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Die Erfindung betrifft das Gebiet der Leistungselektronik für teils oder ganz elektrifizierte Fahrzeuge. Insbesondere betrifft die Erfindung eine leistungsoptimierte Wandlereinrichtung zum Aufladen einer Fahrzeugbatterie.
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Im Stand der Technik sind reine Elektrofahrzeuge sowie Hybridfahrzeuge bekannt, welche ausschließlich bzw. unterstützend von einer oder mehreren elektrischen Maschinen als Antriebsaggregate angetrieben werden. Um die elektrischen Maschinen solcher Elektrofahrzeuge bzw. Hybridfahrzeuge mit elektrischer Energie zu versorgen, umfassen die Elektrofahrzeuge und Hybridfahrzeuge elektrische Energiespeicher, insbesondere wiederaufladbare elektrische Spannungsquellen. Diese elektrische Spannungsquellen sind üblicherweise als Batterien, etwa Lithium-Ionen-Batterien, ausgebildet. Die elektrischen Maschinen benötigen in der Regel jedoch eine Wechselspannung. Daher wird zwischen einer Batterie und einer elektrischen Maschine eines Elektrofahrzeugs oder eines Hybridfahrzeugs üblicherweise ein sog. Wechselrichter (Inverter) mit einer Leistungselektronik geschaltet.
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Die Leistungselektronik weist typischerweise mehrere Halbbrücken auf, die jeweils einer von mehreren Phasen eines AC-Ausgangsstroms zugeordnet sind, der basierend auf einem DC-Eingangsstrom mittels Schalten der Leistungselektronik erzeugt wird. Jede Halbbrücke umfasst eine Highside und eine Lowside, die jeweils wiederum ein oder mehrere parallelgeschaltete Halbleiterschaltelemente umfassen. Im einfachsten Fall umfasst jede Highside bzw. jede Lowside ein solches Halbleiterschaltelement. Als Halbleiterschaltelement kann Transistor, etwa Bipolartransistor wie IGBT, verwendet werden. Die Halbbrücken können auch als Inverterzweige verstanden werden.
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Es ist außerdem bekannt, dieselbe Leistungselektronik des Inverters zum Aufladen der Fahrzeugbatterien zu verwenden. In diesem Fall fungiert die Leistungselektronik als Teil eines Wandlers, der zusätzlich eine Speicherdrossel zum Zwischenspeichern von Energie in Form magnetischer Felder umfasst. Die Konfiguration, bei der die Leistungselektronik des Inverters für den Wandler bzw. Konverter verwendet wird, wird als Boost-Konverter-Konfiguration bezeichnet. Zu diesem Zweck sind Induktivitäten in Form von Speicherdrosseln vorgesehen. Es ist zweckmäßig, die Spulen der elektrischen Maschine als Induktivitäten zu verwenden.
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Die Leistungselektronik des Stromrichters (Inverter bzw. Konverter) wird daher zum einen im Normalbetrieb und zum anderen im Ladebetrieb eingesetzt. Im Normalbetrieb realisiert der Inverter auf Basis der Batteriespannung sinusförmige Ströme in den Wicklungen der elektrischen Maschine, welche zur flexiblen Generierung eines endlichen Drehmomentes verwendet werden. Die elektrische Energie fließt während des Normalbetriebs stets aus der Batterie in Richtung der elektrischen Maschine.
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Im Ladebetrieb hingegen wird die aus der Ladesäule entnommene Energie bei stehender Maschine über den Nullpunkt eines stillgelegten Inverterzweiges in die Fahrzeugbatterie (insbesondere eine Hochvolt-Batterie, HV-Batterie) geführt. Beim stillgelegten Inverterzweig beträgt die Gate-Spannung für die entsprechende Halbbrücke Null. Die Energieflussrichtung im Ladebetrieb ist daher der Energieflussrichtung des Normalbetriebes entgegengesetzt. Die von der Ladesäule bereitgestellte Ladespannung muss für den Fall, dass diese niedriger als die Nennspannung der Fahrzeugbatterie außerdem auf Letztere hochgesetzt werden. Dies ist beispielsweise der Fall, wenn die Ladesäule eine Ladespannung von lediglich 400V beträgt, während die Nennspannung der Fahrzeugbatterie bei 800V liegt.
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DE 10 2018 218 272 A1 offenbart ein Batterieladegerät, insbesondere ein Batterieladegerät für ein Elektrofahrzeug, das eine Batterie unter Verwendung von Energie auflädt, die von einer Vielzahl von Energiequellen geliefert wird. Das Batterieladegerät umfasst ein Schalternetzwerk, das einen ersten Schalter umfasst, der dazu konfiguriert ist, eine AC-Leistungseingangsleitung und/oder eine neutrale Leitung, die einen AC-Leistungseingangsanschluss bilden, mit einem Leistungsfaktorkorrektor, einem oder mehreren zweiten, zu verbinden Schalter, die dazu konfiguriert sind, den Wechselstromeingangsanschluss selektiv mit dem Leistungsfaktorkorrektor, einem Verbindungskondensator oder einem Wechselrichter zu verbinden, und einen dritten Schalter, der dazu konfiguriert ist, einen Motor elektrisch mit einer Hochspannungsbatterie zu verbinden, und eine Steuerung, die dazu konfiguriert ist, den Leistungsfaktorkorrektor zu steuern.
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DE 10 2016 213 070 A1 offenbart ein Verfahren und ein Bordnetz mit einem Wechselrichter, einem elektrischen Energiespeicher, einer elektrischen Maschine und einem Wechselstrom-Übertragungsanschluss, dem Wechselrichter mit einer ersten Seite und einer zweiten Seite und dazu eingerichtet ist, Energie zwischen diesen Seiten zu übertragen, wobei die erste Seite des Wechselrichters zwei Ausgangsanschlüsse des Wechselrichters mit dem Energiespeicher verbunden oder verbindbar sind, wobei mindestens zwei Phasenstromanschlüsse des Wechselrichters mit der elektrischen Maschine verbunden sind.
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DE 10 2011 075 927 A1 offenbart eine Schaltung umfassend eine Brückenschaltung mit drei Induktoren, die mit zentralen Knoten jeweiliger Halbbrücken verbunden sind. Einer der Induktoren ist in einem Schaltzustand des Schaltnetzwerks über ein Schaltnetzwerk mit einem Gleichspannungsanschluss verbunden, um der Spannung eine Gleichspannung bereitzustellen.
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US 2019/0291585 A1 offenbart eine Ladevorrichtung für ein Elektrofahrzeug. Die Vorrichtung lädt eine Fahrzeugbatterie beim Empfangen von Strom aus unterschiedlichen Stromquellen. Die Vorrichtung umfasst einen Motor, der Energie erzeugt, um das Elektrofahrzeug anzutreiben, und einen Wechselrichter, der Energie an den Motor liefert. Ein AC-Leistungseingangsanschluss empfängt mindestens einen von einphasiger AC-Leistung und mehrphasiger AC-Leistung. Ein Leistungsfaktorkorrektor mit einer einzelnen Dreibein-Halbbrückenschaltung empfängt die AC-Eingangsleistung über den AC-Leistungseingangsanschluss. Ein Verbindungskondensator wird durch eine Kombination aus Blindleistungskompensator, Motor und Wechselrichter geladen. Ein Schalternetzwerk hat mindestens einen Schalter zum selektiven Verbinden des AC-Leistungseingangsanschlusses mit dem Leistungsfaktorkorrektor, dem Verbindungskondensator, dem Motor oder dem Wechselrichter. Eine Steuerung betreibt den Leistungsfaktorkorrektor, das Schalternetzwerk und den Wechselrichter basierend auf einer Bedingung der empfangenen AC-Eingangsleistung.
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Die aus dem Stand der Technik bekannten Booster-Konverter weisen mehrere Nachteile auf. Zum einen sind die bekannten Booster-Konverter schaltungstechnisch komplex aufgebaut. Zum anderen erfordern die bekannten Booster-Konverter eine Vielzahl an elektrischen und elektronischen Bauteilen, was nicht nur den Herstellungsaufwand und somit die Kosten dieser Booster-Konverter steigen, sondern auch die Booster-Konverter anfälliger gegen Fehlfunktionalitäten der verwendeten Bauteile werden lässt.
