-
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Spannungswandler und ein Verfahren zum Betreiben eines Spannungswandlers gemäß den Hauptansprüchen.
-
Neuere Differenzial-Abwärtswandler erzeugen oftmals ein unsymmetrisches Hochvolt(HV)-System im Vergleich zum Erdungssystem. Wird ein solches unsymmetrisches Hochvolt-System zur Versorgung von elektrischen Maschinen oder Geräten, speziell beispielsweise in einem Fahrzeug, verwendet, kann dies zu unerwünschten Netzspannungsschwankungen auf einem von dem Spannungswandler gespeisten Versorgungsnetz oder zu Ausfällen von einem solchen Versorgungsnetz angeschlossenen elektrischen Maschinen oder Geräten führen.
-
Vor diesem Hintergrund schafft die vorliegende Erfindung einen verbesserten Spannungswandler und ein verbessertes Verfahren zum Betreiben eines Spannungswandlers gemäß den Hauptansprüchen. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung.
-
Mit dem hier vorliegenden Ansatz wird ein Spannungswandler mit folgenden Merkmalen vorgestellt:
- - einem ersten Eingangsanschluss, einem zweiten Eingangsanschluss, einem ersten Ausgangsanschluss und einem zweiten Ausgangsanschluss;
- - einer ersten Wandlerschaltung, die eine Serienschaltung eines ersten und zweiten Schalters zwischen dem ersten und zweiten Eingangsanschluss aufweist und die ferner eine erste Induktivität aufweist, die zwischen einen ersten Abgriffspunkt zwischen dem ersten und zweiten Schalter und dem ersten Ausgangsanschluss geschaltet ist;
- - einer zweiten Wandlerschaltung, die eine Serienschaltung eines dritten und vierten Schalters zwischen dem ersten und zweiten Eingangsanschluss aufweist und die ferner eine zweite Induktivität aufweist, die zwischen einen zweiten Abgriffspunkt zwischen dem dritten und vierten Schalter und dem zweiten Ausgangsanschluss geschaltet ist;
- - eine Spannungsmesseinrichtung mit einer ersten Spannungsmesseinheit und einer zweiten Spannungsmesseinheit, wobei die ersten Spannungsmesseinheit ausgebildet ist, um eine erste Spannung zwischen dem ersten Ausgangsanschluss und dem ersten Eingangsanschluss und/oder zwischen dem dem ersten Ausgangsanschluss und dem zweiten Eingangsanschluss zu erfassen, wobei die zweite Spannungsmesseinheit ausgebildet ist, um eine zweite Spannung zwischen dem zweiten Ausgangsanschluss und dem ersten Eingangsanschluss und/oder zwischen dem zweiten Ausgangsanschluss und dem zweiten Eingangsanschluss zu erfassen; und
- - eine Steuereinheit, die ausgebildet ist, um ein Öffnen und/oder Schließen des ersten und/oder zweiten Schalters und ein Öffnen und/oder Schließen des dritten und/oder vierten Schalters anzusteuern, um eine Differenz der ersten und zweiten Spannung einzuregeln, die einer gewünschten vordefinierten Ausgangsspannung zwischen dem ersten Ausgangsanschluss und dem zweiten Ausgangsanschluss entspricht.
-
Unter einem Eingangsanschluss kann beispielsweise ein Anschluss zu einer Energiequelle wie beispielsweise eine Batterie oder einen Akku verstanden werden. Unter einem Ausgangsanschluss kann beispielsweise ein Anschluss verstanden werden, über welchen Energie mit einer vom Spannungswandler gewandelten Spannung (bezüglich der an den Eingangsanschlüssen anliegenden Spannung) an ein weiteres elektrisches Gerät oder eine elektrische Maschine abgegeben wird. Unter einer Steuereinheit kann vorliegend speziell eine Einheit verstanden werden, die ein Öffnen und/oder ein Schließen eines Schalters in Abhängigkeit von einer Bedingung ansteuert.
