet. Sekundärseitig sind die zwei Spannungswandler parallel geschaltet. Die jeweiligen Gleichrichtereinheiten der zwei Spannungswandler sind parallel zueinander, beziehungsweise parallel zu dem zweiten Anschluss geschaltet. Auf diese Weise ist das Spannungsniveau am ersten Anschluss zumindest im Wesentlichen gleich dem jeweiligen sekundärseitigen Spannungsniveau der zwei Spannungswandler. Sekundärseitig findet keine Spannungsaddition, sondern eine Stromaddition über die zwei Spannungswandler statt.
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Eine Aufgabe der Erfindung ist es, eine Wandlereinrichtung für einen sehr weiten Eingangsspannungsbereich zu schaffen.
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Eine weitere Aufgabe ist es, ein Verfahren zum Betreiben einer solchen Wandlereinrichtung für einen sehr weiten Eingangsspannungsbereich zu schaffen.
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Die vorgenannten Aufgaben werden mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche gelöst.
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Günstige Ausgestaltungen und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den weiteren Ansprüchen, der Beschreibung und der Zeichnung.
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Nach einem Aspekt der Erfindung wird eine Wandlereinrichtung vorgeschlagen zum Herabsetzen einer ersten Gleichspannung eines elektrischen Energiespeichers eines elektrisch betreibbaren Fahrzeugs auf eine zweite Gleichspannung eines Bordnetzes des Fahrzeugs, mit zwei Polen eines ersten Anschlusses zum Verbinden der Wandlereinrichtung mit dem elektrischen Energiespeicher, mit zwei Polen eines zweiten Anschlusses zum Verbinden der Wandlereinrichtung mit dem Bordnetz, mit wenigstens einer Transformatoreinheit, welche wenigstens eine Primärwicklung und wenigstens eine erste Sekundärwicklung und wenigstens eine zweite Sekundärwicklung aufweist, mit wenigstens einer Wechselrichtereinheit, welche mit der wenigstens einen Primärwicklung verbunden ist, sowie mit wenigstens einer ersten Gleichrichtereinheit, welche mit der ersten Sekundärwicklung verbunden ist und mit einer zweiten Gleichrichtereinheit, welche mit der zweiten Sekundärwicklung verbunden ist. Dabei ist ein erster Ausgang der ersten Gleichrichtereinheit über einen ersten Sicherheitsschalter mit dem ersten Pol des zweiten Anschlusses elektrisch gekoppelt, und ein zweiter Ausgang ist der zweiten Gleichrichtereinheit über einen zweiten Sicherheitsschalter mit dem zweiten Pol des zweiten Anschlusses elektrisch gekoppelt.
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Erfindungsgemäß sind der erste Ausgang der ersten Gleichrichtereinheit und der zweite Ausgang der zweiten Gleichrichtereinheit über einen Schalter elektrisch gekoppelt. Dabei sind der erste Ausgang der ersten Gleichrichtereinheit und ein erster Ausgang der zweiten Gleichrichtereinheit auf den ersten Pol des zweiten Anschlusses und ein zweiter Ausgang der ersten Gleichrichtereinheit und der zweite Ausgang der zweiten Gleichrichtereinheit auf den zweiten Pol des zweiten Anschlusses schaltbar, wenn der Schalter geöffnet und der erste und der zweite Sicherheitsschalter geschlossen ist. Weiter sind der erste Ausgang der zweiten Gleichrichtereinheit auf den ersten Pol des zweiten Anschlusses und der zweite Ausgang der ersten Gleichrichtereinheit auf den zweiten Pol des zweiten Anschlusses schaltbar sowie der erste Ausgang der ersten Gleichrichtereinheit und der zweite Ausgang der zweiten Gleichrichtereinheit zusammenschaltbar, wenn der Schalter geschlossen und der erste und der zweite Sicherheitsschalter geöffnet ist.
