DE102021003846A1 - Spannungswandler und Verfahren zum Laden eines elektrischen Energiespeichers eines Fahrzeugs, sowie Fahrzeug - Google Patents

Spannungswandler und Verfahren zum Laden eines elektrischen Energiespeichers eines Fahrzeugs, sowie Fahrzeug Download PDF

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Spannungswandler (4) zum Laden eines Energiespeichers (2), mit- einer Eingangsseite (5) zum Koppeln mit einem Ladeanschluss (7),- einer Ausgangsseite (6) zum Bereitstellen einer Ausgangsspannung (UA) bereitstellt,- einem ersten Strang (ST1), wobei der erste Strang (ST1) eine erste Induktivität (8) aufweist,- einer ersten Brückenschaltung (B1) mit einem ersten Mittelabgriff (M1) und einer zweiten Brückenschaltung (B2) mit einem zweiten Mittelabgriff (M2), welche zwischen dem ersten und einem zweiten Strang (ST1, ST2) geschaltet sind,- einem dritten Strang (ST3), welcher zwischen den ersten und zweiten Mittelabgriff (M1, M2) geschaltet ist, wobei der dritte Strang (ST3) eine zweiten Induktivität (9) aufweist, und wobei- die erste und zweite Brückenschaltung (B1, B2) derart gesteuert sind, dass die Ausgangsspannung (UA) in Abhängigkeit von dem ersten und dritten Strang (ST1, ST3) bereitgestellt wird. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Fahrzeug (1) und ein Verfahren.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Spannungswandler zum Laden eines elektrischen Energiespeichers eines Fahrzeuges. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Fahrzeug mit einem entsprechenden Spannungswandler. Ebenso betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Laden eines elektrischen Energiespeichers eines Fahrzeugs mit einem entsprechenden Spannungswandler.
  • Zum Laden von elektrisch angetriebenen beziehungsweise elektrisch betriebenen Fahrzeugen, wie Elektrofahrzeuge, Hybridfahrzeuge oder Plug-in-Fahrzeuge, können Schnellladestationen beziehungsweise Schnellladesäulen eingesetzt werden. Mithilfe dieser kann ein Gleichspannungsladevorgang mit einer hohen Ladeleistung durchgeführt werden. Beispielsweise weisen die heutigen Schnellladesäulen nur eine maximale Spannung von 750 Volt auf. Demgegenüber weisen die Elektrofahrzeuge eine Spannungslage von maximal 870 Volt auf. Somit muss die Spannung der Ladesäulen noch zusätzlich hochtransformiert werden, um das Elektrofahrzeug mit einer hohen Ladeleistung laden zu können.
  • Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, einen Spannungswandler zum Laden eines zumindest teilweise elektrisch betriebenen Fahrzeuges bereitzustellen, mit welchem die vielfältigsten Ladevorgänge durchgeführt werden können.
  • Diese Aufgabe wird durch einen Spannungswandler, ein Fahrzeug sowie ein Verfahren gemäß den unabhängigen Patentansprüchen gelöst. Sinnvolle Weiterbildungen ergeben sich aus den abhängigen Patentansprüchen.
  • Ein Aspekt der Erfindung betrifft einen Spannungswandler zum Laden eines elektrischen Energiespeichers eines Fahrzeugs, mit
    • - einer Eingangsseite des Spannungswandlers zum Koppeln mit einem fahrzeugseitigen Ladeanschluss, welcher eine Eingangsspannung bereitstellt,
    • - einer Ausgangsseite des Spannungswandlers zum Koppeln mit dem elektrischen Energiespeicher, wobei die Ausgangsseite eine Ausgangsspannung bereitstellt,
    • - einem ersten Strang, welcher zwischen ein erstes Potential der Eingangsseite und ein erstens Potential der Ausgangseite geschaltet ist, wobei der erste Strang eine erste Induktivität aufweist, wobei an dem ersten Strang eine erste Spannung anliegt,
    • - einem zweiten Strang, welcher zwischen ein zweites Potential der Eingangsseite und ein zweites Potential der Ausgangseite geschaltet ist,
    • - einer ersten Brückenschaltung mit einem ersten Mittelabgriff und einer zweiten Brückenschaltung mit einem zweiten Mittelabgriff, welche jeweils zwischen den ersten und zweiten Strang geschaltet sind,
    • - einem dritten Strang, welcher zwischen den ersten und zweiten Mittelabgriff geschaltet ist, wobei der dritte Strang eine Reihenschaltung aus einer zweiten Induktivität und einer ersten Drossel aufweist, wobei an der Reihenschaltung eine dritte Spannung anliegt, und wobei
    • - die erste Induktivität des ersten Strangs mit der zweiten Induktivität des dritten Strangs magnetisch gekoppelt ist,
    • - die erste und zweite Brückenschaltung derart gesteuert sind, dass die Ausgangsspannung in Abhängigkeit von dem ersten und dritten Strang zum Laden des elektrischen Energiespeichers bereitgestellt wird.
  • Durch den vorgeschlagenen Spannungswandler können Ladevorgänge von elektrisch betriebenen Fahrzeugen effizienter und vielfältiger durchgeführt werden. Dies wird dadurch begünstigt, da der vorgeschlagene Spannungswandler als bidirektionaler Buck-Wandler und/oder Boost-Wandler mit magnetischer Kopplung verwendet werden kann. Somit kann der Spannungswandler sowohl als Boost-Wandler beziehungsweise Hochsetzsteller verwendet werden, um eine Ladespannung einer Ladesäule für einen Ladevorgang des Fahrzeuges hochtransformieren beziehungsweise wandeln zu können. Ebenso kann der Spannungswandler als Buck-Wandler beziehungsweise Tiefsetzsteller beziehungsweise Abwärtswandler betrieben beziehungsweise verwendet werden, um bei einer im Vergleich zur Ladespannung der Ladesäule niedrigeren Batteriespannung einen effizienten Ladevorgang durchführen zu können. Des Weiteren kann der erfindungsgemäße Spannungswandler bidirektional ausgebildet sein. Somit können ein bidirektionaler Boost-Wandler als auch ein bidirektionaler Buck-Wandler dargestellt werden. Folglich kann der vorgeschlagene Spannungswandler für die verschiedensten und situationsabhängigen Anforderungen eines Ladevorgangs des Fahrzeuges verwendet werden.
  • Durch die vielfältige Nutzung beziehungsweise Funktionalität des erfindungsgemäßen Spannungswandlers kann im Fahrzeug auf zusätzliche Komponenten für einen Ladevorgang verzichtet werden. Somit können Bauraum, Gewicht und Kosten reduziert werden. Durch die magnetische Kopplung des Spannungswandlers können die Anforderungen bezüglich der Stromtragfähigkeit der elektronischen Bauteile beziehungsweise elektrischen Bauteile des Spannungswandlers reduziert werden.
  • Insbesondere kann mit dem vorgeschlagenen Spannungswandler eine Spannungserhöhung für einen Schnellladevorgang des Fahrzeuges effizienter gestaltet werden. Des Weiteren ermöglicht der Spannungswandler eine Spannungserhöhung auch bei hohen Leistungsanforderungen. Speziell kann mit dem Spannungswandler ein kompakter, günstiger und platzsparender Wandler zum Wandeln von beispielsweise 750 Volt auf 870 Volt realisiert werden. Somit kann ein elektrisch betriebenes Fahrzeug schneller geladen werden, da hohe Ladeleistungen realisiert werden können.
  • Da der Spannungswandler magnetisch gekoppelt ist, ergibt sich gegenüber herkömmlich galvanisch gekoppelten Spannungswandlern der Vorteil, dass der Spannungswandler nicht auf den zu übertragenden Ladestrom ausgelegt werden muss. Bei galvanisch gekoppelten Spannungswandlern müssen daher alle leistungselektronischen Bauteile wie beispielsweise Halbleiter, induktive Bauteile und kapazitive Bauteile entsprechend ausgelegt beziehungsweise dimensioniert werden. Demgegenüber liefert der vorgeschlagene Spannungswandler erhebliche Vorteile. Zum einen weist der Spannungswandler einen geringeren Halbleiteraufwand auf und die erste Drossel des dritten Strangs kann für eine geringere Stromauslenkung ausgelegt werden. Ebenso können die Dioden des Spannungswandlers auf geringere Stromstärken ausgelegt werden. Mit anderen Worten ausgedrückt ist der vorgeschlagene Spannungswandler derart eingerichtet, dass sowohl eine Spannung der Primärseite und eine Spannung der Sekundärseite des Spannungswandlers erhöht werden kann.
  • Bei dem Fahrzeug kann es sich insbesondere um ein elektrisch angetriebenes beziehungsweise betriebenes Fahrzeug wie ein Elektrofahrzeug oder ein Hybridfahrzeug oder ein Plug-in-Fahrzeug handeln.
  • Bei dem elektrischen Energiespeicher des Fahrzeuges kann es sich beispielsweise um eine Fahrzeugbatterie oder um eine Batterieanordnung oder um eine Traktionsbatterie oder um ein Batteriesystem oder um eine Hochvolt-Batterie handeln. Insbesondere weist der elektrische Energiespeicher eine Spannungslage von maximal 870 Volt auf.
  • Bei dem fahrzeugseitigen Ladeanschluss handelt es sich beispielsweise um eine Ladedose oder um eine Ladesteckdose des Fahrzeuges, mit welcher das Fahrzeug, insbesondere ein elektrisches Bordnetz des Fahrzeuges, mit einer Ladestation oder Ladesäule elektrisch verbunden werden kann.
  • Insbesondere ist es ebenso denkbar, dass das Fahrzeug ausgebildet ist, einen konduktiven oder induktiven Ladevorgang an einer Ladestation beziehungsweise Ladesäule durchzuführen. Beispielsweise kann es sich bei der Ladesäule um eine Gleichstromladequelle handeln. Mit dieser kann beispielsweise eine Spannung von maximal 750 Volt bereitgestellt werden. Hier ist insbesondere der Spannungswandler von Vorteil, da bei einer Spannungsdifferenz zwischen der Spannung der Ladesäule und der Spannung des elektrischen Energiespeichers eine Anpassung vorgenommen werden kann. Beispielsweise können die 750 Volt der Ladesäule mittels des Spannungswandlers auf eine Spannung von 870 Volt zum Laden des elektrischen Energiespeichers hochgesetzt beziehungsweise hochtransformiert werden.
  • Speziell kann der elektrische Energiespeicher des Fahrzeuges einen elektrischen Antriebsmotor oder ein Antriebsaggregat des Fahrzeuges zum Antreiben des Fahrzeuges mit Energie versorgen.
  • Beispielsweise kann der Spannungswandler fest im beziehungsweise am Fahrzeug angeordnet werden. Beispielsweise ist der Spannungswandler Teil eines Bordladers oder eines Bordnetzes des Fahrzeuges. Mithilfe der magnetisch gekoppelten Induktivitäten kann der elektrische Energiespeicher mit einer hohen Spannung geladen werden, obwohl die Ladesäule diese Spannung nicht bereitstellen kann.