-
Der hier vorgestellte Ansatz basiert auf der Erkenntnis, dass eine sehr flexible Spannungswandlerschaltung dadurch realisiert werden kann, dass durch eine vorteilhafte Ansteuerung des Öffnens und/oder Schließens der hier genannten (mindestens vier) Schalter eine Spannung, die am ersten und zweiten Eingangsanschluss anliegt, in eine gewünschte Spannung abgewandelt werden kann, die dann zwischen dem ersten und zweiten Ausgangsanschluss anliegt. Dies kann dadurch erreicht werden, dass zunächst eine erste Spannung zwischen dem ersten Ausgangsanschluss und dem ersten Eingangsanschluss und/oder zwischen dem ersten Ausgangsanschluss und dem zweiten Eingangsanschluss gemessen wird und zusätzlich eine zweite Spannung zwischen dem zweiten Ausgangsanschluss und dem ersten Eingangsanschluss und/oder zwischen dem zweiten Ausgangsanschluss und dem zweiten Eingangsanschluss gemessen wird. Dabei werden die erste und zweite Spannung jeweils auf ein gemeinsames Bezugspotenzial hin gemessen, also entweder das Potenzial, auf dem der erste Eingangsanschluss liegt oder alternativ auf das Potenzial, auf dem der zweite Eingangsanschluss liegt. Es wird nun eine Spannungswandlung derart durchgeführt, dass durch ein Öffnen des ersten bzw. zweiten oder des dritten bzw. vierten Schalters für eine entsprechende Zeit ein Stromfluss durch die erste bzw. zweite Induktivität bewirkt wird, der nach einem Schließen des betreffenden ersten bzw. zweiten oder dritten bzw. vierten Schalters zu einer Abgabe der Energie in der betreffenden Induktivität an den ersten bzw. zweiten Ausgangsanschluss mit einer gewünschten Spannung führt, wobei diese gewünschte Spannung am betreffenden Ausgangsanschluss abhängig von der Zeitdauer ist, für die die jeweils mit der betreffenden Induktivität verbundenen Schalter geöffnet bzw. geschlossen waren. Auf diese Weise lässt sich nun die erste Spannung und die zweite Spannung derart unabhängig voneinander einstellen, sodass als Ergebnis eine Spannung zwischen dem ersten und zweiten Ausgangsanschluss resultiert bzw. eingeregelt werden kann, die dann einer gewünschten, vordefinierten Ausgangsspannung entspricht. Diese gewünschten, vordefinierten Ausgangsspannung kann beispielsweise fest einprogrammiert sein und aus einem Speicher ausgelesen werden oder auch individuell eingestellt und dann von einem Eingabeelement eingelesen werden. Durch die hier vorgestellte Vorgehensweise ist es nun möglich, die erste und zweite Spannung sehr flexibel einzustellen, um die gewünschte Ausgangsspannung zu erhalten und zugleich ein symmetrisches Hochvolt-System sowohl auf der Seite der Eingangsanschlüsse als auch auf der Seite der Ausgangsanschlüsse zu erhalten. Gegenüber einem bekannten Erdungssystem kann somit ein Potenzial der niedrigen Spannung beispielsweise dem am zweiten Ausgangsanschluss anliegenden Potenzial gegenüber dem Massepotenzial angehoben sein.
-
Günstig ist eine Ausführungsform des hier vorgestellten Ansatzes, bei der die Steuereinheit ausgebildet ist, um das Öffnen und/oder Schließen des ersten und/oder zweiten Schalters und das Öffnen und/oder Schließen des dritten und/oder vierten Schalters derart anzusteuern, dass eine Spannungsdifferenz zwischen dem ersten Eingangsanschluss und dem ersten Ausgangsanschluss innerhalb eines Toleranzbereichs einer Spannungsdifferenz zwischen dem zweiten Eingangsanschluss und dem zweiten Ausgangsanschluss entspricht. Beispielsweise kann der Toleranzbereich ein Zehntel der Spannung am ersten Eingangsanschluss betragen. Eine derartige Ausführungsform bietet den Vorteil, dass ein Mittelwert einer Spannung zwischen dem ersten und zweiten Ausgangsanschluss im Wesentlichen gleich zu einem Mittelwert einer Spannung zwischen dem ersten und zweiten Eingangsanschluss ist. Dies ermöglicht die Bildung eines hochgradigen symmetrischen Versorgungsnetzes, sowohl auf der Seite der Eingangsanschlüsse als auch auf der Seite der Ausgangsanschlüsse.
-
Von Vorteil ist weiterhin eine Ausführungsform des hier vorgeschlagenen Ansatzes, bei der die Spannungsmesseinrichtung eine Ausgangspannungsmesseinheit umfasst, die ausgebildet ist, um eine Ausgangsspannung zwischen dem ersten Ausgangsanschluss und dem zweiten Ausgangsanschluss zu erfassen, wobei die Steuereinheit ausgebildet ist, um ein Öffnen und/oder Schließen des ersten und/oder zweiten Schalters und ein Öffnen und/oder Schließen des dritten und/oder vierten Schalters ansprechend auf die Ausgangsspannung anzusteuern. Eine solche Ausführungsform bietet den Vorteil, die tatsächlich mit dem Spannungswandler erhaltene Ausgangsspannung überwachen zu können und bei einer Abweichung möglichst schnell über die Steuereinheit die entsprechenden Schalter derart zu öffnen und/oder zu schließen, dass sich die gewünschte Ausgangsspannung als Spannungsdifferenz zwischen der ersten Spannung dritter zweiten Spannung wieder einstellt.
-
Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann eine Referenzkapazitätseinheit vorgesehen sein, die eine erste, zwischen den ersten Eingangsanschluss und den ersten Ausgangsanschluss geschaltete Kapazität, eine zweite, zwischen den ersten Eingangsanschluss und den zweiten Ausgangsanschluss geschaltete Kapazität, eine dritte, zwischen den zweiten Eingangsanschluss und den ersten Ausgangsanschluss geschaltete Kapazität und/oder eine vierte, zwischen den zweiten Eingangsanschluss und den zweiten Ausgangsanschluss geschaltete Kapazität aufweist. Eine solche Ausführungsform bietet den Vorteil, starke Schwankungen der Spannung zwischen dem ersten und zweiten Ausgangsanschluss zu mindern oder ganz unterdrücken zu können.
