DE102022210189A1 - DC-DC converter, electric vehicle and method for operating a DC-DC converter - Google Patents
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Abstract
Gleichspannungswandler mit drei Gleichspannungsanschlüssen, zwischen denen elektrische Energie ausgetauscht werden kann. Hierbei ist in dem Gleichspannungswandler mindestens ein Schwingkreis für einen resonanten Betrieb des Gleichspannungswandlers vorgesehen. Bevorzugt sind auch für weitere Gleichspannungsanschlüsse Bauelemente für einen resonanten Betrieb vorgesehen.DC-DC converter with three DC voltage connections between which electrical energy can be exchanged. Here, at least one resonant circuit is provided in the DC-DC converter for resonant operation of the DC-DC converter. Components for resonant operation are also preferably provided for further DC voltage connections.
Description
Technisches GebietTechnical area
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Gleichspannungswandler sowie ein Elektrofahrzeug mit einem solchen Gleichspannungswandler. Die vorliegende Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Betreiben eines Gleichspannungswandlers. Die vorliegende Erfindung betrifft insbesondere einen Gleichspannungswandler mit drei Gleichspannungsanschlüssen.The present invention relates to a DC-DC converter and an electric vehicle with such a DC-DC converter. The present invention further relates to a method for operating a DC-DC converter. The present invention particularly relates to a DC-DC converter with three DC voltage connections.
Stand der TechnikState of the art
Ein elektrisches Bordnetz eines ganz oder zumindest teilweise elektrisch angetriebenen Fahrzeugs umfasst in der Regel ein Hochvoltnetz und ein Niedervoltnetz. Das Hochvoltnetz weist in der Regel eine elektrische Gleichspannung im Bereich von einigen Hundert Volt auf. Das Niedervoltnetz weist in der Regel eine signifikant geringere elektrische Gleichspannung, beispielsweise im Bereich von 12 bis 14, 24 oder 48 Volt, auf. Üblicherweise wird ein elektrisches Antriebssystem eines solchen Fahrzeugs sowie gegebenenfalls weitere Verbraucher mit hoher Leistungsaufnahme von dem Hochvoltnetz gespeist. Das Niedervoltnetz speist in der Regel Verbraucher wie zum Beispiel Beleuchtungen, Steuergeräte, Brems- und Lenkaktuatoren oder ein Entertainmentsystem des Fahrzeugs.An electrical on-board network of a fully or at least partially electrically powered vehicle generally includes a high-voltage network and a low-voltage network. The high-voltage network usually has an electrical direct voltage in the range of a few hundred volts. The low-voltage network usually has a significantly lower electrical direct voltage, for example in the range of 12 to 14, 24 or 48 volts. Typically, an electric drive system of such a vehicle and possibly other consumers with high power consumption are powered by the high-voltage network. The low-voltage network usually supplies consumers such as lighting, control devices, braking and steering actuators or a vehicle entertainment system.
Hochvoltnetz und Niedervoltnetz können beispielsweise mittels eines Gleichspannungswandlers miteinander gekoppelt sein. Mittels eines solchen Gleichspannungswandlers kann elektrische Energie zwischen dem Hochvoltnetz und dem Niedervoltnetz ausgetauscht werden. Auf diese Weise können zum Beispiel elektrische Verbraucher im Niedervoltnetz mittels elektrischer Energie von einer Traktionsbatterie in dem Hochvoltnetz mit elektrischer Energie versorgt werden.The high-voltage network and the low-voltage network can be coupled to one another, for example, using a DC-DC converter. Using such a DC-DC converter, electrical energy can be exchanged between the high-voltage network and the low-voltage network. In this way, for example, electrical consumers in the low-voltage network can be supplied with electrical energy from a traction battery in the high-voltage network.
Die Druckschrift
Darüber hinaus kann in einem solchen Elektrofahrzeug ein weiterer Spannungswandler vorgesehen sein, welcher eine elektrische Spannung am Ladeanschluss des Fahrzeugs in eine Gleichspannung konvertiert, die dazu geeignet ist, die Traktionsbatterie des Elektrofahrzeugs aufzuladen.In addition, a further voltage converter can be provided in such an electric vehicle, which converts an electrical voltage at the charging connection of the vehicle into a direct voltage that is suitable for charging the traction battery of the electric vehicle.
Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention
Die vorliegende Erfindung schafft einen Gleichspannungswandler, ein Elektrofahrzeug und ein Verfahren zum Betreiben eines Gleichspannungswandlers mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche. Weitere vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche.The present invention provides a DC-DC converter, an electric vehicle and a method for operating a DC-DC converter having the features of the independent claims. Further advantageous embodiments are the subject of the dependent claims.
Demgemäß ist vorgesehen:Accordingly it is provided:
Ein Gleichspannungswandler mit einem Transformator, einer ersten H-Brückenschaltung, einer zweiten H-Brückenschaltung, einer dritten H-Brückenschaltung, einem ersten Schwingkreis und einer Induktivität. Der Transformator umfasst eine Primärwicklung, eine erste Sekundärwicklung und eine zweite Sekundärwicklung. Die erste H-Brückenschaltung ist an den Außenanschlüssen der ersten H-Brückenschaltung mit einem ersten Gleichspannungsanschluss verbunden. Ferner ist die erste H-Brückenschaltung an Mittenanschlüssen der ersten H-Brückenschaltung mit der Primärwicklung des Transformators elektrisch gekoppelt. Die zweite H-Brückenschaltung ist an Außenanschlüssen der zweiten H-Brückenschaltung mit einem zweiten Gleichspannungsanschluss verbunden. Weiterhin ist die zweite H-Brückenschaltung an Mittenanschlüssen der zweiten H-Brückenschaltung mit der ersten Sekundärwicklung des Transformators elektrisch gekoppelt. Die dritte H-Brückenschaltung ist an Außenanschlüssen der dritten H-Brückenschaltung mit einem dritten Gleichspannungsanschluss verbunden. Ferner ist die dritte H-Brückenschaltung an Mittenanschlüssen der dritten H-Brückenschaltung mit der zweiten Sekundärwicklung des Transformators elektrisch gekoppelt. Der erste Schwingkreis ist elektrisch zwischen den Mittenanschlüssen der ersten H-Brückenschaltung und der Primärwicklung des Transformators angeordnet. Die Induktivität ist elektrisch zwischen dem Mittenanschluss der dritten H-Brückenschaltung und der zweiten Sekundärwicklung des Transformators angeordnet.A DC-DC converter with a transformer, a first H-bridge circuit, a second H-bridge circuit, a third H-bridge circuit, a first resonant circuit and an inductor. The transformer includes a primary winding, a first secondary winding and a second secondary winding. The first H-bridge circuit is connected to a first DC voltage connection at the external connections of the first H-bridge circuit. Furthermore, the first H-bridge circuit is electrically coupled to the primary winding of the transformer at center connections of the first H-bridge circuit. The second H-bridge circuit is connected to a second DC voltage connection at external connections of the second H-bridge circuit. Furthermore, the second H-bridge circuit is electrically coupled to the first secondary winding of the transformer at center connections of the second H-bridge circuit. The third H-bridge circuit is connected to a third DC voltage terminal at external terminals of the third H-bridge circuit. Furthermore, the third H-bridge circuit is electrically coupled to the second secondary winding of the transformer at center connections of the third H-bridge circuit. The first resonant circuit is electrically arranged between the center connections of the first H-bridge circuit and the primary winding of the transformer. The inductor is electrically arranged between the center terminal of the third H-bridge circuit and the second secondary winding of the transformer.