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Mit dem zusätzlichen Schalter und den üblicherweise vorhandenen Sicherheitsschaltern, welche als Verpolschutz und/oder zur Kurzschlussvermeidung vorgesehen sind, können die zwei Gleichrichtereinheiten wahlweise von einer Parallelschaltung, bei der eine Addition der Ausgangsströme stattfindet, zu einer Reihenschaltung, bei der eine Addition der Ausgangsspannungen stattfindet, elektrisch verbunden werden.
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Auf diese Weise kann mit sehr geringem Zusatzaufwand, nämlich einem zusätzlichen Schalter und mit Hilfe der Verwendung der Sicherheitsschalter eine Erweiterung des Spannungsbereichs der Wandlereinrichtung um einen Faktor zwei dargestellt werden. In einer Kombination mit zwei in Serie geschalteten Wechselrichtereinheiten auf der Primärseite der Transformatoreinheit kann der Spannungsbereich sogar um einen Faktor vier erweitert werden.
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Somit kann die Anforderung eines weiten Hochvolt-Eingangsspannungsbereichs der Wandlereinrichtung durch eine Mehrfachfunktion der Sicherheitsschalter vorteilhaft erfüllt werden.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Wandlereinrichtung können die erste Sekundärwicklung und die zweite Sekundärwicklung jeweils einen Mittelabgriff aufweisen, sodass die erste und zweite Gleichrichtereinheit als Vollwellen-Gleichrichtungsschaltung ausgebildet ist. Jede Transformatorwicklung auf der Sekundärseite der Transformatoreinheit inklusive Mittelabgriff kann so vorteilhaft mit einer Gleichrichtungsstufe verschaltet sein, die einem Vollwellen-Gleichrichter entspricht.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Wandlereinrichtung können die erste und zweite Gleichrichtereinheit als Spannungsverdopplungs-Gleichrichterschaltung ausgebildet sein. Für eine solche Gleichrichterschaltung ist an den beiden Sekundärwicklungen kein Mittelabgriff erforderlich, wodurch die Transformatoreinheit vereinfacht ausgebildet sein kann.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Wandlereinrichtung können die erste und zweite Gleichrichtereinheit als Vollbrücken-Gleichrichterschaltung ausgebildet sein. Für eine solche Gleichrichterschaltung ist an den beiden Sekundärwicklungen kein Mittelabgriff erforderlich, wodurch die Transformatoreinheit vereinfacht ausgebildet sein kann.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Wandlereinrichtung kann die Transformatoreinheit zwei Primärwicklungen aufweisen. Dabei können zwei Wechselrichtereinheiten vorgesehen sein, wobei die beiden Wechselrichtereinheiten seriell verschaltbar sind und/oder wobei eine der beiden Wechselrichtereinheiten als Kurzschluss schaltbar ist. Mit den beiden Wechselrichtereinheiten kann vorteilhaft eine größere Spannungsspreizung der Wandlereinrichtung von bis zu einem Faktor vier abgedeckt werden.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Wandlereinrichtung kann ein dritter Sicherheitsschalter vorgesehen sein, welcher in Serie zu dem ersten Sicherheitsschalter verschaltet ist. Weiter kann ein vierter Sicherheitsschalter vorgesehen sein, welcher in Serie zu dem zweiten Sicherheitsschalter verschaltet ist. Dabei können der dritte und vierte Sicherheitsschalter zur Kurzschluss-Vermeidung ausgebildet sein. Mit den beiden zusätzlichen Sicherheitsschaltern können weitere Sicherheitsanforderungen an die Wandlereinrichtung erfüllt werden.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Wandlereinrichtung kann der Schalter als MOSFET oder als Relais ausgebildet sein. Der Schalter kann beispielsweise als MOSFET-Halbleiter mit einer sogenannten Body-Diode ausgebildet sein. Alternativ ist jedoch durchaus eine Realisierung mit einem elektromechanischen Relais möglich.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Wandlereinrichtung kann die wenigstens eine Wechselrichtereinheit als Halbbrücke ausgebildet sein. Wechselrichter in Form einer Halbbrücke stellen eine übliche Form einer Wechselrichtereinheit dar und sind deshalb günstig einzusetzen.
