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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Aufladen eines Energiespeichers eines Kraftfahrzeugs gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Es sind im Stand der Technik zahlreiche Verfahren bekannt, um einen Energiespeicher eines Kraftfahrzeugs aufzuladen. Dabei ist zu beachten, dass verschiedene Kraftfahrzeuge auch unterschiedliche Ladespannungen erfordern. Diese können beispielsweise zwischen 200 V bis über 800 V variieren. Die
EP 3 466 750 A1 offenbart ein Verfahren, bei dem der Energiespeicher mit einer Gleichspannung geladen wird, wobei die Gleichspannung innerhalb der Ladevorrichtung und somit außerhalb des Kraftfahrzeugs erzeugt wird.
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Demgegenüber liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein effizientes Verfahren, das mit einer relativ kompakten Vorrichtung durchgeführt werden kann, zum Aufladen des Energiespeichers des Kraftfahrzeugs zu schaffen. Außerdem sollen eine solche kompakte Vorrichtung und ein System mit einem Kraftfahrzeug und einer solchen Vorrichtung geschaffen werden.
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Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1, eine Vorrichtung gemäß Anspruch 3 und ein System gemäß Anspruch 10 gelöst. Ausführungsformen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Gemäß Anspruch 1 wird eine Wechselspannung über erste elektrische Anschlüsse an ein Polarisierungsmittel übertragen. Die Wechselspannung kann beispielsweise die ein- oder mehrphasige Wechselspannung eines Stromnetzes sein. Das Polarisierungsmittel kann beispielsweise ein Gleichrichter sein. Das Polarisierungsmittel wandelt die Wechselspannung in eine pulsierende Gleichspannung um. Unter einer pulsierenden Gleichspannung wird dabei im Rahmen dieser Erfindung insbesondere eine Spannung mit einem periodischen Verlauf und gleichbleibender Polarität verstanden. Der periodische Verlauf kann insbesondere daraus resultieren, dass bei einer Wechselspannung mit mehreren phasenwinkelversetzten Phasen bei jeder Phase bei einer halben Welle die Polarität umgekehrt wird. Die pulsierende Gleichspannung kann auch als Mischspannung bezeichnet werden.
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Die pulsierende Gleichspannung wird mittels einer Gleichwandleranordnung in eine kontinuierliche Gleichspannung umgewandelt. Unter der kontinuierlichen Gleichspannung wird dabei im Rahmen dieser Beschreibung insbesondere eine konstante Gleichspannung verstanden. Der Energiespeicher wird mit dieser kontinuierlichen Gleichspannung über die zweiten elektrischen Anschlüsse aufgeladen. Dabei trennt die Gleichwandleranordnung die ersten Anschlüsse galvanisch von den zweiten Anschlüssen. Diese galvanische Trennung ist aus Sicherheitsgründen vorteilhaft. Außerdem ist sie in vielen Standards und Vorschriften vorgeschrieben.
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Ferner kann die Gleichwandleranordnung in einigen Ausführungsformen die Spannung wandeln, das heißt insbesondere in ihrer Amplitude verändern.
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Die Gleichwandleranordnung umfasst mehrere kaskadierend angeordnete Gleichspannungswandler. Unter der kaskadierenden Anordnung wird dabei im Rahmen dieser Beschreibung insbesondere eine Kaskadierung der Gleichspannungswandler verstanden. Die kaskadierende Anordnung der Gleichspannungswandler ist insbesondere vorteilhaft, da die galvanische Trennung auf mehrere Gleichspannungswandler aufgeteilt wird, sodass die Primär- und Sekundärspannungen verringert werden können. Außerdem werden besonders hohe Frequenzen der Wechselspannung ermöglicht, wobei die Verluste gering bleiben. Die Wechselspannung kann beispielsweise eine Frequenz von mehr als 100 Hertz oder sogar mehr als 1 Kilohertz aufweisen. Vorzugsweise beträgt die Frequenz mehr als 50 kHz.
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Durch die kaskadierende Anordnung können außerdem günstige und schnell schaltende Kleinspannungshalbleiter verwendet werden, um eine relativ hohe Gesamtspannung zu erzeugen. Dabei kann es sich beispielsweise um Silizium- oder Siliziumcarbit-FETs oder Galliumnitrid-FETs handeln.
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Die Gleichwandleranordnung umfasst gemäß einer Ausführungsform zumindest zwei Gleichspannungswandler, die auf der Eingangsseite und/oder der Ausgangsseite eine elektrische Verbindung miteinander aufweisen, die ihren Zustand dynamisch wechseln kann. Das bedeutet, dass die Eingänge und/oder die Ausgänge der Gleichspannungswandler während des Betriebes rasch zwischen unterschiedlichen elektrischen Verschaltungen wechseln können. Bei den elektrischen Verschaltungen kann es sich beispielsweise um eine serielle Verschaltung der Gleichspannungswandlereingänge oder der Gleichspannungswandlerausgänge handeln, sodass effektiv der elektrisch negativere Eingang oder Ausgang eines Gleichspannungswandlers mit dem positiveren Eingang oder Ausgang eines weiteren Gleichspannungswandlers zeitweise elektrisch leitend verbunden ist.
