DE102022113713A1 - Voltage converter device for a high-voltage system of a motor vehicle - Google Patents

Voltage converter device for a high-voltage system of a motor vehicle Download PDF

Info

Publication number
DE102022113713A1
DE102022113713A1 DE102022113713.9A DE102022113713A DE102022113713A1 DE 102022113713 A1 DE102022113713 A1 DE 102022113713A1 DE 102022113713 A DE102022113713 A DE 102022113713A DE 102022113713 A1 DE102022113713 A1 DE 102022113713A1
Authority
DE
Germany
Prior art keywords
voltage
multilevel converter
converter device
converter units
units
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
DE102022113713.9A
Other languages
German (de)
Inventor
Justus Speichermann
Ralf Hansmann
Christoph Orth
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Dr Ing HCF Porsche AG
Original Assignee
Dr Ing HCF Porsche AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Dr Ing HCF Porsche AG filed Critical Dr Ing HCF Porsche AG
Priority to DE102022113713.9A priority Critical patent/DE102022113713A1/en
Publication of DE102022113713A1 publication Critical patent/DE102022113713A1/en
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M7/00—Conversion of AC power input into DC power output; Conversion of DC power input into AC power output
    • H02M7/42—Conversion of DC power input into AC power output without possibility of reversal
    • H02M7/44—Conversion of DC power input into AC power output without possibility of reversal by static converters
    • H02M7/48—Conversion of DC power input into AC power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode
    • H02M7/483—Converters with outputs that each can have more than two voltages levels
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60L—PROPULSION OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; SUPPLYING ELECTRIC POWER FOR AUXILIARY EQUIPMENT OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRODYNAMIC BRAKE SYSTEMS FOR VEHICLES IN GENERAL; MAGNETIC SUSPENSION OR LEVITATION FOR VEHICLES; MONITORING OPERATING VARIABLES OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRIC SAFETY DEVICES FOR ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES
    • B60L1/00—Supplying electric power to auxiliary equipment of vehicles
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60L—PROPULSION OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; SUPPLYING ELECTRIC POWER FOR AUXILIARY EQUIPMENT OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRODYNAMIC BRAKE SYSTEMS FOR VEHICLES IN GENERAL; MAGNETIC SUSPENSION OR LEVITATION FOR VEHICLES; MONITORING OPERATING VARIABLES OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRIC SAFETY DEVICES FOR ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES
    • B60L53/00—Methods of charging batteries, specially adapted for electric vehicles; Charging stations or on-board charging equipment therefor; Exchange of energy storage elements in electric vehicles
    • B60L53/20—Methods of charging batteries, specially adapted for electric vehicles; Charging stations or on-board charging equipment therefor; Exchange of energy storage elements in electric vehicles characterised by converters located in the vehicle
    • B60L53/22—Constructional details or arrangements of charging converters specially adapted for charging electric vehicles
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M7/00—Conversion of AC power input into DC power output; Conversion of DC power input into AC power output
    • H02M7/003—Constructional details, e.g. physical layout, assembly, wiring or busbar connections
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60L—PROPULSION OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; SUPPLYING ELECTRIC POWER FOR AUXILIARY EQUIPMENT OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRODYNAMIC BRAKE SYSTEMS FOR VEHICLES IN GENERAL; MAGNETIC SUSPENSION OR LEVITATION FOR VEHICLES; MONITORING OPERATING VARIABLES OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRIC SAFETY DEVICES FOR ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES
    • B60L2210/00—Converter types
    • B60L2210/20—AC to AC converters

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Transportation (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Inverter Devices (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Spannungswandlereinrichtung (10) für ein Hochvoltsystem eines Kraftfahrzeugs, umfassend: zwei Gleichspannungsanschlüsse (12), die eingerichtet sind, mit einer Hochvoltbatterie (1) des Kraftfahrzeugs elektrisch verbunden zu sein, drei Wechselspannungsanschlüsse (14), die eingerichtet sind, mit einem wechselspannungsgespeisten Verbraucher (2) des Kraftfahrzeugs oder einer Wechselspannungsquelle elektrisch verbunden zu sein, mehrere Multilevelkonvertereinheiten (16), die jeweils mit den zwei Gleichspannungsanschlüssen (12) und mindestens einem der Wechselspannungsanschlüsse (14) elektrisch verbunden sind, und eine Steuereinheit (18), die mit jeder der Multilevelkonvertereinheiten (16) verbunden ist und eingerichtet ist, die Multilevelkonvertereinheiten (16) zu steuern, wobei die Multilevelkonvertereinheiten (16) und die Steuereinheit (18) jeweils als separate Baugruppe ausgebildet sind.The invention relates to a voltage converter device (10) for a high-voltage system of a motor vehicle, comprising: two DC voltage connections (12), which are set up to be electrically connected to a high-voltage battery (1) of the motor vehicle, three AC voltage connections (14), which are set up to be electrically connected to an AC-powered consumer (2) of the motor vehicle or to an AC voltage source, a plurality of multilevel converter units (16), each of which is electrically connected to the two DC voltage connections (12) and at least one of the AC voltage connections (14), and a control unit (18), which is connected to each of the multilevel converter units (16) and is set up to control the multilevel converter units (16), the multilevel converter units (16) and the control unit (18) each being designed as a separate assembly.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Spannungswandlereinrichtung für ein Hochvoltsystem eines Kraftfahrzeugs, insbesondere für ein batterieelektrisches Kraftfahrzeug.The present invention relates to a voltage converter device for a high-voltage system of a motor vehicle, in particular for a battery-electric motor vehicle.