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Es ist daher eine Aufgabe der Erfindung, eine Wandlereinrichtung zum Aufladen einer Fahrzeugbatterie bereitzustellen, bei dem sich die vorstehend genannten Nachteile zumindest teilweise überwinden lassen.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Wandlereinrichtung, den elektrischen Achsantrieb sowie das Fahrzeug gemäß den unabhängigen Patentansprüchen gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung gehen aus den abhängigen Patentansprüchen hervor.
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Die Erfindung betrifft eine Wandlereinrichtung zum Aufladen einer Fahrzeugbatterie. Die Fahrzeugbatterie ist in einem zumindest teils elektrifizierten Fahrzeug, etwa einem Elektrofahrzeug oder Hybridfahrzeug, verbaut. Die Fahrzeugbatterie kann eine Hochvolt-Batterie (HV-Batterie) mit einer Batteriespannung (Nennspannung), die beispielsweise 400V oder 800V beträgt, aufweisen.
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Die Wandlereinrichtung umfasst einen AC-Eingang zum Einspeisen einer AC-Ladespannung, die von einer AC-Ladeeinrichtung (etwa einer AC-Ladestation bzw. -Ladesäule) bereitgestellt ist. Die Wandlereinrichtung umfasst zusätzlich einen DC-Eingang zum Einspeisen einer DC-Ladespannung, die von einer DC-Ladeeinrichtung (etwa einer DC-Ladestation bzw. -Ladesäule) bereitgestellt sein kann. Die Wandlereinrichtung eignet sich somit zumindest zum AC-Aufladen der Fahrzeugbatterie mittels der eingespeisten AC-Ladespannung, vorzugsweise auch zum DC-Aufladen der Fahrzeugbatterie mittels der eingespeisten DC-Ladespannung. In anderen Worten kann die Wandlereinrichtung zumindest als AC/DC-Wandler, vorzugsweise wahlweise als AC/DC-Wandler oder als DC/DC-Wandler, fungieren.
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Die Wandlereinrichtung umfasst außerdem eine erste Speicherdrossel und eine zweite Speicherdrossel zum Zwischenspeichern der elektrischen Energie aus der eingespeisten AC-Ladespannung, vorzugsweise auch aus der eingespeisten DC-Ladespannung.
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Die elektrische Energie wird dabei in Form von magnetischen Feldern zwischengespeichert. Die erste und/oder zweite Speicherdrossel sind vorzugsweise durch in der elektrischen Maschine des elektrischen Achsantriebs des zumindest teils elektrifizierten Fahrzeugs verbaute Spulen gebildet. Auf diese Weise kann auf zusätzliche Spulen verzichtet werden, was den Herstellungsaufwand und Kosten für die Wandlereinrichtung und damit einhergehend auch für den gesamten elektrischen Achsantrieb und das zumindest teils elektrifizierte Fahrzeug reduziert.
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Eine erste Halbbrückenanordnung und eine zweite Halbbrückenanordnung sind in der Wandlereinrichtung zum Umwandeln der eingespeisten AC-Ladespannung in eine zweite DC-Ausgangsspannung, vorzugsweise auch zum Übersetzen der eingespeisten DC-Ladespannung in eine erste DC-Ausgangsspannung, enthalten. Es handelt sich bei der ersten Halbbrückenanordnung und der zweiten Halbbrückenanordnung vorzugsweise jeweils um eine mehrphasige Halbbrückenanordnung mit mehreren Halbbrücken, die jeweils einer Phase (beispielsweise einem AC-Phasenstrom) zugeordnet sind. Jede der Halbbrücken ist mit einer Highside und einer Lowside gebildet. Die Highside bzw. Lowside umfasst ein oder mehrere parallelgeschaltete Halbleiterschaltelemente. Als Halbleiterschaltelement kann ein Transistor, etwa ein Bipolartransistor mit isolierter Gate-Elektrode (IGBT) oder ein Metall-Oxid-Feldeffekttransistor (MOSFET) verwendet werden. Als das dem Halbleiterschaltelement zugrunde liegende Halbleitermaterial kann Silizium oder ein sogenannter Halbleiter mit großer Bandlücke (Engl.: Wide Bandgap Semiconductor, WBS) wie Siliziumcarbid oder Galliumnitrid verwendet werden. Die erste Halbbrückenanordnung und die zweite Halbbrückenanordnung sind vorzugsweise durch die Leistungselektronik eines im Fahrzeug verbauten Wechselrichters (Inverter) bereitgestellt, der zum Erzeugen eines Wechselstroms aus der Fahrzeugbatterie zum Bestromen der elektrischen Maschine verschaltet ist. Auf diese Weise kann auf eine zusätzliche, für die Wandlereinrichtung separate Leistungselektronik verzichtet werden, was Bauraum und Herstellungskosten reduziert. Der Wechselrichter fungiert im Ladebetrieb somit zumindest als AC/DC-Wandler, vorzugsweise wahlweise als AC/DC-Wandler oder als DC/DC-Wandler.
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Die erste Halbbrückenanordnung und die erste Speicherdrossel bilden eine erste Wandlereinheit. Die zweite Halbbrückenanordnung und die zweite Speicherdrossel bilden eine zweite Wandlereinheit. Gemäß einer optionalen Ausführungsform ist die erste Wandlereinheit als sogenannte Power Factor Correction (PFC)-Einheit ausgebildet. Alternativ oder zusätzlich ist die zweite Wandlereinheit als Inverswandler (Engl.: Buck-Boost-Converter) ausgebildet.
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Zwischen der ersten Halbbrückenanordnung und der zweiten Halbbrückenanordnung ist ein Zwischenkreiskondensator verschaltet. Gemäß einer optionalen Ausführungsform ist die erste Halbbrückenanordnung zwischen der ersten Speicherdrossel und dem Zwischenkreiskondensator verschaltet. Gemäß einer weiteren optionalen Ausführungsform ist die zweite Halbbrückenanordnung zwischen der zweiten Speicherdrossel und dem Zwischenkreiskondensator verschaltet.
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Des Weiteren umfasst die Wandlereinrichtung einen Spannungsausgang zur Abgabe der zweiten DC-Ausgangsspannung, vorzugsweise auch der ersten DC-Ausgangsspannung, an die Fahrzeugbatterie. Der Spannungsausgang ist vom AC-Eingang galvanisch ungetrennt ausgebildet. Ein Transformator zum galvanischen Trennen zwischen der AC-Eingangsseite und der DC-Ausgangsseite der Wandlereinrichtung ist somit nicht vorgesehen. Dies reduziert die Anzahl der Bauteile in der Wandlereinrichtung und somit auch die Anfälligkeit der Wandlereinrichtung gegen Fehlfunktionalitäten der Bauteile. Außerdem ist die Beschaltung der Wandlereinrichtung dadurch vereinfacht, sodass der Herstellungsaufwand und die Kosten für die Wandlereinrichtung und somit auch für den elektrischen Achsantrieb und das Fahrzeug insgesamt reduziert werden. Gleichzeitig ist eine galvanische Trennung zwischen der Wandlereinrichtung und dem Bordnetz des Fahrzeugs vorschriftsgemäß durch ein geeignetes Mittel, etwa einen hierfür speziell vorgesehenen Transformator, erfüllt. Die erfindungsgemäße Wandlereinrichtung ist daher hinsichtlich der Vermeidung von im Zusammenhang mit den Hochspannungen zu erwartenden Gefahren für Fahrzeuginsassen hinreichend sicher konzipiert.