Weiterhin ist vorgesehen:Furthermore it is planned:
Ein Elektrofahrzeug mit einem Hochvoltbordnetz, einem Niedervoltbordnetz und einem erfindungsgemäßen Gleichspannungswandler. Der zweite Gleichspannungsanschluss des Gleichspannungswandlers ist elektrisch mit dem Hochvoltbordnetz des Elektrofahrzeugs gekoppelt. Der dritte Gleichspannungsanschluss des Gleichspannungswandlers ist elektrisch mit dem Niedervoltbordnetz des Elektrofahrzeugs gekoppelt.An electric vehicle with a high-voltage electrical system, a low-voltage electrical system and a DC-DC converter according to the invention. The second DC voltage connection of the DC-DC converter is electrically coupled to the high-voltage electrical system of the electric vehicle. The third DC voltage connection of the DC-DC converter is electrically coupled to the low-voltage electrical system of the electric vehicle.
Schließlich ist vorgesehen:Finally it is planned:
Ein Verfahren zum Betreiben eines erfindungsgemäßen Gleichspannungswandlers. Zum Betrieb des Gleichspannungswandlers kann jeweils einer der folgenden Schritte ausgeführt werden:
- - Übertragen von elektrischer Energie von dem ersten Gleichspannungsanschluss an den zweiten Gleichspannungsanschluss in einem ersten Betriebsmodus;
- - Übertragen von elektrischer Energie von dem zweiten Gleichspannungsanschluss an den dritten Gleichspannungsanschluss in einem zweiten Betriebsmodus;
- - Übertragen von elektrischer Energie von dem dritten Gleichspannungsanschluss an den zweiten Gleichspannungsanschluss in einem dritten Betriebsmodus;
- - Übertragen von elektrischer Energie von dem zweiten Gleichspannungsanschluss an den ersten Gleichspannungsanschluss und an den dritten Gleichspannungsanschluss in einem vierten Betriebsmodus;
- - Übertragen von elektrischer Energie von dem zweiten Gleichspannungsanschluss an den ersten Gleichspannungsanschluss in einem fünften Betriebsmodus; oder
- - Übertragen von elektrischer Energie von dem dritten Gleichspannungsanschluss an den ersten Gleichspannungsanschluss in einem sechsten Betriebsmodus.
- - Transmitting electrical energy from the first DC voltage connection to the second DC voltage connection in a first operating mode;
- - Transmitting electrical energy from the second DC voltage connection to the third DC voltage connection in a second operating mode;
- - Transmitting electrical energy from the third DC voltage connection to the second DC voltage connection in a third operating mode;
- - Transmitting electrical energy from the second DC voltage connection to the first DC voltage connection and to the third DC voltage connection in a fourth operating mode;
- - Transmitting electrical energy from the second DC voltage connection to the first DC voltage connection in a fifth operating mode; or
- - Transmitting electrical energy from the third DC voltage connection to the first DC voltage connection in a sixth operating mode.
Hierbei ist die elektrische Gleichspannung an dem dritten Gleichspannungsanschluss kleiner als die elektrische Gleichspannung an dem zweiten Gleichspannungsanschluss.Here, the direct electrical voltage at the third direct voltage connection is smaller than the direct electrical voltage at the second direct voltage connection.
Vorteile der ErfindungAdvantages of the invention
Der vorliegenden Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass in Elektrofahrzeugen einerseits ein Energieaustausch zwischen Hochvoltnetz und Niedervoltnetz mittels eines Gleichspannungswandlers erfolgt und darüber hinaus auch ein weiterer Spannungswandler zwischen einem Ladeanschluss und dem Fahrzeugbordnetz, insbesondere dem Hochvoltbordnetz vorgesehen ist. Die Spannungswandler ermöglichen es, das Spannungsniveau bei der Spannungswandlung anzupassen und darüber hinaus auch eine galvanische Trennung zu realisieren. Die Verwendung von mindestens zwei separaten Spannungswandlern erfordert einen großen Hardwareaufwand und somit auch entsprechend hohe Kosten.The present invention is based on the knowledge that in electric vehicles, on the one hand, energy is exchanged between the high-voltage network and the low-voltage network by means of a DC-DC converter and, in addition, a further voltage converter is also provided between a charging connection and the vehicle electrical system, in particular the high-voltage electrical system. The voltage converters make it possible to adjust the voltage level during voltage conversion and also to implement galvanic isolation. The use of at least two separate voltage converters requires a lot of hardware and therefore correspondingly high costs.