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Nach einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren vorgeschlagen zum Herabsetzen einer ersten Gleichspannung eines elektrischen Energiespeichers eines elektrisch betreibbaren Fahrzeugs auf eine zweite Gleichspannung eines Bordnetzes des Fahrzeugs mit einer Wandlereinrichtung, wobei das Verfahren wenigstens die Schritte umfasst Betreiben der ersten und zweiten Gleichrichtereinheit parallel verschaltet durch Öffnen des Schalters und Schließen des ersten und des zweiten Sicherheitsschalters, sodass die erste und die zweite Gleichrichtereinheit jeweils parallel die zweite Gleichspannung erzeugen, wenn die erste Gleichspannung einen vorbestimmten ersten Wert aufweist, oder Betreiben der ersten und zweiten Gleichrichtereinheit seriell verschaltet durch Schließen des Schalters und Öffnen des ersten und des zweiten Sicherheitsschalters, sodass die erste und die zweite Gleichrichtereinheit jeweils in Summe die zweite Gleichspannung erzeugen, wenn die erste Gleichspannung einen vorbestimmten zweiten Wert aufweist, der niedriger als der erste Wert ist.
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Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren können die zwei Gleichrichtereinheiten mit einem zusätzlichen Schalter und den üblicherweise vorhandenen Sicherheitsschaltern, welche als Verpolschutz und/oder zur Kurzschlussvermeidung vorgesehen sind, wahlweise von einer Parallelschaltung, bei der eine Addition der Ausgangsströme stattfindet, zu einer Reihenschaltung, bei der eine Addition der Ausgangsspannungen stattfindet, geschaltet werden.
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Auf diese Weise kann mit sehr geringem Zusatzaufwand, nämlich einem zusätzlichen Schalter und mit Hilfe der Verwendung der Sicherheitsschalter eine Erweiterung des Spannungsbereichs der Wandlereinrichtung um einen Faktor zwei dargestellt werden.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens kann für den Fall, dass zwei Wechselrichtereinheiten vorgesehen sind, das Verfahren wenigstens die Schritte umfassen: wenn die erste Gleichspannung wenigstens einen vorbestimmten ersten Wert aufweist, Betreiben der beiden Wechselrichtereinheiten seriell verschaltet; und Betreiben der ersten und zweiten Gleichrichtereinheit parallel verschaltet; wenn die erste Gleichspannung wenigstens einen vorbestimmten zweiten Wert aufweist, der niedriger als der erste Wert ist, Betreiben der beiden Wechselrichtereinheiten seriell verschaltet; Betreiben der ersten und zweiten Gleichrichtereinheit seriell verschaltet; oder Betreiben einer der beiden Wechselrichtereinheiten im Kurzschlussbetrieb; und Betreiben der ersten und zweiten Gleichrichtereinheit parallel verschaltet; wenn die erste Gleichspannung wenigstens einen vorbestimmten dritten Wert aufweist, der niedriger als der zweite Wert ist, Betreiben einer der beiden Wechselrichtereinheiten im Kurzschlussbetrieb; und Betreiben der ersten und zweiten Gleichrichtereinheit seriell verschaltet.
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In einer Kombination mit zwei in Serie geschalteten Wechselrichtereinheiten auf der Primärseite der Transformatoreinheit kann der Spannungsbereich sogar um einen Faktor vier erweitert werden.
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Somit kann die Anforderung eines weiten Hochvolt-Eingangsspannungsbereichs der Wandlereinrichtung durch eine Mehrfachfunktion der Sicherheitsschalter vorteilhaft erfüllt werden.
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Weitere Vorteile ergeben sich aus der folgenden Zeichnungsbeschreibung. In den Zeichnungen ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. Die Zeichnungen, die Beschreibung und die Ansprüche enthalten zahlreiche Merkmale in Kombination. Der Fachmann wird die Merkmale zweckmäßigerweise auch einzeln betrachten und zu sinnvollen weiteren Kombinationen zusammenfassen.