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Ein der DC-Ladespannung entsprechende DC-Ladestrom wird in einen ersten DC-Zweigstrom und einen zweiten DC-Zweigstrom aufgeteilt, wobei der erste DC-Zweigstrom über die erste Speicherdrossel in die erste Halbbrückenanordnung eingespeist wird, wobei der zweite DC-Zweigstrom über die zweite Speicherdrossel in die zweite Halbbrückenanordnung eingespeist wird. Die auf diese Weise erreichte Stromaufteilung erweitert die DC-Leistung, die der Fahrzeugbatterie zugeführt wird. Dies erhöht die Effizienz des Ladeprozesses. Vorzugsweise wird der DC-Ladestrom an einem dem DC-Eingang näher als dem Spannungsausgang befindlichen zweiten Knotenpunkt in die DC-Zweigströme aufgeteilt. Dies reduziert die Länge der eingangsseitigen DC-Stromleitungen und begünstigt eine niederimpedante Beschaltung für die Wandlereinrichtung.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist der DC-Eingang mit Hilfe mehrerer Schalter wahlweise an eine/beide Wandlereinheiten, oder alternativ direkt an den Spannungsausgang anschließbar, um den DC-Ladestrom entsprechend wahlweise über die Wandlereinheit(en) oder alternativ direkt zur Fahrzeugbatterie zu führen. Wenn die am DC-Eingang bereitgestellte DC-Ladespannung kleiner als die Nennspannung der Fahrzeugbatterie ist, ist ein Hochsetzen der DC-Ladespannung auf die Nennspannung erforderlich. In diesem (ersten) Fall wird der DC-Eingang mittels Schließens eines Teils der Schalter und gleichzeitig mittels Öffnens der übrigen Schalter an die Wandlereinheit(en) angeschlossen. Die Wandlereinheit(en) dienen zum Hochsetzen der DC-Ladespannung. Wenn die bereitgestellte DC-Ladespannung der Nennspannung der Fahrzeugbatterie zumindest gleich ist, ist ein Hochsetzen der DC-Ladespannung auf die Nennspannung nicht mehr erforderlich. In diesem Fall wird der DC-Eingang mittels Schließens der im obigen ersten Fall geöffneten Schalter und gleichzeitig mittels Öffnens der im obigen ersten Fall geschlossenen Schalter direkt an den Spannungsausgang angeschlossen, sodass die DC-Ladespannung der Fahrzeugbatterie direkt zugeführt wird.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform werden die DC-Zweigströme an einem mit dem Zwischenkreiskondensator verbundenen ersten Knotenpunkt zu einem der ersten DC-Ausgangsspannung entsprechenden ersten DC-Ausgangsstrom zusammengeführt. Auf diese Weise ist ein Aufbau mit einem hohen Symmetriegrad erreicht. Die Stromverteilung in der Wandlereinrichtung ist somit gleichmäßiger, was das thermische Verhalten der Wandlereinrichtung verbessert. Insbesondere ist die Wärmeverteilung über die Wandlereinrichtung gleichmäßiger, sodass eine Wärmeabfuhr bzw. Abkühlung der Wandlereinrichtung einfacher zu bewerkstelligen ist.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist ein Schalter zum Führen des ersten DC-Ausgangsstroms zwischen dem ersten Knotenpunkt und dem Spannungsausgang angeordnet. Der Schalter wird zum DC-Aufladen geschlossen, damit die eingespeiste DC-Leistung vom DC-Eingang über die zueinander parallelgeschalteten beiden Halbbrückenanordnungen der Fahrzeugbatterie zugeführt werden kann. Zum AC-Aufladen hingegen wird der Schalter geöffnet, damit die eingespeiste AC-Leistung vom AC-Eingang über die in Reihe geschalteten beiden Halbbrückenanordnungen der Fahrzeugbatterie zugeführt werden kann. Der Schalter kann als Halbleiterschalter wie MOSFET oder IGBT ausgebildet sein.
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In einem PFC-Modus der Wandlereinrichtung, ist die Wandlereinrichtung zum AC-Aufladen mit einer AC-Quelle verbunden. Dabei ist eine erste Verbindung der zweiten Wandlereinheit mit einem ersten Knotenpunkt verbunden und bildet die Eingangsseite der zweiten Wandlereinheit und eine zweite Verbindung ist mit einem dritten Knotenpunkt verbunden und bildet den Ausgang der zweiten Wandlereinheit. Wohingegen in einem DC-Modus der Wandlereinrichtung die Wandlereinrichtung mit einer DC-Quelle verbunden ist und die erste Verbindung der zweiten Wandlereinheit den Ausgang und die zweite Verbindung den Eingang der zweiten Wandlereinheit bildet.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist der AC-Eingang mehrere Phaseneingänge zum mehrphasigen Aufladen der Fahrzeugbatterie und zusätzlich einen Hilfseingang zum einphasigen Aufladen der Fahrzeugbatterie auf. Auf diese Weise sind beide Lademodi mittels eines einzigen AC-Eingangs bereitstellbar, was sich bauraumsparend auf die Wandlereinrichtung auswirkt.
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Die Erfindung betrifft weiterhin einen entsprechenden elektrischen Achsantrieb mit einer erfindungsgemäßen Wandlereinrichtung sowie ein Fahrzeug mit einem solchen elektrischen Achsantrieb. Daraus ergeben sich die bereits im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Wandlereinrichtung beschriebenen Vorteile auch für den erfindungsgemäßen elektrischen Achsantrieb und das erfindungsgemäße Fahrzeug.
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Nachfolgend wird die Erfindung anhand von in den Figuren dargestellten Ausführungsformen beispielhaft erläutert.
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Es zeigen:
- 1 ein schematisches, stark vereinfachtes Blockschaltdiagram einer Wandlereinrichtung zum Aufladen einer Fahrzeugbatterie;
- 2 eine schematische Darstellung eines AC-Aufladens mittels der Wandlereinrichtung aus 1;
- 3 eine schematische Darstellung eines DC-Aufladens mittels der Wandlereinrichtung aus 1;
- 4 ein schematisches, beispielhaftes Schaltbild einer weiteren Ausführung der Wandlereinrichtung, wobei das AC-Aufladen schematisch gezeigt ist
- 5 ein schematisches, beispielhaftes Schaltbild einer weiteren Ausführung der Wandlereinrichtung, wobei das AC-Aufladen schematisch gezeigt ist;
- 6 ein schematisches, beispielhaftes Schaltbild einer weiteren Ausführung der Wandlereinrichtung, wobei das DC-Aufladen schematisch gezeigt ist;
- 7 ein schematisches, beispielhaftes Schaltbild der Ausführung der Wandlereinrichtung aus 5, wobei das DC-Aufladen schematisch gezeigt ist.
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Gleiche Gegenstände, Funktionseinheiten und vergleichbare Komponenten sind figurenübergreifend mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet. Diese Gegenstände, Funktionseinheiten und vergleichbaren Komponenten sind hinsichtlich ihrer technischen Merkmale identisch ausgeführt, sofern sich aus der Beschreibung nicht explizit oder implizit etwas anderes ergibt.
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1 zeigt ein schematisches, stark vereinfachtes Blockschaltdiagram einer Wandlereinrichtung 10 zum Aufladen einer Fahrzeugbatterie 28.
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Die Fahrzeugbatterie 28 ist in einem zumindest teils elektrifizierten Fahrzeug (hier nicht gezeigt), etwa einem Elektrofahrzeug oder Hybridfahrzeug, verbaut. Die Fahrzeugbatterie 28 kann eine Hochvolt-Batterie (HV-Batterie) mit einer Batteriespannung (Nennspannung) von beispielsweise 400V oder 800V aufweisen.
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Die Wandlereinrichtung 10 umfasst einen AC-Eingang 12 zum Einspeisen einer AC-Ladespannung 11, die von einer AC-Ladeeinrichtung (etwa einer AC-Ladestation bzw. -Ladesäule, hier nicht gezeigt) bereitgestellt ist. Die Wandlereinrichtung 10 kann vorzugsweise, wie hier beispielhaft dargestellt, ferner einen DC-Eingang 14 zum Einspeisen einer DC-Ladespannung 13 umfassen, die von einer DC-Ladeeinrichtung (etwa einer DC-Ladestation bzw. -Ladesäule, hier nicht gezeigt) bereitgestellt ist. Die Wandlereinrichtung 10 eignet sich somit sowohl zum AC-Aufladen der Fahrzeugbatterie 28 mittels der eingespeisten AC-Ladespannung 11, als auch zum DC-Aufladen der Fahrzeugbatterie 28 mittels der eingespeisten DC-Ladespannung 13. In anderen Worten kann die Wandlereinrichtung 10 wahlweise als AC/DC-Wandler oder als DC/DC-Wandler fungieren.