Es ist daher eine Idee der vorliegenden Erfindung, dieser Erkenntnis Rechnung zu tragen und einen Gleichspannungswandler zu schaffen, welcher eine effiziente, kompakte und kostengünstige Spannungswandlung zwischen mehr als zwei Spannungsnetzen, insbesondere Gleichspannungsnetzen realisieren kann. Hierbei ist es wünschenswert, einen Gleichspannungswandler zu schaffen, welcher flexibel und effizient elektrische Energie in beliebiger Richtung zwischen den einzelnen Anschlüssen und den entsprechenden Spannungsniveaus konvertieren kann.It is therefore an idea of the present invention to take this knowledge into account and to create a DC-DC converter which can realize an efficient, compact and cost-effective voltage conversion between more than two voltage networks, in particular DC voltage networks. It is desirable to create a DC-DC converter that can flexibly and efficiently convert electrical energy in any direction between the individual connections and the corresponding voltage levels.
Erfindungsgemäß wird hierzu ein Gleichspannungswandler bereitgestellt, welcher drei Gleichspannungsanschlüsse aufweist. Der Gleichspannungswandler kann in unterschiedlichen Betriebsmodi betrieben werden. Je nach Betriebsmodus kann dabei elektrische Energie zwischen den einzelnen Gleichspannungsanschlüssen ausgetauscht werden. Der vorgeschlagene Gleichspannungswandler umfasst mindestens einen Schwingkreis. Somit kann unter Einbeziehung dieses Schwingkreises der Gleichspannungswandler in einem resonanten Betriebsmodus betrieben werden. Hierbei kann der Gleichspannungswandler intern mit einer Frequenz angeregt werden, welche auf die Resonanzfrequenz des Schwingkreises abgestimmt ist. Durch Anpassen der Anregefrequenz und/oder Einstellen einer elektrischen Phase innerhalb des Gleichspannungswandlers kann somit die Energieübertragung zwischen den einzelnen Gleichspannungsanschlüssen geregelt werden.According to the invention, a DC-DC converter is provided for this purpose, which has three DC voltage connections. The DC-DC converter can be operated in different operating modes. Depending on the operating mode, electrical energy can be exchanged between the individual DC voltage connections. The proposed DC-DC converter includes at least one resonant circuit. Thus, by including this resonant circuit, the DC-DC converter can be operated in a resonant operating mode. The DC-DC converter can be excited internally at a frequency that is matched to the resonance frequency of the resonant circuit. By adjusting the excitation frequency and/or setting an electrical phase within the DC-DC converter, the energy transfer between the individual DC voltage connections can be regulated.
Neben resonanten Betriebsmodi, die, wie oben bereits angeführt, auf die Resonanzfrequenz eines Schwingkreises in dem Gleichspannungswandler abgestimmt sein können, sind in dem Gleichspannungswandler auch ein oder mehrere Betriebsmodi möglich, bei denen der Gleichspannungswandler als Dual Active Bridge (DAB) Gleichspannungswandler betrieben wird.In addition to resonant operating modes, which, as already mentioned above, can be tuned to the resonance frequency of a resonant circuit in the DC-DC converter, one or more operating modes are also possible in the DC-DC converter, in which the DC-DC converter is operated as a Dual Active Bridge (DAB) DC-DC converter.
Somit kann je nach gewünschter Richtung der Energieübertragung zwischen den drei Gleichspannungsanschlüssen ein geeigneter Betriebsmodus für eine möglichst effiziente Energieübertragung gewählt werden. Das Grundprinzip eines resonanten Betriebs sowie das DAB-Betriebs wird als bekannt angesehen und daher hier nicht weiter erläutert.Thus, depending on the desired direction of energy transfer between the three DC voltage connections, a suitable operating mode can be selected for the most efficient energy transfer possible. The basic principle of resonant operation as well as DAB operation is considered to be known and is therefore not explained further here.
Die H-Brückenschaltungen zwischen den jeweiligen Gleichspannungsanschlüssen und den Primär- bzw. Sekundärwicklungen des Transformators umfassen jeweils zwei Halbbrücken. Jede Halbbrücke umfasst zwei in Serie geschaltete Halbleiterschaltelemente. Bei den Halbleiterschaltelementen kann es sich beispielsweise um MOSFET oder bipolare Transistoren mit einem isolierten Gate-Anschluss (IGBT) handeln. Die beiden Halbleiterschaltelemente einer Halbbrücke sind jeweils an einem Mittenanschluss elektrisch miteinander verbunden. Die jeweils anderen Anschlüsse der Halbleiterschaltelemente sind als Außenanschlüsse mit Anschlusspunkten des korrespondierenden Gleichspannungsanschlusses elektrisch verbunden. Die einzelnen Schaltelemente der H-Brückenschaltungen können über geeignete Treiberstufen von einer Steuereinrichtung angesteuert werden. Auf diese Weise kann der Energiefluss durch den Gleichspannungswandler in gewünschter Weise gesteuert werden.The H-bridge circuits between the respective DC voltage connections and the primary and secondary windings of the transformer each include two half bridges. Each half bridge includes two semiconductor switching elements connected in series. The semiconductor switching elements can be, for example, MOSFETs or bipolar transistors with an insulated gate connection (IGBT). The two semiconductor switching elements of a half bridge are each electrically connected to one another at a center connection. The other connections of the semiconductor switching elements are electrically connected as external connections to connection points of the corresponding DC voltage connection. The individual switching elements of the H-bridge circuits can be controlled by a control device via suitable driver stages. To this In this way, the energy flow through the DC-DC converter can be controlled in the desired manner.
Gemäß einer Ausführungsform umfasst der Gleichspannungswandler ein Schaltelement. Dieses Schaltelement ist elektrisch parallel zu der Induktivität an der zweiten Sekundärwicklung des Transformators angeordnet. Somit ist das Schaltelement analog zu der Induktivität zwischen einem Mittenanschluss der dritten H-Brückenschaltung und der zweiten Sekundärwicklung des Transformators angeordnet. Durch das Schließen dieses Schaltelements kann die Induktivität kurzgeschlossen bzw. überbrückt werden. Somit können die induktiven Eigenschaften dieser Induktivität je nach Schaltzustand des Schaltelements gezielt aktiviert bzw. deaktiviert werden.According to one embodiment, the DC-DC converter comprises a switching element. This switching element is arranged electrically parallel to the inductance on the second secondary winding of the transformer. The switching element is thus arranged analogously to the inductance between a center connection of the third H-bridge circuit and the second secondary winding of the transformer. By closing this switching element, the inductance can be short-circuited or bridged. The inductive properties of this inductance can thus be specifically activated or deactivated depending on the switching state of the switching element.