Derartige Spannungswandlereinrichtung werden in batterieelektrischen Kraftfahrzeugen beispielsweise innerhalb einer Batterieladeelektronik zur Wandlung einer Netzwechselspannung in eine zum Laden einer Hochvoltbatterie erforderliche Gleichspannung verwendet oder auch antriebsseitig zur Wandlung der von der Hochvoltbatterie bereitgestellten Gleichspannung in eine Wechselspannung zum Antreiben eines elektrischen Antriebsmotors verwendet. Derartige Spannungswandlereinrichtungen werden unter anderem auch als Leistungselektronik bezeichnet.Such voltage converter devices are used in battery-electric motor vehicles, for example within battery charging electronics, to convert an AC mains voltage into a DC voltage required for charging a high-voltage battery, or are also used on the drive side to convert the DC voltage provided by the high-voltage battery into an AC voltage for driving an electric drive motor. Such voltage converter devices are also referred to, among other things, as power electronics.

In Kraftfahrzeugen ist typischerweise nur ein sehr begrenzter Bauraum für derartige Spannungswandlereinrichtungen vorhanden, wobei der vorhandene Bauraum bei verschiedenen Modellen oder Modellvarianten häufig eine unterschiedliche Form aufweist.In motor vehicles there is typically only a very limited installation space for such voltage converter devices, with the existing installation space often having a different shape in different models or model variants.

Es stellt sich vor diesem Hintergrund die Aufgabe, eine Spannungswandlereinrichtung für ein Hochvoltsystem eines Kraftfahrzeugs zu schaffen, die auf einfache Weise für die Verwendung in unterschiedlich geformten Bauräumen angepasst werden kann.Against this background, the task is to create a voltage converter device for a high-voltage system of a motor vehicle that can be easily adapted for use in differently shaped installation spaces.

Diese Aufgabe wird durch eine Spannungswandlereinrichtung für ein Hochvoltsystem eines Kraftfahrzeugs, mit den Merkmalen des Hauptanspruchs 1 gelöst.This task is achieved by a voltage converter device for a high-voltage system of a motor vehicle, with the features of main claim 1.

Die erfindungsgemäße Spannungswandlereinrichtung umfasst zwei Gleichspannungsanschlüsse und drei Wechselspannungsanschlüsse. Die Gleichspannungsanschlüsse sind, unabhängig davon, ob die erfindungsgemäße Spannungswandlereinrichtung für die Verwendung innerhalb einer Batterieladeelektronik oder für die verbraucherseitige Verwendung konzipiert ist, eingerichtet, mit einer Hochvoltbatterie des Kraftfahrzeugs elektrisch verbunden zu sein. Wenn die Spannungswandlereinrichtung für eine verbraucherseitige Verwendung konzipiert ist, sind die drei Wechselspannungsanschlüsse eingerichtet, mit einem wechselspannungsgespeisten Verbraucher des Kraftfahrzeugs, beispielsweise mit einem wechselspannungsgespeisten elektrischen Antriebsmotor, verbunden zu sein. Wenn die Spannungswandlereinrichtung hingegen für die Verwendung innerhalb einer Batterieladeelektronik konzipiert ist, sind die drei Wechselspannungsanschlüsse eingerichtet, mit einer typischerweise externen Wechselspannungsquelle elektrisch verbunden zu sein. Die Gleichspannungsanschlüsse und die Wechselspannungsanschlüsse können auf jede beliebige Art und Weise ausgestaltet sein, sofern sie im montierten Zustand der Spannungswandlereinrichtung eine elektrische Verbindung zwischen der Spannungswandlereinrichtung und der Hochvoltbatterie beziehungsweise zwischen der Spannungswandlereinrichtung und dem Verbraucher oder der Wechselspannungsquelle schaffen. Die Anschlüsse können beispielsweise über sogenannte Stromschienen realisiert sein.The voltage converter device according to the invention comprises two DC voltage connections and three AC voltage connections. The DC voltage connections are designed to be electrically connected to a high-voltage battery of the motor vehicle, regardless of whether the voltage converter device according to the invention is designed for use within battery charging electronics or for consumer use. If the voltage converter device is designed for consumer use, the three AC voltage connections are set up to be connected to an AC-powered consumer of the motor vehicle, for example to an AC-powered electric drive motor. If, on the other hand, the voltage converter device is designed for use within battery charging electronics, the three AC voltage connections are set up to be electrically connected to a typically external AC voltage source. The DC voltage connections and the AC voltage connections can be designed in any way, provided that in the assembled state of the voltage converter device they create an electrical connection between the voltage converter device and the high-voltage battery or between the voltage converter device and the consumer or the AC voltage source. The connections can be implemented, for example, via so-called busbars.

Die erfindungsgemäße Spannungswandlereinrichtung umfasst mehrere Multilevelkonvertereinheiten, die jeweils mit den zwei Gleichspannungsanschlüssen und mindestens einem der Wechselspannungsanschlüsse elektrisch verbunden sind. Vorzugsweise ist jede Multilevelkonvertereinheit jeweils mit exakt einem der Wechselspannungsanschlüsse elektrisch verbunden. Je nach Verwendung der Spannungswandlereinrichtung sind die Multilevelkonvertereinheiten jeweils auf bekannte Art und Weise eingerichtet, aus einer über die beiden Gleichspannungsanschlüsse bereitgestellten Gleichspannung eine definierte Wechselspannung zu erzeugen, und/oder eingerichtet, aus einer über den mindestens einen Wechselspannungsanschluss bereitgestellten Wechselspannung eine definierte Gleichspannung zu erzeugen. Jede Multilevelkonvertereinheit umfasst typischerweise mehrere Energiespeicher, beispielsweise Kondensatoren, sowie mehrere Leistungshalbleiterschalter.The voltage converter device according to the invention comprises a plurality of multilevel converter units, each of which is electrically connected to the two DC voltage connections and at least one of the AC voltage connections. Preferably, each multilevel converter unit is electrically connected to exactly one of the AC voltage connections. Depending on the use of the voltage converter device, the multilevel converter units are each set up in a known manner to generate a defined alternating voltage from a direct voltage provided via the two direct voltage connections, and/or set up to generate a defined direct voltage from an alternating voltage provided via the at least one alternating voltage connection. Each multilevel converter unit typically includes several energy storage devices, for example capacitors, as well as several power semiconductor switches.

