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Die Erfindung betrifft einen Gleichspannungswandler und eine Komponentenanordnung für ein elektrisches Hochvoltbordnetz eines Fahrzeugs.
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Aus dem Stand der Technik ist, wie in der
DE 10 2019 008 835 A1 beschrieben, ein Fahrzeug mit einem elektrischen Hochvoltbordnetz bekannt. Das elektrische Hochvoltbordnetz ist in zwei Teilbereiche unterteilt, wobei der erste Teilbereich in einem ersten Bauraum des Fahrzeugs angeordnet ist und der zweite Teilbereich in mindestens einem zweiten Bauraum des Fahrzeugs angeordnet ist. Die Unterteilung des elektrischen Hochvoltbordnetzes in die beiden Teilbereiche ist derart ausgebildet, dass im ersten Bauraum des Fahrzeugs nur Arbeiten unter elektrischer Spannung des ersten Teilbereichs des elektrischen Hochvoltbordnetzes möglich sind und im mindestens einen zweiten Bauraum des Fahrzeugs Arbeiten in einem spannungsfreien Zustand des zweiten Teilbereichs des elektrischen Hochvoltbordnetzes möglich sind.
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In der
DE 10 2018 004 498 A1 wird eine Anordnung wenigstens einer mehrere elektrisch miteinander verbundene und zum Speichern von elektrischer Energie ausgebildete Speicherzellen aufweisenden Hochvolt-Batterie an einer selbsttragenden Karosserie eines Personenkraftwagens beschrieben. Die Hochvolt-Batterie und weitere zusätzlich zu der Hochvolt-Batterie vorgesehene und mit der Hochvolt-Batterie elektrisch verbundene Hochvolt-Komponenten sind zumindest mittelbar an der Karosserie gehalten. Die Karosserie bildet eine mittels einer Temperiereinrichtung des Personenkraftwagens temperierbare Hochvolt-Sicherheitszelle, in welcher die Hochvolt-Batterie und die weiteren Hochvolt-Komponenten angeordnet sind.
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Aus der
DE 10 2018 002 926 A1 ist ein elektrisches Bordnetz für ein Kraftfahrzeug bekannt. Es umfasst wenigstens eine erste und eine zweite elektrische Potentialleitung und ist ausgebildet, in einem bestimmungsgemäßen Betrieb zwischen den Potentialleitungen mit einer elektrischen Gleichspannung beaufschlagt zu werden. Das Bordnetz weist wenigstens einen Y-Kondensator auf, der mit einem ersten Anschluss mit einer der Potentialleitungen und mit einem zweiten Anschluss mit einem elektrischen Bezugspotential elektrisch gekoppelt ist. Ein Schaltelement ist zum wenigstens einen Y-Kondensator in Reihe geschaltet.
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In der
DE 10 2019 008 825 A1 wird ein Fahrzeug mit einem elektrischen Hochvoltbordnetz beschrieben. Das elektrische Hochvoltbordnetz ist in drei Teilbereiche unterteilt, wobei der erste Teilbereich in einem ersten Bauraum des Fahrzeugs angeordnet ist, der zweite Teilbereich in einem zweiten Bauraum des Fahrzeugs angeordnet ist und der dritte Teilbereich außerhalb dieser beiden Bauräume des Fahrzeugs angeordnet ist.