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Die Wandlereinrichtung 10 umfasst außerdem eine erste Wandlereinheit 15 und einer zweite Wandlereinheit 17. Gemäß einer optionalen Ausführungsform ist die erste Wandlereinheit 15 als sogenannte Power Factor Correction (PFC)-Einheit ausgebildet. Alternativ oder zusätzlich ist die zweite Wandlereinheit 17 als Inverswandler (Engl.: Buck-Boost-Converter) ausgebildet.
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Die erste Wandlereinheit 15 umfasst eine erste Speicherdrossel 16 und eine erste Halbbrückenanordnung 20. Die zweite Wandlereinheit 17 umfasst eine zweite Speicherdrossel 18 und eine zweite Halbbrückenanordnung 22. Die erste Speicherdrossel 16 und die zweite Speicherdrossel 18 sind zum Zwischenspeichern der elektrischen Energie aus der eingespeisten AC-Ladespannung 11 und der eingespeisten DC-Ladespannung 13 ausgebildet. Die elektrische Energie wird dabei in Form von magnetischen Feldern zwischengespeichert. Die erste Speicherdrossel 16 und/oder die zweite Speicherdrossel 18 sind vorzugsweise durch Spulen gebildet, die in der elektrischen Maschine des elektrischen Achsantriebs des zumindest teils elektrifizierten Fahrzeugs verbaut sind. Auf diese Weise kann auf zusätzliche Spulen verzichtet werden, was den Herstellungsaufwand und Kosten für die Wandlereinrichtung 10 und damit einhergehend auch für den gesamten elektrischen Achsantrieb und das zumindest teils elektrifizierte Fahrzeug reduziert.
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Die erste Halbbrückenanordnung 20 und die zweite Halbbrückenanordnung 22 sind, in Kombination, zum Übersetzen der eingespeisten DC-Ladespannung 13 in eine erste DC-Ausgangsspannung und zum Umwandeln der eingespeisten AC-Ladespannung 11 in eine zweite DC-Ausgangsspannung ausgebildet. Es handelt sich bei der ersten Halbbrückenanordnung 20 und der zweiten Halbbrückenanordnung 22 vorzugsweise jeweils um eine mehrphasige Halbbrückenanordnung mit mehreren Halbbrücken 202-206, 222-226 (siehe 4-7), die jeweils einer Phase (beispielsweise einem AC-Phasenstrom) zugeordnet sind. Jede der Halbbrücken 202-206, 222-226 ist mit einer Highside und einer Lowside gebildet. Die Highside bzw. Lowside umfasst ein oder mehrere parallelgeschaltete Halbleiterschaltelemente. Als Halbleiterschaltelement kann ein Transistor, etwa ein Bipolartransistor mit isolierter Gate-Elektrode (IGBT) oder ein Metall-Oxid-Feldeffekttransistor (MOSFET) verwendet werden. Als das dem Halbleiterschaltelement zugrunde liegende Halbleitermaterial kann Silizium oder ein sogenannter Halbleiter mit großer Bandlücke (Engl.: Wide Bandgap Semiconductor, WBS) wie Siliziumcarbid oder Galliumnitrid verwendet werden. Die erste Halbbrückenanordnung 20 und die zweite Halbbrückenanordnung 22 sind vorzugsweise durch die Leistungselektronik eines im Fahrzeug verbauten Wechselrichters (Inverter) bereitgestellt, der zum Erzeugen eines Wechselstroms aus der Fahrzeugbatterie 28 zum Bestromen der elektrischen Maschine verschaltet ist. Auf diese Weise kann auf eine zusätzliche, für die Wandlereinrichtung 10 separate Leistungselektronik verzichtet werden, was Bauraum und Herstellungskosten reduziert. Der Wechselrichter fungiert im Ladebetrieb somit als DC/DC-Wandler und/oder als AC/DC-Wandler.
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Zwischen der ersten Wandlereinheit 15 und der zweiten Wandlereinheit 17 ist ein Zwischenkreiskondensator 24 verschaltet. Gemäß einer optionalen Ausführungsform ist die erste Halbbrückenanordnung 20 zwischen der ersten Speicherdrossel 16 und dem Zwischenkreiskondensator 24 verschaltet. Alternativ oder zusätzlich ist die zweite Halbbrückenanordnung 22 zwischen der zweiten Speicherdrossel 18 und dem Zwischenkreiskondensator 24 verschaltet.
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Des Weiteren umfasst die Wandlereinrichtung 10 einen Spannungsausgang 26 zur Abgabe der ersten DC-Ausgangsspannung und der zweiten DC-Ausgangsspannung an die Fahrzeugbatterie 28. Der Spannungsausgang 26 ist vom AC-Eingang 12 und vom DC-Eingang 14 galvanisch ungetrennt ausgebildet. Ein Mittel (etwa ein Transformator) zur galvanischen Trennung zwischen der Eingangsseite und der Ausgangsseite der Wandlereinrichtung 10 ist somit nicht vorgesehen. Dies reduziert die Anzahl der Bauteile in der Wandlereinrichtung 10 und somit auch die Anfälligkeit der Wandlereinrichtung 10 gegen Fehlfunktionalitäten solcher Bauteile. Außerdem ist die Beschaltung der Wandlereinrichtung 10 dadurch vereinfacht, sodass der Herstellungsaufwand und die Kosten für die Wandlereinrichtung 10 und somit auch für den elektrischen Achsantrieb und das Fahrzeug insgesamt reduziert werden. Gleichzeitig ist eine galvanische Trennung des Fahrzeugbordnetzes von der Hochspannung der Fahrzeubatterie sowie der Spannungseingänge 12, 14 vorschriftsgemäß durch ein geeignetes Mittel, etwa einen hierfür speziell vorgesehenen Wandler/Transformator, erfüllt. Die erfindungsgemäße Wandlereinrichtung 10 ist daher hinsichtlich der Vermeidung von mit den Hochspannungen zusammenhängenden Gefahren für Fahrzeuginsassen hinreichend sicher konzipiert.
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Zusätzlich zu den obigen Bauteilen sind in der Wandlereinrichtung 10 vorzugsweise, wie in 1 schematisch gezeigt, ein Fehlerstromschutzmodul 34 (Engl.: Residual Current Device, RCD) zum Spannungsabschalten bei gefährlich hohen Fehlerströmen, insbesondere AC-Fehlerströmen. Außerdem ist weiter vorzugsweise ein erstes Filtermodul 36 eingangsseitig zum Beseitigen unerwünschter Störsignale der eingespeisten AC-Ladespannung 11 und/oder der eingespeisten DC-Ladespannung 13 vorgesehen.
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Auch ist weiter vorzugsweise ein zweites Filtermodul 38 ausgangsseitig zum Beseitigen unerwünschter Störsignale der abzugebenden ersten und/oder zweiten DC-Ausgangsspannung vorgesehen.