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Die Gleichspannungswandler können jeweils zumindest zwei Eingänge und zwei Ausgänge aufweisen, vorzugsweise zumindest drei, besonders bevorzugt zumindest vier. Es kann einerseits lediglich eine Polarität des Serienzustandes vorliegen. Alternativ können zumindest zwei Polaritäten des Serienzustandes vorliegen, wobei bei der ersten Polarität des Serienzustandes der positivere Eingang oder Ausgang eines ersten Gleichspannungswandlers mit dem negativeren Eingang oder Ausgang eines zweiten Gleichspannungswandlers zeitweise elektrisch leitend verbunden ist und bei der zweiten Polarität des Serienzustandes der negativere der Eingänge oder Ausgänge eines ersten Gleichspannungswandlers mit dem positiveren Eingang oder Ausgang eines zweiten Gleichspannungswandlers zeitweise elektrisch leitend verbunden ist. Zusätzlich kann ferner zumindest ein paralleler Zustand vorliegen. In diesem parallelen Zustand sind gleichzeitig zumindest der positivere Eingang oder Ausgang eines ersten Gleichspannungswandlers mit dem positiveren Ausgang bzw. Eingang eines zweiten Gleichspannungswandlers sowie gleichzeitig der negativere der Eingänge oder Ausgänge eines ersten Gleichspannungswandlers mit dem negativeren der Ausgänge bzw. Eingänge eines zweiten Gleichspannungswandlers zeitweise elektrisch leitend verbunden. Für die Bereitstellung von parallelen Zuständen können die Gleichspannungswandler über zumindest drei Eingänge, wenn dort ein paralleler Zustand bereitgestellt werden soll, und/oder Ausgänge verfügen, wenn dort ein paralleler Zustand bereitgestellt werden soll. Im Falle einer zeitweisen Serienschaltung addieren sich entsprechend die Spannungen der zugehörigen Eingänge oder Ausgänge der Gleichspannungswandler; bei Vorliegen von seriellen Zuständen mit zwei unterschiedlichen Polaritäten kann der Wechsel zwischen diesen die Polarität der addierten Spannung invertieren. Im Falle einer zeitweisen Parallelschaltung stellen die zumindest zwei Eingänge oder Ausgänge der Gleichspannungswandler eine gemeinsame Spannung zur Verfügung, wobei sich die von jedem Gleichspannungswandler zur Verfügung gestellten Ströme addieren.
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Vorzugsweise kann eine Gleichwandleranordnung ferner zumindest zwei Gleichspannungswandler umfassen, die zeitweise einen bypassenden Zustand an den Eingängen und/oder den Ausgängen einnehmen können. Im bypassenden Zustand trägt zumindest einer der Gleichspannungswandler nicht zur elektrischen Leistung der Gleichwandleranordnung bei.
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Beispielsweise kann lediglich ein negativerer Eingang oder Ausgangs eines ersten Gleichspannungswandlers mit einem Eingang oder Ausgang eines zweiten Gleichspannungswandlers zeitweise elektrisch verbunden sein, wobei der positivere Eingang und der positivere Ausgang elektrisch unverbunden bleiben. Auf diese Weise addieren sich die Spannungen der Eingänge oder Ausgänge der Gleichspannungswandler nicht und zumindest einer der Gleichspannungswandler trägt nicht zum Strom bei.
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Vorzugsweise kann eine Gleichwandleranordnung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zumindest zwei Gleichspannungswandler umfassen, deren Ausgänge ihre elektrische Verschaltung untereinander dynamisch verändern können.
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Vorzugsweise können die Gleichspannungswandler galvanisch getrennt ausgeführt sein. In diesem Falle können die Gleichspannungswandler beispielsweise jeweils zumindest einen Übertrager, also eine Art von Transformator, umfassen. Der zumindest eine Übertrager kann sich vorzugsweise zwischen dem zumindest einen Eingang und dem zumindest einen Ausgang des Gleichspannungswandlers befinden, wobei sich weitere Elektronikstufen zwischen Eingängen, Übertrager und Ausgängen befinden können. Vorzugsweise kann ein Gleichspannungswandler zumindest eine Elektronikstufe umfassen, beispielsweise eine Inverterstufe, zwischen dem zumindest einen Eingang und dem zumindest einen Übertrager, die einen Wechselstrom oder eine Wechselspannung mit einer Frequenz von mehr als 100 Hertz, vorzugsweise mehr als 1 kHz, besonders bevorzugt von mehr als 50 kHz erzeugt. Ferner kann ein Gleichspannungswandler zumindest eine Elektronikstufe zwischen dem zumindest einen Übertrager und dem zumindest einen Ausgang verfügen, die aus Wechselspannung oder Wechselstrom eine Gleichspannung erzeugt. Der zumindest eine Übertrager trennt die Wechselspannung oder den Wechselstrom des Einganges des Gleichspannungswandlers von der Wechselspannung oder dem Wechselstrom des Ausganges.