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In der
DE 10 2021 003 831 werden ein elektrisches Bordnetz für ein Fahrzeug, ein Fahrzeug mit einem elektrischen Bordnetz und ein Verfahren zum Betreiben eines elektrischen Bordnetzes für ein Fahrzeug beschrieben. Das elektrische Bordnetz umfasst eine Batterie mit zwei elektrischen Batteriepotentialkontakten und einen fahrzeugseitigen Gleichstromladeanschluss mit zwei elektrischen Ladepotentialkontakten. Es ist ein Gleichspannungswandler vorgesehen. Der erste elektrische Batteriepotentialkontakt ist mit einem ersten elektrischen Potentialkontakt einer Ausgangsseite des Gleichspannungswandlers elektrisch koppelbar oder gekoppelt. Der zweite elektrische Batteriepotentialkontakt ist mit dem zweiten elektrischen Ladepotentialkontakt elektrisch koppelbar oder gekoppelt. Der jeweilige elektrische Ladepotentialkontakt ist mit einem jeweiligen elektrischen Potentialkontakt einer Eingangsseite des Gleichspannungswandlers elektrisch koppelbar oder gekoppelt. Ein zweiter elektrischer Potentialkontakt der Ausgangsseite des Gleichspannungswandlers ist mit dem ersten elektrischen Potentialkontakt der Eingangsseite des Gleichspannungswandlers elektrisch koppelbar oder gekoppelt. Die elektrischen Potentialkontakte der Eingangsseite des Gleichspannungswandlers sind mit jeweils einem elektrischen Anschlusskontakt eines ersten Kondensators elektrisch gekoppelt. Die elektrischen Potentialkontakte der Ausgangsseite des Gleichspannungswandlers sind mit jeweils einem elektrischen Anschlusskontakt eines zweiten Kondensators elektrisch koppelbar oder gekoppelt.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, einen gegenüber dem Stand der Technik verbesserten Gleichspannungswandler und eine gegenüber dem Stand der Technik verbesserte Komponentenanordnung für ein elektrisches Hochvoltbordnetz eines Fahrzeugs anzugeben.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch einen Gleichspannungswandler mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und eine Komponentenanordnung für ein elektrisches Hochvoltbordnetz eines Fahrzeugs mit den Merkmalen des Anspruchs 5.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Ein Gleichspannungswandler, insbesondere für ein Fahrzeug, weist erfindungsgemäß mehrere Gleichspannungswandlermodule mit voneinander abweichenden elektrischen Eingangsspannungen und Ausgangsspannungen auf, welche als eine gemeinsame integrierte Baueinheit, insbesondere in einem gemeinsamen Wandlergehäuse ausgebildet sind und in mehreren Subsystemen derart miteinander elektrisch verschaltbar sind, dass eine elektrische Hochvoltspannung in verschiedene elektrische Niedervoltspannungen wandelbar ist. Der Gleichspannungswandler wird auch als DC/DC-Wandler bezeichnet, aufgrund der Wandlung der elektrischen Hochvoltspannung in mehrere elektrische Niedervoltspannungen auch als LV-DC/DC-Wandler.
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Insbesondere ist ein Gleichspannungswandlermodul zur Wandlung der Hochvoltspannung in eine Niedervoltspannung vorgesehen und die anderen Gleichspannungswandlermodule sind zur Wandlung einer Niedervoltspannung in eine andere Niedervoltspannung vorgesehen. Die anderen Gleichspannungswandlermodule können dann jeweils beispielsweise mit einer Ausgangsseite des die Hochvoltspannung wandelnden Gleichspannungswandlermoduls gekoppelt werden, um dessen Niedervoltspannung in eine andere Niedervoltspannung zu wandeln, oder mit einer Ausgangsseite eines anderen der Gleichspannungswandlermodule gekoppelt werden, um dessen Niedervoltspannung in eine andere Niedervoltspannung zu wandeln.
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Der erfindungsgemäße Gleichspannungswandler ist somit modular ausgelegt, so dass er mehrere Aufgaben erfüllen kann, insbesondere mehrere elektrische Niedervoltbordnetze versorgen bzw. koppeln kann. So können unterschiedliche Spannungslagen, beispielsweise 12 V und 48 V gleichzeitig verschaltet werden und dazu intern auch unterschiedliche Subsysteme zugeschaltet oder abgeschaltet werden.
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Der erfindungsgemäße Gleichspannungswandler ist beispielsweise in einer Komponentenanordnung für ein elektrisches Hochvoltbordnetz eines Fahrzeugs einsetzbar. Eine erfindungsgemäße Komponentenanordnung umfasst daher diesen Gleichspannungswandler. Diese Komponentenanordnung wird auch als Conversion Box bezeichnet. Bei ihr sind vorteilhafterweise für mehrere elektrische Komponenten ein gemeinsamer EMV-Filter (EMV = elektromagnetische Verträglichkeit) und ein gemeinsamer Zwischenkreis vorgesehen, wobei diese elektrischen Komponenten zusammen mit dem gemeinsamen EMV-Filter und dem gemeinsamen Zwischenkreis in einem gemeinsamen Gehäuse angeordnet sind. Die elektrischen Komponenten, für die der gemeinsame EMV-Filter und der gemeinsame Zwischenkreis vorgesehen sind, sind dabei insbesondere eine Leistungselektronik für mindestens eine elektrische Antriebsmaschine zum Antrieb des Fahrzeugs, ein Gleichrichter und/oder der Gleichspannungswandler. Bei dieser Komponentenanordnung sind vorteilhafterweise alle wesentlichen Bestandteile eines Hochvoltsystems in einer Box, d. h. in einem gemeinsamen Gehäuse angeordnet und miteinander zu verschalten, so dass diese Box, insbesondere baugleich, vorteilhafterweise universell einsetzbar ist. Daher sind vorteilhafterweise auch die Bestandteile dieser Komponentenanordnung universell. Dies gilt im hier beschriebenen Beispiel insbesondere für den Gleichspannungswandler, welcher mehrere Aufgaben erfüllen kann und mehrere Niedervoltbordnetze bedienen kann.