  • Beispielsweise handelt es sich bei der ersten und zweiten Brückenschaltung um H-Schaltungen, H-Brücken oder um Vollbrücken. Diese Brückenschaltungen können je nachdem, in welchem Betriebsmodus der Spannungswandler betrieben werden soll, entsprechend gesteuert beziehungsweise geschaltet werden. Folglich kann mit den steuerbaren Brückenschaltungen der Spannungswandler entweder im Boost-Modus, Buck-Modus oder in einem jeweiligen bidirektionalen Boost- oder Buck-Modus betrieben werden. Beispielsweise kann der Spannungswandler über ein Steuergerät beziehungsweise eine Steuereinheit entsprechend gesteuert werden. Dieses Steuergerät kann beispielsweise Bestandteil des Spannungswandlers sein oder es kann Bestandteil des elektronischen Bordnetzes des Fahrzeuges sein.
  • In einem Ausführungsbeispiel der Erfindung ist vorgesehen, dass die erste Brückenschaltung aus eine Reihenschaltung eines ersten Schaltelements mit einem zweiten Schaltelement gebildet ist, wobei zwischen dem ersten und zweiten Schaltelement der erste Mittelabgriff ausgebildet ist, und die zweite Brückenschaltung aus einer Reihenschaltung eines dritten Schaltelements mit einem vierten Schaltelement gebildet ist, wobei zwischen dem dritten und vierten Schaltelement der zweite mittlere Abgriff ausgebildet ist.
  • Mithilfe der jeweiligen Schaltelemente der ersten und zweiten Brückenschaltung können die Brückenschaltungen entsprechend geschaltet beziehungsweise gesteuert beziehungsweise angesteuert werden. Je nachdem, welche Schaltelemente sperrend oder für einen Stromfluss freigegeben sind, kann ein entsprechender Stromfluss in Richtung der Eingangsseite oder in Richtung der Ausgangsseite eingestellt werden. Insbesondere ist zwischen dem ersten Mittelabgriff und dem zweiten Mittelabgriff die Induktivität beziehungsweise die erste Drossel angeordnet. Durch die Brückenschaltungen und deren Schaltelemente kann insbesondere ein Drosselstrom in der ersten Drossel aufgebaut werden und anschließend kann der Drosselstrom in einem Freilauf wieder aus der ersten Drossel zum Laden des elektrischen Energiespeichers beispielsweise freigegeben werden. Mittels der Brückenschaltungen und deren Schaltelemente kann zunächst ein Drosselstrom in der ersten Drossel eingebracht werden, welche in einer nachfolgenden Freilaufphase zum Laden des elektrischen Energiespeichers verwendet werden kann.
  • Beispielsweise handelt es sich bei der ersten Drossel um eine Induktivität beziehungsweise um ein induktives Bauelement.
  • Bei dem ersten, zweiten, dritten und vierten Schaltelement kann es sich beispielsweise um einen elektronischen Schalter, wie beispielsweise eine Diode oder einen Thyristor oder einen Feldeffekttransistor oder einen Bipolartransistor oder einen MOSFET oder einen IGBT handeln.
  • In einem weiteren Ausführungsbeispiel ist vorgesehen, dass in einem Hochsetzbetrieb des Spannungswandlers die erste und zweite Brückenschaltung derart gesteuert sind, dass in einem ersten Schaltzyklus des Hochsetzbetriebs ein Stromfluss von der Eingangsseite über einen ersten Strang zu der Ausgangsseite und zurück zu dem zweiten Strang erfolgt und ein Stromfluss von der Eingangsseite über das erste Schaltelement, den dritten Strang und das vierte Schaltelement sowie den zweiten Strang zur Eingangsseite erfolgt. In einem unmittelbaren an den ersten Schaltzyklus des Hochsetzbetriebs anschließenden zweiten Schaltzyklus des Hochsetzbetriebs erfolgt ein Stromfluss von der Eingangsseite über den ersten Strang zur Ausgangsseite und zurück zu dem zweiten Strang erfolgt und ein Stromfluss von der Eingangsseite über das erste Schaltelement, den dritten Strang, das dritte Schaltelement, die Ausgangsseite und zurück zu dem zweiten Strang.
  • Insbesondere handelt es sich bei dem Hochsetzbetrieb des Spannungswandlers um die Boost-Funktion beziehungsweise die Aufwärtsfunktion des Spannungswandlers. Dabei kann die geringere Spannung an der Eingangsseite in die dazu höhere Ausgangsspannung hochtransformiert beziehungsweise hochgesetzt werden. Folglich kann der elektrische Energiespeicher effizient geladen werden. Dies ist insbesondere bei einem Schnellladevorgang vorteilhaft. Insbesondere erfolgen der erste Schaltzyklus und der zweite Schaltzyklus nicht gleichzeitig, sondern stets zueinander zeitlich versetzt. Folglich kann ein taktender Hochsetzbetrieb des Spannungswandlers eingestellt werden. Somit erfolgt abwechslungsweise der erste Schaltzyklus oder der zweite Schaltzyklus.
  • Zunächst wird der erste Schaltzyklus des Hochsetzbetriebs des Spannungswandlers durchgeführt, in welchem ein Drosselstrom in der ersten Drossel aufgebaut werden kann. Mit dem unmittelbar anschließenden zweiten Schaltzyklus erfolgt der Freilauf des aufgebauten Drosselstroms. Somit wird in einem ersten Schaltzyklus zunächst der Drosselstrom aufgebaut, sodass in dem unmittelbar anschließenden zweiten Schaltzyklus der Drosselstrom verwendet werden kann, um die Spannung entsprechend hochsetzen zu können, um damit den elektrischen Energiespeicher laden zu können.
  • In einem weiteren Ausführungsbeispiel ist vorgesehen, dass in einem Tiefsetzbetrieb des Spannungswandlers die erste und zweite Brückenschaltung derart gesteuert sind, dass in einem ersten Schaltzyklus des Tiefsetzbetriebs ein Stromfluss von der Eingangsseite über den ersten Strang zu der Ausgangsseite und zurück zu dem zweiten Strang erfolgt und ein Stromfluss von der Eingangsseite über das erste Schaltelement, den dritten Strang, das dritte Schaltelement, der Ausgangsseite und zurück zu dem zweiten Strang erfolgt. In einem unmittelbar an den ersten Schaltzyklus des Tiefsetzbetriebs anschließenden zweiten Schaltzyklus des Tiefsetzbetriebs erfolgt ein Stromfluss von der Eingangsseite über den ersten Strang zur Ausgangsseite und zurück zu dem zweiten Strang und ein Stromfluss erfolgt von dem zweiten Schaltelement über den dritten Strang, das dritte Schaltelement zur Ausgangsseite und zurück zu dem zweiten Strang.
  • Bei dem Tiefsetzbetrieb des Spannungswandlers handelt es sich um die Buck-Funktion beziehungsweise um Abwärtswandlung. Dabei können insbesondere wieder die Brückenschaltungen und insbesondere deren Schaltelemente so angesteuert beziehungsweise geschaltet werden, dass entweder der erste Schaltzyklus oder der zweite Schaltzyklus vorliegen. Der erste und zweite Schaltzyklus des Tiefsetzbetriebs können nicht gleichzeitig durchgeführt werden, sondern erfolgen wechselseitig. Zunächst erfolgt mit dem ersten Schaltzyklus des Tiefsetzbetriebs der Aufbau des Drosselstroms in der ersten Drossel. Anschließend erfolgt unmittelbar danach in dem zweiten Schaltzyklus des Tiefsetzbetriebs der Freilauf des Drosselstroms durch eine Spannungsdifferenz zwischen der ersten und zweiten Induktivität. Dadurch erfolgt das Absenken des Spannungsniveaus beziehungsweise der Spannungslage am elektrischen Energiespeicher. Folglich erfolgt hier eine Anpassung der Eingangsspannung, wenn die Eingangsspannung größer als die Ausgangsspannung ist.
  • In einem weiteren Ausführungsbeispiel ist vorgesehen, dass der erste Strang eine Reihenschaltung aus der ersten Induktivität und einer zweiten Drossel zur Anpassung einer Taktfrequenz zumindest eines der Schaltelemente aufweist.
  • Beispielsweise kann es sich bei dem ersten, zweiten und dritten Strang um einen elektrischen Zweig oder um eine Schaltstrecke handeln.
  • Mithilfe der zusätzlichen zweiten Drossel, welche insbesondere als Induktivität ausgebildet ist, kann eine Streuinduktivität für den Spannungswandler bereitgestellt werden. Mithilfe dieser zusätzlichen Streuinduktivität kann eine Taktfrequenz eines der Schaltelemente eingestellt beziehungsweise angepasst werden. Insbesondere erfolgt eine Reduzierung der Taktfrequenz des ersten Schaltelements.
  • In einem Ausführungsbeispiel ist des Weiteren vorgesehen, dass die erste Induktivität und die zweite Induktivität einen Transformator bilden und einen entgegengesetzten Wicklungssinn aufweisen. Insbesondere können die erste und zweite Induktivität als Spule bezeichnet werden. Mithilfe des gebildeten Transformators kann ein niedrigeres Spannungsniveau der Eingangsspannung in ein höheres Spannungsniveau der Ausgangsspannung zum Laden des elektrischen Energiespeichers hochtransformiert werden. Insbesondere bilden die erste und zweite Induktivität Spulenwicklungen des Transformators beziehungsweise um die Wicklungen des Transformators. Insbesondere ist die erste und zweite Induktivität in einem gemeinsamen Bauelement beziehungsweise gemeinsamen Gehäuse magnetisch gekoppelt. Insbesondere ist die erste und zweite Induktivität beispielsweise über einen Eisenkern miteinander verbunden beziehungsweise gekoppelt. Insbesondere ist die erste Induktivität mit der zweiten Induktivität magnetisch gekoppelt. Dabei sind die erste Induktivität und die zweite Induktivität jeweils nicht mit der ersten Drossel magnetisch gekoppelt. Folglich bilden die erste und zweite Induktivität ein gemeinsames Bauelement gegenüber der ersten Drossel.
  • In einem weiteren Ausführungsbeispiel ist vorgesehen, dass der erste Strang zwischen der Ausgangsseite und der ersten Induktivität eine erste Diode aufweist, wobei mit der ersten Diode ein Stromfluss von der Ausgangsseite zur ersten Induktivität gesperrt ist. Alternativ weist der erste Strang zwischen der Eingangsseite und der ersten Induktivität eine zweite Diode auf, wobei mit der zweiten Diode ein Stromfluss von der Eingangsseite zur ersten Induktivität gesperrt ist. Mithilfe der ersten oder zweiten Diode kann insbesondere der Spannungswandler vor Überspannungen, insbesondere schädlichen Störspannungen, geschützt werden. Insbesondere handelt es sich bei der ersten und zweiten Diode um Freilaufdioden beziehungsweise Schutzdioden.
  • Die erste Diode wird insbesondere für den Hochsetzbetrieb des Spannungswandlers benötigt. Dabei dient die erste Diode bei dem Hochsetzbetrieb des Spannungswandlers dazu, um ein unkontrolliertes Entladen von dem elektrischen Energiespeicher in Richtung der Eingangsseite zu vermeiden. Dazu sperrt die erste Diode den Stromfluss von der Ausgangsseite zu der Eingangsseite.
  • Die zweite Diode wiederum kann für den Tiefsetzbetrieb des Spannungswandlers verwendet werden. Während der Buck-Funktion des Spannungswandlers kann also die zweite Diode ein unkontrolliertes Entladen von der Ladesäule zum elektrischen Energiespeicher vermeiden. Dazu wird die zweite Diode gesperrt. Dabei ist die Sperrrichtung der zweiten Diode so ausgebildet, dass ein Stromfluss von der Eingangsseite zur ersten Induktivität gesperrt ist.