-
Denkbar ist ferner eine Ausführungsform des hier vorgeschlagenen Ansatzes, bei der eine Glättungseinheit vorgesehen ist, die eine zwischen den ersten und zweiten Eingangsanschluss geschaltete Eingangskapazität und/oder eine zwischen den ersten und zweiten Ausgangsanschluss geschaltete Ausgangskapazität. Eine solche Ausführungsform bietet ebenfalls den Vorteil, Schwankungen der Spannung zwischen den Eingangsanschlüssen und/oder der Spannung zwischen den Ausgangsanschlüssen zu mindern oder ganz zu unterdrücken und hierdurch einen möglichst störungsfreien Betrieb einer Maschine oder eines Gerätes sicherzustellen, welches an den Ausgangsanschlüssen angeschlossen ist.
-
Besonders effizient und schnell angesteuert werden können die Schalter der ersten und zweiten Wandlereinheit, wenn der ersten, zweite, dritte und/oder vierte Schalter als Halbleiterschalter ausgestaltet ist, insbesondere als MOS-FET-Transistor, als Thyristor und/oder als IGBT ausgestaltet ist.
-
Von Vorteil ist weiterhin eine Ausführungsform des hier vorgeschlagenen Ansatzes, bei der die Steuereinheit ausgebildet ist, um ein Öffnen und/oder Schließen des ersten und/oder zweiten Schalters und ein Öffnen und/oder Schließen des dritten und/oder vierten Schalters unter Verwendung eines PWM-Signals anzusteuern. Eine solche Ausführungsform bietet den Vorteil, den jeweils betreffenden Schalter schnell und eindeutig in einen gewünschten Öffnungs- bzw. Schließzustand ansteuern zu können, wobei durch die Steuereinheit die Pulsweite dieses PWM-Signals entsprechend der gewünschten Spannung am ersten und/oder zweiten Ausgangsanschluss sehr einfach gewählt bzw. eingestellt wird.
-
Besonders vorteilhaft ist eine Ausführungsform des hier vorgeschlagenen Ansatzes als Fahrzeug mit einem Spannungswandler gemäß einer hier vorgestellten Variante. Eine solche Ausführungsform ermöglicht einen besonders effizienten und störungsarmen Betrieb eines Fahrzeugs, insbesondere eines Elektrofahrzeugs, dessen elektrische Maschine durch ein zuverlässig und sicher arbeitendes symmetrisches Hochvolt-Netz gespeist werden kann.
-
Besonders vorteilhaft ist auch eine Ausführungsform des hier vorgestellten Ansatzes als Verfahren zum Betreiben eines Spannungswandlers gemäß einer hier vorgestellten Variante, wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist:
- - Einlesen der ersten Spannung zwischen dem ersten Ausgangsanschluss und dem ersten Eingangsanschluss und/oder zwischen dem dem ersten Ausgangsanschluss und dem zweiten Eingangsanschluss und Einlesen der zweiten Spannung zwischen dem zweiten Ausgangsanschluss und dem ersten Eingangsanschluss und/oder zwischen dem dem zweiten Ausgangsanschluss und dem zweiten Eingangsanschluss; und
- - Ansteuern eines Öffnens und/oder Schließens des ersten und/oder zweiten Schalters und eines Öffnens und/oder Schließens des dritten und/oder vierten Schalters, um eine Differenz der ersten und zweiten Spannung einzuregeln, die einer gewünschten vordefinierten Ausgangsspannung zwischen dem ersten Ausgangsanschluss und dem zweiten Ausgangsanschluss entspricht.
-
Auch durch eine solche Ausführungsform des hier vorgestellten Ansatzes als Verfahren lassen sich die vorstehend genannten Vorteile schnell und effizient umsetzen.
-
Der hier vorgestellte Ansatz schafft ferner eine Steuereinheit, das ausgebildet ist, um die Schritte einer Variante eines hier vorgestellten Verfahrens in entsprechenden Einrichtungen durchzuführen, anzusteuern bzw. umzusetzen. Auch durch diese Ausführungsvariante der Erfindung in Form einer Steuereinheit kann die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe schnell und effizient gelöst werden.