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Der Gleichspannungswandler kann vorteilhafterweise alle Anforderungen gleichzeitig erfüllen. Die einzelnen Funktionen sind beispielsweise mittels Software und/oder Schaltern aktivierbar bzw. deaktivierbar. Damit kann der Gleichspannungswandler und vorteilhafterweise auch die Komponentenanordnung, insbesondere baugleich, für alle möglichen Anforderungen eingesetzt werden und dann im Anwendungsfall softwareseitig bzw. applikativ so eingestellt werden, dass die gewünschten Funktionen erfüllt werden.
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Am Gehäuse der Komponentenanordnung sind vorteilhafterweise alle hierzu erforderlichen Niedervoltanschlüsse vorgesehen und mit dem Gleichspannungswandler elektrisch gekoppelt oder koppelbar. Für den jeweiligen Verwendungszweck der Komponentenanordnung dann jeweils nicht verwendete Niedervoltanschlüsse werden dann beispielsweise verschlossen, zum Beispiel abgedeckt.
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Insbesondere zur Anpassung an die oben beschriebenen verschiedenen möglichen Funktionen und die dafür erforderlichen verschiedenen Niedervoltspannungen und auch an verschiedene erforderliche Leistungen sind die Subsysteme des Gleichspannungswandlers vorteilhafterweise unabhängig voneinander aktivierbar und deaktivierbar. Dabei kann auch vorgesehen sein, dass mindestens eines der Subsysteme ständig aktiv ist. Dadurch kann ein vereinfachter Aufbau erzielt werden, da nicht alle Subsysteme des Gleichspannungswandlers abschaltbar sein müssen.
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Wie oben beschrieben, sind die Gleichspannungswandlermodule als eine gemeinsame integrierte Baueinheit, insbesondere in einem gemeinsamen Wandlergehäuse ausgebildet. Es handelt sich somit nicht lediglich um eine Parallelschaltung mehrerer Gleichspannungswandler.
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Alternativ zur oben beschriebenen Verwendung des Gleichspannungswandlers in der auch als Conversion Box bezeichneten Komponentenanordnung kann beispielsweise auch vorgesehen sein, dass der Gleichspannungswandler als eigenständiges Bauteil außerhalb einer solchen Komponentenanordnung oder ohne diese Komponentenanordnung direkt an ein Hochvoltsystem angeschlossen ist. Ohne eine gemeinsame Nutzung des EMV-Filters und Zwischenkreises der eigenständigen Bauteile muss dennoch die EMV-Verträglichkeit und ein Zwischenkreis durch das Hochvoltsystem sichergestellt werden, so dass dann eben meist die eigenständigen Bauteile einen eigenen, dem Bauteil zugeordneten EMV Filter und Zwischenkreis aufweisen. Diese können dann insbesondere in dem Gehäuse des Bauteils untergebracht sein.
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Der erfindungsgemäße Gleichspannungswandler ermöglicht durch seine modulare Ausgestaltung auf kostengünstige Weise einen Aufbau mehrerer Niedervolt-Spannungsbordnetze. Dies ist insbesondere in Elektrofahrzeugen zum Betrieb sicherheitskritischer Funktionen sowie zum gleichzeitigen Betreiben unterschiedlicher Verbraucher oder Versorger an eigenen Niedervoltbordnetzen erforderlich.
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Die Gleichspannungswandlermodule weisen vorteilhafterweise jeweils eine kleine Leistung auf. Sie werden, wie oben beschrieben, für unterschiedliche Niedervolt-Spannungsbordnetze verwendet. Werden größere Niedervoltleistungen benötigt, werden mehrere der Gleichspannungswandlermodule oder Subsysteme ausgangsseitig parallel geschaltet. Dadurch wird ein effizienter Betrieb im Teillastbetrieb ermöglicht.