  • Die erste Diode weist wiederum eine Sperrrichtung auf, mit welcher ein Stromfluss von der Ausgangsseite zur ersten Induktivität gesperrt ist.
  • In einem weiteren Ausführungsbeispiel ist vorgesehen, dass der erste Strang einen ersten Bypass aufweist, wobei mit einem ersten Bypass-Schalter des ersten Bypasses die erste Diode überbrückbar ist, und/oder der erste Strang einen zweiten Bypass aufweist, wobei mit einem zweiten Bypass-Schalter des zweiten Bypasses die zweite Diode überbrückbar ist. Somit kann mithilfe des ersten Bypasses die erste Diode und mithilfe des zweiten Bypasses die zweite Diode überbrückt beziehungsweise gebrückt werden.
  • Durch die Bypässe kann der Wirkungsgrad des Spannungswandlers erhöht werden, denn die Durchlassverluste der ersten und zweiten Diode können reduziert werden. Da insbesondere für den Hochsetzbetrieb der erste Strang einen hohen Stromfluss aufweist, erfahren die erste Diode und die zweite Diode ebenfalls einen Strom mit einem hohen Stromwert. Durch Hinzufügen der Bypässe können die erste und die zweite Diode auf einen geringeren Stromwert ausgelegt werden. Insbesondere kann die Sperrfähigkeit der ersten und zweiten Diode außer Acht gelassen werden, da sich durch die Bypässe der einzustellende Ladestrom auf im Wesentlichen einen Stromwert von Null Ampere einstellen kann. Insbesondere ist es vorteilhaft, wenn die Bypässe in Abhängigkeit von einem Stromwert der ersten oder zweiten Diode geschaltet werden. Beispielsweise kann bei einem Stromschwellwert der ersten oder zweiten Diode der erste oder zweite Bypass-Schalter geschlossen werden. Beispielsweise kann bei Überschreitung des Diodenstroms von 50 Ampere der erste oder zweite Bypass-Schalter geschlossen werden. Sobald der Diodenstrom unterhalb eines zweiten Schwellwerts sinkt, beispielsweise 30 Ampere, kann der Bypass-Schalter wieder geöffnet werden. Beispielsweise können die Schwellwerte für das Öffnen und Schließen der Bypass-Schalter in Abhängigkeit von einem Stromrippel im ersten Strang ausgelegt werden.
  • Insbesondere sind die angegebenen Spannungswerte und Stromwerte als Soll-Spannungswerte und Soll-Stromwerte zu verstehen, da diese durch Messtoleranzen und/oder Toleranzen von beispielsweise 5 Prozent, insbesondere 10 Prozent, abweichen können.
  • Insbesondere ist mit „im Wesentlichen“ eine Toleranz von +/- 5 Prozent, insbesondere +/- 10 Prozent zu verstehen.
  • Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Fahrzeug mit einem Spannungswandler nach dem vorherigen Aspekt oder einer vorteilhaften Ausführung davon. Insbesondere handelt es sich bei dem Fahrzeug um ein zumindest teilweise elektrisch betriebenes Fahrzeug. Insbesondere handelt es sich bei dem Fahrzeug um ein Elektrofahrzeug oder Hybridfahrzeug oder Plug-in-Fahrzeug. Beispielsweise kann es sich bei dem Fahrzeug um einen Personenkraftwagen oder um einen Lastkraftwagen handeln.
  • Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zum Laden eines elektrischen Energiespeichers eines Fahrzeugs mit einem Spannungswandler nach einem der vorhergehenden Aspekte, wobei
    • - an der Eingangsseite des Spannungswandlers die Eingangsspannung angelegt wird,
    • - mit dem Spannungswandler die Ausgangsspannung für den elektrischen Energiespeicher erzeugt wird,
    • - an dem ersten Strang des Spannungswandlers die erste Spannung anliegt,
    • - an dem dritten Strang des Spannungswandler die dritte Spannung anliegt, wobei
    • - die erste und zweite Brückenschaltung des Spannungswandlers derart gesteuert werden, dass die Ausgangsspannung in Abhängigkeit von dem ersten und dritten Strang zum Laden des elektrischen Energiespeichers bereitgestellt wird.
  • Insbesondere ermöglicht das vorgeschlagene Verfahren ein effizientes und unkomplizierteres Laden beziehungsweise Schnellladen eines zumindest teilweise elektrisch betriebenen Fahrzeugs. Insbesondere kann mithilfe des vorgeschlagenen Verfahrens eine Eingangsspannung einer Ladestation in eine höhere Ausgangsspannung zum Laden des elektrischen Energiespeichers des Fahrzeugs erfolgen. Dabei kann beispielsweise ein Spannungswert von 750 Volt der Ladesäule auf einen Spannungswert von 870 Volt zum Laden des elektrischen Energiespeichers hochtransformiert werden. Insbesondere ermöglicht das vorgeschlagene Verfahren, einen Spannungswandler als Buck-Wandler oder Boost-Wandler oder bidirektional arbeitenden Boost- oder Buck-Wandler zu betreiben.
  • Insbesondere kann das soeben geschilderte Verfahren mit einem Spannungswandler nach dem vorherigen Aspekt oder einer Weiterbildung daraus durchgeführt werden.
  • Vorteilhafte Ausgestaltungsformen des Spannungswandlers sind als vorteilhafte Ausgestaltungsformen des Fahrzeuges sowie des Verfahrens anzusehen. Der Spannungswandler und das Fahrzeug weisen dazu gegenständliche Merkmale auf, welche eine Durchführung des Verfahrens oder eine vorteilhafte Ausgestaltungsform davon ermöglichen.
  • Insbesondere sind vorteilhafte Ausführungsformen eines Aspekts der Erfindung als vorteilhafte Ausgestaltungsformen der anderen Aspekte und umgekehrt anzusehen.
  • Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnung(en). Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
  • Dabei zeigen die nachfolgenden Figuren in:
    • 1 eine schematische Seitenansicht eines Elektrofahrzeugs bei einem DC-Ladevorgang;
    • 2 ein schematisches Blockschaltbild eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Spannungswandlers;
    • 3 ein schematisches Blockschaltbild eines weiteren Ausführungsbeispiels des Spannungswandlers aus 2 bei einem Hochsetzbetrieb;
    • 4 ein schematisches Blockschaltbild eines weiteren Ausführungsbeispiels des Spannungswandlers aus 2 bei einem Hochsetzbetrieb;
    • 5 einen schematischen Simulationsaufbau des Spannungswandlers aus 3 und 4;
    • 6 beispielhafte Verläufe von Simulationsergebnissen des Simulationsausbaus aus 5;
    • 7 ein schematisches Blockschaltbild eines weiteren Ausführungsbeispiels des Spannungswandlers aus 2 bei einem Tiefsetzbetrieb;
    • 8 ein schematisches Blockschaltbild eines weiteren Ausführungsbeispiels des Spannungswandlers aus 2 bei einem Tiefsetzbetrieb;
    • 9 einen schematischen Simulationsaufbau des Spannungswandlers aus 7 und 8;
    • 10 beispielhafte Verläufe von Simulationsergebnissen des Simulationsausbaus aus 9;
    • 11 ein schematisches Blockschaltbild eines weiteren Ausführungsbeispiels des Spannungswandlers aus 2;
    • 12 ein schematisches Blockschaltbild eines weiteren Ausführungsbeispiels des Spannungswandlers aus 2;
    • 13 ein schematisches Blockschaltbild eines weiteren Ausführungsbeispiels des Spannungswandlers aus 2;
    • 14 ein schematisches Blockschaltbild eines weiteren Ausführungsbeispiels des Spannungswandlers aus 2 zur Anpassung eines negativen Potentials;
    • 15 ein schematisches Blockschaltbild eines weiteren Ausführungsbeispiels des Spannungswandlers aus 2 zur Anpassung eines negativen und positiven Potentials; und
    • 16 ein schematisches Blockschaltbild eines weiteren Ausführungsbeispiels des Spannungswandlers aus 2 zur Anpassung eines negativen und positiven Potentials.
  • In den Figuren sind funktionsgleiche Elemente mit denselben Bezugszeichen versehen.
  • Die 1 zeigt eine schematische Seitenansicht eines Fahrzeugs 1. Bei dem Fahrzeug 1 handelt es sich beispielsweise um ein elektrisch betriebenes, insbesondere ein zumindest teilweise elektrisch betriebenes, Fahrzeug oder um ein elektrisch angetriebenes Fahrzeug oder um ein elektrisch voll angetriebenes Fahrzeug. Insbesondere kann es sich bei dem Fahrzeug 1 um ein Elektrofahrzeug, ein Hybridfahrzeug oder um ein Plug-in-Fahrzeug handeln. Insbesondere handelt es sich bei dem Fahrzeug 1 um einen Personenkraftwagen oder einen Lastkraftwagen.
  • Um insbesondere die Antriebsmaschinen oder Antriebssysteme des Fahrzeugs 1 für ein Fortbewegen des Fahrzeugs 1 elektrisch versorgen zu können, weist das Fahrzeug 1 zumindest einen elektrischen Energiespeicher 2 auf. Bei dem elektrischen Energiespeicher 2 kann es sich beispielsweise um eine Traktionsbatterie, Batterieanordnung, Fahrzeugbatterie oder um eine Hochvolt-Batterie handeln. Insbesondere kann der elektrische Energiespeicher 2 als Batteriesystem bezeichnet werden. Beispielsweise kann mithilfe des elektrischen Energiespeichers 2 eine Spannung von maximal 870 Volt bereitgestellt werden.
  • Um den elektrischen Energiespeicher 2 des Fahrzeugs 1 mit einer elektrischen Energie laden zu können, kann das Fahrzeug 1 mit einer Ladestation 3 elektrisch gekoppelt beziehungsweise verbunden werden. Bei der Ladestation 3 kann es sich beispielsweise um eine DC-Ladesäule oder um eine Gleichspannungsladequelle handeln. Insbesondere handelt es sich bei der Ladestation 3 um eine zum Fahrzeug 1 externe Ladequelle. Beispielsweise kann mit der Ladestation 3 eine Spannung von maximal 750 Volt bereitgestellt werden.
  • Beim elektrischen Verbinden des Fahrzeugs 1 als erstes System und der Ladestation 3 als zweites System über eine galvanische Kopplung sind alle Bauteile der beiden Systeme hinsichtlich des Stroms und der Spannungsauslegung auf die jeweils höhere Anforderung der beiden Systeme auszulegen. Beispielsweise kann mit herkömmlichen Spannungswandlern von 400 Volt auf 800 Volt gewandelt werden. Daher muss dieser Spannungswandler mit seinen kompletten Bauteilen auf die Spannungslage von 800 Volt ausgelegt sein und gleichzeitig auf die Strombelastung der 400-Volt-Ladestation ausgelegt werden. Bei einer Leistung von 50 kW bei der Spannung von 400 Volt wären dies 125 Ampere. Für die Leistungsbetrachtung kommen hier Probleme auf. Beispielsweise kann das Fahrzeug mit einem Strom von beispielsweise 350 Ampere bis zur oberen Spannungsbegrenzung von 750 Volt der Ladestation geladen werden. Wird ein Spannungswandler, wie sie im Stand der Technik üblich sind, verwendet, um eine Spannungserhöhung von 750 Volt der Ladestation 3 auf die 870 Volt des elektrischen Energiespeichers 2 zu verwenden, so muss dieser Spannungswandler in der Lage sein, die Leistung der Ladesäule von 262,5 kW zu übertragen (350 Ampere x 750 Volt). Solch ein Spannungswandler kann sogar in der Lage sein, eine Leistung von 350 Ampere x 870 Volt, also 304,5 kW, zu übertragen. Dabei ist es erforderlich, die Stromanforderungen für die Auslegung der Bauteile zu reduzieren, um Bauraum, Gewicht und Kosten zu reduzieren. Ein solcher Spannungswandler wird nun in den nachfolgenden Figuren näher erläutert.