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Nach einer Ausführungsform der Erfindung kann ein erster der Gleichspannungswandler in einem ersten Zustand mit einem zweiten der Gleichspannungswandler seriell elektrisch verbunden sein. In einem zweiten Zustand kann der erste Gleichspannungswandler mit dem zweiten Gleichspannungswandler parallel elektrisch verbunden sein. In einem dritten Zustand kann der erste Gleichspannungswandler mit dem zweiten Gleichspannungswandler bypassend elektrisch verbunden sein. Hierunter wird im Rahmen dieser Beschreibung insbesondere verstanden, dass im dritten Zustand der zweite Gleichspannungswandler nicht zu der Umwandlung der pulsierenden Gleichspannung in die kontinuierliche Gleichspannung beiträgt.
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Es ist insbesondere möglich, dass der zweite Gleichspannungswandler mit dem dritten Gleichspannungswandler in der gleichen Art verbunden ist, sodass zwischen einer seriellen, parallelen oder bypassenden Verbindung gewählt werden kann. Dies kann analog für alle Gleichspannungswandler gelten, sodass für jede Verbindung der Gleichspannungswandler untereinander zwischen einer seriellen, parallelen oder bypassenden Verbindung gewählt werden kann. Auf diese Weise kann je nach Leistungs-, Strom- und Spannungsbedarf gewählt werden, wie viele und welche Gleichspannungswandler zur Umwandlung der pulsierenden Gleichspannung in die kontinuierliche Gleichspannung beiträgt.
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In einer Ausführungsform der Erfindung können die Zustände im Betrieb dynamisch gewechselt werden, indem Halbleiterschalter, beispielsweise Transistoren, zwischen einem elektrisch leitenden und einem elektrisch nicht leitenden Betrieb gewechselt werden. Ein Gleichspannungswandler gemäß dieser Ausführungsform umfasst zumindest zwei Halbleiterschalter, wobei diese Halbleiterschalter vorzugsweise jeweils mit zumindest einem ihrer Kontakte mit zumindest einem Ausgang des Gleichspannungswandlers verbunden ist.
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Alle nachfolgend in Bezug auf die Vorrichtung beschriebenen Merkmale können auch bei einem Verfahren nach einer Ausführungsform der Erfindung vorhanden sein. Dabei ist zu beachten, dass bei der Wortwahl, dass eine bestimmte Komponente für eine bestimmte Funktion ausgebildet, diese Funktion beim Verfahren vorhanden und/oder umgesetzt ist. Wenn beispielsweise eine Komponente für eine Umwandlung einer ersten Spannung in eine zweite Spannung ausgebildet ist, bedeutet dies, dass beim Verfahren die erste Spannung in die zweite Spannung umgewandelt wird.
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Die Vorrichtung gemäß Anspruch 3 umfasst erste elektrische Anschlüsse für einen Anschluss an eine Wechselspannungsquelle. Bei der Wechselspannungsquelle kann es sich beispielsweise um ein Stromnetz handeln. Die von der Wechselspannungsquelle ausgegebene Wechselspannung kann beispielsweise drei phasenwinkelversetzte Phasen aufweisen. Außerdem umfasst die Vorrichtung zweite elektrische Anschlüsse für einen Anschluss an den Energiespeicher, ein Polarisierungsmittel, das dazu ausgebildet ist, die Wechselspannung in eine pulsierende Gleichspannung umzuwandeln, und eine Gleichwandleranordnung. Die Gleichwandleranordnung ist dazu ausgebildet, die pulsierende Gleichspannung in eine kontinuierliche Gleichspannung zu wandeln. Die zweiten Anschlüsse sind dazu ausgebildet, die kontinuierliche Gleichspannung an den Energiespeicher auszugeben. Die Gleichwandleranordnung trennt außerdem die ersten Anschlüsse galvanisch von den zweiten Anschlüssen. Die Gleichwandleranordnung umfasst mehrere kaskadierend angeordnete Gleichspannungswandler. Die kaskadierende Anordnung der Gleichspannungswandler ist insbesondere vorteilhaft, da die galvanische Trennung auf mehrere Gleichspannungswandler aufgeteilt wird, sodass die Primär- und Sekundärspannungen verringert werden können. Außerdem werden besonders hohe Frequenzen der Wechselspannung ermöglicht, wobei die Verluste gering bleiben. Die Wechselspannung kann beispielsweise eine Frequenz von mehr als 100 Hertz oder sogar mehr als 1 Kilohertz, vorzugsweise mindestens 50 Kilohertz, aufweisen.
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Durch die kaskadierende Anordnung können außerdem günstige Kleinspannungshalbleiter verwendet werden, um eine relativ hohe Gesamtspannung zu erzeugen. Dabei kann es sich beispielsweise um Silizium- oder Siliziumcarbit-FETs oder Galliumnitrid-FETs handeln.
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Nach einer Ausführungsform der Erfindung können die Gleichspannungswandler jeweils vier elektrische Ausgänge aufweisen. Dabei können jeweils zwei der Ausgänge mit zwei Ausgängen eines anderen der Gleichspannungswandler, insbesondere direkt, elektrisch verbunden sein. Hierdurch kann insbesondere die Kaskadierung erreicht werden.