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Der erfindungsgemäße Gleichspannungswandler ermöglicht, wie bereits erwähnt, eine Kostenreduktion durch die Nutzung eines Modulsystems für unterschiedliche Funktionen beim Niedervoltspannungswandeln, eine Steigerung der Energieeffizienz durch eine gezielte Abschaltung eines oder mehrerer Subsysteme bei geringer Niedervoltlast in einem jeweiligen Niedervoltbordnetz, da Gleichspannungswandler ihren höchsten Wirkungsgrad im Nennbetriebspunkt haben, und eine einfache Erzeugbarkeit mehrerer Niedervoltbordnetze im Fahrzeug. Des Weiteren entfällt eine Neuentwicklung eines Gleichspannungswandlers für geänderte Funktionsanforderungen, beispielsweise für erhöhte Bordnetzanforderungen oder wenn ein Zusatzwandler für ein Solardach benötigt wird.
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Der erfindungsgemäße Gleichspannungswandler ist zudem vorteilhafterweise verwendbar zur sicheren Niedervolt-Spannungserzeugung bei sicherheitskritischen Anwendungen, beispielsweise für hochautomatisiertes Fahren und Steer-by-Wire.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand von Zeichnungen näher erläutert.
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Dabei zeigen:
- 1 schematisch einen Gleichspannungswandler, und
- 2 schematisch eine Komponentenanordnung für ein elektrisches Hochvoltbordnetz eines Fahrzeugs.
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Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
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1 zeigt eine schematische Darstellung einer Ausführungsform eines Gleichspannungswandlers 8, insbesondere für ein Fahrzeug. Er weist mehrere Gleichspannungswandlermodule mit voneinander abweichenden elektrischen Eingangsspannungen und Ausgangsspannungen auf, welche als eine gemeinsame integrierte Baueinheit, insbesondere in einem gemeinsamen Wandlergehäuse 10 ausgebildet sind und in mehreren Subsystemen A, B, C derart miteinander elektrisch verschaltbar sind, dass eine elektrische Hochvoltspannung in verschiedene elektrische Niedervoltspannungen wandelbar ist.
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Die Gleichspannungswandlermodule können somit insbesondere derart elektrisch verschaltet werden, dass in Elektrofahrzeugen, welche eine Hochvoltbatterie 7 aufweisen, mehrere Niedervoltspannungsbordnetze, insbesondere mit verschiedenen Niedervoltspannungen erzeugt werden können.
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Im dargestellten Beispiel wird der Gleichspannungswandler 8 auf diese Weise für ein Niedervoltbordnetz 11 mit einer ersten Niedervoltspannungslage, beispielsweise für Verbraucher und eine Niedervoltbatterie, für ein Niedervoltbordnetz 12 mit einer davon abweichenden zweiten Niedervoltspannungslage, beispielsweise für weitere Verbraucher und eine weitere Niedervoltbatterie, für eine Energierückspeisung 13, beispielsweise für ein Solarmodul und/oder ein Dämpfersystem, und für eine Selbstversorgung 14, insbesondere für Niedervoltkomponenten in einem Hochvolt-Elektrik/Elektronik-Bauraum verwendet.
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Der Gleichspannungswandler 8 wird auch als DC/DC-Wandler bezeichnet, aufgrund der Wandlung der elektrischen Hochvoltspannung in mehrere elektrische Niedervoltspannungen auch als LV-DC/DC-Wandler.
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Die Subsysteme A, B, C werden beispielsweise auch jeweils als Rail bezeichnet, insbesondere aufgrund der elektrischen Verschaltung der Gleichspannungswandlermodule mittels Stromschienen. Es ist jedoch auch eine elektrische Verschaltung mittels Kabeln möglich.
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Die beschriebene Lösung ist somit ein modularer Gleichspannungswandler 8 zur Wandlung einer Hochvoltspannung in verschiedene Niedervoltspannungen, welcher insbesondere in als Elektrofahrzeug ausgebildeten Fahrzeugen verwendbar ist.
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Insbesondere ist ein Gleichspannungswandlermodul zur Wandlung der Hochvoltspannung in eine Niedervoltspannung vorgesehen und die anderen Gleichspannungswandlermodule sind zur Wandlung einer Niedervoltspannung in eine andere Niedervoltspannung vorgesehen. Die anderen Gleichspannungswandlermodule können dann jeweils beispielsweise mit einer Ausgangsseite des die Hochvoltspannung wandelnden Gleichspannungswandlermoduls gekoppelt werden, um dessen Niedervoltspannung in eine andere Niedervoltspannung zu wandeln, oder mit einer Ausgangsseite eines anderen der Gleichspannungswandlermodule gekoppelt werden, um dessen Niedervoltspannung in eine andere Niedervoltspannung zu wandeln.