  • Die 2 zeigt ein schematisches Blockschaltbild eines erfindungsgemäßen Spannungswandlers 4. Bei dem Spannungswandler 4 handelt es sich beispielsweise um einen bidirektionalen Buck-Boost-Wandler mit magnetischer Kopplung. Somit kann der Spannungswandler 4 sowohl als bidirektionaler Boost-Wandler als auch als bidirektionaler Buck-Wandler verwendet werden. Als Boost-Wandler können Hochsetzsteller oder Aufwärtswandler bezeichnet werden. Als Buck-Wandler können Tiefsetzsteller oder Abwärtswandler bezeichnet werden.
  • Der Spannungswandler 4 weist eine Eingangsseite 5 und eine Ausgangsseite 6 auf. Bei der Eingangsseite 5 handelt es sich insbesondere um die Primärseite des Spannungswandlers 4 und bei der Ausgangsseite 6 handelt es sich um die Sekundärseite des Spannungswandlers 4. Mit der Eingangsseite 5 kann beispielsweise eine Eingangsspannung UE bereitgestellt werden. Bei der Eingangsspannung UE handelt es sich insbesondere um eine Gleichspannung. Mit der Ausgangsseite 6 kann insbesondere eine Ausgangsspannung UA bereitgestellt werden.
  • Die Eingangsseite 5 des Spannungswandlers 4 kann mit einem fahrzeugseitigen Ladeanschluss 7 elektrisch verbunden beziehungsweise gekoppelt werden. Bei dem fahrzeugseitigen Ladeanschluss 7 kann es sich um eine Ladedose beziehungsweise um eine Ladesteckdose des Fahrzeugs 1 handeln. Über den fahrzeugseitigen Ladeanschluss 7 ist insbesondere der Spannungswandler 4 mit der Ladestation 3 elektrisch verbunden beziehungsweise gekoppelt. Beispielsweise kann die Eingangsseite 5 des Spannungswandlers 4 elektrische Anschlussklemmen aufweisen, mit welchen eine elektrische Verbindung mit dem fahrzeugseitigen Ladeanschluss 7 und somit mit der Ladestation 3 hergestellt beziehungsweise realisiert werden kann. Die Ausgangsseite 6 dient beispielsweise dazu, damit der Spannungswandler 4 mit dem elektrischen Energiespeicher 2 und/oder mit Fahrzeugsystemen und/oder Fahrzeugkomponenten und/oder einem elektrischen Bordnetz des Fahrzeugs 1 elektrisch verbunden werden kann. Beispielsweise kann die Ausgangsseite 6 direkt an Batterieanschlussklemmen des elektrischen Energiespeichers 2 geschaltet beziehungsweise verdrahtet sein.
  • Beispielsweise sind zwischen der Eingangsseite 5 und der Ausgangsseite 6 ein erster Strang ST1, ein zweiter Strang ST2 und ein dritter Strang ST3 angeordnet beziehungsweise verdrahtet. Bei den Strängen ST1, ST2 und ST3 kann es sich um elektrische Verbindungen beziehungsweise um elektrische Zweige handeln.
  • Beispielsweise kann der erste Strang ST1 zwischen einem ersten Potential HV+ der Eingangsseite 5 und einem ersten Potential HV+ der Ausgangsseite 6 geschaltet beziehungsweise verdrahtet beziehungsweise angeordnet sein. Beispielsweise handelt es sich bei dem ersten Potential der Eingangs- und Ausgangsseite 5, 6 um ein positives Potential beziehungsweise um einen jeweiligen Pluspol. Es kann jedoch auch der Fall sein, dass es sich bei den jeweiligen ersten Potentialen um ein jeweiliges negatives Potential handelt. Somit kann der Spannungswandler 4 variabler realisiert und ausgebildet werden. Der zweite Strang ST2 ist insbesondere zwischen einem zweiten Potential HVder Eingangsseite 5 und einem zweiten Potential HV- der Ausgangsseite 6 geschaltet beziehungsweise verdrahtet beziehungsweise angeordnet. Mit anderen Worten ist der Pluspol der Ladestation 3 über den ersten Strang ST1 mit dem Pluspol des elektrischen Energiespeichers 2 verbunden. Mithilfe des zweiten Strangs ST2 ist der Minuspol der Ladestation 3 mit dem Minuspol des elektrischen Energiespeichers 2 verbunden.
  • Insbesondere handelt es sich bei dem jeweiligen zweiten Potential um ein negatives Potential in diesem Ausführungsbeispiel. Es kann jedoch vorkommen, dass es sich bei dem ersten Potential um das negative Potential und bei dem zweiten Potential um das positive Potential handelt. Dies kann je nach Ausgestaltung des Spannungswandlers 4 erfolgen.
  • Der erste Strang ST1 weist eine erste Induktivität 8 auf. Bei der ersten Induktivität 8 kann es sich beispielsweise um ein induktives Bauelement oder um eine Spule handeln. Mithilfe der ersten Induktivität U1 kann insbesondere an dem ersten Strang ST1 eine erste Strangspannung U1 anliegen.
  • Des Weiteren kann der Spannungswandler 4 eine erste und zweite Brückenschaltung B1, B2 aufweisen. Die beiden Brückenschaltungen B1, B2 sind jeweils zwischen dem ersten Strang ST1 und dem zweiten Strang ST2 angeordnet beziehungsweise verdrahtet. Beispielsweise kann die erste Brückenschaltung B1 mit einem ersten Knotenpunkt K1 mit dem positiven Potential HV+ der Eingangsseite 5 und der ersten Induktivität 8 verbunden sein. Des Weiteren ist die Brückenschaltung B1 über einen zweiten Knotenpunkt K2 beziehungsweise Knoten mit dem negativen Potential der Eingangsseite 4 und dem zweiten Strang ST2 verbunden.
  • Folglich kann die Brückenschaltung B1 quasi als parallel geschaltet zu der Eingangsseite 4 betrachtet werden.
  • Die erste Brückenschaltung B1 weist insbesondere eine Reihenschaltung eines ersten Schaltelements S1 und eines zweiten Schaltelements S2 auf. Somit sind die beiden in Reihe geschalteten Schaltelemente S1, S2 zwischen dem ersten Knotenpunkt K1 und dem zweiten Knotenpunkt K2 geschaltet beziehungsweise angeordnet. Zwischen dem ersten Schaltelement S1 und dem zweiten Schaltelement S2 befindet sich ein erster Mittelabgriff M1. Die zweite Brückenschaltung B2 ist über einen dritten Knotenpunkt K3 mit der ersten Induktivität 8 und dem ersten Potential HV+ der Ausgangsseite 6 verbunden. Des Weiteren ist die zweite Brückenschaltung B2 über einen vierten Knotenpunkt K4 mit dem zweiten Strang ST2 und dem zweiten Potential HV- der Ausgangsseite 6 verbunden. Somit sind die beiden Knotenpunkte K2, K4 über den zweiten Strang ST2 miteinander verbunden. Zwischen dem Knotenpunkt K1 und K3 befindet sich insbesondere die erste Induktivität 8. Ebenso weist die zweite Brückenschaltung B2 eine Reihenschaltung aus einem dritten und vierten Schaltelement S3, S4 auf. Dabei sind diese beiden Schaltelemente S3, S4 zwischen dem dritten Knotenpunkt K3 und dem vierten Knotenpunkt K4 geschaltet beziehungsweise verdrahtet beziehungsweise angeordnet. Zwischen dem dritten Schaltelement S3 und dem vierten Schaltelement S4 ist ein zweiter Mittelabgriff M2 angeordnet. Ebenfalls kann die zweite Brückenschaltung B2 als parallel geschaltet zu der Ausgangsseite 6 betrachtet werden.
  • Beispielsweise können die Brückenschaltungen B1, B2 als H-Brücke, Halbbrücke oder Vollbrücke ausgebildet sein.
  • Insbesondere ist zwischen dem ersten Mittelabgriff M1 und dem zweiten Mittelabgriff M2 der dritte Strang ST3 angeordnet beziehungsweise geschaltet beziehungsweise verdrahtet. Der dritte Strang ST3 kann aus einer Reihenschaltung einer zweiten Induktivität 9 und einer ersten Drossel L1 bestehen. Die zweite Induktivität 9 kann ebenfalls wie die erste Induktivität 8 als Spule ausgebildet sein. Mithilfe dieser Reihenschaltung der zweiten Induktivität und der ersten Drossel L1 kann eine dritte Spannung U3 bereitgestellt werden. Insbesondere liegt die dritte Spannung U3 an dem dritten Strang ST3 an. Mit anderen Worten ausgedrückt können die Stränge ST1, ST2 und ST3 zueinander parallel geschaltet betrachtet werden.
  • Des Weiteren sind die Induktivitäten 8, 9 magnetisch gekoppelt. Dabei findet diese magnetische Kopplung unabhängig von der ersten Drossel L1 statt.
  • Insbesondere bilden die erste Induktivität 8 und die zweite Induktivität 9 einen Transformator 10. Somit bilden die Induktivitäten 8, 9 die Wicklungen beziehungsweise Spulenwicklungen des Transformators 10. Insbesondere kann mithilfe dieses Transformators 10 eine Spannungserhöhung von der Eingangsspannung UE auf der Ausgangsspannung UA realisiert werden. Dabei sind die beiden Induktivitäten 8, 10 mit einem entgegengesetzten Wicklungssinn ihrer Spulen ausgebildet. Beispielsweise kann die Eingangsseite 5 eine Eingangskapazität C1 und die Ausgangsseite 6 eine Ausgangskapazität C2 aufweisen. Mithilfe der beiden Kapazitäten C1, C2 kann eine Spannungsglättung der Eingangsspannung UE und der Ausgangsspannung UA durchgeführt werden. Insbesondere handelt es sich bei beiden Kapazitäten C1, C2 um Stützkondensatoren beziehungsweise um Pufferkondensatoren.
  • Insbesondere ist die erste Kapazität C1 zwischen dem ersten Potential HV+ und dem zweiten Potential HV- der Eingangsseite 5 angeordnet beziehungsweise verschaltet. Die zweite Kapazität C2 kann zwischen dem ersten Potential HV+ der Ausgangsseite 6 und dem zweiten Potential HV- der Ausgangsseite 6 angeordnet beziehungsweise geschaltet beziehungsweise verdrahtet sein.
  • Für den jeweiligen Betrieb des Spannungswandlers 4 können mit einer Steuereinheit beziehungsweise Steuergerät des Spannungswandlers 4 oder einem Steuergerät des Fahrzeugs 1 die Brückenschaltungen B1, B2 und insbesondere dessen Schaltelemente S1 bis S4 so gesteuert beziehungsweise angesteuert beziehungsweise geschalten werden, dass beispielsweise die Ausgangsspannung UA in Abhängigkeit von dem ersten und dritten Strang ST1, ST3 zum Laden des elektrischen Energiespeichers 2 bereitgestellt werden kann. Je nachdem, wie die Schaltelemente S1 bis S4 durchgeschalten beziehungsweise geöffnet werden, kann entweder ein Hochsetzbetrieb oder ein Tiefsetzbetrieb mit dem Spannungswandler 4 realisiert werden.