Gemäß einer Ausführungsform ist die Induktivität zwischen einem der Mittenanschlüsse der dritten H-Brückenschaltung und der zweiten Sekundärwicklung des Transformators in dem Transformator integriert. Auf diese Weise kann eine besonders kompakte Bauform realisiert werden.According to one embodiment, the inductance is integrated in the transformer between one of the center terminals of the third H-bridge circuit and the second secondary winding of the transformer. In this way, a particularly compact design can be realized.
Gemäß einer Ausführungsform umfasst der Gleichspannungswandler einen zweiten Schwingkreis. Der zweite Schwingkreis kann, analog zu dem ersten Schwingkreis, einen Kondensator und eine Spule umfassen. Der zweite Schwingkreis des Gleichspannungswandlers kann elektrisch zwischen den Mittenanschlüssen der zweiten H-Brückenschaltung und der ersten Sekundärwicklung des Transformators angeordnet sein. Auf diese Weise kann auch der zweite Schwingkreis für resonante Betriebsmodi des Gleichspannungswandlers genutzt werden.According to one embodiment, the DC-DC converter comprises a second resonant circuit. The second resonant circuit can, analogous to the first resonant circuit, comprise a capacitor and a coil. The second resonant circuit of the DC-DC converter can be electrically arranged between the center connections of the second H-bridge circuit and the first secondary winding of the transformer. In this way, the second resonant circuit can also be used for resonant operating modes of the DC-DC converter.
Gemäß einer Ausführungsform umfassen die erste H-Brückenschaltung, die zweite H-Brückenschaltung und die dritte H-Brückenschaltung jeweils vier Halbleiterschaltelemente. Jede der H-Brückenschaltungen kann insbesondere aus zwei parallel angeordneten Halbbrücken realisiert werden. Somit kann jede der drei H-Brückenschaltungen aus einem ersten Halbleiterschaltelement realisiert werden, das zwischen einem ersten Außenanschluss und einem ersten Mittenanschluss angeordnet ist, einem zweiten Halbleiterschaltelement, das zwischen dem ersten Außenanschluss und einem zweiten Mittenanschluss angeordnet ist, einem dritten Halbleiterschaltelement, das zwischen einem zweiten Außenanschluss und dem ersten Mittenanschluss angeordnet ist und einem vierten Halbleiterschaltelement, das zwischen dem zweiten Außenanschluss und dem zweiten Mittenanschluss angeordnet ist. Die beiden Außenanschlüsse können ferner mit korrespondierenden Anschlusspunkten der jeweiligen Gleichspannungsanschlüsse elektrisch verbunden werden.According to one embodiment, the first H-bridge circuit, the second H-bridge circuit and the third H-bridge circuit each comprise four semiconductor switching elements. Each of the H-bridge circuits can in particular be realized from two half-bridges arranged in parallel. Thus, each of the three H-bridge circuits can be realized from a first semiconductor switching element, which is arranged between a first external connection and a first center connection, a second semiconductor switching element, which is arranged between the first external connection and a second center connection, a third semiconductor switching element, which is between a second external connection and the first middle connection is arranged and a fourth semiconductor switching element which is arranged between the second external connection and the second middle connection. The two external connections can also be electrically connected to corresponding connection points of the respective DC voltage connections.
Gemäß einer Ausführungsform umfasst der Gleichspannungswandler eine Steuereinrichtung. Die Steuereinrichtung ist dazu ausgelegt, die Halbleiterschaltelemente der ersten H-Brückenschaltung, der zweiten H-Brückenschaltung und der dritten H-Brückenschaltung anzusteuern. Insbesondere kann die Steuereinrichtung dazu ausgelegt sein, in einem resonanten Betrieb eine Frequenz und/oder eine Phase einer sich an der Primärwicklung und/oder einer der Sekundärwicklungen einstellenden elektrischen Wechselspannung anzupassen. Ferner kann die Steuereinrichtung dazu ausgelegt sein, für eine elektrische Energieübertragung zwischen den Gleichspannungsanschlüssen die Halbleiterschaltelemente in einem Dual Active Bridge (DAB) Modus anzusteuern.According to one embodiment, the DC-DC converter comprises a control device. The control device is designed to control the semiconductor switching elements of the first H-bridge circuit, the second H-bridge circuit and the third H-bridge circuit. In particular, the control device can be designed to adapt, in a resonant operation, a frequency and/or a phase of an electrical alternating voltage occurring at the primary winding and/or one of the secondary windings. Furthermore, the control device can be designed to control the semiconductor switching elements in a Dual Active Bridge (DAB) mode for electrical energy transfer between the DC voltage connections.