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Dabei zeigen:
- 1 ein Schaltungslayout einer Wandlereinrichtung zum Herabsetzen einer ersten Gleichspannung eines elektrischen Energiespeichers eines elektrisch betreibbaren Fahrzeugs auf eine zweite Gleichspannung eines Bordnetzes des Fahrzeugs in einer Vollwellen-Gleichrichterschaltung nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;
- 2 ein Strompfad auf der Sekundärseite der Wandlereinrichtung nach 1, wenn die beiden Gleichrichtereinheiten parallel verschaltet sind;
- 3 ein Strompfad auf der Sekundärseite der Wandlereinrichtung nach 1, wenn die beiden Gleichrichtereinheiten seriell verschaltet sind;
- 4 ein Schaltungslayout einer Wandlereinrichtung in einer Vollwellen-Gleichrichterschaltung mit zwei Wechselrichtereinheiten nach einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung;
- 5 ein Schaltungslayout einer Wandlereinrichtung in einer Spannungsverdopplungs-Gleichrichterschaltung nach einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung;
- 6 ein Schaltungslayout einer Wandlereinrichtung in einer Spannungsverdopplungs-Gleichrichterschaltung mit zwei Wechselrichtereinheiten nach einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung;
- 7 ein Schaltungslayout einer Wandlereinrichtung in einer Vollbrücken-Gleichrichterschaltung nach einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung; und
- 8 ein Schaltungslayout einer Wandlereinrichtung in einer Vollbrücken-Gleichrichterschaltung mit zwei Wechselrichtereinheiten nach einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung.
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In den Figuren sind gleiche oder gleichartige Komponenten mit gleichen Bezugszeichen beziffert. Die Figuren zeigen lediglich Beispiele und sind nicht beschränkend zu verstehen.
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1 zeigt ein Schaltungslayout einer Wandlereinrichtung 100 zum Herabsetzen einer ersten Gleichspannung 12 eines elektrischen Energiespeichers 10 eines elektrisch betreibbaren Fahrzeugs auf eine zweite Gleichspannung 22 eines Bordnetzes 20 des Fahrzeugs in einer Vollwellen-Gleichrichterschaltung nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
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Die Wandlereinrichtung 100 weist zwei Pole 34, 36 eines ersten Anschlusses 33 zum Verbinden der Wandlereinrichtung 100 mit dem elektrischen Energiespeicher 10, und zwei Pole 82, 84 eines zweiten Anschlusses 80 zum Verbinden der Wandlereinrichtung 100 mit dem Bordnetz 20 auf.
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Die Wandlereinrichtung 100 umfasst weiter eine Transformatoreinheit 40, welche eine Primärwicklung 42 und eine erste Sekundärwicklung 46 und eine zweite Sekundärwicklung 48 aufweist.
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Die Wandlereinrichtung 100 umfasst weiter eine Wechselrichtereinheit 30, 32, welche mit der wenigstens einen Primärwicklung 42 verbunden ist.
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Die Wandlereinrichtung 100 umfasst weiter eine erste Gleichrichtereinheit 50, welche mit der ersten Sekundärwicklung 46 verbunden ist und eine zweite Gleichrichtereinheit 60, welche mit der zweiten Sekundärwicklung 48 verbunden ist. Die erste Sekundärwicklung 46 und die zweite Sekundärwicklung 48 weisen jeweils einen Mittelabgriff 56, 66 auf, sodass die erste und zweite Gleichrichtereinheit 50, 60 als Vollwellen-Gleichrichtungsschaltung ausgebildet sind.
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Ein erster Ausgang 52 der ersten Gleichrichtereinheit 50 ist über einen ersten Sicherheitsschalter 72 mit dem ersten Pol 82 des zweiten Anschlusses 80 elektrisch gekoppelt. Ein zweiter Ausgang 64 der zweiten Gleichrichtereinheit 60 ist über einen zweiten Sicherheitsschalter 74 mit dem zweiten Pol 84 des zweiten Anschlusses 80 elektrisch gekoppelt.