  • Der Spannungswandler 4 kann beispielsweise als galvanisch gekoppelter Wandler mit magnetischer Kopplung dargestellt beziehungsweise realisiert werden. Dieser ist in der Lage, als bidirektionaler Buck- oder Boost-Wandler zu fungieren. Beispielsweise kann dieser an seinen beiden Anschlussseiten mit zwei elektrischen Energiequellen verbunden werden. In diesem Fall handelt es sich bei diesen beiden elektrischen Energiequellen um die Ladestation 3 und den elektrischen Energiespeicher 2. Insbesondere kann der vorgeschlagene Spannungswandler 4 ebenfalls zwischen Stromquellen, Bordnetzen mit Lasten, Kapazitäten, Induktivitäten und Energiequellen geschaltet werden. Kernelemente des Spannungswandlers 4 sind die beiden Induktivitäten 8, 9, die magnetisch gekoppelt sind und einen Trafo darstellen. Der Spannungswandler 4 weist nicht, wie herkömmliche Wandler im Stand der Technik, eine galvanische Trennung auf. Die Induktivität 8 des Transformators 10 stellt beispielsweise eine Verbindung beider Anschlussseiten des Spannungswandlers 4 im positiven Potential, also das erste Potential HV+, dar. Anders ausgedrückt kann der Pluspol der Eingangsseite 5 mit dem Pluspol der Ausgangsseite 6 verbunden werden. Die Eingangsseite 5 kann beispielsweise mit Anschlussklemmen mit einem Eingang der Ladestation 3 beziehungsweise mit dem fahrzeugseitigen Ladeanschluss 7 verbunden werden. Somit liegt hier keine galvanische Trennung vor. Zwischen den Anschlussklemmen der Eingangsseite 5 befindet sich die als Halbbrücke ausgebildete Brückenschaltung B1. Auf der Ausgangsseite 6 befindet sich die als Halbbrücke ausgebildete Brückenschaltung B2. Die Schaltelemente S1, S2, S3 und S4 weisen jeweils eine Freilaufdiode beziehungsweise eine Bodydiode auf.
  • Des Weiteren ist es denkbar, dass der Spannungswandler 4 beliebig ausgestaltet ist. Beispielsweise werden nicht alle Funktionalitäten des bidirektional arbeitenden Buck-Boost-Wandlers gefordert. Beispielsweise kann die Bidirektionalität entfallen. In diesem Fall könnten Bauteile komplett entfallen oder nur auf die Funktion der Freilaufdiode reduziert werden.
  • Ein Entscheidungskriterium für eine Spannungserhöhung mittels des Spannungswandlers 4 ist das Übersetzungsverhältnis ü beziehungsweise das Wicklungsverhältnis des Transformators 10. Das Übersetzungsverhältnis ü kann beispielsweise für den Hochsetzbetrieb im Transformator 10 durch dessen Spannungshub bestimmt werden. Bei dem Spannungshub handelt es sich beispielsweise bei der maximal zu erreichenden Spannung des elektrischen Energiespeichers 2 und der Spannung der Ladestation 3. Das Übersetzungsverhältnis ü kann aus der maximal zu erreichenden Spannung des elektrischen Energiespeichers 2 und der Spannung der Ladestation 3 berechnet werden. Beispielsweise kann eine solche Berechnung, wie folgt aussehen: ü = (-UAmax + UEmax):UEmax. Beispielsweise bei einer maximalen Eingangsspannung von 750 Volt und einer maximalen Ausgangsspannung UA von 870 Volt ergibt sich ein Übersetzungsverhältnis von -1:6,25. Mit dem negativen Vorzeichen wird der gegenläufige Wicklungssinn ausgedrückt. Die Drossel L1 wird bestimmt durch die zu wählende Taktfrequenz der Halbleiterschalter S1 bis S4. Dabei sind diese taktend betriebenen Schaltelemente S1 bis S4 von dem jeweiligen Betriebsmodus des Spannungswandlers 4 abhängig. Die Ströme über die Schaltelemente S1 bis S4 sind unter Berücksichtigung des Betriebsmodus hinsichtlich ihrer Strombelastung ebenfalls durch das Übersetzungsverhältnis ü beeinflusst. Dies entspricht beispielsweise 1 :ü des Stroms von Strang ST1. Je größer das Übersetzungsverhältnis ü gewählt werden kann (das heißt je kleiner der Spannungshub des Spannungswandlers 4 sein soll), desto kompakter kann der Spannungswandler 4 aufgebaut werden.
  • Des Weiteren kann der Spannungswandler 4 Zusatzbeschaltungen je nach Anwendungsfall aufweisen. Bei diesen Zusatzbeschaltungen besteht die Gefahr, dass bei einem zu großen Unterschied zwischen der Eingangsspannung UE und der Ausgangsspannung UA der Strom nicht mehr begrenzt werden kann beziehungsweise der Spannungsunterschied nicht mehr durch den Wandler generiert werden kann. Hierfür sind je nach Anwendungsfall begrenzende Elemente wie Sicherung, Schütze, Halbleiterschalter oder Dioden einzuplanen beziehungsweise zu berücksichtigen.
  • Insbesondere weisen die Induktivitäten 8, 9 des Transformators 10 einen entgegengesetzten Wicklungssinn auf. Der jeweilige Wicklungssinn der Induktivität 8, 9 ist jeweils durch einen Punkt dargestellt.
  • Es ist ebenso denkbar, dass der Spannungswandler 4, insbesondere der Transformator 10, bei gleicher Funktionsweise ebenso nicht zwischen dem ersten und zweiten Potential HV+, sondern zwischen dem zweiten Potential HV- verschaltet beziehungsweise verdrahtet ist.
  • In dem Ausführungsbeispiel der 2 ist der Fall beispielhaft dargestellt, bei welchem der Transformator 10 zwischen den positiven Potentialen verschalten ist. Ebenso kann der Transformator 10 mit dem negativen Potential verschaltet werden. Dabei entspricht die jeweilige Funktionalität, wie sie bereits vorhin geschildert wurde.
  • In den beiden nachfolgenden Figuren 3 und 4 wird beispielsweise die Aufwärtsfunktionalität beziehungsweise der Hochsetzbetrieb (Boost-Funktion) des Spannungswandlers 4 erläutert. Die jeweiligen Funktionen, Funktionalitäten und/oder Ausführungen gelten hier wie in der 2.
  • Insbesondere liegt in der 3 und 4 als Ausgangslage vor, dass die Eingangsspannung UE niedriger beziehungsweise kleiner als die Ausgangsspannung UA ist. Dies ist beispielsweise dann der Fall, wenn der elektrische Energiespeicher 2 eine höhere Spannungslage aufweist, wie die Ladestation 3 bereitstellen kann. Folglich kann mithilfe des Spannungswandlers 4 auf der Ausgangsseite 6 eine Spannungserhöhung durchgeführt beziehungsweise erzeugt werden, sodass eine Energieübertragung von der Eingangsseite 5 zu der Ausgangsseite 6 durchgeführt werden kann. Somit kann der elektrische Energiespeicher 2 effizient geladen werden.
  • Für die jeweilige Spannungserhöhung können die Brückenschaltungen B1, B2 und insbesondere deren Schaltelemente S1 bis S4 gesteuert beziehungsweise angesteuert beziehungsweise geschaltet werden, sodass die Brückenschaltungen B1, B2 derart gesteuert sind, dass ein getakteter Hochsetzbetrieb des Spannungswandlers 4 eingestellt beziehungsweise realisiert ist.
  • Die 3 zeigt einen ersten Schaltzyklus des Hochsetzbetriebs des Spannungswandlers 4. Dabei erfolgt in diesem ersten Schaltzyklus der Aufbau eines Drosselstroms in der ersten Drossel L1. Dafür wird das Schaltelement S1 geschlossen und das vierte Schaltelement S4 wird ebenfalls geschlossen. Die Schaltelemente S2, S3 sind geöffnet. In dem ersten Schaltzyklus erfolgen zwei verschiedene Stromflüsse. Zum einen erfolgt ein Stromfluss SF1 von der Eingangsseite 4 über den ersten Strang ST1 zu der Ausgangsseite 6 und zurück zu dem zweiten Strang ST2. Somit erfolgt hier das Laden des elektrischen Energiespeichers 2 direkt über die Ladestation 3. Parallel dazu erfolgt in einem weiteren Stromfluss SF2 von der Eingangsseite 4 über das erste Schaltelement S1, den dritten Strang ST3 und das vierte Schaltelement S4 sowie den zweiten Strang ST2 zurück zur Eingangsseite 5. In diesem Stromfluss SF2 wird der Drosselstrom in der ersten Drossel L1 aufgebaut.
  • Betrachtet man beispielsweise den Stromkreis des ersten Strangs ST1 mithilfe einer Maschengleichung, so ergibt sich die Eingangsspannung UE aus der Summe aus U1 und UA. Somit ist ersichtlich, dass die Spannungsdifferenz zwischen UE und UA über die erste Induktivität 8 anstehen beziehungsweise vorliegen muss. Daher gilt, dass UE kleiner UA (UA ist größer als UE). Daher kann es ebenso bedeuten, dass U1 negativ ist (U1 = UE - UA). Betrachtet man die Maschengleichung des dritten Strangs ST3, so ergibt sich bei geschlossenem Schaltelement S1 und S4, dass UE gleich der Summe aus U3 und UL der ersten Drossel L1 entspricht. Aufgrund, dass die dritte Spannung U3 einem negativen Übersetzungsverhältnis des Transformator 10 multipliziert mit der ersten Spannung U1 entspricht und die Spannung U1 aus der Maschengleichung für den ersten Strang ST1 bekannt ist, kann dadurch beispielsweise U3 berechnet werden. Ebenso kann der Spannungsabfall UL über die erste Drossel L1 berechnet werden. Dabei ergibt sich UL aus der Differenz von UE und U3. Folglich kann UL aus der Summe von UE plus das Ergebnis aus der Multiplikation zwischen dem positiven Übersetzungsverhältnis und U1 berechnet werden.
  • In der 4 wird nur der unmittelbar an den in der 3 gezeigte erste Schaltzyklus anschließende zweite Schaltzyklus des Hochsetzbetriebs des Spannungswandlers 4 dargestellt beziehungsweise ausgeführt. Insbesondere erfolgt in diesem Schaltzyklus der Freilauf des aufgebauten Drosselstroms. In dem zweiten Schaltzyklus erfolgen zwei Stromflüsse gleichzeitig. Ein Stromfluss SF3 erfolgt von der Eingangsseite 5 über den ersten Strang ST1 zur Ausgangsseite 6 und zurück zu dem zweiten Strang ST2. Dabei erfolgt hier das Laden des elektrischen Energiespeichers 2 über die Eingangsseite 5 direkt. Gleichzeitig zu dem Stromfluss SF3 erfolgt ein Stromfluss SF4 von der Eingangsseite 5 über das erste Schaltelement S1, den dritten Strang ST3, das dritte Schaltelement S3, der Ausgangsseite 4 und zurück zum zweiten Strang ST2. Somit wird mithilfe des Drosselstroms der elektrische Energiespeicher 2 geladen. Insbesondere erfolgt bei dem zweiten Schaltzyklus zunächst das Schließen des vierten Schaltelements S4. S1 bleibt dabei geschlossen. Betrachtet man wiederum die Maschengleichung für den ersten Strang ST1, so ist hier festzustellen, dass diese im Vergleich zu der Aufbauphase des Drosselstroms identisch ist. Bei dem dritten Strang ST3 kann die Maschengleichung nun lauten, dass die Eingangsspannung UE gleich der Summe aus U3, UL und UA sich ergibt. Der Drosselstrom von L1 baut sich dabei langsam ab und lädt den elektrischen Energiespeicher 2. Im Strang ST1 fließt unverändert ein Ladestrom von der Ladestation 3 über die Induktivität 8 zum elektrischen Energiespeicher 2.