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2 zeigt eine schematische Darstellung eines AC-Aufladens mittels der Wandlereinrichtung 10 aus 1. Hier ist mittels mehrerer Pfeile die AC-Stromführung rein illustrativ und stark vereinfacht gezeigt. Ein durch die AC-Ladespannung 11 generierter AC-Strom wird nach Passieren des Fehlerstromschutzmoduls 34 und des AC-seitigen ersten Filtermoduls 36 der ersten Wandlereinheit 15 zugeführt und dort mittels der ersten Halbbrückenanordnung 20 moduliert, um die AC-Ladespannung 11 zunächst auf ein der Nennspannung der Fahrzeugbatterie 28 entsprechende Niveau hochzusetzen. Hieraus ergibt sich eine DC-Zwischenspannung, die zunächst rippelbehaftet ist. Anschließend wird die DC-Zwischenspannung über den Zwischenkreiskondensator 24 der zweiten Wandlereinheit 22 zugeführt. Mittels der zweiten Halbbrückenanordnung 22 wird ein DC-Zwischenstrom, der der DC-Zwischenspannung entspricht, moduliert, um vorhandene Rippelsignale zu beseitigen. Nach dem zweistufigen Modulierprozess wird die DC-Leistung schließlich in Form der (zweiten) DC-Ausgangsspannung nach passieren des DC-seitigen Filtermoduls 38 über den Spannungsausgang 26 der Fahrzeugbatterie 28 zugeführt. Die beiden Wandlereinheiten 15, 17 sind zwecks AC-Aufladens daher miteinander reihengeschaltet.
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3 zeigt eine schematische Darstellung eines DC-Aufladens mittels der Wandlereinrichtung 10 aus 1. Hier ist ebenfalls mittels mehrerer Pfeile die DC-Stromführung rein illustrativ und stark vereinfacht gezeigt. Ein durch die DC-Ladespannung 13 generierter DC-Strom wird in zwei DC-Zweigströme aufgeteilt. Ein erster DC-Zweigstrom wird der ersten Wandlereinheit 15 zugeführt, während ein zweiter DC-Zweigstrom der zweiten Wandlereinheit 17 zugeführt wird. Die beiden Wandlereinheiten 15, 17, durch die die beiden DC-Zweigströme jeweils moduliert sind, sind zwecks DC-Aufladens daher miteinander parallelgeschaltet. Mit Hilfe der Strommodulierung wird die DC-Ladespannung 13 auf die Nennspannung der Fahrzeugbatterie 28 hochgesetzt. Die modulierten DC-Zweigströme münden nach Verlassen der jeweiligen Wandlereinheit 15, 17 in einen DC-Ausgangsstrom, der nach Passieren des DC-seitigen zweiten Filtermoduls 38 schließlich über den Spannungsausgang 26 in Form der (ersten) DC-Ausgangsspannung der Fahrzeugbatterie 28 zugeführt wird.
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4 zeigt ein schematisches, beispielhaftes Schaltbild einer weiteren Ausführung einer Wandlereinrichtung 100A. Die Wandlereinrichtung 100A ist hier im Detail dargestellt. Der AC-Eingang 12 umfasst drei Phaseneingänge L1, L2, L3, die jeweils zum Einspeisen eines von drei Phasenströmen über einen dazugehörigen Schalter S1-S3 ausgebildet sind, die durch die AC-Ladespannung 11 (siehe 1) generiert sind. Ein zusätzlicher Schalter S4 verbindet den ersten Phaseneingang L1 direkt mit der Ausgangsseite des zweiten Phaseneingangs L2. Die Phasenströme sind beispielsweise jeweils um 120 Grad voneinander phasenversetzt. Die Phaseneingänge L1, L2, L3 dienen zum mehrphasigen Aufladen der Fahrzeugbatterie 28. Zusätzlich umfasst der AC-Eingang 12 einen Hilfseingang N, der zum einphasigen Aufladen der Fahrzeugbatterie 28 über einen dazugehörigen Schalter S5 ausgebildet ist. Das Fehlerstromschutzmodul 34 ist dem AC-Eingang 12 nachgeschaltet, wobei das erste Filtermodul 36 dem Fehlerstromschutzmodul 34 nachgeschaltet ist. Die erste Wandlereinheit 15, die hier vorzugsweise als PFC-Einheit ausgebildet ist, ist dem ersten Filtermodul 36 nachgeschaltet. Die erste Speicherdrossel 16 ist durch drei Spulen 162, 164, 166 gebildet, die vorzugsweise durch in der elektrischen Maschine verbauten Spulen bereitgestellt sind. Die erste Halbbrückenanordnung 20 ist hier vorzugsweise als sogenannte B6-Brücke ausgebildet und umfasst drei Halbbrücken 202, 204, 206, die jeweils einer von drei Phasen zugeordnet sind. Gleichzeitig ist die zweite Wandlereinheit 17, die hier vorzugsweise als Inverswandlermodul (Buck-Boost-Converter) ausgebildet ist, ist der ersten Wandlereinheit 15 nachgeschaltet, wobei ein Zwischenkreiskondensator 24 zwischen der ersten Wandlereinheit 15 und der zweiten Wandlereinheit 17 zwischengeschaltet ist. Die zweite Speicherdrossel 18 ist durch drei Spulen 182, 184, 186 gebildet, die vorzugsweise durch in der elektrischen Maschine verbauten Spulen bereitgestellt sind. Die zweite Halbbrückenanordnung 22 ist hier vorzugsweise ebenfalls als sogenannte B6-Brücke ausgebildet und umfasst drei Halbbrücken 222, 224, 226, die ebenfalls jeweils einer von drei Phasen zugeordnet sind.
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Der Spannungsausgang 26 ist hier zum Anschließen der hier vorzugsweise als Hochvolt-Batterie ausgebildeten Fahrzeugbatterie 28 ausgebildet. Dazu umfasst der Spannungsausgang 26 einen pluspoligen Anschluss HV+ und einen minuspoligen Anschluss HV-. Zwischen dem Spannungsausgang 26 und der zweiten Wandlereinheit 17 ist das zweite Filtermodul 38 verschaltet. Sowohl das AC-seitige erste Filtermodul 36 als auch das DC-seitige zweite Filtermodul 38 können jeweils als sogenanntes Common-Mode-Filtermodul ausgebildet sein. Wie in 4 ersichtlich, sind zusätzlich mehrere Kondensatoren, nämlich ein Nebenzwischenkreiskondensator 25 und vier geerdete Kondensatoren 27a-d, ausgangsseitig der Wandlereinrichtung 100B vorgesehen. Zwischen dem Nebenzwischenkreiskondensator 25 und der zweiten Wandlereinheit 17 ist ein Schalter K7 im Einsatz.
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Wie in 4 schematisch gezeigt, wird zum mehrphasigen AC-Aufladen der Fahrzeugbatterie 28 der durch die eingespeiste AC-Ladespannung 11 generierte AC-Strom mit den Phasenströmen nach dem Passieren des Fehlerstromschutzmoduls 34 und des AC-seitigen ersten Filtermoduls 36 der ersten Wandlereinheit 15 zugeführt. Die Phasenströme werden jeweils in eine der Spulen 162, 164, 166 der ersten Speicherdrossel 16 und darüber hinaus in eine der Halbbrücken 202, 204, 206 in einer festen Entsprechung geführt. Durch die erste Wandlereinheit 15, die hier als PFC-Einheit ausgebildet ist und als erste Übersetzungsstufe fungiert, wird die AC-Ladespannung 11 hochgesetzt. Hieraus ergibt sich mittels gezielten Schaltens der in den Halbbrücken 202, 204, 206 verbauten Halbleiterschaltelemente gemäß einer Pulsbreitenmodulierung (Engl.: Pulse Width Modulation, PWM), die die Phasenverhältnisse zwischen den Phasenströmen verändert, eine DC-Zwischenspannung, die größenordnungsmäßig der Nennspannung der Fahrzeugbatterie 28 entspricht. Diese DC-Zwischenspannung ist allerdings rippelbehaftet und zum Aufladen der Fahrzeugbatterie 28 ungeeignet. Um die Rippelsignale zu beseitigen, werden die Phasenströme über den Zwischenkreiskondensator 24 in die zweite Wandlereinheit 17 geleitet, die hier als Buck-Boost-Converter ausgebildet ist und als zweite Übersetzungsstufe fungiert. Hieraus ergibt sich ebenfalls mittels gezielten PWM-Schaltens der in den Halbbrücken 222, 224, 226 verbauten Halbleiterschaltelemente und in Kombination mit den Spulen 182, 184, 186 der zweiten Speicherdrossel 18 eine optimierte (zweite) DC-Ausgangsspannung, die zum Aufladen der Fahrzeugbatterie 28 geeignet ist.