Die erfindungsgemäße Spannungswandlereinrichtung umfasst eine Steuereinheit, die mit jeder der Multilevelkonvertereinheiten verbunden ist. Die Steuereinheit ist auf bekannte Art und Weise eingerichtet, die Multilevelkonvertereinheiten, im Speziellen die Leistungshalbleiterschalter der Multilevelkonvertereinheiten, derart zu steuern, dass die Multilevelkonvertereinheiten, je nach Anwendung, aus einer bereitgestellten Gleichspannung eine definierte Wechselspannung erzeugen oder aus einer bereitgestellten Wechselspannung eine definierte Gleichspannung erzeugen.The voltage converter device according to the invention comprises a control unit which is connected to each of the multilevel converter units. The control unit is set up in a known manner to control the multilevel converter units, in particular the power semiconductor switches of the multilevel converter units, in such a way that, depending on the application, the multilevel converter units generate a defined alternating voltage from a provided direct voltage or generate a defined direct voltage from a provided alternating voltage.

Erfindungsgemäß sind sowohl jede der Multilevelkonvertereinheiten als auch die Steuereinheit jeweils als separate Baugruppe ausgebildet, sodass diese bei der Konzeptionierung der erfindungsgemäßen Spannungswandlereinrichtung unabhängig voneinander und variabel in einem vorhandenen Bauraum positioniert werden können. Typischerweise sind alle Komponenten der einzelnen Multilevelkonvertereinheiten beziehungsweise der Steuereinheit jeweils auf einem individuellen Träger und/oder in einem individuellen Gehäuse angeordnet, sodass diese jeweils auf einfache Art und Weise an unterschiedlichen Einbauorten montiert werden können. Dies ermöglicht es, die erfindungsgemäße Spannungswandlereinrichtung auf einfache Art und Weise für die Verwendung in unterschiedlich geformten Bauräumen anzupassen.According to the invention, each of the multilevel converter units and the control unit are each designed as a separate assembly, so that they can be positioned independently and variably in an existing installation space when designing the voltage converter device according to the invention. Typically, all components of the individual multilevel converter units or the control unit are each arranged on an individual carrier and/or in an individual housing, so that they can each be easily mounted at different installation locations. This makes it possible to easily adapt the voltage converter device according to the invention for use in differently shaped installation spaces.

Typischerweise ist die Wandlung zwischen Gleichspannung und Wechselspannung umso effizienter und/oder umso variabler steuerbar, umso höher eine Gesamtanzahl von Leistungshalbleiterschaltern und/oder von Energiespeichern aller mit einem Wechselspannungsanschluss verbundener Multilevelkonvertereinheiten ist. Vorzugsweise umfasst die erfindungsgemäße Spannungswandlereinrichtung daher mindestens sechs Multilevelkonvertereinheiten, wobei mit jedem der Wechselspannungsanschlüsse jeweils mindestens zwei Multilevelkonvertereinheiten elektrisch verbunden sind. Dies ermöglicht es, eine definierte Gesamtanzahl von Leistungshalbleiterschaltern und/oder Energiespeichern pro Wechselspannungsanschluss auf mehrere Multilevelkonvertereinheiten zu verteilen, wodurch eine besonders variable räumliche Ausgestaltung der Spannungswandlereinrichtung ermöglicht wird.Typically, the conversion between direct voltage and alternating voltage is more efficient and/or can be controlled more variably, the higher the total number of power semiconductor switches and/or energy storage devices of all multilevel converter units connected to an alternating voltage connection is. The voltage converter device according to the invention therefore preferably comprises at least six multilevel converter units, with at least two multilevel converter units being electrically connected to each of the AC voltage connections. This makes it possible to distribute a defined total number of power semiconductor switches and/or energy storage units per AC voltage connection to several multilevel converter units, thereby enabling a particularly variable spatial design of the voltage converter device.

In einer bevorzugten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Spannungswandlereinrichtung sind alle Multilevelkonvertereinheiten in einer gemeinsamen Ebene angeordnet, sodass für die Spannungswandlereinrichtung nur ein relativ geringer Bauraum in einer Raumrichtung senkrecht zu der Ebene benötigt wird.In a preferred embodiment of the voltage converter device according to the invention, all multilevel converter units are arranged in a common plane, so that only a relatively small installation space is required for the voltage converter device in a spatial direction perpendicular to the plane.

Vorzugsweise sind alle Multilevelkonvertereinheiten in einer Raumrichtung nebeneinanderliegend angeordnet, sodass für die Spannungswandlereinrichtung nur ein relativ geringer Bauraum in den beiden übrigen Raumrichtungen benötigt wird.All multilevel converter units are preferably arranged next to one another in one spatial direction, so that only a relatively small installation space is required in the two remaining spatial directions for the voltage converter device.

In einer alternativen bevorzugten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Spannungswandlereinrichtung sind die Multilevelkonvertereinheiten stufenförmig in mehreren Ebenen angeordnet, um eine relativ kompakte Spannungswandlereinrichtung zu schaffen.In an alternative preferred embodiment of the voltage converter device according to the invention, the multilevel converter units are arranged in steps in several levels in order to create a relatively compact voltage converter device.