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Der erste Ausgang 52 der ersten Gleichrichtereinheit 50 und der zweite Ausgang 64 der zweiten Gleichrichtereinheit 60 sind über einen Schalter 70 elektrisch gekoppelt.
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Dabei können der erste Ausgang 52 der ersten Gleichrichtereinheit 50 und ein erster Ausgang 62 der zweiten Gleichrichtereinheit 60 auf den ersten Pol 82 des zweiten Anschlusses 80 und ein zweiter Ausgang 54 der ersten Gleichrichtereinheit 50 und der zweite Ausgang 64 der zweiten Gleichrichtereinheit 60 auf den zweiten Pol 84 des zweiten Anschlusses 80 geschaltet werden, wenn der Schalter 70 geöffnet und der erste und der zweite Sicherheitsschalter 72, 74 geschlossen ist.
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Alternativ können der erste Ausgang 62 der zweiten Gleichrichtereinheit 60 auf den ersten Pol 82 des zweiten Anschlusses 80 und der zweite Ausgang 54 der ersten Gleichrichtereinheit 50 auf den zweiten Pol 84 des zweiten Anschlusses 80 geschaltet werden sowie der erste Ausgang 52 der ersten Gleichrichtereinheit 50 und der zweite Ausgang 64 der zweiten Gleichrichtereinheit 60 zusammengeschaltet werden, wenn der Schalter 70 geschlossen und der erste und der zweite Sicherheitsschalter 72, 74 geöffnet ist.
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Der Schalter 70 ist als MOSFET mit Body-Diode ausgebildet. Alternativ ist auch möglich, dass der Schalter als Relais ausgebildet ist.
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Die Wechselrichtereinheit 30, 32 ist als Halbbrücke ausgebildet.
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Der elektrische Energiespeicher 10 ist als Spannungsquelle 12 mit einem Innenwiderstand 14 dargestellt und ist über die beiden Pole 34, 36 des ersten Anschlusses 33 der Wandlereinrichtung 30 verbunden.
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Das Bordnetz 20 ist schematisch als zweite Gleichspannung 22 mit einem Lastwiderstand 24 dargestellt und ist über die beiden Pole 82, 84 des zweiten Anschlusses 80 verbunden.
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Ein dritter Sicherheitsschalter 76 ist vorgesehen, welcher in Serie zu dem ersten Sicherheitsschalter 72 verschaltet ist, ebenso ein vierter Sicherheitsschalter 78, welcher in Serie zu dem zweiten Sicherheitsschalter 74 verschaltet ist. Der dritte und vierte Sicherheitsschalter 76, 78 kann vorteilhaft zur Kurzschluss-Vermeidung ausgebildet sein. Zum Umschalten der beiden Gleichrichtereinheiten 50, 60 sind die beiden zusätzlichen Sicherheitsschalter 76, 78 nicht erforderlich.
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Die erste Gleichspannung 12 stellt die Versorgung der Primärseite der Wandlereinrichtung 100 dar, also beispielsweise den 400V oder 800V Spannungsbereich. Über die Halbleiterschaltung der Wechselrichtereinheit 30 wird an der Primärwicklung 42 ein Wechselsignal erzeugt. Auf der Sekundärseite umfasst die Transformatoreinheit 40 zwei Sekundärwicklungen 46, 48, von denen jede Wicklung zudem noch einen Mittelabgriff 56, 66 aufweist. Jede Sekundärwicklung 46, 48 inklusive Mittelabgriff 56, 66 ist mit einer Gleichrichtereinheit 50, 60 verschaltet, die in Vollwellen-Gleichrichterschaltung ausgebildet ist.