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Nach einer Ausführungsform der Erfindung können die Ausgänge aller Gleichspannungswandler mit Ausnahme eines ersten und eines zweiten Gleichspannungswandlers jeweils ausschließlich mit Ausgängen eines anderen der Gleichspannungswandler verbunden sein. Zwei der Ausgänge des ersten und des zweiten Gleichspannungswandlers können dabei dazu ausgebildet sein, elektrisch mit dem Energiespeicher verbunden zu werden. Sie können somit beispielsweise elektrisch mit den zweiten Anschlüssen verbunden sein.
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Nach einer Ausführungsform der Erfindung können die Gleichspannungswandler jeweils drei elektrische Ausgänge aufweisen. Zwei der Ausgänge eines ersten der Gleichspannungswandler können dabei mit zwei Ausgängen eines zweiten der Gleichspannungswandler, insbesondere direkt, elektrisch verbunden sein. Einer der Ausgänge des ersten Gleichspannungswandlers kann dabei mit einem Ausgang eines dritten der Gleichspannungswandler, insbesondere direkt, elektrisch verbunden sein. Solch eine Schaltung ist besonders vorteilhaft, wenn nur eine relativ geringe Veränderung der kontinuierlichen Gleichspannung benötigt wird. Sie ist besonders einfach aufgebaut und somit kostengünstig herzustellen.
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Es ist möglich, dass die im vorherigen Absatz beschriebene Schaltung des ersten, des zweiten und des dritten Gleichspannungswandlers für alle Gleichspannungswandler mit Ausnahme von zweien zutrifft. Bei den beiden hiervon ausgenommenen Gleichspannungswandlern ist dann ein Ausgang mit einem der zweiten elektrischen Anschlüsse verbunden, während die beiden anderen mit zwei Ausgängen eines jeweils anderen der Gleichspannungswandler elektrisch verbunden sind.
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Nach einer Ausführungsform der Erfindung kann ein erster der Gleichspannungswandler wahlweise mit einem zweiten der Gleichspannungswandler seriell, parallel oder bypassend elektrisch verbunden sein. Dies kann auch für alle der Gleichspannungswandler zutreffen. Unter der wahlweisen Verbindung wird dabei im Rahmen dieser Beschreibung insbesondere verstanden, dass in Abhängigkeit von einer jeweiligen Betriebsart, beispielsweise von der zu erzeugenden kontinuierlichen Gleichspannung, eine der Verbindungsarten ausgewählt wird. Die Auswahl kann beispielsweise durch eine Steuereinheit der Vorrichtung erfolgen.
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Nach einer Ausführungsform der Erfindung kann die pulsierende Gleichspannung eine Frequenz aufweisen, die um ein Vielfaches höher ist als die Frequenz der Wechselspannung. Beispielsweise kann die Frequenz der pulsierenden Gleichspannung ein Produkt aus der Frequenz der Wechselspannung und der doppelten Anzahl der Phasen der Wechselspannung oder ein ganzzahliges Vielfaches hiervon betragen. Diese relativ hohe Frequenz der pulsierenden Gleichspannung ist insbesondere vorteilhaft für eine besonders geringe Baugröße der Gleichspannungswandleranordnung.
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Nach einer Ausführungsform der Erfindung kann die Gleichwandleranordnung dazu ausgebildet sein, eine Stromübertragung vom Polarisierungsmittel zur Gleichwandleranordnung mit einer Frequenz anzuregen, die der Frequenz der pulsierenden Gleichspannung entspricht. Hierunter wird im Rahmen dieser Beschreibung insbesondere verstanden, dass die beiden Frequenzen in etwa oder sogar genau gleich sind. Eine solche Regelung ist besonders vorteilhaft, wenn die Frequenz der pulsierenden Gleichspannung dem Produkt aus der Frequenz der Wechselspannung und der doppelten Anzahl der Phasen der Wechselspannung oder einem ganzzahligen Vielfachen hiervon beträgt, weil dann an den zweiten Anschlüssen ein sinusförmiger Strom von der Wechselspannungsquelle entnommen wird. Diese Regelung kann beispielsweise durch die Verwendung einer geeigneten Regelung der Gleichwandleranordnung erreicht werden. In einer besonderen Ausführungsform agieren die Eingänge der Gleichspannungswandler gemeinsam und damit auch die Gleichwandleranordnung gegenüber den ersten elektrischen Anschlüssen wie ein Boost-Wandler. In diesem Fall erhält das System eine sogenannte Leistungsfaktorkorrekturfunktion und ermöglicht eine verzerrungsarme Leistungsentnahme aus den ersten Anschlüssen ohne die Erzeugung von dem Fachmann bekannten Oberwellen, an welchen beispielsweise ein Stromnetz angeschlossen ist.
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Ferner kann der sinusförmige Strom an den ersten Anschlüssen in Phase mit der sinusförmigen Spannung der ersten Anschlüsse geregelt oder gezielt zeitlich gegen diese verschoben werden.