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Es wird somit mit dem ersten Gleichspannungswandlermodul die Hochvoltspannung, beispielsweise 800 V, insbesondere galvanisch getrennt, auf eine Niedervoltspannung von beispielsweise 48 V gewandelt. Wird beispielsweise eine niedrigere Niedervoltspannung benötigt, kann durch ein weiteres, insbesondere galvanisch gekoppeltes, Gleichspannungswandlermodul diese kleinere Niedervoltspannung, beispielsweise 12 V, erzeugt werden. Hierzu werden diese beiden Gleichspannungswandlermodule zu einem Subsystem A, B, C elektrisch miteinander verschaltet. Das erste Gleichspannungswandlermodul zur Wandlung der Hochvoltspannung kann beispielsweise bereits ein eigenes Subsystem A, B, C bilden. Im beispielhaft beschriebenen Fall weist der Gleichspannungswandler 8 somit ein Subsystem A, B, C mit der Hochvoltspannung als Eingangsspannung und der hohen Niedervoltspannung als Ausgangsspannung und ein weiteres Subsystem B, C, A mit der Hochvoltspannung als Eingangsspannung und der niedrigeren Niedervoltspannung als Ausgangsspannung auf. Im in 1 dargestellten Beispiel sind drei Subsysteme A, B, C vorgesehen, welche jeweils auf die beschriebene Weise oder mit mehr miteinander elektrisch gekoppelten Gleichspannungswandlermodulen ausgebildet sein können.
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Vorteilhafterweise wird jedes Subsystem A, B, C ausgangsseitig mit einem EMV-Filter 9 abgeschlossen, im Folgenden, insbesondere mit Bezug auf 2, als weiterer EMV-Filter 9 bezeichnet.
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Die Gleichspannungswandlermodule können vorteilhafterweise bidirektional betrieben werden. Dadurch wird eine Vorladung eines Hochvoltbordnetzes des Fahrzeugs ermöglicht.
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Die einzelnen Gleichspannungswandlermodule sind insbesondere auf eine geringe Nennleistung, beispielsweise 500 W, ausgelegt.
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In einer möglichen Ausführungsform ist das erste Gleichspannungswandlermodul, d. h. das Gleichspannungswandlermodul zur Wandlung der Hochvoltspannung in die hohe Niedervoltspannung von beispielsweise 48 V, auf einen sicheren und funktional zuverlässigen Betrieb ausgelegt. Es beinhaltet dann zusätzlich eine integrierte, kurzschlusssichere Abschaltung auf Hochvoltseite und erfüllt zusätzlich funktionelle Anforderungen, um hohe ASIL-Level, beispielsweise für ASIL D, zu erfüllen. Dadurch kann dieses Gleichspannungswandlermodul direkt, insbesondere ohne Trennschütz, an die Hochvoltbatterie 7 angeschlossen werden und für sicherheitskritische Funktionen, beispielsweise Steer-by-wire und hochautomatisierte Fahrfunktionen, ohne zusätzliche Niedervoltbatterie verwendet werden.
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Wie in 1 gezeigt, werden die einzelnen Subsysteme A, B, C hochvoltseitig, d. h. eingangsseitig, elektrisch parallel geschaltet. Niedervoltseitig können auf diese Weise, wie oben bereits erwähnt, mehrere Niedervoltbordnetze erzeugt werden.
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Überschreitet eine benötigte Niedervoltbordnetzleistung die von einem jeweiligen Subsystem A, B, C bereitgestellte Leistung, werden vorteilhafterweise mehrere Subsysteme A, B, C auch ausgangsseitig, d. h. niedervoltseitig, elektrisch parallel geschaltet. Bei wechselnder Last während des Betriebs können je nach Lastfall einzelne Subsysteme A, B, C zugeschaltet bzw. wieder abgeschaltet werden. Dadurch wird erreicht, dass die einzelnen sich jeweils im Betrieb befindlichen Subsysteme A, B, C auch bei niedriger Niedervoltlast mit einem hohen Wirkungsgrad arbeiten.