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Jede der beiden Sekundärseiten der Wandlereinrichtung 100 verfügt über eigene Sicherheitsschalter, nämlich Sicherheitsschalter 72, 76 für die erste Gleichrichtereinheit 50, und Sicherheitsschalter 74, 78 für die zweite Gleichrichtereinheit 60. Die Verschaltung der Sicherheitsschalter 72, 74, 76, 78 ist jedoch so zu wählen, dass die Sicherheitsschalter 72, 74, 76, 78 der ersten Gleichrichtereinheit 50 sich im negativen Potential noch vor der Zusammenführung mit dem negativen elektrischen Potential der zweiten Gleichrichtereinheit 60 befinden. Für die Sicherheitsschalter 74, 78 der zweiten Gleichrichtereinheit 60 gilt, dass die Sicherheitsschalter 74, 78 sich im positiven elektrischen Potential noch vor der Zusammenführung mit dem positiven Potential der ersten Gleichrichtereinheit 50 befinden. Zudem ist der Schalter 70 zur Reihenschaltung der beiden Gleichrichtereinheiten 50, 60 vorhanden. Dieses befindet sich zwischen dem positiven Potential der zweiten Gleichrichtereinheit 60 und dem negativen Potential der ersten Gleichrichtereinheit 50.
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Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren können die erste und zweite Gleichrichtereinheit 50, 60 parallel verschaltet betrieben werden durch Öffnen des Schalters 70 und Schließen des ersten und des zweiten Sicherheitsschalters 72, 74, sodass die erste und die zweite Gleichrichtereinheit 50, 60 jeweils parallel die zweite Gleichspannung 22 erzeugen. Diese Verschaltung ist günstig, wenn die erste Gleichspannung 12 einen vorbestimmten ersten Wert, beispielsweise 800V aufweist.
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Alternativ können die erste und zweite Gleichrichtereinheit 50, 60 seriell verschaltet betrieben werden durch Schließen des Schalters 70 und Öffnen des ersten und des zweiten Sicherheitsschalters 72, 74, sodass die erste und die zweite Gleichrichtereinheit 50, 60 jeweils in Summe die zweite Gleichspannung 22 erzeugen. Diese Verschaltung kann günstig sein, wenn die erste Gleichspannung 12 einen vorbestimmten zweiten Wert aufweist, der niedriger als der erste Wert ist, beispielsweise 400V.
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In 2 ist ein Strompfad auf der Sekundärseite der Wandlereinrichtung 100 nach 1 dargestellt, wenn die beiden Gleichrichtereinheiten 50, 60 parallel verschaltet sind. Die durchgezogenen Pfeile kennzeichnen den Strompfad durch die erste Gleichrichtereinheit 50 und die gestrichelten Pfeile den Strompfad durch die zweite Gleichrichtereinheit 60.
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Die Sicherheitschalter 72 und 74 sind angesteuert, d.h. geschlossen, der Schalter 70 ist geöffnet. Dieser Betriebszustand wird eingenommen, wenn die erste Gleichspannung 12 auf der Primärseite des elektrischen Energiespeichers ausreichend hoch ist, um auf der Sekundärseite jeder Gleichrichtereinheit 50, 60 eine zweite Gleichspannung 22 zu erzeugen, die noch zum Laden einer Batterie auf der Sekundärseite ausreichend hoch ist, d.h. die zweite Gleichspannung 22 der Sekundärseite ist höher als die Batteriespannung der auf der Sekundärseite angeschlossenen Batterie, beispielsweise 12V.
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Die Sicherheitschalter 76 und 78 können zur Wirkungsgradoptimierung ebenfalls angesteuert werden.
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Im Falle eines verpolten Anschlusses der Batterie auf der Sekundärseite können die Sicherheitschalter 72 und 74 wieder geöffnet werden und der kurzschlussähnliche Strom wird unterbrochen.
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In 3 ist ein Strompfad auf der Sekundärseite der Wandlereinrichtung 100 nach 1 dargestellt, wenn die beiden Gleichrichtereinheiten 50, 60 seriell verschaltet sind. Die durchgezogenen Pfeile kennzeichnen den Strompfad durch die beiden Gleichrichtereinheiten 50, 60.