Im Betrieb der erfindungsgemäßen Spannungswandlereinrichtung kann von den Multilevelkonvertereinheiten, insbesondere von Leistungshalbleitern der Multilevelkonvertereinheiten, eine signifikante Abwärme erzeugt werden, wodurch eine Funktionalität der Multilevelkonvertereinheiten beeinträchtigt werden kann. Vorzugsweise umfasst die erfindungsgemäße Spannungswandlereinrichtung daher ein Kühlmittelkanalsystem mit mindestens einem Kühlmittelkanal, das eingerichtet ist, von einem Kühlmittel durchströmt zu werden, wobei jede Multilevelkonvertereinheit derart wärmeleitend mit dem Kühlmittelkanalsystem verbunden ist, dass in der jeweiligen Multilevelkonvertereinheit erzeugte Abwärme über das das Kühlmittelkanalsystem durchströmende Kühlmittel abgeführt werden kann. Dies schafft eine besonders zuverlässige Spannungswandlereinrichtung. Die Multilevelkonvertereinheiten können beispielsweise in direktem physischem Kontakt mit einer Außenwand eines Kühlmittelkanal stehen oder über ein Wärmeübertragungsmittel, das eine hohe Wärmeleitfähigkeit aufweist und zwischen der Multilevelkonvertereinheit und einer Außenwand eines Kühlmittelkanals angeordnet ist, mit dem Kühlmittelkanal verbunden sein. Das Kühlmittelkanalsystem ist typischerweise ausgelegt, an einen bestehenden Kühlmittelkreislauf des Kraftfahrzeugs angebunden zu werden.During operation of the voltage converter device according to the invention, significant waste heat can be generated by the multilevel converter units, in particular by power semiconductors of the multilevel converter units, which can impair the functionality of the multilevel converter units. Preferably, the voltage converter device according to the invention therefore comprises a coolant channel system with at least one coolant channel, which is set up to be flowed through by a coolant, each multilevel converter unit being connected to the coolant channel system in a heat-conducting manner in such a way that waste heat generated in the respective multilevel converter unit is dissipated via the coolant flowing through the coolant channel system can. This creates a particularly reliable voltage converter device. The multilevel converter units can, for example, be in direct physical contact with an outer wall of a coolant channel or connected to the coolant channel via a heat transfer medium that has high thermal conductivity and is arranged between the multilevel converter unit and an outer wall of a coolant channel. The coolant channel system is typically designed to be connected to an existing coolant circuit of the motor vehicle.

Vorzugsweise umfasst das Kühlmittelkanalsystem einen einzigen Kühlmittelkanal, der, beispielsweise mäanderförmig, an allen Multilevelkonvertereinheiten vorbeigeführt wird. Dies schafft ein einfach aufgebautes, zuverlässiges Kühlm ittelkanalsystem.The coolant channel system preferably comprises a single coolant channel, which is guided past all multilevel converter units, for example in a meandering manner. This creates a simply constructed, reliable coolant channel system.

Vorzugsweise weist mindestens eine elektrische Verbindung zwischen einer der Multilevelkonvertereinheiten und einem der Gleichspannungsanschlüsse oder einem der Wechselspannungsanschlüsse eine Querschnittsverjüngung auf, welche als Schmelzsicherung fungiert und somit eine Überlastung der jeweiligen Multilevelkonvertereinheit verhindert. Besonders bevorzugt weist jede elektrische Verbindung zwischen einer Multilevelkonvertereinheit und einem Wechselspannungsanschluss sowie jede elektrische Verbindung zwischen einer Multilevelkonvertereinheit und einem Gleichspannungsanschluss eine Querschnittsverjüngung auf. Dies schafft eine besonders zuverlässige Spannungswandlereinrichtung.Preferably, at least one electrical connection between one of the multilevel converter units and one of the DC voltage connections or one of the AC voltage connections has a cross-sectional taper, which acts as a fuse and thus prevents overloading of the respective multilevel converter unit. Particularly preferably, each electrical connection between a multilevel converter unit and an AC voltage connection and each electrical connection between a multilevel converter unit and a DC voltage connection has a cross-sectional taper. This creates a particularly reliable voltage converter device.

Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend anhand der beigefügten Figuren beschrieben. Hierbei zeigen:

  • 1 schematisch den Aufbau einer erfindungsgemäßen Spannungswandlereinrichtung für ein Hochvoltsystem eines Kraftfahrzeugs,
  • 2a + 2b schematisch eine erfindungsgemäße Anordnung von Multilevelkonvertereinheiten der Spannungswandlereinrichtung aus 1,
  • 3a + 3b schematisch eine alternative erfindungsgemäße Anordnung der Multilevelkonvertereinheiten der Spannungswandlereinrichtung aus 1,
  • 4a + 4b schematisch eine weitere alternative erfindungsgemäße Anordnung der Multilevelkonvertereinheiten der Spannungswandlereinrichtung aus 1, und
  • 5 schematisch eine Multilevelkonvertereinheit der Spannungswandlereinrichtung aus 1, mit elektrischen Verbindungen.
Embodiments of the present invention are described below with reference to the attached figures. Show here:
  • 1 schematically the structure of a voltage converter device according to the invention for a high-voltage system of a motor vehicle,
  • 2a + 2 B schematically an arrangement according to the invention of multilevel converter units of the voltage converter device 1 ,
  • 3a + 3b schematically shows an alternative arrangement according to the invention of the multilevel converter units of the voltage converter device 1 ,
  • 4a + 4b schematically shows a further alternative arrangement according to the invention of the multilevel converter units of the voltage converter device 1 , and
  • 5 schematically a multilevel converter unit of the voltage converter device 1 , with electrical connections.

Nachfolgend werden, sofern vergleichbare Elemente mehrfach vorhanden sind, Bezugszeichen ohne Index verwendet, um auf ein beliebiges oder auf alle der Elemente Bezug zu nehmen, und Bezugszeichen mit einem Index (a,b,c,...) verwendet, um auf ein individuelles Element Bezug zu nehmen.Below, if comparable elements are present multiple times, reference numbers without an index are used to refer to any or all of the elements, and reference numbers with an index (a,b,c,...) are used to refer to an individual Element to refer to.