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Es ist außerdem vorteilhaft, wenn eine Induktivität als elektrisches oder elektronisches Bauelement im Pfad zwischen dem Polarisierungsmittel und der Gleichwandleranordnung angeordnet ist, sodass der Verlauf des Stroms zwischen dem Polarisierungsmittel und der Gleichwandleranordnung geglättet wird.
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Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden deutlich anhand der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die beiliegenden Abbildungen. Dabei werden für gleiche oder ähnliche Merkmale sowie für Merkmale mit gleichen oder ähnlichen Funktionen die gleichen Bezugszeichen verwendet. Um gleiche oderähnliche Bauteile unterscheiden zu können, werden teilweise ein oder mehrere Apostrophe dem jeweiligen Bezugszeichen hinzugefügt. Dabei zeigt
- 1 einen schematischen Schaltplan einer Vorrichtung nach einer Ausführungsform der Erfindung;
- 2 einen schematischen Schaltplan einer Vorrichtung nach einer Ausführungsform der Erfindung mit einem Filter zwischen der Gleichwandleranordnung und den zweiten elektrischen Anschlüssen;
- 3 einen schematischen Schaltplan eine Vorrichtung nach einer Ausführungsform der Erfindung, bei der die Gleichspannungswandler jeweils drei Ausgänge aufweisen;
- 4 einen schematischen Schaltplan eines Gleichspannungswandlers nach einer Ausführungsform der Erfindung;
- 5 einen schematischen Schaltplan eines Gleichspannungswandlers nach einer Ausführungsform der Erfindung;
- 6 einen schematischen Schaltplan eines Gleichspannungswandlers nach einer Ausführungsform der Erfindung;
- 7 einen schematischen Schaltplan eines Gleichspannungswandlers nach einer Ausführungsform der Erfindung;
- 8 einen schematischen Schaltplan eines Gleichspannungswandlers nach einer Ausführungsform der Erfindung;
- 9 einen schematischen Schaltplan eines Gleichspannungswandlers nach einer Ausführungsform der Erfindung;
- 10 einen schematischen Schaltplan eines Gleichspannungswandlers nach einer Ausführungsform der Erfindung;
- 11 einen schematischen Schaltplan eines Gleichspannungswandlers nach einer Ausführungsform der Erfindung;
- 12 einen schematischen Schaltplan einer Vorrichtung nach einer Ausführungsform der Erfindung für eine zweiphasige Wechselspannung;
- 13 einen schematischen Schaltplan einer Vorrichtung nach einer Ausführungsform der Erfindung mit einem geerdeten elektrischen Anschluss und einem elektrischen Anschluss für eine Wechselspannung;
- 14 einen schematischen Schaltplan einer Vorrichtung nach einer Ausführungsform der Erfindung für eine einphasige Wechselspannung;
- 15 einen schematischen Schaltplan einer Vorrichtung nach einer Ausführungsform der Erfindung für eine einphasige Wechselspannung;
- 16 einen schematischen Schaltplan einer Vorrichtung nach einer Ausführungsform der Erfindung für eine einphasige Wechselspannung mit einem Erdanschluss zwischen zwei Gleichspannungswandlern;
- 17 einen schematischen Schaltplan einer Vorrichtung nach einer Ausführungsform der Erfindung für eine einphasige Wechselspannung mit einem Erdanschluss zwischen zwei Gleichspannungswandlern;
- 18 einen schematischen Schaltplan eines Gleichspannungswandlers nach einer Ausführungsform der Erfindung; und
- 19 einen schematischen Schaltplan eines Gleichspannungswandlers nach einer Ausführungsform der Erfindung.
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Die Vorrichtung in 1 umfasst erste elektrische Anschlüsse 100 zum Anschluss an eine Wechselspannungsquelle Die Wechselspannungsquelle kann beispielsweise eine Wechselspannung mit zwei, drei oder mehr phasenwinkelversetzten Phasen ausgeben. Es ist auch möglich, dass die Wechselspannungsquelle eine einzige Phase aufweist. Es ist auch möglich, dass zwei erste elektrische Anschlüsse vorhanden sind, wobei einer geerdet ist. Jede der Phasen kann dabei eine Sinusform 106 aufweisen. Die Vorrichtung 100 umfasst außerdem einen Wechselspannungs-Gleichrichter, zwei Induktivitäten 101, eine Gleichwandleranordnung 102 und zweite elektrische Anschlüsse 105 zum Anschluss an einen Energiespeicher eines Kraftfahrzeugs 105. Die Gleichwandleranordnung 102 umfasst eine kaskadierende Anordnung mehrerer Gleichspannungswandler 103.
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Der Wechselspannungs-Gleichrichter wandelt die phasenwinkelversetzten Phasen in eine pulsierende Gleichspannung 107 um, die auch als Mischspannung bezeichnet werden kann. Die pulsierende Gleichspannung 107 weist einen pulsierenden zeitlichen Verlauf der Spannung bei gleichbleibender Polarität auf. Die Frequenz der pulsierenden Gleichspannung ist gleich der Frequenz der Wechselspannung 106 multipliziert mit der doppelten Anzahl der Phasen und/oder einem ganzzahligen Vielfachen davon. Wenn die Wechselspannung beispielsweise drei Phasen und eine Frequenz von 50 Hz aufweist, beträgt die Frequenz der pulsierenden Gleichspannung 107 n×300 Hz, wobei n eine natürliche Zahl mit Ausnahme der 0 ist.