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Die Sicherheitschalter 72 und 74 sind geöffnet, der Schalter 70 ist geschlossen. Dieser Betriebszustand wird eingenommen, wenn die erste Gleichspannung 12 auf der Primärseite des elektrischen Energiespeichers nicht mehr ausreichend hoch ist, um auf der Sekundärseite jeder Gleichrichtereinheit 50, 60 eine zweite Gleichspannung 22 zu erzeugen, die noch zum Laden der Batterie auf der Sekundärseite ausreichend hoch ist, d.h. die zweite Gleichspannung 22 der Sekundärseite ist höher als die Batteriespannung der angeschlossenen Batterie auf der Sekundärseite. Durch die Reihenschaltung der beiden Gleichrichtereinheiten 50, 60 werden deren Spannungen addiert und es kann nun die Batterie auf der Sekundärseite geladen werden.
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Im Falle eines verpolten Anschlusses der Batterie auf der Bordnetzseite kann der Schalter 70 wieder geöffnet werden und der kurzschlussähnliche Strom wird unterbrochen.
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4 zeigt ein Schaltungslayout einer Wandlereinrichtung 100 in einer Vollwellen-Gleichrichterschaltung mit zwei Wechselrichtereinheiten 30, 32 nach einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung.
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Die Transformatoreinheit 40 weist dabei zwei Primärwicklungen 42, 44 auf, um so die beiden Wechselrichtereinheiten 30, 32 seriell verschalten zu können. Alternativ kann auch eine der beiden Wechselrichtereinheiten 30, 32 als Kurzschluss geschaltet werden.
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Die Schaltung ist auf der Sekundärseite der Transformatoreinheit 40 identisch zur der in 1 dargestellten Schaltung. Auf der Primärseite weist sie den Unterschied auf, dass sich die Transformatoreinheit 40 zwei Primärwicklungen 42, 44 aufweist. Jede dieser Primärwicklungen 42, 44 wird durch eine als Halbbrücke geschaltete Wechselbrücke 30, 32 angeregt.
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Mit dieser Schaltung kann der Spannungsbereich der Wechselrichtereinheit 100 nicht nur um den Faktor zwei, sondern um den Faktor vier erweitert werden.
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Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren können, wenn die erste Gleichspannung 12 wenigstens einen vorbestimmten ersten Wert, beispielsweise 800V aufweist, die beiden Wechselrichtereinheiten 30, 32 seriell verschaltet betrieben werden und so die erste und zweite Gleichrichtereinheit 50, 60 parallel verschaltet betrieben werden. Die übertragbare Leistung wird hier mit 100% bezeichnet.
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Wenn die erste Gleichspannung 12 wenigstens einen vorbestimmten zweiten Wert aufweist, der niedriger als der erste Wert ist, beispielsweise 400V, können die beiden Wechselrichtereinheiten 30, 32 seriell verschaltet und die erste und zweite Gleichrichtereinheit 50, 60 seriell verschaltet betrieben werden.
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Alternativ können eine der beiden Wechselrichtereinheiten 30, 32 im Kurzschlussbetrieb und die erste und zweite Gleichrichtereinheit 50, 60 parallel verschaltet betrieben werden.
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In beiden Varianten reduziert sich die übertragbare Leistung auf grob 50%.
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Wenn die erste Gleichspannung 12 wenigstens einen vorbestimmten dritten Wert aufweist, der niedriger als der zweite Wert ist, beispielsweise 200V, können eine der beiden Wechselrichtereinheiten 30, 32 im Kurzschlussbetrieb und die erste und zweite Gleichrichtereinheit 50, 60 seriell verschaltet betrieben werden.
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Hier reduziert sich die übertragbare Leistung auf grob 25%.
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5 zeigt ein Schaltungslayout einer Wandlereinrichtung in einer Spannungsverdopplungs-Gleichrichterschaltung nach einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung.
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Die Schaltung ist auf der Primärseite der Transformatoreinheit 40 identisch zu der in 1 dargestellten Schaltung. Auch die Transformatoreinheit 40 weist zwei Sekundärwicklungen 46, 48 auf. Der Unterschied besteht darin, dass auf der Sekundärseite der Wandlereinrichtung 100 als Schaltungstopologie eine sogenannte Spannungsverdopplungs-Gleichrichterschaltung verwendet wurde. Das Verfahren zur Reihenschaltung und Parallelschaltung der beiden Gleichrichtereinheiten 50, 60 ist wiederum identisch zu dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel.