1 zeigt eine Spannungswandlereinrichtung 10 für ein Hochvoltsystem eines Kraftfahrzeugs, wobei die Spannungswandlereinrichtung 10 zwischen einer Hochvoltbatterie 1 und einem wechselspannungsgespeisten Hochvoltverbraucher 2 des Kraftfahrzeugs angeordnet ist. Der Hochvoltverbraucher 2 ist im vorliegenden Ausführungsbeispiel ein dreiphasiger elektrischer Antriebsmotor des Kraftfahrzeugs. 1 shows a voltage converter device 10 for a high-voltage system of a motor vehicle, the voltage converter device 10 being arranged between a high-voltage battery 1 and an AC-powered high-voltage consumer 2 of the motor vehicle. In the present exemplary embodiment, the high-voltage consumer 2 is a three-phase electric drive motor of the motor vehicle.

Die Spannungswandlereinrichtung 10 umfasst zwei Gleichspannungsanschlüsse 12a, 12b, die mit der Hochvoltbatterie 1 elektrisch verbunden sind. Im Speziellen ist der erste Gleichspannungsanschluss 12a mit einem Pluspol P der Hochvoltbatterie 1 elektrisch verbunden und der zweite Gleichspannungsanschluss 12b mit einem Minuspol M der Hochvoltbatterie 1 elektrisch verbunden.The voltage converter device 10 includes two DC voltage connections 12a, 12b, which are electrically connected to the high-voltage battery 1. In particular, the first DC voltage connection 12a is electrically connected to a positive pole P of the high-voltage battery 1 and the second DC voltage connection 12b is electrically connected to a negative pole M of the high-voltage battery 1.

Die Spannungswandlereinrichtung 10 umfasst drei Wechselspannungsanschlüsse 14a-14c, die mit dem Hochvoltverbraucher 2 elektrisch verbunden sind. Im Speziellen ist der erste Wechselspannungsanschluss 14a mit einem ersten Phasenanschluss U des Hochvoltverbrauchers 2 elektrisch verbunden, der zweite Wechselspannungsanschluss 14b mit einem zweiten Phasenanschluss V des Hochvoltverbrauchers 2 elektrisch verbunden, und der dritte Wechselspannungsanschluss 14c mit einem dritten Phasenanschluss W des Hochvoltverbrauchers 2 elektrisch verbunden.The voltage converter device 10 includes three AC voltage connections 14a-14c, which are electrically connected to the high-voltage consumer 2. In particular, the first AC voltage connection 14a is electrically connected to a first phase connection U of the high-voltage consumer 2, the second AC voltage connection 14b is electrically connected to a second phase connection V of the high-voltage consumer 2, and the third AC voltage connection 14c is electrically connected to a third phase connection W of the high-voltage consumer 2.

Die Spannungswandlereinrichtung 10 umfasst im vorliegenden Ausführungsbeispiel sechs Multilevelkonvertereinheiten 16a-16f, die jeweils mit den zwei Gleichspannungsanschlüssen 12 und einem der drei Wechselspannungsanschlüsse 14 elektrisch verbunden sind. Im Speziellen sind die erste Multilevelkonvertereinheit 16a sowie die zweite Multilevelkonvertereinheit 16b mit dem ersten Wechselspannungsanschluss 14a elektrisch verbunden, die dritte Multilevelkonvertereinheit 16c sowie die vierte Multilevelkonvertereinheit 16d mit dem zweiten Wechselspannungsanschluss 14b elektrisch verbunden, und die fünfte Multilevelkonvertereinheit 16e sowie die sechste Multilevelkonvertereinheit 16f mit dem dritten Wechselspannungsanschluss 14c elektrisch verbunden. Die Multilevelkonvertereinheiten 16 sind jeweils als separate Baugruppe ausgebildet, sodass die Multilevelkonvertereinheiten 16 grundsätzlich unabhängig voneinander angeordnet werden können.In the present exemplary embodiment, the voltage converter device 10 comprises six multilevel converter units 16a-16f, which are each electrically connected to the two DC voltage connections 12 and one of the three AC voltage connections 14. In particular, the first multilevel converter unit 16a and the second multilevel converter unit 16b are electrically connected to the first AC voltage connection 14a, the third multilevel converter unit 16c and the fourth multilevel converter unit 16d are electrically connected to the second AC voltage connection 14b, and the fifth multilevel converter unit 16e and the sixth multilevel converter unit 16f are electrically connected to the third AC voltage connection 14c electrically connected. The multilevel converter units 16 are each designed as a separate assembly, so that the multilevel converter units 16 can basically be arranged independently of one another.

Wie in 5 schematisch dargestellt, weist im vorliegenden Ausführungsbeispiel jede elektrische Verbindung 20 zwischen einer Multilevelkonvertereinheit 16 und einem Wechselspannungsanschluss 14 sowie jede elektrische Verbindung 22 zwischen einer Multilevelkonvertereinheit 16 und einem Gleichspannungsanschluss 12 jeweils eine Querschnittsverjüngung 24 auf.As in 5 Shown schematically, in the present exemplary embodiment, each electrical connection 20 between a multilevel converter unit 16 and an AC voltage connection 14 and each electrical connection 22 between a multilevel converter unit 16 and a DC voltage connection 12 each have a cross-sectional taper 24.

Die Spannungswandlereinrichtung 10 umfasst eine Steuereinheit 18, die mit jeder einzelnen Multilevelkonvertereinheit 16 verbunden ist. Die Steuereinheit 18 ist auf bekannte Art und Weise eingerichtet, die Multilevelkonvertereinheiten 16 derart zu steuern, dass an den Wechselspannungsanschlüssen 14 ein dreiphasiges Wechselspannungssignal zum Antreiben des als elektrischer Antriebsmotor ausgebildeten Hochvoltverbrauchers 2 bereitgestellt wird. Die Steuereinheit 18 ist als separate Baugruppe ausgebildet, sodass die Steuereinheit 18 grundsätzlich unabhängig von den Multilevelkonvertereinheiten 16 angeordnet werden kann.The voltage converter device 10 includes a control unit 18 which is connected to each individual multilevel converter unit 16. The control unit 18 is set up in a known manner to control the multilevel converter units 16 in such a way that a three-phase AC voltage signal for driving the high-voltage consumer 2 designed as an electric drive motor is provided at the AC voltage connections 14. The control unit 18 is designed as a separate assembly, so that the control unit 18 can basically be arranged independently of the multilevel converter units 16.