-
Hierzu kann die Steuereinheit zumindest eine Recheneinheit zum Verarbeiten von Signalen oder Daten, zumindest eine Speichereinheit zum Speichern von Signalen oder Daten, zumindest eine Schnittstelle zu einem Sensor oder einem Aktor zum Einlesen von Sensorsignalen von dem Sensor oder zum Ausgeben von Steuersignalen an den Aktor und/oder zumindest eine Kommunikationsschnittstelle zum Einlesen oder Ausgeben von Daten aufweisen, die in ein Kommunikationsprotokoll eingebettet sind. Die Recheneinheit kann beispielsweise ein Signalprozessor, ein Mikrocontroller oder dergleichen sein, wobei die Speichereinheit ein Flash-Speicher, ein EEPROM oder eine magnetische Speichereinheit sein kann. Die Kommunikationsschnittstelle kann ausgebildet sein, um Daten drahtlos und/oder leitungsgebunden einzulesen oder auszugeben, wobei eine Kommunikationsschnittstelle, die leitungsgebundene Daten einlesen oder ausgeben kann, diese Daten beispielsweise elektrisch oder optisch aus einer entsprechenden Datenübertragungsleitung einlesen oder in eine entsprechende Datenübertragungsleitung ausgeben kann.
-
Unter einer Steuereinheit kann vorliegend ein elektrisches Gerät verstanden werden, das Sensorsignale verarbeitet und in Abhängigkeit davon Steuer- und/oder Datensignale ausgibt. Die Steuereinheit kann eine Schnittstelle aufweisen, die hard- und/oder softwaremäßig ausgebildet sein kann. Bei einer hardwaremäßigen Ausbildung können die Schnittstellen beispielsweise Teil eines sogenannten System-ASICs sein, der verschiedenste Funktionen des Steuergeräts beinhaltet. Es ist jedoch auch möglich, dass die Schnittstellen eigene, integrierte Schaltkreise sind oder zumindest teilweise aus diskreten Bauelementen bestehen. Bei einer softwaremäßigen Ausbildung können die Schnittstellen Softwaremodule sein, die beispielsweise auf einem Mikrocontroller neben anderen Softwaremodulen vorhanden sind.
-
Von Vorteil ist auch ein Computerprogrammprodukt mit Programmcode, der auf einem maschinenlesbaren Träger wie einem Halbleiterspeicher, einem Festplattenspeicher oder einem optischen Speicher gespeichert sein kann und zur Durchführung des Verfahrens nach einer der vorstehend beschriebenen Ausführungsformen verwendet wird, wenn das Programm auf einem Computer oder einer Vorrichtung ausgeführt wird.
-
Die Erfindung wird anhand der beigefügten Zeichnungen beispielhaft näher erläutert. Es zeigen:
- 1 eine schematische Darstellung eines Fahrzeugs, in der Spannungswandler gemäß einem Ausführungsbeispiel des hier vorgestellten Ansatzes eingesetzt werden kann;
- 2 eine schematische Darstellung von unterschiedlichen Spannungen;
- 3 ein schematisches Blockschaltbild eines Spannungswandler gemäß einem Ausführungsbeispiel des hier vorgeschlagenen Ansatzes; und
- 4 ein Ablaufdiagramm eines Ausführungsbeispiels eines Verfahrens zum Betreiben eines Spannungswandlers gemäß einer hier vorgestellten Variante.
-
In der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden für die in den verschiedenen Figuren dargestellten und ähnlich wirkenden Elemente gleiche oder ähnliche Bezugszeichen verwendet, wobei auf eine wiederholte Beschreibung dieser Elemente verzichtet wird.
-
1 zeigt eine schematische Darstellung eines Fahrzeugs 100, in der Spannungswandler 110 gemäß einem Ausführungsbeispiel des hier vorgestellten Ansatzes eingesetzt werden kann. Der Spannungswandler 110 ist hierbei ausgebildet, um elektrische Energie über einen ersten Eingangsanschluss 115 und einen zweiten Eingangsanschluss 120 von einer Energiequelle 125 aufzunehmen. Die Energiequelle 125 kann beispielsweise eine Hochvoltbatterie bzw. ein Hochvolt-Akku des Fahrzeugs 100 sein und eine Spannung UH von beispielsweise 800 Volt bis 850 Volt an den Spannungswandler 110 bereitstellen. Der Spannungswandler 110 wandelt nun die Spannung und gibt nun elektrische Energie mit einer niedrigeren Spannung UN an einem Klemmenpaar bzw. einen ersten Ausgangsanschluss 130 und einen zweiten Ausgangsanschluss 135 an einen Verbraucher 140 aus. Der Verbraucher 140 kann beispielsweise ein Fahrzeugmotor eines als Elektro-Fahrzeug ausgestalteten Fahrzeugs 100 sein. Denkbar ist jedoch auch, dass der Verbraucher 140 ein anderes elektrisches Gerät, beispielsweise eine Klimaanlage oder dergleichen sein kann. Die Spannung UN kann beispielsweise 400 Volt betragen, speziell wenn der Verbraucher 140 als Traktionsmotor oder Fahrzeugmotor ausgestaltet ist und eine entsprechend große Energiemenge zur Erfüllung seiner Funktion benötigt.
-
Um nun eine möglichst störungsfreie Funktion des oder der elektrischen Verbraucher 140 zu gewährleisten, sollten die hohe Spannung UH und die niedrigere Spannung UN symmetrisch sein, um keine ungleichmäßigen Belastungen im elektrischen Netz zu verursachen. Dies bedeutet, dass möglichst vermieden sollte, dass ein Potenzial des zweiten Eingangsanschluss ist 120 und des zweiten Ausgangsanschlusses 135 dem Massepotenzial GND entspricht.