Gemäß einer Ausführungsform ist der Gleichspannungswandler dazu ausgelegt, in einem ersten Betriebsmodus elektrische Energie von dem ersten Gleichspannungsanschluss an den zweiten Gleichspannungsanschluss zu übertragen. Insbesondere kann die Energieübertragung hierbei in einem resonanten Betriebsmodus erfolgen. Dabei kann eine Frequenz und/oder Phase einer elektrischen Spannung in dem Gleichspannungswandler unter Berücksichtigung der Resonanzfrequenz des ersten Schwingkreises und/oder des zweiten Schwingkreises erfolgen. Insbesondere kann als Betriebs-/ Anregefrequenz eine Frequenz gewählt werden, welche etwas von der Resonanzfrequenz abweicht. Vorzugsweise kann eine Frequenz gewählt werden, welche leicht über der Resonanzfrequenz des Schwingkreises liegt. Der Gleichspannungswandler kann ferner dazu ausgelegt sein, in einem zweiten Betriebsmodus elektrische Energie von dem zweiten Gleichspannungsanschluss an den dritten Gleichspannungsanschluss zu übertragen. Umfasst der Gleichspannungswandler einen zweiten Schwingkreis, so kann dies in einem resonanten Betriebsmodus erfolgen. Alternativ kann die Energieübertragung in dem zweiten Betriebsmodus auch in einem DAB-Modus erfolgen. Weiterhin kann der Gleichspannungswandler dazu ausgelegt sein, in einem dritten Betriebsmodus elektrische Energie von dem dritten Gleichspannungsanschluss an den zweiten Gleichspannungsanschluss zu übertragen. Dies kann insbesondere in einem DAB-Modus erfolgen. Ferner kann der Gleichspannungswandler dazu ausgelegt sein, in einem vierten Betriebsmodus elektrische Energie von dem zweiten Gleichspannungsanschluss an den ersten Gleichspannungsanschluss und an den dritten Gleichspannungsanschluss zu übertragen. Analog zu dem zweiten Betriebsmodus kann beim Vorhandensein eines zweiten Schwingkreises hierbei ein resonanter Betriebsmodus genutzt werden. Alternativ ist auch ein DAB-Modus für die Energieübertragung von dem zweiten Gleichspannungsanschluss zu dem ersten und dritten Gleichspannungsanschluss möglich. Darüber hinaus kann der Gleichspannungswandler dazu ausgelegt sein, in einem fünften Betriebsmodus elektrische Energie von dem zweiten Gleichspannungsanschluss an den ersten Gleichspannungsanschluss zu übertragen. Auch hierbei kann gegebenenfalls ein resonanter Betriebsmodus vorgesehen sein. Schließlich kann der Gleichspannungswandler dazu ausgelegt sein, in einem sechsten Betriebsmodus elektrische Energie von dem dritten Gleichspannungsanschluss an den ersten Gleichspannungsanschluss zu übertragen. Hierbei kann ein DAB-Modus vorgesehen sein. Die Spannungshöhe der elektrischen Gleichspannung am dritten Gleichspannungsanschluss ist hierbei in der Regel kleiner als eine elektrische Gleichspannung an dem zweiten Gleichspannungsanschluss. Beispielsweise kann der zweite Gleichspannungsanschluss dazu ausgelegt sein, mit einem Hochvoltbordnetz eines Elektrofahrzeugs verbunden zu werden. Entsprechend kann der dritte Gleichspannungsanschluss dazu ausgelegt sein, mit einem Niedervoltbordnetz eines Elektrofahrzeugs verbunden zu werden. Der erste Gleichspannungsanschluss kann dabei dazu ausgelegt sein, beispielsweise mit einem Ladeanschluss eines Elektrofahrzeugs verbunden zu werden. Gegebenenfalls kann an dem Ladeanschluss eine Gleichrichterschaltung vorgesehen sein, welche eine am Ladeanschluss bereitgestellte elektrische Wechselspannung in eine Gleichspannung konvertiert.According to one embodiment, the DC-DC converter is designed to transmit electrical energy from the first DC voltage connection to the second DC voltage connection in a first operating mode. In particular, the energy transfer can take place in a resonant operating mode. A frequency and/or phase of an electrical voltage in the DC-DC converter can take into account the resonance frequency of the first resonant circuit and/or the second resonant circuit. In particular, a frequency which deviates slightly from the resonance frequency can be selected as the operating/excitation frequency. Preferably, a frequency can be selected which is slightly above the resonance frequency of the resonant circuit. The DC-DC converter can further be designed to transmit electrical energy from the second DC voltage connection to the third DC voltage connection in a second operating mode. If the DC-DC converter includes a second resonant circuit, this can be done in a resonant operating mode. Alternatively, the energy transmission in the second operating mode can also take place in a DAB mode. Furthermore, the DC-DC converter can be designed to transmit electrical energy from the third DC voltage connection to the second DC voltage connection in a third operating mode. This can be done in particular in a DAB mode. Furthermore, the DC-DC converter can be designed to transmit electrical energy from the second DC voltage connection to the first DC voltage connection and to the third DC voltage connection in a fourth operating mode. Analogous to the second operating mode, a resonant operating mode can be used if a second resonant circuit is present. Alternatively, a DAB mode for the energy transmission from the second DC voltage connection to the first and third DC voltage connections is also possible. Over and beyond The DC-DC converter can be designed to transmit electrical energy from the second DC voltage connection to the first DC voltage connection in a fifth operating mode. Here too, a resonant operating mode can optionally be provided. Finally, the DC-DC converter can be designed to transmit electrical energy from the third DC voltage connection to the first DC voltage connection in a sixth operating mode. A DAB mode can be provided here. The voltage level of the electrical direct voltage at the third direct voltage connection is generally smaller than an electrical direct voltage at the second direct voltage connection. For example, the second DC voltage connection can be designed to be connected to a high-voltage electrical system of an electric vehicle. Accordingly, the third DC voltage connection can be designed to be connected to a low-voltage electrical system of an electric vehicle. The first DC voltage connection can be designed to be connected, for example, to a charging connection of an electric vehicle. If necessary, a rectifier circuit can be provided at the charging connection, which converts an electrical alternating voltage provided at the charging connection into a direct voltage.
Die obigen Ausgestaltungen und Weiterbildungen lassen sich, soweit sinnvoll, beliebig miteinander kombinieren. Weitere Ausgestaltungen, Weiterbildungen und Implementierungen der Erfindung umfassen auch nicht explizit genannte Kombinationen von zuvor oder im Folgenden bezüglich den Ausführungsbeispielen beschriebenen Merkmalen der Erfindung. Insbesondere wird der Fachmann auch Einzelaspekte als Verbesserungen oder Ergänzungen zu den jeweiligen Grundformen der Erfindung hinzu-fügen.The above configurations and further developments can be combined with one another in any way that makes sense. Further refinements, further developments and implementations of the invention also include combinations of features of the invention described previously or below with regard to the exemplary embodiments that are not explicitly mentioned. In particular, the person skilled in the art will also add individual aspects as improvements or additions to the respective basic forms of the invention.
Kurze Beschreibung der ZeichnungenBrief description of the drawings
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung werden nachfolgend anhand der Figuren erläutert. Dabei zeigen:
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1 : eine schematische Darstellung eines Prinzipschaltbildes eines Gleichrichters gemäß einer Ausführungsform; -
2 : eine schematische Darstellung eines Prinzipschaltbildes einer H-Brückenschaltung für einen Gleichrichter gemäß einer Ausführungsform; -
3 : eine schematische Darstellung eines Prinzipschaltbildes eines Gleichrichters gemäß einer weiteren Ausführungsform; und -
4 : ein Ablaufdiagramm, wie es einem Verfahren zum Betreiben eines Gleichrichters gemäß einer Ausführungsform zugrunde liegt.