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Die Induktivitäten 101 sind jeweils zwischen dem Wechselspannungs-Gleichrichter und der Gleichwandleranordnung 102 angeordnet und filtern die pulsierende Gleichspannung 107, ohne dabei die Frequenz zu ändern, sodass die pulsierende Gleichspannung die Form 108 erhält. Die Induktivitäten 101 müssen nicht zwangsläufig vorgesehen sein. Es kann auch eine Induktivität 101 oder sogar beide Induktivitäten 101 entfallen.
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Die pulsierende Gleichspannung 108 liegt an den Eingängen der Gleichwandleranordnung 102 an. Die Gleichwandleranordnung 102 wandelt die pulsierende Gleichspannung 108 in eine kontinuierliche Gleichspannung, die über die zweiten elektrischen Anschlüsse 105 an das Kraftfahrzeug 104 ausgegeben wird. Dabei ist zu beachten, dass die kaskadierende Anordnung der Gleichspannungswandler 103 es ermöglicht, die Gleichwandleranordnung 102 besonders platzsparend auszugestalten. Außerdem trennt die Gleichwandleranordnung 102 die ersten elektrischen Anschlüsse 100 galvanisch von den zweiten Anschlüssen 105 galvanisch. Dies ist aus Gründen der Sicherheit vorteilhaft und ist außerdem häufig vorgeschrieben.
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Es ist besonders vorteilhaft, dass die pulsierende Gleichspannung 108 eine relativ hohe Frequenz aufweist, da auch dies dazu beiträgt, dass die Gleichspannungswandler 103 und somit auch die Gleichwandleranordnung 102 besonders platzsparend ausgebildet sein können.
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Die Verwendung mehrerer Gleichspannungswandler 103 in der Gleichwandleranordnung 102 ist insbesondere vorteilhaft, da somit an den Eingängen jedes Gleichspannungswandlers 103 nur eine relativ geringe Spannung anliegt. Wenn bei der Anordnung in 1 beispielsweise an den Eingängen der Gleichwandleranordnung 102 eine Spannung von 360 V anliegt, liegt an jedem einzelnen Gleichspannungswandler 103 lediglich eine Spannung von 60 V an. So können beispielsweise Teilentladungen in den verwendeten Spulen und kapazitive Verluste bei hohen Frequenzen verringert werden.
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Insbesondere ist es vorteilhaft, wenn die Gleichspannungswandler 103 ihre eingangsseitige elektrische Anordnung auch ausgangsseitig aufweisen. Das bedeutet, dass das elektrische Potential des Ausganges eines ersten Gleichspannungswandlers 103, dessen elektrisches Potential der Anschlüsse seines Eingangs größer oder gleich dem elektrischen Potential der Anschlüsse des Einganges eines zweiten Gleichspannungswandlers ist, auch größer oder gleich dem elektrischen Potential der Anschlüsse des Ausganges des zweiten Gleichspannungswandlers ist. In dieser Ausführungsform ist die über die galvanische Trennung des Übertragers anliegende Spannung, folglich die Isolationsspannung der galvanischen Trennung sehr gering, beispielsweise nur ein Bruchteil der Betriebsspannung. Diese Eigenschaft dieser Ausführungsform steht im großen Gegensatz zum Stand der Technik, der die gesamte Betriebsspannung zwischen Ein- und Ausgang galvanisch trennen muss.
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Jeder der Gleichspannungswandler 103 weist einen ersten Eingang, einen zweiten Eingang und vier Ausgänge auf. Dabei ist der erste Eingang eines ersten Gleichspannungswandlers 103 mit dem Wechselspannungs-Gleichrichter elektrisch verbunden. Der zweite Eingang des ersten Gleichspannungswandlers 103 ist elektrisch mit dem ersten Eingang eines zweiten Gleichspannungswandlers 103` verbunden. Der zweite Eingang des zweiten Gleichspannungswandlers 103' ist mit dem ersten Eingang eines dritten Gleichspannungswandlers 103" elektrisch verbunden. Dies gilt analog für den dritten Gleichspannungswandler 103", einen vierten Gleichspannungswandler 103''' und einen fünften Gleichspannungswandler 103''''. Der zweite Eingang eines sechsten Gleichspannungswandlers 103''''' ist mit dem Wechselspannungs-Gleichrichter elektrisch verbunden.