-
2 zeigt eine schematische Darstellung von unterschiedlichen Spannungen. Hierbei ist in einem linken Abschnitt I eine hohe Spannung UH von 850 Volt dargestellt, die auf ein Massepotenzial von null Volt bzw. GND gemessen wurde. Beispielsweise kann diese hohe Spannung UH zwischen dem ersten Eingangsanschluss 115 und dem zweiten Eingangsanschluss 120 anliegen.
-
Wird nun, wie in herkömmlichen Systemen, durch den in der 1 dargestellten Spannungswandler 110 die Spannung UH von 850 Volt auf eine niedrigere Spannung UN von 400 Volt gewandelt, was beispielsweise für den Betrieb des Verbrauchers 140 erforderlich ist, wird oftmals lediglich die niedrigere Spannung UN zwischen dem ersten Ausgangsanschluss 130 und dem zweiten Ausgangsanschluss 135 derart gewandelt, dass der zweite Ausgangsanschluss 135 ebenfalls auf die Massepotenzial GND liegt und die Spannung am ersten Ausgangsanschluss 130 bezüglich dem Massepotenzial GND 400 Volt beträgt. In Abschnitt II der 2 ist eine solche Spannungslage dargestellt. Wie in diesem Abschnitt II zu erkennen ist, liegt nun auch die am ersten Ausgangsanschluss 130 anliegende Spannung unterhalb eines Mittelwertes 200, der ein Potenzial in der Mitte zwischen dem am Eingangsanschluss 115 und dem Ausgangsanschluss 120 anliegenden Potenzial repräsentiert. Der Mittelwert 200 würde dagegen dementsprechend bei einer Spannung von 425 Volt bezüglich des Massepotenzials GND liegen. Wird nun der in der 1 dargestellte Verbraucher 140 in einem solchen Spannungsszenario betrieben, können durch eine solche unsymmetrische Auslegung der an den Ausgangsanschlüssen 130 bzw. 135 anliegenden Spannung ungewünschte Schwankungen bzw. Störungen auftreten, die möglichst vermindert oder ganz unterdrückt werden sollen.
-
Um ein solches Problem zu lösen, wird gemäß dem hier vorgestellten Ansatz vorgeschlagen, die niedrige Spannung UN zwischen dem ersten Ausgangsanschluss 130 und dem zweiten Ausgangsanschluss 135 symmetrisch um den Mittelwert 200 auszulegen, sodass speziell das Potenzial auf dem niedrigen zweiten Ausgangsanschluss 135 vom Massepotenzial GND gelöst und beispielsweise auf einen Wert von 225 Volt in Bezug auf das Massepotenzial GND gesetzt wird. Abschnitt III aus 2 zeigt ein solches Spannungsszenario. Das Potenzial des ersten Ausgangsanschlusses 130 wird dann beispielsweise auf einen Wert von 625 Volt bezüglich des Massepotenzial GND gesetzt, sodass insgesamt zwischen dem ersten Ausgangsanschluss 130 dem zweiten Ausgangsanschluss 135 wieder die (niedrigere) Spannung UN von hier 400 Volt abfällt, die für den Betrieb des Verbrauchers 140 benötigt wird.
-
3 zeigt ein schematisches Blockschaltbild eines Spannungswandler 110 gemäß einem Ausführungsbeispiel des hier vorgeschlagenen Ansatzes. Der Spannungswandler umfasst den ersten Eingangsanschluss 115 und den zweiten Eingangsanschluss 120, zwischen denen die hohe Spannung UH anliegt. Ferner umfasst der Spannungswandler 110 den ersten Ausgangsanschluss 130 und den zweiten Ausgangsanschluss 135, zwischen denen die niedrige Spannung UN anliegt. Zwischen dem ersten Ausgangsanschluss 130 und dem zweiten Ausgangsanschluss 135 kann beispielsweise der elektrische Verbraucher 140 verbunden sein. Weiterhin umfasst der Spannungswandler 110 eine erste Wandlerschaltung 300, die beispielsweise als eine erste Halbbrücke ausgebildet ist und die einen ersten Schalter S1 und einen zweiten Schalter S2 aufweist, die (über einen Widerstand R1) zwischen den ersten Eingangsanschluss 115 und den zweiten Eingangsanschluss 120 in Serienschaltung geschaltet sind. Ein erster Abgriffspunkt A1 zwischen dem ersten Schalter S1 und dem zweiten Schalter S2 ist (über einen zweiten Widerstand R2) und eine erste Induktivität L1 mit dem ersten Ausgangsanschluss 130 verbunden. Ferner umfasst der Spannungswandler 110 eine zweite Wandlerschaltung 310, die beispielsweise als eine zweite Halbbrücke ausgestaltet ist und die einen dritten Schalter S3 und einen vierten Schalter S4 aufweist, die (über den Widerstand R1) zwischen den ersten Eingangsanschluss 115 und den zweiten Eingangsanschluss 120 in Serienschaltung geschaltet sind. Ein zweiter Abgriffspunkt A2 zwischen dem dritten Schalter S3 und dem vierten Schalter S4 ist (über einen dritten Widerstand R3) und eine zweite Induktivität L2 mit dem zweiten Ausgangsanschluss 135 verbunden. Der erste, zweite, dritte und/oder vierte Schalter S1, S2, S3, S4 können günstigerweise als Halbleiterschalter ausgestaltet sein, insbesondere als MOS-FET-Transistor, als Thyristor und/oder als IGBT ausgestaltet sein. Auf diese Weise können hohe elektrische Leistungsflüsse einfach und schnell gesteuert werden.