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Der Gleichspannungswandler 8 ermöglicht eine Kostenreduktion durch die Nutzung eines Modulsystems für unterschiedliche Funktionen beim Niedervoltspannungswandeln, eine Steigerung der Energieeffizienz durch eine gezielte Abschaltung eines oder mehrerer Subsysteme A, B, C bei geringer Niedervoltlast in einem jeweiligen Niedervoltbordnetz, da Gleichspannungswandler 8 ihren höchsten Wirkungsgrad im Nennbetriebspunkt haben, und eine einfache Erzeugbarkeit mehrerer Niedervoltbordnetze im Fahrzeug. Des Weiteren entfällt eine Gleichspannungswandlerneuentwicklung bei geänderten Funktionsanforderungen, beispielsweise für erhöhte Bordnetzanforderungen oder wenn ein Zusatzwandler für ein Solardach benötigt wird.
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Der Gleichspannungswandler 8 ist, wie oben beschrieben, zudem vorteilhafterweise verwendbar zur sicheren Niedervolt-Spannungserzeugung bei sicherheitskritischen Anwendungen, beispielsweise für hochautomatisiertes Fahren und Steer-by-Wire.
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Der Gleichspannungswandler 8 ist beispielsweise in einer Komponentenanordnung 1 für ein elektrisches Hochvoltbordnetz eines Fahrzeugs einsetzbar, wie in 2 beispielhaft gezeigt.
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Bei dieser Komponentenanordnung 1 sind für mehrere elektrische Komponenten K ein gemeinsamer EMV-Filter 2 und ein gemeinsamer Zwischenkreis 3 vorgesehen, wobei diese elektrischen Komponenten K zusammen mit dem gemeinsamen EMV-Filter 2 und dem gemeinsamen Zwischenkreis 3 in einem gemeinsamen Gehäuse 4 angeordnet sind.
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Der gemeinsame Zwischenkreise 3 ist beispielsweise als Kondensator ausgebildet.
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Die Einheit mit dem Gehäuse 4 sowie mit den elektrischen Komponenten K, dem gemeinsamen EMV-Filter 2 und dem gemeinsamen Zwischenkreis 3, die sich in dem Gehäuse 4 befinden, wird auch als Conversion-Box bezeichnet.
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Diese Lösung ermöglicht einen vereinfachten und einheitlichen Aufbau eines Hochvoltsystems eines Fahrzeugs, da sich unterschiedliche elektrische Komponenten K gemeinsam den Zwischenkreis 3 und den gemeinsamen EMV-Filter 2 teilen können, wobei diese Teile, d. h. der Zwischenkreis 3 und der gemeinsame EMV-Filter 2, dann dazu ausgelegt sind, für alle diese Komponenten K die Funktion erfüllen zu können. Auf diese Weise müssen diese Komponenten K selbst keine eigenen EMV-Filter und Zwischenkreise aufweisen und können kleiner und kompakter gebaut werden. Bei dieser Lösung sind somit vorteilhafterweise alle wesentlichen Bestandteile des Hochvoltsystems für ein Fahrzeug in einem Gehäuse 4, d. h. in einer Box, angeordnet und miteinander verschaltet, so dass diese Box, insbesondere baugleich, universell für verschiedene Fahrzeuge, insbesondere auch für verschiedene Fahrzeugtypen einsetzbar ist.
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Die elektrischen Komponenten K, für die der gemeinsame EMV-Filter 2 und der gemeinsame Zwischenkreis 3 vorgesehen sind, sind beispielsweise, wie in 2 gezeigt, eine Leistungselektronik 5 für mindestens eine elektrische Antriebsmaschine zum Antrieb des Fahrzeugs, ein Gleichrichter 6, auch als AC/DC-Wandler bezeichnet, insbesondere für ein Wechselstromladen der Hochvoltbatterie 7 des Fahrzeugs, und der Gleichspannungswandler 8.
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Bevorzugt weist die Leistungselektronik 5 für die mindestens eine elektrische Antriebsmaschine eine galvanische Kopplung auf und der Gleichrichter 6 sowie der Gleichspannungswandler 8 weisen jeweils eine galvanische Trennung auf.
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Optional kann vorgesehen sein, dass an einem Ausgang der jeweiligen Komponente K ein weiterer EMV-Filter 9 angeordnet ist, d. h. eine oder mehrere oder alle Komponenten K können an ihrem Ausgang jeweils einen eigenen weiteren EMV-Filter 9 aufweisen. Dieser jeweilige weitere EMV-Filter 9 kann dabei beispielsweise im gemeinsamen Gehäuse 4 angeordnet sein. Im dargestellten Beispiel sind für die Leistungselektronik 5 und den Gleichrichter 6 solche weiteren EMV-Filter 9 dargestellt. Da der Gleichspannungswandler 8 mehrere Ausgänge aufweist, kann am jeweiligen Ausgang jeweils ein weiterer EMV-Filter 9 vorgesehen sein, d. h. an einem oder mehreren der Ausgänge oder an allen Ausgängen.