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6 zeigt ein Schaltungslayout einer Wandlereinrichtung 100 in einer Spannungsverdopplungs-Gleichrichterschaltung mit zwei Wechselrichtereinheiten 30, 32 nach einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung.
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Die Sekundärseite der Wandlereinrichtung 100 ist identisch zu der in 5 dargestellten Schaltung. Das Verfahren zur Reihenschaltung und Parallelschaltung der beiden Gleichrichtereinheiten 50, 60 ist wiederum identisch zu dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel.
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Die Primärseite ist identisch zu der in 4 dargestellten Schaltung. Das Verfahren zur Reihenschaltung der beiden Wechselrichtereinheiten 30, 32, bzw. zum Kurzschließen einer der beiden Wechselrichtereinheiten 30, 32 ist wiederum identisch zu dem in 4 dargestellten Ausführungsbeispiel.
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7 zeigt ein Schaltungslayout einer Wandlereinrichtung 100 in einer Vollbrücken-Gleichrichterschaltung nach einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung.
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Die Schaltung ist auf der Primärseite der Transformatoreinheit 40 identisch zu der in 1 dargestellten Schaltung. Auch die Transformatoreinheit 40 weist zwei Sekundärwicklungen 46, 48 auf. Der Unterschied besteht darin, dass auf der Sekundärseite der Wandlereinrichtung 100 als Schaltungstopologie eine sogenannte Vollbrücken-Gleichrichterschaltung verwendet wurde. Das Verfahren zur Reihenschaltung und Parallelschaltung der beiden Gleichrichtereinheiten 50, 60 ist wiederum identisch zu dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel.
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8 zeigt ein Schaltungslayout einer Wandlereinrichtung in einer Vollbrücken-Gleichrichterschaltung mit zwei Wechselrichtereinheiten nach einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung.
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Die Sekundärseite der Wandlereinrichtung 100 ist identisch zu der in 7 dargestellten Schaltung. Das Verfahren zur Reihenschaltung und Parallelschaltung der beiden Gleichrichtereinheiten 50, 60 ist wiederum identisch zu dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel.
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Die Primärseite ist identisch zu der in 4 dargestellten Schaltung. Das Verfahren zur Reihenschaltung der beiden Wechselrichtereinheiten 30, 32, bzw. zum Kurzschließen einer der beiden Wechselrichtereinheiten 30, 32 ist wiederum identisch zu dem in 4 dargestellten Ausführungsbeispiel.
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Anstelle der mit Halbbrücken dargestellten Wechselrichtereinheiten 30, 32 sind jedoch auch andere Verschaltungen möglich, wie beispielsweise eine sogenannte LLC-Schaltung oder eine Halbbrücke und eine Kondensator-Reihenschaltung als Ersatz der zweiten Halbbrücke.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- elektrischer Energiespeicher
- 12
- erste Gleichspannung
- 14
- Innenwiderstand
- 20
- Bordnetz
- 22
- zweite Gleichspannung
- 24
- Lastwiderstand
- 30
- Wechselrichtereinheit
- 32
- Wechselrichtereinheit
- 33
- erster Anschluss
- 34
- Pol
- 36
- Pol
- 40
- Transformatoreinheit
- 42
- Primärwicklung
- 44
- Primärwicklung
- 46
- Sekundärwicklung
- 48
- Sekundärwicklung
- 50
- erste Gleichrichtereinheit
- 52
- erster Ausgang
- 54
- zweiter Ausgang
- 60
- zweite Gleichrichtereinheit
- 62
- erster Ausgang
- 64
- zweiter Ausgang
- 70
- Schalter
- 72
- erster Sicherheitsschalter
- 74
- zweiter Sicherheitsschalter
- 76
- dritter Sicherheitsschalter
- 78
- vierter Sicherheitsschalter
- 80
- zweiter Anschluss
- 82
- Pol
- 84
- Pol
- 100
- Wandlereinrichtung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102019006272 A1 [0004]