-
Weiterhin umfasst der Spannungswandler 110 eine Referenzkapazitätseinheit 320 die eine erste Kapazität C1, eine zweite Kapazität C2, eine dritte Kapazität C3 und eine vierte Kapazität C4 aufweist. Die erste Kapazität C1 ist (über einen vierten Widerstand R4) zwischen den ersten Ausgangsanschluss 130 und (über den ersten Widerstand R1) mit dem ersten Eingangsanschluss 115 geschaltet. Die zweite Kapazität C2 ist (über einen fünften Widerstand R5) zwischen den ersten Ausgangsanschluss 130 und den zweiten Eingangsanschluss 120 geschaltet. Die dritte Kapazität C3 ist (über einen sechsten Widerstand R6) zwischen den zweiten Ausgangsanschluss 135 und (über den ersten Widerstand R1) mit dem ersten Eingangsanschluss 115 geschaltet. Die vierte Kapazität C4 ist (über einen siebten Widerstand R7) zwischen den zweiten Ausgangsanschluss 135 und den zweiten Eingangsanschluss 120 geschaltet. Im Betrieb des Spannungswandlers 110 kann die Referenzkapazitätseinheit 320 dazu dienen, Spannungsschwankungen der Spannung zwischen dem ersten Eingangsanschluss 115 und dem zweiten Eingangsanschluss 120 sowie zwischen dem ersten Ausgangsanschluss 130 und dem zweiten Ausgangsanschluss 135 oder auch zwischen den Eingangsanschlüssen 115,120 und den Ausgangsanschlüssen 130,135 zu puffern und/oder auszugleichen. Ferner kann über die Referenzkapazitätseinheit 320 sehr gut die Symmetrie der hohen Spannung UH bezüglich der niedrigen Spannung UN eingestellt oder gehalten werden.
-
Weiterhin umfasst der Spannungswandler 110 eine Glättungseinheit 330, die beispielsweise eine Eingangskapazität CE aufweist, welche zwischen den ersten Eingangsanschluss 115 und zweiten Eingangsanschluss 120 geschaltet ist. Die Glättungseinheit 330 kann ferner auch eine Ausgangskapazität CA aufweisen, die zwischen dem ersten Ausgangsanschluss 130 und zweiten Ausgangsanschluss 135 geschaltet ist. Auch die Glättungseinheit 330 samt den darin umfassten Kapazitäten kann zur Vermeidung von Schwankungen einer Spannung zwischen dem ersten Eingangsanschluss 115 und zweiten Eingangsanschluss 120 und alternativ oder zusätzlich zu Vermeidung von Schwankungen einer Spannung zwischen dem ersten Ausgangsanschluss 130 und dem zweiten Ausgangsanschluss 135 verwendet werden.
-
Schließlich umfasst der Spannungswandler 110 eine Spannungsmesseinrichtung 340, die eine erste Spannungsmesseinheit 342 und eine zweite Spannungsmesseinheit 344 aufweist. Die erste Spannungsmesseinheit 342 ist ausgebildet, um eine erste Spannung U1 zwischen dem ersten Ausgangsanschluss 130 und dem zweiten Eingangsanschluss 120 zu erfassen. Die zweite Spannungsmesseinheit 344 ist ausgebildet, um eine zweite Spannung U2 zwischen dem zweiten Ausgangsanschluss 135 und den zweiten Eingangsanschluss 120 zu erfassen. Alternativ (wie es in der 3 nicht explizit dargestellt ist) kann auch die erste Spannungsmesseinheit 342 ausgebildet sein, um die erste Spannung U1 zwischen dem ersten Ausgangsanschluss 130 und dem ersten Eingangsanschluss 115 zu erfassen, wobei dann die zweite Spannungsmesseinheit 344 ausgebildet ist, um die zweite Spannung U2 zwischen dem zweiten Ausgangsanschluss 135 und dem ersten Eingangsanschluss 115 zu erfassen.