  • An Anschlüssen (Eingangsseite 5 und Ausgangsseite 6) können die notwendigen Spannungsdifferenzen erzeugt werden, um die Eingangsspannung UE auf das Spannungsniveau der Ausgangsspannung UA anzuheben beziehungsweise hochzutransformieren. Sowohl während des ersten Schaltzyklus als auch während des zweiten Schaltzyklus des Hochsetzbetriebs entspricht der Strom der Ladestation 3 der Summe der Strangströme des ersten und dritten Strangs ST1, ST3.
  • In der 5 ist ein schematisches Blockschaltbild des Spannungswandlers 4 dargestellt, wobei es sich hierbei um einen beispielhaften Simulationsaufbau handelt. Mithilfe des Simulationsaufbaus kann der Spannungswandler 4 simuliert werden. Dabei wird bei diesem Simulationsaufbau der Spannungswandler 4 in dem Hochsetzbetrieb simuliert. Dabei kann beispielsweise die Eingangsspannung UE konstant 750 Volt betragen. Die Ausgangsspannung UA beträgt zum Start der Simulation beispielsweise ebenfalls 750 Volt. Im Laufe der Simulation erfolgt mittels einer konstanten Steigung eine Erhöhung der Ausgangsspannung UA auf einen Wert von über 870 Volt. In der Simulation arbeitet der Spannungswandler 4 über einen taktenden Betrieb des Schaltelements S4. Das Schaltelement S1 kann dabei permanent durchgeschaltet werden. Das Schaltelement S4 kann anhand einer Strommessung des Drosselstroms über eine Hysterese angesteuert werden. Dies erfolgt beispielsweise über die angesteuerten Brückenschaltungen B1, B2. Der Transformator 10 verfügt hierbei über ein Übersetzungsverhältnis von 1:6,25 mit entgegengesetztem Wicklungssinn. Dadurch kann ein stabiler Betrieb bis zu einer Spannung UA von 870 Volt gewährleistet werden. Die Ausgangsspannung UA wird mit Absicht auf eine Spannung größer 870 Volt durchgeführt, um das Verlassen des sicheren Betriebs bedingt durch das Übersetzungsverhältnis des Transformators zu simulieren.
  • In der nachfolgenden 6 sind beispielhafte Strom- und Spannungsverläufe über die Zeit der Simulationsergebnisse des Simulationsaufbaus aus 5 dargestellt. Der Verlauf A zeigt einen kontinuierlichen Anstieg des Ausgangs der Ausgangsspannung UA. Beispielsweise kann der Spannungswandler 4 einen konstanten Strom von 50 Ampere +/- 2 Ampere in der Drossel L1 darstellen. Dies ist in dem Stromverlauf F zu sehen. Dieser hat beispielsweise einen Strom von zirka 320 Ampere zum Laden des elektrischen Energiespeichers 2 zur Folge. Dieser Stromverlauf des elektrischen Energiespeichers 2 ist in dem Stromverlauf D zu sehen. Beispielsweise zeigt der Stromverlauf D einen Batteriestrom des elektrischen Energiespeichers. In dem Verlauf C ist beispielsweise eine Batterieleistung des elektrischen Energiespeichers 2 zu sehen. Der Verlauf E zeigt den Schaltzustand des Gates des ersten Schaltelements S1. In dem Spannungsverlauf G ist beispielsweise die Spannung UL der Drossel L2 dargestellt. In dem Verlauf H ist ein Spannungsverlauf einer Transformatorspannung des Transformators 10 zu sehen.
  • In dem Verlauf I ist die Spannung des Transformators 10 in dessen Taktungspfad dargestellt. In dem Verlauf J ist der Strom der Ladestation 3 dargestellt. Und in dem Verlauf K ist die Leistung der Ladestation 3 beispielhaft dargestellt.
  • Beispielsweise ist in der Simulation zuerkennen, dass die Ausgangsspannung UA den maximalen Steuerbereich des Spannungswandlers 4 überschreiten kann. Somit kann der Transformator 10 keine ausreichende Gegenspannung generieren, um die Spannungsdifferenz von UA zu UE herzustellen. Dies ist eine mögliche Folge eines kurzschlussähnlichen Anstiegs des Stroms von dem elektrischen Energiespeicher 2 zu der Ladestation 3. Dies kann beispielsweise durch entsprechende Steuerungen verhindert werden oder durch entsprechende Sicherheitsmaßnahmen entgegengewirkt werden.
  • In den nachfolgenden Figuren 7 und 8 wird nun beispielhaft der Tiefsetzbetrieb des Spannungswandlers 4 erläutert. Dabei ist hier die Ausgangslage, dass die Eingangsspannung UE größer als die Ausgangsspannung UA ist. Somit kann die Eingangsspannung UE auf der Eingangsseite 4 erhöht werden und der Spannungswandler 4 kann die Ausgangsspannung UA reduzieren, sodass ein kontrollierter Strom von der Eingangsseite 5 zu der Ausgangsseite 6 fließen kann.
  • Die 7 zeigt einen ersten Schaltzyklus des Tiefsetzbetriebs. Dabei werden die Brückenschaltungen B1, B2 entsprechend gesteuert. Insbesondere erfolgen die Schaltzyklen, welche in der 7 und 8 gezeigt werden zyklisch und somit abwechselnd.
  • In der 7 wird nun der erste Schaltzyklus des Tiefsetzbetriebes erläutert. Dabei wird zunächst der Drosselstrom in L1 aufgebaut. Hierzu ist das erste Schaltelement S1 geschlossen und die Schalter S2, S3, S4 sind geöffnet. Somit stellt sich ein Stromfluss SF5 von der Eingangsseite 5 über den ersten Strang ST1 zu der Ausgangsseite 6 und zurück zu dem zweiten Strang ST2 ein. In diesem Stromfluss SF5 kann für den ersten Strang ST1 wieder die Maschengleichung betrachtet werden. Dabei ergibt sich die Eingangsspannung UE aus der Summe der Spannung U1 in der Ausgangsspannung UA. Somit ist ersichtlich, dass die Spannungsdifferenz zwischen der Ladestation 3 und dem elektrischen Energiespeicher 2 über die erste Induktivität des Transformators 10 ansteht. Dabei gilt, dass die Eingangsspannung UE größer der Ausgangsspannung UA ist. Dabei kann hierbei folgen, dass die Spannung U1 positiv ist (U1 = UE - UA). Parallel zu diesem Stromfluss SF5 ergibt sich ein weiterer Stromfluss SF6 in dem ersten Schaltzyklus. Der Stromfluss SF6 erfolgt von der Eingangsseite 5 über das erste Schaltelement S1, den dritten Strang ST3, das dritte Schaltelement S3, die Ausgangsseite 6 und zurück zu dem zweiten Strang ST2. Somit ergibt sich hier unter Betrachtung der Maschengleichung für den dritten Strang ST3 bei geschlossenem Schaltelement S1 Folgendes, dass die Eingangsspannung UE gleich der Summe aus U2 und UL und UA ist. Da U2 gleich der Multiplikation aus dem Übersetzungsverhältnis ü und U1 ist und die Spannung U1 aus der Maschengleichung für den ersten Strang ST1 bekannt ist, kann dadurch U2 berechnet werden. Ebenfalls kann dadurch der Spannungsabfall über die Drossel L1 berechnet werden. Dabei ergibt sich als Spannung UL über die Drossel L1 die Differenz aus der Eingangsspannung, Spannung U2 und Ausgangsspannung UA (UL = UE - U2 - UA). Anders ausgedrückt ist die Spannung UL die Summe aus der Eingangsspannung und der Multiplikation aus dem Übersetzungsverhältnis zu U1 subtrahiert mit der Ausgangsspannung UA (UL = UE + ü × U1 - UA).
  • In der 8 wird nun der an dem ersten Schaltzyklus des Tiefsetzbetriebs, welcher in der 7 dargestellt ist, anschließende zweite Schaltzyklus des Tiefsetzbetriebs dargestellt.
  • Insbesondere erfolgen der erste und zweite Schaltzyklus nicht gleichzeitig, sondern abwechselnd und getaktet nacheinander. In dem zweiten Schaltzyklus des Tiefsetzbetriebs stellt sich zunächst ein Stromfluss SF7 von der Eingangsseite 5 über den ersten Strang ST1 zur Ausgangsseite 6 und zurück zum zweiten Strang ST2 ein. Dies entspricht analog dem Stromfluss SF5 in der 7. Parallel dazu erfolgt der Stromfluss SF8, bei welchem ein Strom von dem zweiten Schaltelement S2 über den dritten Strang ST3, das dritte Schaltelement S3 zur Ausgangsseite 6 und zurück zum zweiten Strang ST2 fließt. Insbesondere wird für den zweiten Schaltzyklus das erste Schaltelement S1 geöffnet. Die Maschengleichung hier ist analog zu der Ausführung zum Stromfluss SF5. Bei dem dritten Strang ST3 kann nun wiederum die Maschengleichung betrachtet werden. Dabei ist nun das Potential nach unten versetzt beziehungsweise gezogen, sodass sich ergibt: 0 = U2 + UL + UA. Der Drosselstrom von L1 baut sich dabei langsam ab und lädt den elektrischen Energiespeicher 2. In dem ersten Strang ST1 fließt unverändert ein Ladestrom von der Ladestation 3 über die erste Induktivität 8 zu dem elektrischen Energiespeicher 2. An den Anschlüssen des Transformators 10 kann nun die Spannungsdifferenz erzeugt werden, um die Eingangsseite 5 auf das Spannungsniveau der Ausgangsseite 6 abzusenken. Sowohl in dem ersten als auch in dem zweiten Schaltzyklus entspricht der Strom von dem elektrischen Energiespeicher 2 gleich der Summe der beiden Strangströme des ersten und dritten Strangs ST1, ST3.
  • In der 9 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Simulationsaufbaus des Spannungswandlers 4 dargestellt. Hierbei wird nun der Tiefsetzbetrieb des Spannungswandlers 4 dargestellt. Dabei beträgt für die Simulation die Ausgangsspannung UA 750 Volt. Die Eingangsspannung UE beträgt ebenfalls 750 Volt. Im Laufe der Simulation kann unter konstanter Steigung die Eingangsspannung UE auf 870 Volt angehoben werden. Wenn der Spannungswandler 4 in dem Tiefsetzbetrieb arbeitet, so erfolgt die Taktung über das Schaltelement S1. Dies erfolgt über eine Strommessung des Drosselstroms und anschließend über eine Steuerung mittels einer Hysterese. Der Transformator 10 kann hierbei ein Übersetzungsverhältnis von 1:6,25 mit entgegengesetztem Wicklungssinn aufweisen. Dadurch kann ein stabiler Betrieb bis zu einer Eingangsspannung UE von 870 Volt gewährleistet werden.