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In einer möglichen weiteren Ausführungsform kann vorgesehen sein, dass keine separate Komponente K für den auch als AC/DC-Wandler bezeichneten Gleichrichter 6 für das Wechselstromladen der Hochvoltbatterie 7 vorhanden ist, sondern diese Funktion wird ebenfalls von einem Umrichter der Leistungselektronik 5 für die mindestens eine elektrische Antriebsmaschine übernommen. Die Funktion Wechselstromladen und die Funktion Maschinenwechselrichter, auch als Inverter oder Umrichter bezeichnet, werden dabei insbesondere durch eine Halbleiterschaltung realisiert. Bei dieser Ausführungsform ist am Ausgang der Leistungselektronik 5 für die mindestens eine elektrische Antriebsmaschine in Richtung des Wechselstromladeanschlusses zur Realisierung der Wechselstromladefunktion vorteilhafterweise eine Sicherheitseinheit vorgesehen, welche beispielsweise zwischen der Leistungselektronik 5 für die mindestens eine elektrische Antriebsmaschine und dem weiteren EMV-Filter 9 angeordnet ist. Diese Sicherheitseinheit dient der Einhaltung von Sicherheits- und EMV-Normen. Die galvanische Kopplung erfordert zusätzliche Maßnahmen wie beispielsweise eine Notabschaltung und eine Neutralisierung von PE-Ableitströmen.
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In einer weiteren Ausführungsform kann beispielsweise vorgesehen sein, dass keine Wechselstromladefunktion integriert ist. Die Komponenten K, die sich den gemeinsamen Zwischenkreis 3 und den gemeinsamen EMV-Filter 2 teilen, wären dann nur noch die Leistungselektronik 5 für die mindestens eine elektrische Antriebsmaschine und der Gleichspannungswandler 8.
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Wie beschrieben, teilen sich die oben erwähnten Komponenten K auf der Gleichstromseite den gemeinsamen Zwischenkreis 3 und den gemeinsamen EMV-Filter 2. Sie weisen zudem trennbare Ausgänge, im dargestellten Beispiel zur Hochvoltbatterie 7, auf. Trennelemente 15 hierfür sind beispielsweise jeweils als Halbleitersicherung oder Schütz/CSID ausgebildet. Dabei kann beispielsweise jeweils eine Halbleitersicherung auf beiden Polen oder eine Schütz/Sicherungskombination auf beiden Polen oder jeweils ein Schütz/CSID auf beiden Polen oder ein Schütz auf dem einen Pol und eine Halbleitersicherung auf dem anderen Pol vorgesehen sein.
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Die Komponenten K sind insbesondere jeweils als eine Halbleiterkomponente ausgebildet.
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Zusätzlich kann ein Mikrocontroller vorgesehen sein, welcher ebenfalls im Gehäuse 4 angeordnet ist. Auch dieser Mikrocontroller ist insbesondere als eine Halbleiterkomponente ausgebildet.
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Der gemeinsame Zwischenkreis 3 und der gemeinsame EMV-Filter 2 sind insbesondere jeweils als ein passives Bauteil ausgebildet.
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Die Trennelemente 15 sind insbesondere jeweils als eine passive Halbleiterkomponente ausgebildet, beispielsweise als Halbleitersicherung. Die Trennelemente 15 können alternativ beispielsweise auch als ein Schütz oder CSID ausgeführt sein, was dann hingegen ein mechanisches Bauteil ist.
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Der jeweilige weitere EMV-Filter 9, wenn er vorgesehen ist, ist insbesondere als ein passives Bauteil ausgebildet.
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Die oben beschriebenen, insbesondere im Gehäuse 4 angeordneten, Bestandteile der Komponentenanordnung 1, insbesondere der Conversion-Box, insbesondere die oben beschriebenen Komponenten K sind vorteilhafterweise gemeinsam in Form einer hochintegrierten Leistungselektronik realisiert, d. h. die Komponentenanordnung 1 weist insbesondere im Gehäuse 4 keine einzelnen Bestandteile auf, sondern nur die hochintegrierte Leistungselektronik.
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Die beschriebene Lösung ermöglicht insbesondere eine kompakte Integration von Hochvoltfunktionalitäten, beispielsweise elektrisches Schalten, Laden, Wandeln, Umrichten, was dann beispielsweise auch eine kompaktere Bauweise und/oder Kostenreduktion ermöglicht.