-
Weiterhin umfasst der Spannungswandler 110 eine Steuereinheit 350, die ausgebildet ist, ein Öffnen und/oder Schließen des ersten Schalters S1, des zweiten Schalters S2, des dritten Schalters S3 und/oder des vierten Schalters S4 ansprechend auf die erfasste erste Spannung U1 und die erfasste zweite Spannung U2 vorzunehmen. Hierfür umfasst die Steuereinheit 350 eine Einleseschnittstelle 352 zum Einlesen der ersten Spannung U1 zwischen dem ersten Ausgangsanschluss 130 und dem ersten Eingangsanschluss 115 und/oder zwischen dem dem ersten Ausgangsanschluss 130 und dem zweiten Eingangsanschluss 120 und zum Einlesen der zweiten Spannung U2 zwischen dem zweiten Ausgangsanschluss 135 und dem ersten Eingangsanschluss 115 und/oder zwischen dem zweiten Ausgangsanschluss 135 und dem zweiten Eingangsanschluss 120. Ferner umfasst die Steuereinheit 350 eine Einheit 354 zum Ansteuern eines Öffnens und/oder Schließens des ersten S1 und/oder zweiten S2 Schalters und eines Öffnens und/oder Schließens des dritten S3 und/oder vierten S4 Schalters, um eine Differenz der ersten und zweiten Spannung einzuregeln, die einer gewünschten vordefinierten, aus einem Speicher 356 oder einem Bedienelement eingelesenen Ausgangsspannung UA zwischen dem ersten Ausgangsanschluss 130 und dem zweiten Ausgangsanschluss 135 entspricht.
-
Wie vorstehend beschrieben wurde, kann durch die Öffnung oder das Schließen der jeweiligen Schalter S1, S2, S3 und/S4 ein Stromfluss durch die erste Induktivität L1 bzw. zweite Induktivität L2 bewirkt werden, so dass am ersten Ausgangsanschluss 130 bzw. an zweiten Ausgangsanschluss 135 ein Potenzial an liegt, dass sich von den Potenzialen an ersten Eingangsanschluss 115 und am zweiten Eingangsanschluss 120 unterscheidet. Auf diese Weise kann durch die freie Einstellung oder Festlegung des Potenzials des ersten Ausgangsanschlusses 130 und des zweiten Ausgangsanschlusses 135 somit sehr flexibel eine Potenzialdifferenz zwischen dem ersten Ausgangsanschluss 130 und zweiten Ausgangsanschluss 135 eingestellt werden, die der niedrigen Spannung UN entspricht. In der Steuereinheit 135 kann nun beispielsweise eine vorab eingestellte gewünschte Ausgangsspannung UA aus einem Speicher oder einem Eingabeelement eingelesen werden und mit der Potenzialdifferenz bzw. Spannung zwischen dem ersten Ausgangsanschluss 130 und dem zweiten Ausgangsanschluss 135 verglichen werden. Wird in der Steuereinheit der 350 festgestellt, dass die Differenz zwischen der ersten Spannung U1 und der zweiten Spannung U2 nicht der gewünschten Ausgangsspannung UA entspricht, kann durch eine entsprechende Ansteuerung der Schalter S1, S2, S3 und/oder S4, beispielsweise mittels eines PWM-Signals geöffnet und/oder geschlossen werden, so dass das Potenzial des ersten Ausgangsanschlusses 130 bzw. zweiten Ausgangsanschlusses 135 individuell verändert werden kann, um die niedrige Spannung UN auf die gewünschte Ausgangsspannung UA einstellen zu können. Schließlich kann auch noch eine Ausgangsspannungsmesseinheit 360 vorgesehen sein, welche die Spannung zwischen dem ersten Ausgangsanschluss 130 und zweiten Ausgangsanschluss 135 direkten ist und ein entsprechendes Signal über die Einleseschnittstelle 352 an die Steuereinheit 350 übersendet, so dass die Steuereinheit 350 auch eine direkte Information über die zwischen den Ausgangsanschlüssen tatsächlich abfallende Spannung erhält, so dass beispielsweise Messfehler der ersten Spannung U1 und der zweiten Spannung U2 kompensiert werden können.
-
4 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Ausführungsbeispiels eines Verfahrens 400 zum Betreiben eines Spannungswandlers gemäß einer hier vorgestellten Variante. Das 400 umfasst einen Schritt 410 des Einlesens der ersten Spannung zwischen dem ersten Ausgangsanschluss und dem ersten Eingangsanschluss und/oder zwischen dem dem ersten Ausgangsanschluss und dem zweiten Eingangsanschluss zu erfassen und zum Einlesen der zweiten Spannung zwischen dem zweiten Ausgangsanschluss und dem ersten Eingangsanschluss und/oder zwischen dem dem zweiten Ausgangsanschluss und dem zweiten Eingangsanschluss. Ferner umfasst das Verfahren 400 einen Schritt 420 des Ansteuerns eines Öffnens und/oder Schließens des ersten und/oder zweiten Schalters und eines Öffnens und/oder Schließens des dritten und/oder vierten Schalters, um eine Differenz der ersten und zweiten Spannung einzuregeln, die einer gewünschten vordefinierten Ausgangsspannung zwischen dem ersten Ausgangsanschluss und dem zweiten Ausgangsanschluss entspricht.