  • In der nachfolgenden 10 sind wiederum beispielhafte Strom- und Spannungsverläufe eines Simulationsergebnisses des Simulationsaufbaus aus 9 dargestellt. In dem Verlauf A ist der Anstieg der Eingangsspannung UE von 750 Volt beginnend dargestellt. In dem Verlauf B ist der Strom der Ladestation 3 dargestellt. In dem Verlauf C ist die Leistung der Ladestation 3 dargestellt. In dem Verlauf D ist beispielsweise der Stromverlauf an der Ausgangsseite 6 dargestellt. Im Verlauf E ist wiederum der Zustand des Gates des ersten Schaltelements S1 visualisiert. In dem Verlauf F ist der Strom der Drossel L1 dargestellt. In dem nachfolgenden Verlauf G ist die Spannung UL dargestellt. Beispielsweise stellt sich ein konstanter Strom von 50 Ampere als Drosselstrom ein. Somit kann ein Strom von zirka 320 Ampere für die Ladestation 3 bereitgestellt werden.
  • In dem Verlauf H ist die Spannung des Transformators 10 zu sehen. Unter dem Verlauf I ist die Spannung des Trafos 10 in seinem Taktungspfad dargestellt. Die Verläufe J, K zeigen zum einen den Batteriestrom des elektrischen Energiespeichers 2 und die Leistung des elektrischen Energiespeichers 2.
  • Für den Tiefsetzbetrieb kann das Übersetzungsverhältnis ü für den Transformator 10 identisch wie für den Hochsetzbetrieb berechnet werden. Da sich die Spannung über den Trafo 10 in ihrem Vorzeichen ändert, ergibt sich folglich der richtige maximale Spannungsbereich. Im Beispiel wie vorhin geschildert, wäre bei einer Eingangsspannung UE von 750 Volt und einem Übersetzungsverhältnis ü = 1:6,25 eine maximale Spannungsreduzierung auf UA = UE x (1 + ü) = 630 Volt.
  • In der 11 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel des Spannungswandlers 4 dargestellt. Dabei können hier die jeweiligen Funktionen zu den Erläuterungen bezüglich des Spannungswandlers aus den vorherigen Figuren herangezogen werden. Insbesondere ist in der 11 der Spannungswandler 4 im Hochsetzbetrieb dargestellt. Dabei liegt hier ein Spannungsverhältnis zwischen Eingangsspannung UE und Ausgangsspannung UA vor, das das Transformator-Übersetzungsverhältnis übersteigt. Ist es beispielsweise notwendig, eine Ausgangsspannung UA oberhalb von 870 Volt zu erreichen beziehungsweise oberhalb von U2 = (1 - ü) x UE, dann ist eine Funktion des Strangs SP1 nicht mehr gegeben. Dabei kann das Übersetzungsverhältnis in diesem Fall negativ sein. Hier ist die induzierte Spannungserhöhung an der Induktivität 8 (Primärwicklung) des Transformators 10 nicht ausreichend, um die Ausgangsspannung UA zu erreichen beziehungsweise zu übertreffen. Das Gleiche kann der Fall sein, wenn bei einer Ausgangsspannung UA eine Spannung kleiner 750 Volt anliegen würde.
  • Als Sicherheitsmaßnahme kann hierbei zwischen der Ausgangsseite 6 beziehungsweise dem Knotenpunkt K3 und der ersten Induktivität 8 eine erste Diode D1 angeordnet beziehungsweise geschaltet beziehungsweise zwischengeschaltet werden. Mithilfe dieser ersten Diode D1 kann der Stromfluss von dem Knotenpunkt K3 zur ersten Induktivität 8 verhindert beziehungsweise gesperrt werden. Somit kann die erste Diode D1 sperrend betrieben werden, um ein unkontrolliertes Entladen des elektrischen Energiespeichers 2 über den ersten Strang ST1 zu vermeiden.
  • Insbesondere ist in der 11 eine Funktion des Spannungswandlers 4 dargestellt, bei welcher sich die Funktion des Spannungswandlers 4 auf den dritten Strang ST3 reduziert. Dies entspricht nun einer Schaltung eines konventionellen Boost-Wandlers. Der Ladestrom dieses Boost-Wandlers kann nun durch die Auslegung des Schalters S4 und der Drossel L1 dargestellt werden.
  • Beispielsweise ist in der 11 mit dem Stromfluss SF9 der Stromfluss während des Aufbaus des Drosselstroms in L gezeigt. Dabei ist das vierte Schaltelement S4 geschlossen. Mit dem Stromfluss SF10 ist nun wiederum der Freilauf beziehungsweise die Freilaufphase des aufgebauten Drosselstroms dargestellt. Dabei wird das vierte Schaltelement S4 geöffnet.
  • Die 12 zeigt nun ein ähnliches Ausführungsbeispiel des Spannungswandlers 4 der 11. Dabei wird hier nun der Tiefsetzbetrieb des Spannungswandlers 4 bei einem Spannungsverhältnis zwischen Eingangsspannung UE und Ausgangsspannung UA beschrieben, welches das Transformator-Übersetzungsverhältnis übersteigt. Dieses Beispiel ist dann von Vorteil, wenn es notwendig ist, eine Ausgangsspannung UA unterhalb von 630 Volt zu erreichen (beziehungsweise unterhalb von UA = (1 - ü) x UE). Dabei ist hier die Funktion des ersten Strangs ST1 nicht mehr gegeben (hierbei kann das Übersetzungsverhältnis positiv sein), da die induzierte Spannungserhöhung an der Primärwicklung (Induktivität 8) des Transformators 10 nicht ausreicht, um die Ausgangsspannung UA zu erreichen beziehungsweise unterhalb zu liegen. Das Gleiche wäre der Fall, wenn die Ausgangsspannung UA 630 Volt beträgt und die Eingangsspannung UE größer 750 Volt.
  • Für diesen Fall kann der erste Strang eine zweite Diode D2 aufweisen. Mittels der zweiten Diode D2 kann ein Stromfluss von der Eingangsseite 5 beziehungsweise dem Knotenpunkt K1 zur ersten Induktivität 8 gesperrt werden. Somit kann diese zweite Diode D2 gesperrt betrieben werden, um ein unkontrolliertes Entladen der Ladestation 3 zu verhindern.
  • Die sich nun in diesem Ausführungsbeispiel der 12 ergebende Funktionen des Spannungswandlers 4 reduzieren sich auf den dritten Strang S3. Dieser entspricht nun beispielsweise einem konventionellen Buck-Wandler. Der Ladestrom des Spannungswandlers 4 kann nun durch die Auslegung des ersten Schaltelements S1 und der Drossel L1 bestimmt werden. Hierbei ist mittels des Stromflusses SF11 der Stromfluss für den Aufbau des Drosselstroms in der Drossel L1 dargestellt. Dabei ist das erste Schaltelement S1 geschlossen. Für den Freilauf des aufgebauten Drosselstroms kann wiederum das erste Schaltelement S1 geöffnet werden. Dieser Stromfluss SF12 spiegelt den Freilauf des Drosselstroms wider.
  • In den vorherigen Fig. wurde jeweils ein Energietransfer von dem elektrischen Energiespeicher 2 zu der Ladestation 3 sowohl in dem Hochsetzbetrieb als auch in dem Tiefsetzbetrieb erläutert. Dabei waren für den Hochsetzbetrieb der vierte Schalter S4 Taktgeber und für den Tiefsetzbetrieb der erste Schalter S1 taktgebend.
  • Für den Fall, dass ein Energietransfer von der Ladestation 3 zu dem elektrischen Energiespeicher 2 durchgeführt werden soll, so gelten die Ausführungen zu den vorherigen Fig. bezüglich des Spannungswandlers 4. Dabei ändert sich nun der taktvorgebende Schalter. Für einen Hochsetzbetrieb von dem elektrischen Energiespeicher 2 zu der Ladestation 3 wird das Schaltelement S2 taktgebend beziehungsweise taktend. Für einen Tiefsetzbetrieb für den Energietransfer zwischen dem elektrischen Energiespeicher 2 zu der Ladestation 3 wird das dritte Schaltelement S3 taktend. Hier können ebenfalls die Ausführungen wie vorher geschildert verwendet beziehungsweise betrachtet werden.
  • In den nachfolgenden 13 bis 16 sind weitere Modifikationen des Spannungswandlers 4 dargestellt. Insbesondere zeigen diese 13 bis 16 weitere mögliche Ausführungsvarianten beziehungsweise Aufbauvarianten des Spannungswandlers 4.
  • Beispielsweise kann der erste Strang ST1 eine Reihenschaltung aus der ersten Induktivität 8 und einer zweiten Drossel L2 aufweisen. Mithilfe dieser Drossel L2 kann eine Anpassung einer Taktfrequenz zumindest eines der Schaltelemente S1 bis S4, insbesondere des ersten Schaltelements S1, erfolgen. Bei dieser Drossel L2 kann es sich um ein real existierendes Bauteil oder auch um eine Streuinduktivität des Transformators 10 handeln. Diese durch diese Drossel L2 hervorgerufene Streuinduktivität führt zu einer Reduzierung der Taktfrequenz des ersten Schaltelements S1.
  • Des Weiteren kann der Spannungswandler 4 zur Überbrückung der vorhin geschilderten Dioden D1, D2 Bypässe 11, 12 aufweisen. Durch die erste Diode D1 kann ein unkontrollierter Strom von der Ausgangsseite 6 zu der Eingangsseite 5 verhindern werden, wenn der Spannungsunterschied zwischen Eingangsspannung UE und Ausgangsspannung UA zu weit auseinanderliegen. Um Verluste in diesem Betrieb zu reduzieren, kann über den ersten Bypass 11 beziehungsweise Bypass-Leitung die erste Diode D1 überbrückt beziehungsweise gebrückt werden. Dies kann beispielsweise mit einem ersten Bypass-Schalter S5 erfolgen. Somit kann ein Stromfluss über die Diode D1 mittels des ersten Bypass-Schalters S5 erfolgen.
  • In analoger Weise kann die zweite Diode D2 mit dem zweiten Bypass 12 überbrückt beziehungsweise gebrückt werden. Dabei kann dieser zweite Bypass 12 einen zusätzlichen zweiten Bypass-Schalter S6 aufweisen. Somit können ebenso bei einem großen Spannungsunterschied zwischen Eingangs- und Ausgangsspannung UE, UA Verluste reduziert werden, da mittels des zweiten Bypass-Schalters S6 die Diode gebrückt beziehungsweise überbrückt werden kann.
  • In den 14, 15, 16 sind weitere Ausführungsbeispiele beziehungsweise Aufbauvarianten des Spannungswandlers 4 dargestellt. In den vorher geschilderten Varianten bezüglich des Spannungswandlers 4 wurde stets die Spannungserhöhung im positiven HV-Potential (erstes Potential HV+) durchgeführt. Das zweite Potential HV-(negatives Potential) wurde dabei von der Ladestation 3 zum elektrischen Energiespeicher 2 durchverbunden. Genauso kann der Spannungsunterschied zwischen dem elektrischen Energiespeicher 2 und der Ladestation 3 durch ein Absenken des negativen HV-Potentials HV- erfolgen. Dies ist in der 14 dargestellt.