Die Spannungswandlereinrichtung 10 umfasst ein Kühlmittelkanalsystem 26, das im vorliegenden Ausführungsbeispiel einen einzigen Kühlmittelkanal 28 umfasst, der an allen Multilevelkonvertereinheiten 16 vorbeigeführt ist. Das Kühlmittelkanalsystem 26 ist eingerichtet, von einem Kühlmittel K durchströmt zu werden. Die Multilevelkonvertereinheiten 16 sind derart wärmeleitend mit dem Kühlmittelkanal 28 verbunden, dass in den Multilevelkonvertereinheiten 16 erzeugte Abwärme über das den Kühlmittelkanal 28 durchströmende Kühlmittel K abgeführt werden kann.The voltage converter device 10 comprises a coolant channel system 26, which in the present exemplary embodiment comprises a single coolant channel 28, which is guided past all multilevel converter units 16. The coolant channel system 26 is set up to be flowed through by a coolant K. The multilevel converter units 16 are connected to the coolant channel 28 in a heat-conducting manner in such a way that waste heat generated in the multilevel converter units 16 can be dissipated via the coolant K flowing through the coolant channel 28.

2a und 2b zeigen schematisch eine beispielhafte räumliche Anordnung der Multilevelkonvertereinheiten 16 der Spannungswandlereinrichtung 10, wobei 2a eine Ansicht der Spannungswandlereinrichtung 10 parallel zu einer Raumachse z zeigt und 2b eine Ansicht der Spannungswandlereinrichtung 10 parallel zu einer Raumachse y zeigt. Bei dieser Anordnung sind alle Multilevelkonvertereinheiten 16 in einer gemeinsamen Ebene E, die hier parallel zu den Raumrichtungen x,y verläuft, auf einem Träger 30 angeordnet. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel sind die Multilevelkonvertereinheiten 16 in einem zweidimensionalen Gitter angeordnet, wobei parallel zu der Raumrichtung x jeweils zwei Multilevelkonvertereinheiten 16 nebeneinanderliegend angeordnet sind und parallel zu der Raumrichtung y jeweils drei Multilevelkonvertereinheiten 16 nebeneinanderliegend angeordnet sind. 2a and 2 B show schematically an exemplary spatial arrangement of the multilevel converter units 16 of the voltage converter device 10, where 2a shows a view of the voltage converter device 10 parallel to a spatial axis z and 2 B a view of the voltage converter device 10 shows parallel to a spatial axis y. In this arrangement, all multilevel converter units 16 are arranged on a support 30 in a common plane E, which here runs parallel to the spatial directions x, y. In the present exemplary embodiment, the multilevel converter units 16 are arranged in a two-dimensional grid, with two multilevel converter units 16 being arranged next to each other parallel to the spatial direction x and three multilevel converter units 16 being arranged next to each other parallel to the spatial direction y.

3a und 3b zeigen schematisch eine alternative beispielhafte räumliche Anordnung der Multilevelkonvertereinheiten 16 der Spannungswandlereinrichtung 10, wobei 3a eine Ansicht der Spannungswandlereinrichtung 10 parallel zu der Raumachse z zeigt und 3b eine Ansicht der Spannungswandlereinrichtung 10 parallel zu der Raumachse y zeigt. Bei dieser Anordnung sind alle Multilevelkonvertereinheiten 16 in einer Raumrichtung R, die parallel zu der Raumachse x verläuft, nebeneinanderliegend auf einem Träger 32 angeordnet. 3a and 3b show schematically an alternative exemplary spatial arrangement of the multilevel converter units 16 of the voltage converter device 10, where 3a shows a view of the voltage converter device 10 parallel to the spatial axis z and 3b a view of the voltage converter device 10 shows parallel to the spatial axis y. In this arrangement, all multilevel converter units 16 are arranged next to one another on a support 32 in a spatial direction R, which runs parallel to the spatial axis x.

4a und 4b zeigen schematisch eine weitere alternative beispielhafte räumliche Anordnung der Multilevelkonvertereinheiten 16 der Spannungswandlereinrichtung 10, wobei 4a eine Ansicht der Spannungswandlereinrichtung 10 parallel zu der Raumachse z zeigt und 4b eine Ansicht der Spannungswandlereinrichtung 10 parallel zu der Raumachse y zeigt. Bei dieser Anordnung sind die Multilevelkonvertereinheiten 16 auf einem Träger 34 mit drei Stufen Sa-Sc angeordnet, sodass die Multilevelkonvertereinheiten 16 bezogen auf die Raumrichtungen x,z stufenförmig in drei jeweils parallel zu den Raumrichtungen x,y verlaufenden Ebenen Ea-Ec angeordnet sind. Auf jeder Stufe S des Trägers 34, also in jeder der Ebenen E, sind hierbei zwei Multilevelkonvertereinheiten 16 parallel zu der Raumrichtung y nebeneinanderliegen angeordnet. 4a and 4b show schematically a further alternative exemplary spatial arrangement of the multilevel converter units 16 of the voltage converter device 10, where 4a shows a view of the voltage converter device 10 parallel to the spatial axis z and 4b a view of the voltage converter device 10 shows parallel to the spatial axis y. In this arrangement, the multilevel converter units 16 are arranged on a support 34 with three stages Sa-Sc, so that the multilevel converter units 16 are arranged in steps in three planes Ea-Ec, each running parallel to the spatial directions x, z, in relation to the spatial directions x, y. On each level S of the carrier 34, i.e. in each of the levels E, two multilevel converter units 16 are arranged next to one another parallel to the spatial direction y.