-
Zusammenfassend ist auszuführen, dass mit dem hier vorgestellten Ansatz ein von einem Nutzer gewünschter Abwärtskonverter zur Erzeugung einer symmetrischen Ausgangsspannung realisiert werden kann. Der hier vorgestellte Ansatz löst das Problem der Erzeugung einer symmetrischen Ausgangsspannung von HV-Spannungssystemen als Abwärtswandler. Es wird daher mit dem hier vorgestellten Spannungswandler eine symmetrische Ausgangsspannung erzeugt. Die dem hier vorgestellten Spannungswandler zugrunde liegende Step-Down-Converter-Topologie arbeitet bidirektional, um bei Bedarf Energie zurückzuschieben. Sie kann auch als Step-Up Wandler verwendet werden, wenn sich Eingang und Ausgang ändern, zum Beispiel bei einem Brennstoffzellensystem. Ferner können Drosseln bzw. Induktivitäten können so ausgelegt werden, dass sie bei jedem Schaltzyklus pendeln. Dies kann die Agilität des Regelkreisverhaltens bei Restwelligkeit und Lastsprüngen verbessern. Auch kann die Architektur des Spannungswandlers an bestehende Wechselrichterdesigns angeschlossen werden (unter Verwendung von zwei Wechselrichterschenkeln). Zusätzlich kann auch der Ausgangskondensator eingespart werden, wenn das System an eine Umrichteranwendung angeschlossen wird (bei der der Eingangskondensator an den Umrichter angeschlossen ist). Dies kann zu einer Verkleinerung des Systems führen. Auch kann die Mess-/Signalisierungsschaltung kann an HV-Seite des primären HV-Systems angeschlossen werden. Hierdurch kann eine Eingangsspannung erhalten werden, die größer oder gleich der Ausgangsspannung ist. Das System kann ferner auch unterschiedliche Schaltfrequenzen verwenden. Eine modellbasierte Abschätzung des maximalen Stroms in der Drossel bzw. Induktivität kann ebenfalls verwendet werden, um den Ausgangsstrom zu begrenzen und eine Sättigung der Drossel bzw. Induktivität zu vermeiden (es ist nur eine Spannungsmessung erforderlich).
-
Die beschriebenen und in den Figuren gezeigten Ausführungsbeispiele sind nur beispielhaft gewählt. Unterschiedliche Ausführungsbeispiele können vollständig oder in Bezug auf einzelne Merkmale miteinander kombiniert werden. Auch kann ein Ausführungsbeispiel durch Merkmale eines weiteren Ausführungsbeispiels ergänzt werden.
-
Ferner können erfindungsgemäße Verfahrensschritte wiederholt sowie in einer anderen als in der beschriebenen Reihenfolge ausgeführt werden.
-
Umfasst ein Ausführungsbeispiel eine „und/oder“ Verknüpfung zwischen einem ersten Merkmal und einem zweiten Merkmal, so kann dies so gelesen werden, dass das Ausführungsbeispiel gemäß einer Ausführungsform sowohl das erste Merkmal als auch das zweite Merkmal und gemäß einer weiteren Ausführungsform entweder nur das erste Merkmal oder nur das zweite Merkmal aufweist.
-
Bezugszeichenliste
-
- 100
- Fahrzeug
- 110
- Spannungswandler
- 115
- erster Eingangsanschluss
- 120
- zweiter Eingangsanschluss
- 125
- Energiequelle, Fahrzeugbatterie, Akku
- 130
- erster Ausgangsanschluss
- 135
- zweiter Ausgangsanschluss
- 140
- Verbraucher, Fahrzeugmotor
- UH
- hohe Spannung
- UN
- niedrige Spannung
- GND
- Massepotenzial
- 200
- Mittelwert
- 300
- erste Wandlerschaltung
- 310
- zweite Wandlerschaltung
- 320
- Referenzkapazitätseinheit
- 330
- Glättungseinheit
- 340
- Spannungsmesseinrichtung
- 342
- erste Spannungsmesseinheit
- 344
- zweite Spannungsmesseinheit
- 350
- Steuereinheit
- 352
- Einleseschnittstelle
- 352
- Einheit zum Ansteuern
- 356
- Speicher
- UA
- gewünschte vordefinierte Ausgangsspannung
- 360
- Ausgangsspannungsmesseinheit
- S1
- erster Schalter
- S2
- zweiter Schalter
- S3
- dritter Schalter
- S4
- vierter Schalter
- R1, R2, R3, R4, R5, R6, R7
- Widerstände
- L1
- erste Induktivität
- L2
- zweite Induktivität
- CE
- Eingangskapazität
- CA
- Ausgangskapazität
- C1
- erste Kapazität
- C2
- zweite Kapazität
- C3
- dritte Kapazität
- C4
- vierte Kapazität
- 400
- Verfahren zum Betreiben eines Spannungswandlers
- 410
- Schritt des Einlesens
- 420
- Schritt des Ansteuerns