  • Ebenso denkbar ist, dass beide Potentiala HV+, HV- angepasst beziehungsweise abgesenkt werden. Dabei können für die Anpassung beider HV-Potentiale HV+, HVmehrere Varianten vorgenommen werden.
  • Beispielsweise zeigt die 15 eine parallele Verschaltung des Transformators 10 und eines weiteren Transformators 13. Dabei wird mit dem Transformator 10 das positive Potential HV+ angepasst. Mit dem zusätzlichen optionalen weiteren Transformator 13 kann gleichzeitig das negative Potential HV- angepasst werden. Dabei sind zusätzliche Schaltelemente S7, S8 vorhanden, um die Hochsetzfunktionalität zu erfüllen. Insbesondere können beide Potentiale HV+, HV- gleichzeitig um denselben Betrag angepasst werden oder auch unabhängig voneinander individuell angepasst werden. Der Spannungswandler 4 der 15 ist sowohl für den Hochsetzbetrieb als auch für den Tiefsetzbetrieb bidirektional betreibbar. Bei einer möglichen Reduzierung der Funktionalität können Halbleiterschalter beziehungsweise Schaltelemente durch Dioden ersetzt werden oder komplett entfallen. Diese können durch Brücken ersetzt werden.
  • Die 16 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel des Spannungswandlers 4 zur Anpassung beider Potentiale HV+, HV-. Dabei sind die beiden Transformatoren 10, 13 als Serienschalter, also in Serie verschaltet, ausgebildet. Dazu werden weitere Schaltelemente S9, S10 und ein zusätzlicher Kondensator C3 benötigt.
  • Insbesondere kann mit den Ausführungsformen der 15 und 16 die HV-Potentiale unabhängig voneinander variiert beziehungsweise angepasst werden.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    Fahrzeug
    2
    elektrischer Energiespeicher
    3
    Ladestation
    4
    Spannungswandler
    5
    Eingangsseite
    6
    Ausgangsseite
    7
    Anschlussklemme
    8
    erste Induktivität
    9
    zweite Induktivität
    10
    Transformator
    11
    erster Bypass
    12
    zweiter Bypass
    13
    weiterer Transformator
    A bis K
    Strom- und Spannungsverläufe
    B1, B2
    erste und zweite Brückenschaltung
    C1, C2, C3
    Kondensatoren beziehungsweise Kapazitäten
    K1 bis K4
    erster bis vierter Knotenpunkt
    HV+, HV-
    erstes und zweites Potential
    U1, U3
    erste und dritte Spannung
    UA
    Ausgangsspannung
    UE
    Eingangsspannung
    S1 bis S4
    erstes bis viertes Schaltelement
    S5, S6
    erster und zweiter Bypass-Schalter
    S7 bis S10
    weitere Schaltelemente
    L1, L2, L3
    erste bis dritte Drossel
    M1, M2
    Mittelabgriffe
    ST1 bis ST3
    erster bis dritter Strang
    SF1 bis SF12
    Stromfluss

Claims (10)

  1. Spannungswandler (4) zum Laden eines elektrischen Energiespeichers (2) eines Fahrzeugs (1), mit - einer Eingangsseite (5) des Spannungswandlers (4) zum Koppeln mit einem fahrzeugseitigen Ladeanschluss (7), welcher eine Eingangsspannung (UE) bereitstellt, - einer Ausgangsseite (6) des Spannungswandlers (4) zum Koppeln mit dem elektrischen Energiespeicher (2), wobei die Ausgangsseite (6) eine Ausgangsspannung (UA) bereitstellt, - einem ersten Strang (ST1), welcher zwischen ein erstes Potential (HV+) der Eingangsseite (5) und ein erstens Potential (HV+) der Ausgangseite (6) geschaltet ist, wobei der erste Strang (ST1) eine erste Induktivität (8) aufweist, wobei an dem ersten Strang (ST1) eine erste Spannung (U1) anliegt, - einem zweiten Strang (ST2), welcher zwischen ein zweites Potential (HV-) der Eingangsseite (5) und ein zweites Potential (HV-) der Ausgangseite (6) geschaltet ist, - einer ersten Brückenschaltung (B1) mit einem ersten Mittelabgriff (M1) und einer zweiten Brückenschaltung (B2) mit einem zweiten Mittelabgriff (M2), welche jeweils zwischen den ersten und zweiten Strang (ST1, ST2) geschaltet sind, - einem dritten Strang (ST3), welcher zwischen den ersten und zweiten Mittelabgriff (M1, M2) geschaltet ist, wobei der dritte Strang (ST3) eine Reihenschaltung aus einer zweiten Induktivität (9) und einer ersten Drossel (L1) aufweist, wobei an der Reihenschaltung eine dritte Spannung (U3) anliegt, und wobei - die erste Induktivität (8) des ersten Strangs (ST1) mit der zweiten Induktivität (9) des dritten Strangs (ST3) magnetisch gekoppelt ist, - die erste und zweite Brückenschaltung (B1, B2) derart gesteuert sind, dass die Ausgangsspannung (UA) in Abhängigkeit von dem ersten und dritten Strang (ST1, ST3) zum Laden des elektrischen Energiespeichers (2) bereitgestellt wird.
  2. Spannungswandler (4) nach Anspruch 1, wobei die erste Brückenschaltung (B1) aus einer Reihenschaltung eines ersten Schaltelements (S1) mit einem zweiten Schaltelement (S2) gebildet ist, wobei zwischen dem ersten und zweiten Schaltelement (S1, S2) der erste Mittelabgriff (M1) ausgebildet ist, und die zweite Brückenschaltung (B2) aus einer Reihenschaltung eines dritten Schaltelements (S3) mit einem vierten Schaltelement (S4) gebildet ist, wobei zwischen dem dritten und vierten Schaltelement (S3, S4) der zweite Mittelabgriff (M2) ausgebildet ist.
  3. Spannungswandler (4) nach Anspruch 2, wobei in einem Hochsetzbetrieb des Spannungswandlers (4) die erste und zweite Brückenschaltung (B1, B2) derart gesteuert sind, dass - in einem ersten Schaltzyklus des Hochsetzbetriebs ein Stromfluss (SF1) von der Eingangsseite (5) über den ersten Strang (ST1) zu der Ausgangsseite (6) und zurück zu dem zweiten Strang (ST2) erfolgt und ein Stromfluss (SF2) von der Eingangsseite (5) über das ersten Schaltelement (S1), den dritten Strang (ST3) und das vierten Schaltelement (S4) sowie den zweiten Strang (ST2) zurück zur Eingangsseite (5) erfolgt, und - in einem unmittelbar an den ersten Schaltzyklus des Hochsetzbetriebs anschließenden zweiten Schaltzyklus des Hochsetzbetriebs ein Stromfluss (SF3) von der Eingangsseite (5) über den ersten Strang (ST1) zur der Ausgangsseite (6) und zurück zu dem zweiten Strang (ST2) erfolgt und ein Stromfluss (SF4) von der Eingangsseite (5) über das erste Schaltelement (S1), den dritten Strang (ST3), das dritte Schaltelement (S3), die Ausgangsseite (6) und zurück zu dem zweiten Strang (ST2) erfolgt.
  4. Spannungswandler (4) nach Anspruch 2 oder 3, wobei in einem Tiefsetzbetrieb des Spannungswandlers (4) die erste und zweite Brückenschaltung (B1, B2) derart gesteuert sind, dass - in einem ersten Schaltzyklus des Tiefsetzbetriebs ein Stromfluss (SF5) von der Eingangsseite (5) über den ersten Strang (ST1) zu der Ausgangsseite (6) und zurück zu dem zweiten Strang (ST2) erfolgt und ein Stromfluss (SF6) von der Eingangsseite (5) über das erste Schaltelement (S1), den dritten Strang (ST3), das dritte Schaltelement (S3), die Ausgangsseite (6) und zurück zu dem zweiten Strang (ST2) erfolgt, und - in einem unmittelbar an den ersten Schaltzyklus des Tiefsetzbetriebs anschließenden zweiten Schaltzyklus des Tiefsetzbetriebs ein Stromfluss (SF7) von der Eingangsseite (5) über den ersten Strang (ST1) zur der Ausgangsseite (6) und zurück zu dem zweiten Strang (ST2) erfolgt und ein Stromfluss (SF8) von dem zweiten Schaltelement (S2) über den dritten Strang (ST3), das dritte Schaltelement (S3) zur Ausgangsseite (6) und zurück zu dem zweiten Strang (ST2) erfolgt.
  5. Spannungswandler (4) nach einem der Ansprüche 2 bis 4, wobei der erste Strang (ST1) eine Reihenschaltung aus der ersten Induktivität (8) und einer zweiten Drossel (L2) zur Anpassung einer Taktfrequenz zumindest eines der Schaltelemente (S1, S2, S3, S4) aufweist.
  6. Spannungswandler (4) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die erste Induktivität (8) und die zweite Induktivität (9) einen Transformator (10) bilden und einen entgegengesetzten Wicklungssinn aufweisen.
  7. Spannungswandler (4) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei - der erste Strang (ST1) zwischen der Ausgangsseite (6) und der ersten Induktivität (8) eine erste Diode (D1) aufweist, wobei mit der ersten Diode (D1) ein Stromfluss von der Ausgangsseite (6) zur ersten Induktivität (8) gesperrt ist, oder - der erste Strang (ST1) zwischen der Eingangsseite (5) und der ersten Induktivität (8) eine zweite Diode (D2) aufweist, wobei mit der zweiten Diode (D2) ein Stromfluss von der Eingangsseite (5) zur ersten Induktivität (8) gesperrt ist.
  8. Spannungswandler (4) nach Anspruch 7, wobei - der erste Strang (ST1) einen ersten Bypass (11) aufweist, wobei mit einem ersten Bypass-Schalter (S5) des ersten Bypasses (11) die erste Diode (D1) überbrückbar ist, und/oder - der erste Strang (ST1) einen zweiten Bypass (12) aufweist, wobei mit einem zweiten Bypass-Schalter (S6) des zweiten Bypasses (12) die zweite Diode (D2) überbrückbar ist.
  9. Fahrzeug (1) mit einem Spannungswandler (4) nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 8.
  10. Verfahren zum Laden eines elektrischen Energiespeichers (2) eines Fahrzeugs (1) mit einem Spannungswandler (4) nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 8, wobei - an der Eingangsseite (5) des Spannungswandlers (1) die Eingangsspannung (UE) angelegt wird, - mit dem Spannungswandler (4) die Ausgangsspannung (UA) für den elektrischen Energiespeicher (2) erzeugt wird, - an dem ersten Strang (ST1) des Spannungswandlers (4) die erste Spannung (U1) anliegt, - an dem dritten Strang (ST3) des Spannungswandler (4) die dritte Spannung (U3) anliegt, wobei - die erste und zweite Brückenschaltung (B1, B2) des Spannungswandlers (4) derart gesteuert werden, dass die Ausgangsspannung (UA) in Abhängigkeit von dem ersten und dritten Strang (ST1, ST3) zum Laden des elektrischen Energiespeichers (2) bereitgestellt wird.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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US20130342139A1 (en) 2011-04-08 2013-12-26 Mitsubishi Electric Corporation Power converting device, motor driving device, and refrigerating and air-conditioning apparatus

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