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Ein erster und ein zweiter Ausgang des ersten Gleichspannungswandlers 103 sind elektrisch mit einem der zweiten elektrischen Anschlüsse 105 verbunden. Die Verbindung kann mittels eines Schalters hergestellt oder aufgelöst werden. Ein dritter Ausgang des ersten Gleichspannungswandlers 103 ist mit einem ersten Ausgang des zweiten Gleichspannungswandlers 103` elektrisch verbunden. Ein vierter Ausgang des ersten Gleichspannungswandlers 103 ist mit einem zweiten Ausgang des zweiten Gleichspannungswandlers 103' elektrisch verbunden. Ein dritter Ausgang des zweiten Gleichspannungswandlers 103' ist elektrisch mit einem ersten Ausgang des dritten Gleichspannungswandlers 103" verbunden. Ein vierter Ausgang des zweiten Gleichspannungswandlers 103' ist elektrisch mit einem zweiten Ausgang des dritten Gleichspannungswandlers 103" verbunden. Das Gleiche gilt analog für den dritten Gleichspannungswandler 103", den vierten Gleichspannungswandler 103''' und den fünften Gleichspannungswandler 103''''. Der dritte und der vierte Ausgang des sechsten Gleichspannungswandlers 103''''' ist elektrisch mit einem der zweiten elektrischen Anschlüsse 105 verbunden. Die Verbindung kann mittels eines Schalters hergestellt oder aufgelöst werden.
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Durch die gewählte Anordnung und elektrische Verbindung sind die Gleichspannungswandler wahlweise parallel, seriell oder bypassend zueinander schaltbar. Dies kann insbesondere vorteilhaft sein, um stark unterschiedliche Spannungen an den zweiten elektrischen Anschlüssen 105 erzeugen zu können. Dies erhöht die Variabilität der Vorrichtung, sodass sie sich für unterschiedliche Kraftfahrzeuge nutzen lässt, die unterschiedliche Ladespannungen für die jeweiligen Energiespeicher benötigen.
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Bei einer einphasigen Spannungsquelle kann ein Erdanschluss an einem Punkt zwischen zwei der Gleichspannungswandler 103 vorgesehen sein. Besonders vorteilhaft ist ein Erdanschluss an einem Punkt, der bei einer seriellen Schaltung aller Gleichspannungswandler 103 ein elektrisches Potential aufweist, das mittig zwischen den beiden an den Eingängen der Gleichwandleranordnung 102 anliegenden Potentiale liegt.
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Die in 2 dargestellte Ausführungsform unterscheidet sich insbesondere durch einen Filter 200 von der in 1 dargestellten Ausführungsform. Der Filter 200 ist dabei zwischen der Gleichwandleranordnung 102 und den zweiten elektrischen Anschlüssen 105 angeordnet. Es kann sich dabei beispielsweise um einen C-Filter, einen LC-Filter, einen CL-Filter, einen LCL-Filter oder einen CLC-Filter handeln. Dies ist insbesondere vorteilhaft, wenn auf der Ausgangsseite der Gleichwandler 103 keine Kondensatoren vorhanden sind, wie beispielsweise in den 8 und 11 dargestellt.
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Die in 3 dargestellte Ausführungsform unterscheidet sich insbesondere von der in 1 dargestellten Ausführungsform dadurch, dass die Gleichspannungswandler 103 jeweils nur drei Ausgänge aufweisen. Dies vereinfacht insbesondere den Aufbau und verringert somit die Herstellungskosten. Ein solcher Aufbau kann ausreichend sein, wenn an den zweiten elektrischen Anschlüssen 105 lediglich eine relativ geringe Bandbreite an Spannungen ermöglicht werden soll, beispielsweise zwischen 400 V und 800 V. Mit dieser Anordnung kann eine Parallelschaltung der einzelnen Gleichspannungswandler 103 zueinander nur über zwei benachbarte Gleichspannungswandler 103 hinweg erreicht werden.
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In 4 ist ein Gleichspannungswandler 103 schematisch dargestellt. Der Gleichspannungswandler 103 umfasst zwei Eingänge 407, vier Ausgänge 406, eine optionale Diode 400, einen optionalen ersten Kondensator 401, mehrere Transistoren 402, einen zweiten Kondensator 403, eine Induktivität 404, einen Transformator 405 und einen dritten Kondensator 408. Dabei sind der erste Kondensator 401, die Diode 400, der zweite Kondensator 403 und die Induktivität 404 lediglich optional. Sie sind besonders vorteilhaft, wenn der Gleichspannungswandler 103 resonant betrieben wird. Hierunter wird im Rahmen dieser Beschreibung insbesondere verstanden, dass an den Eingängen der Gleichwandleranordnung 102 ein Stromfluss mit der Resonanzfrequenz des zweiten Kondensators 403, der Induktivität 404 und dem Transformator 405 oder einer Harmonischen davon angeregt wird, die sich je nach Lastpunkt verändern können, sodass an den ersten elektrischen Anschlüssen 100 ein sinusförmiger Strom fließt. Dabei ermöglicht die Induktivität 404 eine relativ glatte Formung der Harmonischen. Der zweite Kondensator 403 kann dabei mit der Induktivität 404 oder einer Streuinduktivität des Transformators 405 einen Serienschwingkreis ausbilden.
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Beim resonanten Betrieb kann der pulsierende Leistungsfluss über eine Modulation der Frequenz geglättet werden. Beim nicht-resonanten Betrieb des Gleichspannungswandlers 103 kann der Leistungsfluss über den Aussteuergrad geregelt werden.