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1 : a schematic representation of a basic circuit diagram of a rectifier according to an embodiment; -
2 : a schematic representation of a basic circuit diagram of an H-bridge circuit for a rectifier according to an embodiment; -
3 : a schematic representation of a basic circuit diagram of a rectifier according to a further embodiment; and -
4 : a flowchart as underlying a method for operating a rectifier according to one embodiment.
Beschreibung der AusführungsformenDescription of the embodiments
Das Hochvoltbordnetz 200 kann beispielsweise eine Spannung im Bereich von einigen Hundert Volt, beispielsweise 400 V oder 800 V aufweisen. Das Niedervoltbordnetz 300 kann eine deutlich geringere Spannung, beispielsweise eine Spannung im Bereich von 12 bis 14 V, 24 V oder 48 V aufweisen.The high-voltage
Der Gleichrichter 1 ist dazu ausgelegt, elektrische Energie zwischen den Gleichspannungsanschlüssen G1, G2 und G3 auszutauschen. Wie im Nachfolgenden noch näher erläutert wird, kann dabei die elektrische Energie in nahezu beliebiger Konfiguration zwischen den einzelnen Gleichspannungsanschlüssen G1 bis G3 ausgetauscht werden. Hierbei ermöglicht der Gleichspannungswandler 1 einerseits eine galvanische Trennung zwischen den Gleichspannungsanschlüssen G1, G2 und G3, und passt darüber hinaus andererseits auch die Spannungshöhe jeweils entsprechend dem Spannungsniveau an den Gleichspannungsanschlüssen G1, G2 und G3 an.The
Der Gleichspannungswandler 1 umfasst einen Transformator TR. Der Transformator umfasst eine Primärwicklung 11, eine erste Sekundärwicklung 12 und eine zweite Sekundärwicklung 13. Weiterhin umfasst der Gleichrichter 1 eine erste Halbbrückenschaltung H1, eine zweite Halbbrückenschaltung H2 und eine dritte Halbbrückenschaltung H3. Der detaillierte Aufbau dieser Halbbrückenschaltungen H1 bis H3 wird im Nachfolgenden noch näher erläutert. Ein erster Außenanschluss A1 der ersten Halbbrückenschaltung H1 ist mit einem ersten Anschlusspunkt des ersten Gleichspannungsanschlusses G1 verbunden. Ein zweiter Außenanschluss A2 der ersten Halbbrückenschaltung H1 ist mit einem zweiten Anschlusspunkt des ersten Gleichspannungsanschlusses G1 verbunden. Die beiden Mittenanschlüsse M1, M2 der ersten Halbbrücke H1 sind über einen ersten Schwingkreis S1 mit den Anschlüssen der Primärwicklung 11 des Transformators TR verbunden. Der Schwingkreis S1 kann beispielsweise eine erste Spule bzw. Induktivität I1 und einen ersten Kondensator bzw. eine erste Kapazität C1 umfassen. Beispielsweise kann die erste Induktivität I1 zwischen dem ersten Mittenanschluss M1 der ersten Halbbrücke H1 und dem ersten Anschluss der Primärwicklung 11 vorgesehen sein, und die erste Kapazität C1 des ersten Schwingkreises S1 kann zwischen dem zweiten Mittenanschluss M2 der ersten Halbbrücke H1 und dem zweiten Anschluss der ersten Wicklung 11 des Transformators TR angeordnet sein. Alternativ ist es jedoch auch möglich, dass eine Serienschaltung aus der ersten Induktivität I1 und der ersten Kapazität C1 zwischen einem Mittenanschluss M1 oder M2 der ersten Halbbrücke H1 und dem korrespondierenden Anschluss der Primärwicklung 11 des Transformators TR angeordnet ist. Grundsätzlich sind darüber hinaus auch beliebige andere geeignete Anordnungen von Schwingkreisen zwischen der ersten Halbbrücke H1 und der Primärwicklung 11 des Transformators TR möglich. Neben einer diskreten Induktivität I1 ist es gegebenenfalls auch möglich, als induktive Komponente des Schwingkreises parasitäre Induktivitäten, wie zum Beispiel die parasitären induktiven Eigenschaften der Primärwicklung 11 des Transformators TR zu nutzen.The DC-
Ein erster Außenanschluss der zweiten H-Brücke H2 ist mit einem ersten Anschlusspunkt des zweiten Gleichspannungsanschlusses G2 verbunden. Analog ist ein zweiter Außenanschluss der zweiten H-Brücke H2 mit einem zweiten Anschlusspunkt des zweiten Gleichspannungsanschlusses G2 verbunden. Ein erster Mittenanschluss der zweiten H-Brücke H2 ist mit einem ersten Anschluss der ersten Sekundärwicklung 12 des Transformators TR verbunden, und ein zweiter Mittenanschluss der zweiten H-Brücke H2 ist mit einem zweiten Anschluss der ersten Sekundärwicklung 12 des Transformators TR verbunden.A first external connection of the second H-bridge H2 is connected to a first connection point of the second DC voltage connection G2. Analogously, a second external connection of the second H-bridge H2 is connected to a second connection point of the second DC voltage connection G2. A first center terminal of the second H-bridge H2 is connected to a first terminal of the first secondary winding 12 of the transformer TR, and a second center terminal of the second H-bridge H2 is connected to a second terminal of the first secondary winding 12 of the transformer TR.
Ein erster Außenanschluss der dritten H-Brücke H3 ist mit einem ersten Anschluss des dritten Gleichspannungsanschlusses G3 verbunden, und ein zweiter Außenanschluss der dritten H-Brücke H3 ist mit einem zweiten Anschlusspunkt des dritten Gleichspannungsanschlusses G3 verbunden. Zwischen einem ersten Anschluss der zweiten Sekundärwicklung 13 und einem ersten Mittenanschluss der dritten H-Brücke H3 ist eine Induktivität I3 vorgesehen. Der zweite Anschluss der zweiten Sekundärwicklung 13 des Transformators TR ist mit dem zweiten Mittenanschluss der dritten H-Brücke H3 verbunden.A first external terminal of the third H-bridge H3 is connected to a first terminal of the third DC voltage terminal G3, and a second external terminal of the third H-bridge H3 is connected to a second connection point of the third DC voltage terminal G3. An inductance I3 is provided between a first terminal of the second secondary winding 13 and a first center terminal of the third H-bridge H3. The second terminal of the second secondary winding 13 of the transformer TR is connected to the second center terminal of the third H-bridge H3.