BezugszeichenlisteReference symbol list

11
HochvoltbatterieHigh voltage battery
22
Hochvoltverbraucher High-voltage consumers
1010
SpannungswandlereinrichtungVoltage converter device
1212
GleichspannungsanschlüsseDC voltage connections
1414
WechselspannungsanschlüsseAC voltage connections
1616
MultilevelkonvertereinheitenMultilevel converter units
1818
SteuereinheitControl unit
20,2220.22
elektrische Verbindungenelectrical connections
2424
QuerschnittsverjüngungenCross-sectional tapers
2626
KühlmittelkanalsystemCoolant channel system
2828
KühlmittelkanalCoolant channel
30,32,3430,32,34
Träger carrier
EE
Ebenenlevels
KK
Kühlmittelcoolant
MM
Minuspolnegative pole
PP
Pluspolpositive pole
RR
Raumrichtungspatial direction
SS
Stufenstages
U,V,WAND MANY MORE
PhasenanschlüssePhase connections
x,y,zx,y,z
RaumachsenSpace axes

Claims (8)

Spannungswandlereinrichtung (10) für ein Hochvoltsystem eines Kraftfahrzeugs, umfassend: zwei Gleichspannungsanschlüsse (12), die eingerichtet sind, mit einer Hochvoltbatterie (1) des Kraftfahrzeugs elektrisch verbunden zu sein, drei Wechselspannungsanschlüsse (14), die eingerichtet sind, mit einem wechselspannungsgespeisten Verbraucher (2) des Kraftfahrzeugs oder einer Wechselspannungsquelle elektrisch verbunden zu sein, mehrere Multilevelkonvertereinheiten (16), die jeweils mit den zwei Gleichspannungsanschlüssen (12) und mindestens einem der Wechselspannungsanschlüsse (14) elektrisch verbunden sind, und eine Steuereinheit (18), die mit jeder der Multilevelkonvertereinheiten (16) verbunden ist und eingerichtet ist, die Multilevelkonvertereinheiten (16) zu steuern, wobei die Multilevelkonvertereinheiten (16) und die Steuereinheit (18) jeweils als separate Baugruppe ausgebildet sind.Voltage converter device (10) for a high-voltage system of a motor vehicle, comprising: two DC voltage connections (12), which are set up to be electrically connected to a high-voltage battery (1) of the motor vehicle, three AC voltage connections (14), which are set up to be electrically connected to an AC-powered consumer (2) of the motor vehicle or an AC voltage source, a plurality of multilevel converter units (16), each of which is electrically connected to the two DC voltage connections (12) and at least one of the AC voltage connections (14), and a control unit (18) which is connected to each of the multilevel converter units (16) and is set up to control the multilevel converter units (16), wherein the multilevel converter units (16) and the control unit (18) are each designed as a separate assembly. Spannungswandlereinrichtung (10) nach Anspruch 1, umfassend mindestens sechs Multilevelkonvertereinheiten (16), wobei mit jedem der Wechselspannungsanschlüsse (14) jeweils mindestens zwei Multilevelkonvertereinheiten (16) elektrisch verbunden sind.Voltage converter device (10). Claim 1 , comprising at least six multilevel converter units (16), with at least two multilevel converter units (16) being electrically connected to each of the AC voltage connections (14). Spannungswandlereinrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei alle Multilevelkonvertereinheiten (16) in einer gemeinsamen Ebene (E) angeordnet sind.Voltage converter device (10) according to one of the preceding claims, wherein all multilevel converter units (16) are arranged in a common plane (E). Spannungswandlereinrichtung (10) nach Anspruch 3, wobei alle Multilevelkonvertereinheiten (16) in einer Raumrichtung (R) nebeneinanderliegend angeordnet sind.Voltage converter device (10). Claim 3 , wherein all multilevel converter units (16) are arranged next to one another in a spatial direction (R). Spannungswandlereinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Multilevelkonvertereinheiten (16) stufenförmig in mehreren Ebenen (Ea-Ec) angeordnet sind.Voltage converter device Claim 1 or 2 , wherein the multilevel converter units (16) are arranged in steps in several levels (Ea-Ec). Spannungswandlereinrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, umfassend ein Kühlmittelkanalsystem (26) mit mindestens einem Kühlmittelkanal (28), das eingerichtet ist, von einem Kühlmittel (K) durchströmt zu werden, wobei jede Multilevelkonvertereinheit (16) derart wärmeleitend mit dem Kühlmittelkanalsystem (26) verbunden ist, dass in der jeweiligen Multilevelkonvertereinheit (16) erzeugte Abwärme über das das Kühlmittelkanalsystem (26) durchströmende Kühlmittel (K) abgeführt werden kann.Voltage converter device (10) according to one of the preceding claims, comprising a coolant channel system (26) with at least one coolant channel (28), which is set up to be flowed through by a coolant (K), each multilevel converter unit (16) being thermally conductive to the coolant channel system ( 26) is connected so that waste heat generated in the respective multilevel converter unit (16) can be dissipated via the coolant (K) flowing through the coolant channel system (26). Spannungswandlereinrichtung (10) nach Anspruch 6, wobei das Kühlmittelkanalsystem (26) einen einzigen Kühlmittelkanal (28) umfasst.Voltage converter device (10). Claim 6 , wherein the coolant channel system (26) comprises a single coolant channel (28). Spannungswandlereinrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei mindestens eine elektrische Verbindung (20,22) zwischen einer der Multilevelkonvertereinheiten (16) und einem der Gleichspannungsanschlüsse (12) oder einem der Wechselspannungsanschlüsse (14) eine Querschnittsverjüngung (24) aufweist.Voltage converter device (10) according to one of the preceding claims, wherein at least one electrical connection (20, 22) between one of the multilevel converter units (16) and one of the DC voltage connections (12) or one of the AC voltage connections (14) has a cross-sectional taper (24).
DE102022113713.9A 2022-05-31 2022-05-31 Voltage converter device for a high-voltage system of a motor vehicle Pending DE102022113713A1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102022113713.9A DE102022113713A1 (en) 2022-05-31 2022-05-31 Voltage converter device for a high-voltage system of a motor vehicle