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Die in 4 dargestellte Anordnung, umfassend die Transistoren 402, den Kondensator 403 und die Induktivität 404 ist lediglich ein Beispiel. Es kann anstatt dessen auch ein LLC-Resonanzwandler verwendet werden. In diesem Fall ist auf der Primärseite des Transformators 405 eine weitere nicht dargestellte Induktivität parallel zum Transformator 405 geschaltet.
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Die in 4 dargestellten Transistoren 402 auf der Sekundärseite des Transformators 405 sind lediglich eine beispielhafte Darstellung einer Ausgangsstufe. Es kann auch eine andere Ausgangsstufe verwendet werden.
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Die in 5 dargestellte Ausführungsform des Gleichspannungswandlers 103 unterscheidet sich im Wesentlichen von der Ausführungsform aus 4 durch eine geringere Anzahl an Transistoren 402 auf der Ausgangsseite. Ein solcher Gleichspannungswandler 103 kann auch als unidirektional bezeichnet werden.
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Bei der Ausführungsform aus 6 sind im Vergleich zur Ausführungsform aus 5 vier Transistoren 402 durch Dioden 600 ersetzt. Diese Ausführungsform ist kostengünstiger herzustellen.
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Bei der Ausführungsform gemäß 7 wurden weitere Transistoren 402 durch Dioden 600 ersetzt.
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Die in 8 dargestellte Ausführungsform weist auf der Ausgangsseite keinen Kondensator auf. Außerdem sind die Transistoren 402 anders angeordnet. Die Funktionsweise ist jedoch ähnlich zu den anderen Ausführungsformen.
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In 9 ist eine Ausführungsform dargestellt, die lediglich drei Ausgänge 406 aufweist. Dieser Gleichspannungswandler 103 wäre also vorzugsweise in der Gleichwandleranordnung 102 aus 3 zu verwenden.
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Die in 10 dargestellte Ausführungsform unterscheidet sich von der Ausführungsform aus 9 insbesondere durch eine geringere Anzahl an Transistoren 402. Unter anderem wurden vier Transistoren 402 durch Dioden 600 ersetzt. Dieser Gleichspannungswandler 103 aus 10 kann als unidirektional bezeichnet werden.
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Auch die Ausführungsform gemäß 11 weist lediglich drei Ausgänge 406 auf. Die Anordnung ähnelt dabei der in 8 dargestellten Anordnung mit der Ausnahme, dass aufgrund der geringeren Anzahl an Ausgängen 406 weniger Transistoren 402 verwendet werden.
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Die in 12 dargestellte Ausführungsform ist im Prinzip ähnlich aufgebaut wie die in 1 dargestellte Ausführungsform mit dem Unterschied, dass eine zweiphasige Wechselspannung an die elektrischen Anschlüsse 100 angeschlossen wird. Es sind somit lediglich zwei elektrische Anschlüsse 100 vorgesehen.
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Die in 13 dargestellte Ausführungsform unterscheidet sich von der Ausführungsform aus 12 dadurch, dass ein erster Anschluss 1300 der elektrischen Anschlüsse geerdet ist, sodass die Vorrichtung für eine einphasige Wechselspannung ausgebildet ist.
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Die in 14 dargestellte Ausführungsform umfasst lediglich einen einzigen elektrischen Anschluss 100, an dem eine einphasige Wechselspannung angeschlossen wird.
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Die in 15 dargestellte Ausführungsform unterscheidet sich von der Ausführungsform aus 14 dadurch, dass lediglich eine einzige Induktivität 101 vorgesehen ist.
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Die in 16 dargestellte Ausführungsform unterscheidet sich von der Ausführungsform aus 14 durch einen geerdeten elektrischen Anschluss 1600, der zwischen zwei Gleichspannungswandlern 103 angeordnet ist. Vorzugsweise ist der geerdete elektrische Anschluss 1600 an einem Punkt angeordnet, der bei einer seriellen Schaltung aller Gleichspannungswandler 103 ein elektrisches Potential aufweist, das mittig zwischen den beiden an den Eingängen der Gleichwandleranordnung 102 anliegenden Potentiale liegt.
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Die in 17 dargestellte Ausführungsform unterscheidet sich von der Ausführungsform aus 16 dadurch, dass lediglich eine einzige Induktivität 101 vorgesehen ist.
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Der in 18 dargestellte Gleichspannungswandler 103 ist im Prinzip ähnlich aufgebaut wie der in 4 dargestellte Gleichspannungswandler. Er unterscheidet sich hiervon durch eine zusätzliche vorhandene Induktivität 1800, die parallel zum Netzteil 405 geschaltet ist. Es wird somit ein LLC-Resonanzwandler 1801 verwendet. Die Ausgangsstufe 1802 ist dabei ähnlich oder gleich aufgebaut wie beim Gleichspannungswandler 103 aus 4.
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Der in 19 dargestellte Gleichspannungswandler 103 unterscheidet sich vom Gleichspannungswandler 103 aus 18 insbesondere dadurch, dass anstatt des LLC-Resonanzwandlers 1801 eine Dual-Active-Bridge-Anordnung 1900 verwendet wird. Diese umfasst weder den in Serie zur Induktivität 404 geschalteten Kondensator 403 noch die parallel zum Netzteil 405 geschaltete Induktivität 1800.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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