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Alternativ kann zum einphasigen Aufladen ein einphasiger Strom über den Hilfseingang N eingespeist werden, der dann über einen dem Hilfseingang N zugeordneten Schalter S6 direkt (insbesondere die erste Speicherdrossel 16 umgehend, Engl.: bypassing) an die der dritten Phase zugeordnete Halbbrücke 206 der ersten Halbbrückenanordnung 20 geleitet wird. Analog zum mehrphasigen Aufladen wird die AC-Ladespannung 11 auch in diesem Fall über die beiden Wandlerstufen bestehend aus der ersten Wandlereinheit 15 und der zweiten Wandlereinheit 17 jeweils hochgesetzt bzw. hinsichtlich Rippelbeseitigung optimiert.
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5 zeigt ein schematisches, beispielhaftes Schaltbild einer weiteren Ausführung einer Wandlereinrichtung 100B. Die Wandlereinrichtung 100B ist hier im Detail dargestellt. Der AC-Eingang 12 umfasst die drei Phaseneingänge L1, L2, L3, die jeweils zum Einspeisen eines von drei Phasenströmen über einen dazugehörigen Schalter K9-K11 des Fehlerstromschutzmoduls 34 ausgebildet sind, die durch die AC-Ladespannung 11 generiert sind. Die Phasenströme sind auch hier beispielsweise jeweils um 120 Grad voneinander phasenversetzt. Die Phaseneingänge L1, L2, L3 dienen zum mehrphasigen Aufladen der Fahrzeugbatterie 28. Zusätzlich umfasst der AC-Eingang 12 auch hier den Hilfseingang N zum einphasigen Aufladen der Fahrzeugbatterie 28 über einen zusätzlichen Schalter K12 des Fehlerstromschutzmoduls 34. Das Fehlerstromschutzmodul 34 ist dem AC-Eingang 12 nachgeschaltet, wobei das erste Filtermodul 36 dem Fehlerstromschutzmodul 34 nachgeschaltet ist. Die erste Wandlereinheit 15 und die zweite Wandlereinheit 17 sind im Beschaltungsdetail der Wandlereinrichtung 100A aus 4 entsprechend ausgebildet.
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Der DC-Eingang 14 ist zum Einspeisen der eingangsseitigen DC-Ladespannung 13 (siehe 1-3) ausgebildet und weist hierzu einen pluspoligen Anschluss DC+ und einen minuspoligen Anschluss DC- auf. Entsprechend den Anschlüssen DC+, DCsind zwei Schalter K4, K5 vorgesehen. An einem zweiten Knotenpunkt 32, der vorzugsweise dem DC-Eingang 14 näher als dem Spannungsausgang 26 angeordnet ist, sind drei Schalter K1, K2, K3 jeweils über eine dazugehörige Stromleitung mit dem DC-Eingang 14 verbunden.
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Der Spannungsausgang 26 ist hier zum Anschließen der hier vorzugsweise als Hochvolt-Batterie ausgebildeten Fahrzeugbatterie 28 ausgebildet. Dazu umfasst der Spannungsausgang 26 einen pluspoligen Anschluss HV+ und einen minuspoligen Anschluss HV-. Zwischen dem Spannungsausgang 26 und der zweiten Wandlereinheit 17 ist das zweite Filtermodul 38 verschaltet. Sowohl das AC-seitige erste Filtermodul 36 als auch das DC-seitige zweite Filtermodul 38 können jeweils als sogenanntes Common-Mode-Filtermodul ausgebildet sein. Wie in 5 ersichtlich, sind zusätzlich mehrere Kondensatoren, nämlich ein Nebenzwischenkreiskondensator 25 und vier geerdete Kondensatoren 27a-d, ausgangsseitig der Wandlereinrichtung 100B vorgesehen. Zwischen dem Nebenzwischenkreiskondensator 25 und der zweiten Wandlereinheit 17 ist ein Schalter K7 im Einsatz.
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Wie in 5 schematisch gezeigt, wird zum mehrphasigen AC-Aufladen der Fahrzeugbatterie 28 der durch die eingespeiste AC-Ladespannung 11 generierte AC-Strom mit den Phasenströmen nach dem Passieren des Fehlerstromschutzmoduls 34 und des AC-seitigen ersten Filtermoduls 36 der ersten Wandlereinheit 15 zugeführt. Zwecks AC-Aufladens werden die Schalter K1-6 geöffnet und ein zusätzlicher Schalter K7 (neben den vom AC-Eingang 12 ausgehenden Schaltern K8-12) geschlossen. Die Phasenströme werden jeweils in eine der Spulen 162, 164, 166 der ersten Speicherdrossel 16 und darüber hinaus in eine der Halbbrücken 202, 204, 206 in einer festen Entsprechung geführt. Durch die erste Wandlereinheit 15, die hier als PFC-Einheit ausgebildet ist und als erste Übersetzungsstufe fungiert, wird die AC-Ladespannung 11 hochgesetzt. Hieraus ergibt sich mittels gezielten Schaltens der in den Halbbrücken 202, 204, 206 verbauten Halbleiterschaltelemente gemäß einer Pulsbreitenmodulierung (Engl.: Pulse Width Modulation, PWM), die die Phasenverhältnisse zwischen den Phasenströmen verändert, eine DC-Zwischenspannung, die größenordnungsmäßig der Nennspannung der Fahrzeugbatterie 28 entspricht. Diese DC-Zwischensppannung ist allerdings rippelbehaftet und zum Aufladen der Fahrzeugbatterie 28 ungeeignet. Um die Rippelsignale zu beseitigen, werden die Phasenströme über den Zwischenkreiskondensator 24 über den ersten Knotenpunkt 30 in die zweite Wandlereinheit 17 geleitet, die hier als Buck-Boost-Converter ausgebildet ist und als zweite Übersetzungsstufe fungiert. Hieraus ergibt sich ebenfalls mittels gezielten PWM-Schaltens der in den Halbbrücken 222, 224, 226 verbauten Halbleiterschaltelemente und in Kombination mit den Spulen 182, 184, 186 der zweiten Speicherdrossel 18 eine optimierte (zweite) DC-Ausgangsspannung am dritten Knotenpunkt 31, die zum Aufladen der Fahrzeugbatterie 28 geeignet ist.
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Alternativ kann zum einphasigen Aufladen ein einphasiger Strom über den Hilfseingang N eingespeist werden, der dann über einen dem Hilfseingang N zugeordneten Schalter K8 direkt (insbesondere die erste Speicherdrossel 16 umgehend, Engl.: bypassing) an die der dritten Phase zugeordnete Halbbrücke 206 der ersten Halbbrückenanordnung 20 geleitet wird. Analog zum mehrphasigen Aufladen wird die AC-Ladespannung 11 auch in diesem Fall über die beiden Wandlerstufen bestehend aus der ersten Wandlereinheit 15 und der zweiten Wandlereinheit 17 jeweils hochgesetzt bzw. hinsichtlich Rippelbeseitigung optimiert.
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Zwecks des AC-Aufladens werden ein Schalter K6 auf einer von einem ersten Knotenpunkt 30, an dem der Zwischenkreiskondensator 24 verschaltet ist, ausgehenden Außenleitung 35 sowie die vom DC-Eingang 14 ausgehenden Schalter K4, K5 geöffnet. Auf diese Weise sind die beiden Wandlereinheiten 15, 17 zwecks AC-Stromführung (in 5 durch Pfeile rein illustrativ angedeutet) in Reihe zueinander geschaltet.