Die Schaltelemente der H-Brücken H1, H2 und H3 können mittels einer Steuereinrichtung 20 in geeigneter Weise angesteuert werden. Auf diese Weise kann der Energiefluss zwischen den Gleichspannungsanschlüssen G1, G2 und G3 sowie die jeweiligen Spannungshöhen der Ausgangsspannungen entsprechend gesteuert bzw. geregelt werden. Gegebenenfalls können hierzu geeignete Sensoren vorgesehen sein (nicht dargestellt), die die elektrischen Spannungen bzw. Ströme in dem Gleichspannungswandler 1 erfassen und der Steuervorrichtung 20 bereitstellen.The switching elements of the H-bridges H1, H2 and H3 can be controlled in a suitable manner by means of a
Ein erster Außenanschluss A1 der ersten H-Brückenschaltung H1 ist elektrisch mit einem ersten Anschlusspunkt des ersten Gleichspannungsanschlusses G1 verbunden. Zwischen einem Mittenanschluss M1 und dem ersten Außenanschluss A1 ist ein erstes Schaltelement T1 angeordnet. Zwischen dem ersten Außenanschluss A1 und einem zweiten Mittenanschluss M2 ist ein zweites Schaltelement T2 angeordnet. Zwischen dem ersten Mittenanschluss M1 und einem zweiten Außenanschluss A2 ist ein drittes Schaltelement T3 angeordnet. Zwischen dem zweiten Mittenanschluss M2 und dem zweiten Außenanschluss A2 ist ein viertes Schaltelement T4 angeordnet. Bei den Schaltelementen T1 bis T4 kann es sich um Halbleiterschaltelemente, wie beispielsweise MOSFET oder bipolare Transistoren mit einem isolierten Gate-Anschluss (IGBT), handeln. Sofern in den Schaltelementen T1 bis T4 keine integrierte Body-Diode vorgesehen ist, kann jeweils parallel zu den Schaltelementen T1 bis T4 auch noch eine externe Diode vorgesehen sein. Der zweite Außenanschluss A2 ist mit einem zweiten Anschlusspunkt des Gleichspannungsanschlusses G2 verbunden. Die beiden Mittenanschlüsse M1 und M2 sind über den zuvor bereits beschriebenen Schwingkreis S1 mit den beiden Anschlüssen der Primärwicklung 11 des Transformators TR verbunden.A first external connection A1 of the first H-bridge circuit H1 is electrically connected to a first connection point of the first DC voltage connection G1. A first switching element T1 is arranged between a center connection M1 and the first external connection A1. A second switching element T2 is arranged between the first external connection A1 and a second center connection M2. A third switching element T3 is arranged between the first center connection M1 and a second external connection A2. A fourth switching element T4 is arranged between the second center connection M2 and the second external connection A2. The switching elements T1 to T4 can be semiconductor switching elements, such as MOSFETs or bipolar transistors with an insulated gate connection (IGBT). If no integrated body diode is provided in the switching elements T1 to T4, parallel An external diode can also be provided in addition to the switching elements T1 to T4. The second external connection A2 is connected to a second connection point of the DC voltage connection G2. The two center connections M1 and M2 are connected to the two connections of the primary winding 11 of the transformer TR via the previously described resonant circuit S1.
Weiterhin kann der Gleichrichter 1 auch optional parallel zu der Induktivität I3 zwischen der zweiten Sekundärwicklung 13 und einem Mittenanschluss der dritten H-Brückenschaltung H3 ein Schaltelement R aufweisen. Durch die Parallelschaltung dieses Schaltelements R zu der Induktivität I3 kann die Induktivität I3 beim Schließen des Schaltelements R überbrückt und somit kurzgeschlossen werden. Auf diese Weise entfallen die induktiven Eigenschaften dieser Induktivität 13.Furthermore, the
Darüber hinaus gelten für den Gleichrichter 1 gemäß
Durch den zuvor beschriebenen Gleichrichter 1 kann mittels geeigneter Ansteuerung der Schaltelemente in den Halbbrücken H1, H2 und/oder H3 elektrische Energie zwischen den Gleichspannungsanschlüssen G1, G2 und G3 ausgetauscht werden. Dabei kann auch jeweils die Spannungshöhe bei der Gleichspannungskonvertierung in geeigneter Weise geregelt werden. Durch die Verwendung des ersten Schwingkreises S1 und gegebenenfalls des zweiten Schwingkreises S2 sowie auch durch die zusätzliche Induktivität I3 zwischen der zweiten Sekundärwicklung 13 und der dritten H-Brückenschaltung H3 sind dabei neben konventionellen Ansteuerungen, wie sie beispielsweise für Dual Active Bridge (DAB) Gleichspannungswandler verwendet werden, auch resonante Betriebsmodi möglich. Bei solchen resonanten Betriebsmodi kann durch geeignetes Ansteuern der Schaltelemente in einer H-Brückenschaltung H1, H2 oder H3 die jeweilige Wicklung 11, 12, 13 des Transformators TR mit einer Frequenz angeregt werden, die zu einer Resonanzfrequenz des jeweiligen Schwingkreises korrespondiert. Insbesondere kann als Anregefrequenz eine Frequenz gewählt werden, die von der Resonanzfrequenz des Schwingkreises leicht abweicht. Beispielsweise kann eine Anregefrequenz gewählt werden, die höher ist, als die Resonanzfrequenz des Schwingkreises. Hierdurch können z-B. die Schaltverluste verringert werden., Durch das Anpassen der Anregefrequenz sowie gegebenenfalls einer Phasenverschiebung zwischen den Wechselspannungen an der Primärwicklung 11, der ersten Sekundärwicklung 12 sowie der zweiten Sekundärwicklung 13 kann die zu übertragende Leistung und die elektrische Ausgangsspannung in geeigneter Weise eingestellt werden. Sofern parallel zu der Induktivität I3 zwischen der zweiten Sekundärwicklung 13 und der dritten H-Brückenschaltung H3 ein Schaltelement R vorgesehen ist, kann durch gezieltes Öffnen bzw. Schließen dieses Schaltelements R ebenfalls Einfluss auf das Spannungsniveau bzw. die zu übertragende Leistung genommen werden.The previously described
Je nach gewünschtem Leistungs- bzw. Energiefluss sind in dem Gleichspannungswandler 1 mindestens die nachfolgenden sechs Betriebsmodi möglich, die in Zusammenhang mit dem Verfahren zum Betreiben des Gleichspannungswandlers 1 beschrieben werden.Depending on the desired power or energy flow, at least the following six operating modes are possible in the DC-
Zum Betreiben des Gleichspannungswandlers 1 kann die Steuereinrichtung 20 die Schaltelemente in den H-Brückenschaltungen H1, H2 und/oder H3 in geeigneter Weise ansteuern. Hierzu kann beispielsweise eine pulsbreitenmodulierte Ansteuerung vorgenommen werden, um an den jeweiligen Primär- bzw. Sekundärwicklungen 11, 12, 13 die gewünschte elektrische Spannung in Bezug auf Amplitude, Frequenz und Phase einzustellen.To operate the DC-
In einem ersten Betriebsmodus B1 kann elektrische Energie von dem ersten Gleichspannungsanschluss G1 zu dem zweiten Gleichspannungsanschluss G2 übertragen werden. Auf diese Weise kann beispielsweise mittels an einem Ladeanschluss eines Elektrofahrzeugs bereitgestellter elektrischer Energie eine am zweiten Gleichspannungsanschluss G2 angeschlossene Traktionsbatterie des Elektrofahrzeugs aufgeladen werden.In a first operating mode B1, electrical energy can be transmitted from the first DC voltage connection G1 to the second DC voltage connection G2. In this way, for example, a traction battery of the electric vehicle connected to the second DC voltage connection G2 can be charged using electrical energy provided at a charging connection of an electric vehicle.