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Die beschriebene Lösung nutzt vorteilhafterweise einen gemeinsamen Bauraum für alle Hochvoltfunktionalitäten, insbesondere Schalten, Laden, Wandeln, Umrichten. Durch die gemeinsame Nutzung von passiven Bauelementen, wie dem gemeinsamen EMV-Filter 2, und der Zwischenkreiskapazität, d. h. dem gemeinsamen Zwischenkreis 3, werden Synergien genutzt. Dadurch wird eine kompakte Bauweise ermöglicht. Mit dem Ersatz von mechanischen Sicherungs-/Abschaltungselementen, insbesondere Schützen, durch Halbleiterschalter zur Trennung von der Hochvoltbatterie 7 entfallen mechanische Bauteile für die Funktion Schalten. Vorteilhafterweise werden leistungselektronische Halbleiter zur Realisierung aller Kernfunktion, insbesondere Schalten, Wandeln, Laden, Umrichten verwendet.
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Durch diese Realisierung aller wesentlichen Funktionen durch Halbleiter kann eine hohe Halbleiterintegration erreicht werden. Eine Realisierung von Funktionsvarianten und/der Zusatzfunktionen, beispielsweise aufgrund von Sonderausstattungen, beispielsweise Sonderausstattung Wechselstromladen, erfolgt vorteilhafterweise softwareseitig und nicht wie bisher über die Änderung der Hardware, da einzelne Funktionen nicht aus der gesamten Hochvoltleistungselektronik herauslösbar sind. Zudem können dadurch Funktionen auch nach Fahrzeugherstellung gekauft und freigeschalten werden.
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Um den gemeinsame EMV-Filter 2 für alle Funktionalitäten verwenden zu können, sind vorteilhafterweise die Ansteuerungen der einzelnen Halbleitergruppen aufeinander abgestimmt.
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Wie bereits erwähnt, nutzt die beschriebene Lösung vorteilhafterweise einen gemeinsamen Bauraum für alle Hochvoltfunktionalitäten, insbesondere Schalten, Laden, Wandeln, Umrichten. Bei der Ausführungsform, in welcher die Funktion des Gleichrichters 6 für das Wechselstromladen der Hochvoltbatterie 7 vom Umrichter der Leistungselektronik 5 für die mindestens eine elektrische Antriebsmaschine übernommen wird, so dass kein separater Gleichrichter 6 vorgesehen ist, werden nicht nur Synergien bei passiven Bauteilen genutzt, sondern zusätzlich eine Halbleiterschaltung für die Motoransteuerung und für die Wechselstromladefunktionalität verwendet. D. h. zusätzlich zu den Synergien bei passiven Bauteilen wird somit auch die Synergie auf der Ebene der Halbleiterschaltung für die Motoransteuerung und für die Wechselstromladefunktionalität genutzt. Durch diese zusätzliche Nutzung von Synergien auch bei aktiven Bauteilen für den Wandler des Antriebs und des Wechselstromladens sind eine kompaktere Bauweise und eine zusätzliche Kostenreduktion möglich. Die Verschmelzung der unterschiedlichen Funktionen, insbesondere die Wechselstromladefunktion und die Fahrfunktion mittels der mindestens einen elektrischen Antriebsmaschine, zu der übergeordneten Funktion Energieumwandlung ist eine konsequente Weiterentwicklung des Trends im batterieelektrischen Fahrzeugbereich zur Hochintegration und berücksichtigt den Trend der Halbleiterentwicklung.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Komponentenanordnung
- 2
- gemeinsamer EMV-Filter
- 3
- Zwischenkreis
- 4
- Gehäuse
- 5
- Leistungselektronik
- 6
- Gleichrichter
- 7
- Hochvoltbatterie
- 8
- Gleichspannungswandler
- 9
- weiterer EMV-Filter
- 10
- Wandlergehäuse
- 11
- Niedervoltbordnetz mit einer ersten Niedervoltspannungslage
- 12
- Niedervoltbordnetz mit einer zweiten Niedervoltspannungslage
- 13
- Energierückspeisung
- 14
- Selbstversorgung
- 15
- Trennelement
- A, B, C
- Subsystem
- K
- Komponente
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102019008835 A1 [0002]
- DE 102018004498 A1 [0003]
- DE 102018002926 A1 [0004]
- DE 102019008825 A1 [0005]
- DE 102021003831 [0006]