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6 zeigt ein schematisches, beispielhaftes Schaltbild einer weiteren Ausführung einer Wandlereinrichtung 100C. Die Wandlereinrichtung 100C ist hier im Detail dargestellt. Der AC-Eingang 12 umfasst drei Phaseneingänge L1, L2, L3, die jeweils zum Einspeisen eines von drei Phasenströmen über einen dazugehörigen Schalter R11-R13 des Fehlerstromschutzmoduls 34 ausgebildet sind, die durch die AC-Ladespannung 11 (siehe 1) generiert sind. Ein zusätzlicher Schalter R10 verbindet den ersten Phaseneingang L1 direkt mit der Ausgangsseite des zweiten Phaseneingangs L2. Die Phasenströme sind beispielsweise jeweils um 120 Grad voneinander phasenversetzt. Die Phaseneingänge L1, L2, L3 dienen zum mehrphasigen Aufladen der Fahrzeugbatterie 28. Zusätzlich umfasst der AC-Eingang 12 einen Hilfseingang N, der zum einphasigen Aufladen der Fahrzeugbatterie 28 über einen dazugehörigen Schalter R14 des Fehlerstromschutzmoduls 24 ausgebildet ist. Das Fehlerstromschutzmodul 34 ist dem AC-Eingang 12 nachgeschaltet, wobei das erste Filtermodul 36 dem Fehlerstromschutzmodul 34 nachgeschaltet ist. Die erste Wandlereinheit 15 und die zweite Wandlereinheit 17 sind im Beschaltungsdetail den obigen Ausführungsformen aus 4-5 entsprechend ausgebildet.
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Der DC-Eingang 14 ist zum Einspeisen der eingangsseitigen DC-Ladespannung 13 (siehe 1-3) ausgebildet und weist den pluspoligen Anschluss DC+ und den minuspoligen Anschluss DC- auf. Dem pluspoligen Anschluss DC+ ist eine erste DC-Hauptleitung 39 zugeordnet, wobei dem minuspoligen Anschluss DC- eine zweite DC-Hauptleitung 29 zugeordnet ist. Entsprechend den Anschlüssen DC+, DC- und damit auch den DC-Hauptleitungen 39, 29 sind zwei Schalter R4, R5 vorgesehen. Über den Schalter R4 ist die erste DC-Hauptleitung 39 mit dem pluspoligen Anschluss HV+ des Spannungsausgangs 26 elektrisch verbunden, wobei über den Schalter R5 ist die zweite DC-Hauptleitung 29 mit dem minuspoligen Anschluss HV- des Spannungsausgangs 26 elektrisch verbunden ist. Auch bei dieser Ausführungsform sind am zweiten Knotenpunkt 32, der vorzugsweise dem DC-Eingang 14 näher als dem Spannungsausgang 26 angeordnet ist, drei Schalter R1, R2, R3 jeweils über eine dazugehörige Stromleitung mit dem DC-Eingang 14 verbunden. Gleichzeitig ist ein Schalter R8 zwischen einem dritten Knotenpunkt 31 ausgangsseitig der zweiten Wandlereinheit 17 und der ersten DC-Hauptleitung 39 angeordnet, wobei ein weiterer Schalter R9 zwischen dem Nebenzwischenkreiskondensator 25 und der zweiten DC-Hauptleitung 29 angeordnet ist.
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Der Spannungsausgang 26 ist hier ebenfalls den obigen Ausführungsformen aus 4-5 entsprechend ausgebildet. Zwischen dem Nebenzwischenkreiskondensator 25 und der zweiten Wandlereinheit 17 ist auch hier wie bei der in 5 gezeigten Ausführungsform ein Schalter R7 im Einsatz.
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Die Wandlereinrichtung 100C kann zum AC-Aufladen der Fahrzeugbatterie 28 verwendet werden. Hierzu werden analog zur in 5 gezeigten Ausführungsform ein Schalter R6 auf der Außenleitung 35 sowie sämtliche vom DC-Eingang 14 ausgehenden Schalter R1-5, R8, R9 geöffnet, sodass über die Außenleitung 35 und die Leitungen 29, 37, 39 kein Strom fließen kann und die beiden Wandlereinheiten 15, 17 zwecks AC-Stromführung in Reihe zueinander geschaltet sind.
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Zum DC-Aufladen kann hier zwischen zwei Fällen unterschieden werden. Wenn die von der DC-Ladeeinrichtung bereitgestellte DC-Ladespannung 13 geringer als die Nennspannung der aufzuladenden Fahrzeugbatterie 28 ist, wird die DC-Ladespannung 13 zunächst auf die Nennspannung hochgesetzt. Dazu werden die Schalter R8, R9 geschlossen und die Schalter R4, R5 geöffnet. Gleichzeitig werden die Schalter R1-3, R6 ebenfalls geschlossen, wobei der Schalter R7 geöffnet wird. In diesem Fall sind die beiden DC-Hauptleitungen 39, 29 nicht direkt an den Spannungsausgang 26 angeschlossen. Der durch die eingespeiste DC-Ladespannung 13 generierte DC-Strom wird am zweiten Knotenpunkt 32 in zwei DC-Zweigströme aufgeteilt. Ein erster DC-Zweigstrom wird durch eine Zweigleitung 37 getragen und wird des Weiteren in drei erste DC-Stromkomponenten zusätzlich aufgeteilt, die über die Schalter R1, R2, R3 den verschiedenen Spulen 162, 164, 166 der ersten Speicherdrossel 16 sowie den verschiedenen Halbbrücken 202, 204, 206 der ersten Halbbrückenanordnung 20 zugeführt werden. Mittels gezielten Schaltens der in den Halbbrücken 202, 204, 206 verbauten Halbleiterschaltelemente werden die ersten DC-Stromkomponenten moduliert, um dadurch die DC-Ladespannung 13 hochzusetzen. Die modulierten ersten DC-Stromkomponenten fließen danach von den Halbbrücken 202, 204, 206 zum ersten Knotenpunkt 30 (in 6 durch Pfeile angedeutet).
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Gleichzeitig wird ein zweiter DC-Zweigstrom durch die erste DC-Hauptleitung 39 getragen und über den geschlossenen Schalter R8 sowie den dritten Knotenpunkt 31 in drei zweite DC-Stromkomponenten zusätzlich aufgeteilt. Zwischen dem dritten Knotenpunkt 31 und einem vierten Knotenpunkt 33, an dem der Spannungsausgang 26 verbunden ist, ist der zusätzliche Schalter R7 vorgesehen, um im geöffneten Zustand zu verhindern, dass der zweite DC-Zweigstrom statt in Richtung der zweiten Wandlereinheit 17 zum Spannungsausgang 26 fließt. Die zweiten DC-Stromkomponenten werden den verschiedenen Spulen 182, 184, 186 der zweiten Speicherdrossel 18 sowie den verschiedenen Halbbrücken 222, 224, 226 der zweiten Halbbrückenanordnung 22 zugeführt. Auch hier werden mittels gezielten Schaltens der in den Halbbrücken 222, 224, 226 verbauten Halbleiterschaltelemente die zweiten DC-Stromkomponenten moduliert, um dadurch die DC-Ladespannung 13 hochzusetzen. Die modulierten zweiten DC-Stromkomponenten fließen danach von den Halbbrücken 222, 224, 226 ebenfalls zum ersten Knotenpunkt 30 (in 6 durch Pfeile angedeutet).
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Die ersten und zweiten DC-Stromkomponenten münden am ersten Knotenpunkt 30 in einen DC-Ausgangsstrom, der über den nun zwecks DC-Aufladens geschlossenen Schalter R6 durch die Außenleitung 35 in Richtung des Spannungsausgangs 26 getragen und dort schließlich in Form der ersten DC-Ausgangsspannung der Fahrzeugbatterie 28 zugeführt wird. Auf diese Weise werden die beiden Wandlereinheiten 15, 17 beim DC-Aufladen im Gegensatz zum AC-Aufladen zwecks DC-Stromführung (in 6 durch Pfeile rein illustrativ angedeutet) zueinander parallelgeschaltet. Aus der Parallelschaltung zwischen den beiden Wandler ergibt sich nicht nur eine Erweiterung der DC-Aufladeleistung, sondern gleichzeitig auch eine gegenüber den aus dem Stand der Technik bekannten Wandlereinrichtungen erhöhte Symmetrie der Stromverteilung, was eine entsprechend gleichmäßigere Wärmeverteilung in der Wandlereinrichtung 100C bedeutet. Hierdurch lässt sich die Abkühlung der Wandlereinrichtung 100C gleichmäßiger und wirksamer gestalten. Insbesondere sind sogenannte „Hotspots“ (d.h. vereinzelte Stellen mit deutlich erhöhter Wärmeeinprägung) reduziert oder gar beseitigt, sodass sich die Wandlereinrichtung 100C mit einer flächenmäßig im Wesentlichen homogenem Kühler abkühlen lässt.