In einem zweiten Betriebsmodus B2 kann elektrische Energie von dem zweiten Gleichspannungsanschluss G2 an den dritten Gleichspannungsanschluss G3 übertragen werden. Auf diese Weise kann beispielsweise ein am dritten Gleichspannungsanschluss G3 angeschlossenes Niedervoltbordnetz 300 eines Elektrofahrzeugs aus dem Hochvoltbordnetz 200 mit elektrischer Energie versorgt werden.In a second operating mode B2, electrical energy can be transmitted from the second DC voltage connection G2 to the third DC voltage connection G3. In this way, for example, a low-voltage
In einem dritten Betriebsmodus B3 kann elektrische Energie von dem dritten Gleichspannungsanschluss G3 an den zweiten Gleichspannungsanschluss G2 übertragen werden. Auf diese Weise kann zum Beispiel ein Zwischenkreis in dem Hochvoltbordnetz 200 mittels elektrischer Energie aus dem Niedervoltbordnetz 300 aufgeladen werden, bevor ein Trennschalter zwischen dem Zwischenkreis und der Traktionsbatterie in dem Hochvoltbordnetz geschlossen wird.In a third operating mode B3, electrical energy can be transmitted from the third DC voltage connection G3 to the second DC voltage connection G2. In this way, for example, an intermediate circuit in the high-voltage vehicle
In einem vierten Betriebsmodus B4 kann elektrische Energie von dem zweiten Gleichspannungsanschluss G2 an den ersten Gleichspannungsanschluss G1 und an den dritten Gleichspannungsanschluss G3 übertragen werden.In a fourth operating mode B4, electrical energy can be transmitted from the second DC voltage connection G2 to the first DC voltage connection G1 and to the third DC voltage connection G3.
Ferner kann in einem fünften Betriebsmodus B5 beispielsweise elektrische Energie von dem zweiten Gleichspannungsanschluss G2 an den ersten Gleichspannungsanschluss G1 übertragen werden. Somit kann beispielsweise elektrische Energie von einer Traktionsbatterie an ein am Ladeanschluss angeschlossenes Energieversorgungsnetz eingespeist werden.Furthermore, in a fifth operating mode B5, for example, electrical energy can be transmitted from the second DC voltage connection G2 to the first DC voltage connection G1. This means, for example, that electrical energy can be fed from a traction battery to a power supply network connected to the charging connection.
Schließlich kann beispielsweise in einem sechsten Betriebsmodus B6 elektrische Energie von dem dritten Gleichspannungsanschluss G3 an den ersten Gleichspannungsanschluss G1 übertragen werden.Finally, for example, in a sixth operating mode B6, electrical energy can be transmitted from the third DC voltage connection G3 to the first DC voltage connection G1.
Wie zuvor bereits beschrieben, kann insbesondere wenn elektrische Energie von bzw. zu einem Gleichspannungsanschluss übertragen werden soll, an dem ein Schwingkreis S1 oder S2 vorgesehen ist, eine Frequenz eingestellt werden, die entsprechend der Resonanzfrequenz des jeweiligen Schwingkreises angepasst wird. Somit ist ein resonanter Betriebsmodus möglich. Alternativ kann zur Energieübertragung zwischen den Gleichspannungsanschlüssen G1, G2 und G3 auch die Ansteuerung gemäß einem Dual Active Bridge Gleichspannungswandler erfolgen.As already described above, in particular if electrical energy is to be transmitted from or to a DC voltage connection on which a resonant circuit S1 or S2 is provided, a frequency can be set that is adapted in accordance with the resonance frequency of the respective resonant circuit. A resonant operating mode is therefore possible. Alternatively, for energy transmission between the DC voltage connections G1, G2 and G3, the control can also take place using a dual active bridge DC-DC converter.
Zusammenfassend betrifft die vorliegende Erfindung einen Gleichspannungswandler mit drei Gleichspannungsanschlüssen, zwischen denen elektrische Energie ausgetauscht werden kann. Hierbei ist in dem Gleichspannungswandler mindestens ein Schwingkreis für einen resonanten Betrieb des Gleichspannungswandlers vorgesehen. Bevorzugt sind auch für weitere Gleichspannungsanschlüsse Bauelemente für einen resonanten Betrieb vorgesehen.In summary, the present invention relates to a DC-DC converter with three DC voltage connections between which electrical energy can be exchanged. Here, at least one resonant circuit is provided in the DC-DC converter for resonant operation of the DC-DC converter. Preferably, components for resonant operation are also provided for further DC voltage connections.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
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