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102022113713.9A DE102022113713A1 (en) 2022-05-31 2022-05-31 Voltage converter device for a high-voltage system of a motor vehicle

Publications (1)

Publication Number Publication Date
DE102022113713A1 true DE102022113713A1 (en) 2023-11-30

Family

ID=88696945

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
DE102022113713.9A Pending DE102022113713A1 (en) 2022-05-31 2022-05-31 Voltage converter device for a high-voltage system of a motor vehicle

Country Status (1)

Country Link
DE (1) DE102022113713A1 (en)

Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102008007659A1 (en) 2008-02-06 2009-02-19 Siemens Aktiengesellschaft Indirect voltage converter, has upper and lower valve branches of each phase module of load-sided multi-phase power inverter with two-pole subsystem, and multi-phase network-guided power inverter provided as network-sided power inverter
EP2996132A1 (en) 2014-09-09 2016-03-16 LEONI Bordnetz-Systeme GmbH Multi-fuse arrangement
US20160172997A1 (en) 2014-12-11 2016-06-16 Caterpillar Inc. Modular power conversion platform
DE102015205450A1 (en) 2015-03-25 2016-09-29 Volkswagen Aktiengesellschaft Main fuse box for attachment to an electrical system battery of a motor vehicle
DE202017102722U1 (en) 2017-04-13 2017-06-01 Universität der Bundeswehr München Power converter for energy transmission
DE102015226207A1 (en) 2015-12-21 2017-06-22 Robert Bosch Gmbh Electric machine
DE102017213509A1 (en) 2017-08-03 2019-02-07 Siemens Aktiengesellschaft Electric drive device
DE102019120945A1 (en) 2019-08-02 2021-02-04 Dr. Ing. H.C. F. Porsche Aktiengesellschaft Process for the production of a modular multilevel converter and modular multilevel converter with modular elements from two-quadrant modules

Patent Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102008007659A1 (en) 2008-02-06 2009-02-19 Siemens Aktiengesellschaft Indirect voltage converter, has upper and lower valve branches of each phase module of load-sided multi-phase power inverter with two-pole subsystem, and multi-phase network-guided power inverter provided as network-sided power inverter
EP2996132A1 (en) 2014-09-09 2016-03-16 LEONI Bordnetz-Systeme GmbH Multi-fuse arrangement
US20160172997A1 (en) 2014-12-11 2016-06-16 Caterpillar Inc. Modular power conversion platform
DE102015205450A1 (en) 2015-03-25 2016-09-29 Volkswagen Aktiengesellschaft Main fuse box for attachment to an electrical system battery of a motor vehicle
DE102015226207A1 (en) 2015-12-21 2017-06-22 Robert Bosch Gmbh Electric machine
DE202017102722U1 (en) 2017-04-13 2017-06-01 Universität der Bundeswehr München Power converter for energy transmission
DE102017213509A1 (en) 2017-08-03 2019-02-07 Siemens Aktiengesellschaft Electric drive device
DE102019120945A1 (en) 2019-08-02 2021-02-04 Dr. Ing. H.C. F. Porsche Aktiengesellschaft Process for the production of a modular multilevel converter and modular multilevel converter with modular elements from two-quadrant modules

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP2524431B1 (en) Circuit arrangement of electronic circuit breakers of a power generation device
EP2254228A1 (en) Electronic switching module and system with such switching modules
EP3446384A1 (en) Drive system with an intermediate circuit busbar
WO2019149699A1 (en) Energy storage module having energy storage cells connected via uninsulated conductor pieces and/or having a cooling system, energy storage block and method for cooling an energy storage module
WO2018082823A1 (en) Circuit board for the electrically fuse-protected connection of battery cells and battery
DE102022113713A1 (en) Voltage converter device for a high-voltage system of a motor vehicle
EP3281507B1 (en) Phase module for a power converter
DE202009012751U1 (en) Converter arrangement
DE102022207432B4 (en) Inverter for converting a first voltage into a second voltage and method for producing an inverter
DE102017217418A1 (en) Control unit, drive device
DE102022206604B4 (en) Single phase module of an inverter, inverter and power electronics
DE2718967A1 (en) Rectifier unit with at least two diodes per AC phase - has heat sink with ribs on back and on front surface area not occupied by diodes
EP3053257B1 (en) Dc-dc converter and method for controlling a dc-dc converter
DE102012008550B4 (en) Track part
EP3240380A1 (en) Converter assembly
DE10236525A1 (en) Two pair valve configuration for and electrical inverter has IGBT device on heat sink
DE102022206606B4 (en) Single phase module of an inverter, inverter and power electronics
EP4084189B1 (en) Traction battery of a motor vehicle
DE102013217258A1 (en) Device for converting a direct current into a single-phase or multi-phase alternating current
DE102022206596B4 (en) Single phase module of an inverter, inverter and power electronics
DE102022206601B4 (en) Single phase module of an inverter, inverter and power electronics
DE102023203771B3 (en) Inverter for a separately excited synchronous machine and method for producing an inverter
DE102023113653A1 (en) Device for cooling electrical components and their connecting elements
DE102019200020A1 (en) Busbar arrangement and power electronics arrangements
DE102022211143A1 (en) Battery arrangement

Legal Events

Date Code Title Description
R012 Request for examination validly filed
R016 Response to examination communication