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Wenn die bereitgestellte DC-Ladespannung 13 zumindest der Nennspannung der Fahrzeugbatterie 28 gleich groß ist, ist ein Hochsetzen der DC-Ladespannung 13 dagegen nicht erforderlich und Letztere kann direkt der Fahrzeugbatterie 28 über den Spannungsausgang 26 zugeführt werden. Dazu werden die Schalter R4-5 geschlossen, wobei die Schalter R10-14 des Fehlerstromschutzmoduls 34 und die Schalter R1-3 sowie R6-9 geöffnet werden.
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Auf diese Weise eignet sich die Wandlereinrichtung 100C dazu, wahlweise als DC/DC-Wandler zum Übersetzen der DC-Ladespannung 13 in die erste DC-Ausgangsspannung oder als Spannungsleiter zum Zuführen der DC-Ladespannung 13 direkt an die Fahrzeugbatterie 28 verwendet zu werden. Die in 6 gezeigte Beschaltung zum wahlweisen Anschließen des DC-Eingangs 14 an die erste Wandlereinheit 15 und die zweite Wandlereinheit 17 oder alternativ direkt an den Spannungsausgang 26 ist rein beispielhaft gezeigt und für die vorliegende Erfindung nicht einschränkend.
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7 zeigt das DC-Aufladen der Fahrzeugbatterie 28 mittels der in 5 gezeigten Ausführungsform. Wie in 7 schematisch gezeigt, wird zum DC-Aufladen der Fahrzeugbatterie 28 die Schalter K1-6 geschlossen und der Schalter K7 geöffnet. Der durch die eingespeiste DC-Ladespannung 13 generierte DC-Strom wird nach Passieren der Schalter K4, K5 am zweiten Knotenpunkt 32 in zwei DC-Zweigströme aufgeteilt. Ein erster DC-Zweigstrom wird durch eine Zweigleitung 37 getragen und wird des Weiteren in drei erste DC-Stromkomponenten zusätzlich aufgeteilt, die über die Schalter K1, K2, K3 den verschiedenen Spulen 162, 164, 166 der ersten Speicherdrossel 16 sowie den verschiedenen Halbbrücken 202, 204, 206 der ersten Halbbrückenanordnung 20 zugeführt werden. Mittels gezielten Schaltens der in den Halbbrücken 202, 204, 206 verbauten Halbleiterschaltelemente werden die ersten DC-Stromkomponenten moduliert, um dadurch die DC-Ladespannung 13 hochzusetzen. Die modulierten ersten DC-Stromkomponenten fließen danach von den Halbbrücken 202, 204, 206 zum ersten Knotenpunkt 30 (in 7 durch Pfeile angedeutet).
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Gleichzeitig wird ein zweiter DC-Zweigstrom durch die erste DC-Hauptleitung 39 getragen und über den dritten Knotenpunkt 31 in drei zweite DC-Stromkomponenten zusätzlich aufgeteilt. Zwischen dem dritten Knotenpunkt 31 und einem vierten Knotenpunkt 33, an dem der Spannungsausgang 26 verbunden ist, ist ein zusätzlicher Schalter K7 vorgesehen, um im geöffneten Zustand zu verhindern, dass der zweite DC-Zweigstrom statt in Richtung der zweiten Wandlereinheit 17 zum Spannungsausgang 26 fließt. Zwecks AC-Aufladens wird der Schalter K7 geschlossen, um die zweite DC-Ausgangsspannung ausgangsseitig der Fahrzeugbatterie 28 zuzuführen. Die zweiten DC-Stromkomponenten werden den verschiedenen Spulen 182, 184, 186 der zweiten Speicherdrossel 18 sowie den verschiedenen Halbbrücken 222, 224, 226 der zweiten Halbbrückenanordnung 22 zugeführt. Auch hier werden mittels gezielten Schaltens der in den Halbbrücken 222, 224, 226 verbauten Halbleiterschaltelemente die zweiten DC-Stromkomponenten moduliert, um dadurch die DC-Ladespannung 13 hochzusetzen.
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Die modulierten zweiten DC-Stromkomponenten fließen danach von den Halbbrücken 222, 224, 226 ebenfalls zum ersten Knotenpunkt 30 (in 7 durch Pfeile angedeutet).
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Die ersten und zweiten DC-Stromkomponenten münden am ersten Knotenpunkt 30 in einen DC-Ausgangsstrom, der über den nun zwecks DC-Aufladens geschlossenen Schalter K6 durch die Außenleitung 35 in Richtung des Spannungsausgangs 26 getragen und dort schließlich in Form der ersten DC-Ausgangsspannung der Fahrzeugbatterie 28 zugeführt wird. Auf diese Weise werden die beiden Wandlereinheiten 15, 17 beim DC-Aufladen im Gegensatz zum AC-Aufladen zwecks DC-Stromführung (in 7 durch Pfeile rein illustrativ angedeutet) zueinander parallelgeschaltet. Aus der Parallelschaltung zwischen den beiden Wandler ergibt sich nicht nur eine Erweiterung der DC-Aufladeleistung, sondern gleichzeitig auch eine gegenüber den aus dem Stand der Technik bekannten Wandlereinrichtungen erhöhte Symmetrie der Stromverteilung, was eine entsprechend gleichmäßigere Wärmeverteilung in der Wandlereinrichtung 100B bedeutet. Hierdurch lässt sich die Abkühlung der Wandlereinrichtung 100B gleichmäßiger und wirksamer gestalten. Insbesondere sind sogenannte „Hotspots“ (d.h. vereinzelte Stellen mit deutlich erhöhter Wärmeeinprägung) reduziert oder gar beseitigt, sodass sich die Wandlereinrichtung 100B mit einer flächenmäßig im Wesentlichen homogenem Kühler abkühlen lässt.
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Die Schalter K1-K8 können zumindest teilweise als Halbleiterschalter, etwa MOSFET, IGBT und/oder HEMT ausgebildet sein. Die Schalter K1-K8, S1-S6, R1-R15 können zumindest teilweise mittels einer (vorzugsweise im Fahrzeug verbauten, alternativ externen) Steuereinheit zwecks Stromführung elektronisch angesteuert werden. Die Schalter K6, K7, R6 und/oder R7 sind vorzugsweise als Wechselschalter ausgeführt.
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Bezugszeichenliste
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- 10, 100
- A-C Wandlereinrichtung
- 11
- AC-Ladespannung
- 12
- AC-Eingang
- 13
- DC-Ladespannung
- 14
- DC-Eingang
- 15
- erste Wandlereinheit (PFC-Einheit)
- 16
- erste Speicherdrossel (Buck-Boost-Converter/Inverswandler)
- 162-166
- Spulen
- 17
- zweite Wandlereinheit
- 18
- zweite Speicherdrossel
- 182-186
- Spulen
- 20
- erste Halbbrückenanordnung
- 202-206, 222-226
- Halbbrücken
- 22
- zweite Halbbrückenanordnung
- 24
- Zwischenkreiskondensator
- 26
- Spannungsausgang
- 27a-d
- geerdete Kondensatoren
- 28
- Fahrzeugbatterie
- 29
- zweite DC-Hauptleitung
- 30
- erster Knotenpunkt
- 31
- dritter Knotenpunkt
- 32
- zweiter Knotenpunkt
- 33
- vierter Knotenpunkt
- 34
- Fehlerstromschutzmodul
- 35
- Außenleitung
- 36
- erstes Filtermodul
- 37
- Zweigleitung
- 38
- zweites Filtermodul
- 39
- erste DC-Hauptleitung
- L1-L3
- Phaseneingänge
- N
- Hilfseingang
- K1-K8, S1-S6, R1-R15
- Schalter
