DE102022211604A1 - Speicherdrossel für einen Gleichspannungswandler mit einer magnetischen Vergussmasse - Google Patents

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Speicherdrossel (10) für einen mehrphasigen Gleichspannungswandler (100) zum Umwandeln einer DC-Eingangsspannung (Uin) in eine DC-Ausgangsspannung (Uout) zum Aufladen einer Fahrzeugbatterie in einem Elektrofahrzeug oder Hybridfahrzeug, wobei die Speicherdrossel (10) mehrere Spulen (12a,b) zum Zwischenspeichern der Energie in Form von magnetischen Flüssen aufweist, wobei die Spulen (12a,b) jeweils um einen Aufnahmekern (14a,b) herumgewickelt sind, wobei die Speicherdrossel (10) zum Einstellen eines ersten Anteils der magnetischen Flüsse, der eine Common-Mode, CM, -Induktivität (LCM) der Speicherfdrossel (10) bewirkt, eine Vergussmasse (16) aufweist, welche aus einem magnetischen Material gebildet ist.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Speicherdrossel für einen Gleichspannungswandler sowie den Gleichspannungswandler.
  • 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 Fahrzeuge mit elektrischer Energie zu versorgen, umfassen die Fahrzeuge elektrische Energiespeicher, insbesondere wiederaufladbare elektrische Batterien. Für hohe Antriebsleistungen sind Batterien erforderlich, die eine entsprechend hohe DC-Spannung von beispielsweise 400V oder 800V bereitstellen. Solche Leistungsbatterien sind als Hochvoltbatterien (HV-Batterien) bezeichnet.
  • Das Wiederaufladen der HV-Batterien stellt oftmals eine Herausforderung dar: hierfür ist eine der Nennspannung der aufzuladenden HV-Batterie entsprechende Ladespannung bereitzustellen und an die HV-Batterie anzulegen. Die Nennspannung einer üblichen HV-Batterie beträgt beispielsweise 800V. Jedoch beträgt die Ausgabespannung, die übliche Ladestationen für Elektrofahrzeuge zur Verfügung stellen, regelmäßig deutlich niedriger als die Nennspannung derartiger HV-Batterien. Um die HV-Batterien ohne Beeinträchtigung deren Funktionalitäten aufzuladen, werden daher Gleichspannungswandler (bzw. DC/DC-Wandler bzw. Gleichrichter) verwendet, der zwischen einer DC-Spannungsversorgung mit einer Ausgabespannung von bspw. 400V und der aufzuladenden HV-Batterie mit einer Nennspannung von bspw. 800V zur Spannungsumwandlung geschaltet ist.
  • Im Gleichspannungswandler ist eine Speicherdrossel vorhanden, die dazu ausgebildet ist, Energie in Form magnetischer Felder zwischenzuspeichern. Eine solche Speicherdrossel ist aus dem Stand der Technik hinreichend bekannt und weist typischerweise mehrere Spulen auf, die jeweils durch eine Wicklung eines Kupferdrahts gebildet sind. Die Wicklungen sind jeweils um einen stabförmigen Kern gewickelt. Die Gesamtheit der stabförmigen Kerne bilden einen ersten Bereich der Speicherdrossel. Ferner weist die Speicherdrossel einen zweiten Bereich auf, der mehrere äußere Platten umfasst, zwischen denen die stabförmigen Kerne angeordnet sind.
  • Die bekannte Speicherdrossel weist jedoch den Nachteil auf, dass diese bauartbedingt herstellungsaufwendig ist.
  • Es ist eine Aufgabe der Erfindung, eine Speicherdrossel bereitzustellen, bei der die vorstehend genannten Nachteile zumindest teilweise überwunden sind.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Speicherdrossel und den Gleichspannungswandler gemäß den unabhängigen Patentansprüchen gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung gehen aus den abhängigen Patentansprüchen hervor.
  • Die erfindungsgemäße Speicherdrossel ist dazu ausgebildet, in einem mehrphasigen Gleichspannungswandler zum Umwandeln einer DC-Eingangsspannung in eine DC-Ausgangsspannung zum Aufladen einer Fahrzeugbatterie bzw. einer Fahrzeugbatterieanordnung in einem Elektrofahrzeug oder Hybridfahrzeug verwendet zu werden. Die DC-Eingangsspannung wird beispielsweise von einer externen DC-Spannungsversorgung, etwa einer Ladestation bzw. Ladesäule, oder alternativ von einer im Fahrzeug verbauten DC-Spannungsversorgung, etwa einer Brennstoffzelle, bereitgestellt. D.h., die DC-Eingangsspannung stellt die Ausgabespannung der Spannungsversorgung dar. Die DC-Ausgangsspannung entspricht im Wesentlichen der Nennspannung der Fahrzeugbatterie und wird als Ladespannung an die Fahrzeugbatterie angelegt.
  • Die Speicherdrossel umfasst mehrere Spulen zum Zwischenspeichern der Energie in Form magnetischer Flüsse und mehrere Aufnahmekerne, wobei um jeden Aufnahmekern eine der Spulen herumgewickelt ist. Zugleich können zwei äußere Kerne, die beispielsweise plattenförmig ausgebildet sein können, als Halterung der Aufnahmekerne vorgesehen sein. In diesem Fall sind die Aufnahmekerne mit den um diese herumgewickelten Spulen nebeneinander zwischen den äußeren Kernen angeordnet. Vorzugsweise sind die Aufnahmekerne modular ausgebildet und in horizontaler Richtung aneinandergereiht, wobei die äußeren Kerne in vertikaler Richtung voneinander beabstandet sind.
  • Erfindungsgemäß weist die Speicherdrossel zusätzlich eine Vergussmasse auf, die aus einem magnetischen Material gebildet ist und dazu dient, einen (ersten) Anteil der magnetischen Flüsse einzustellen, der eine Common-Mode- (CM-)Induktivität der Speicherdrossel bewirkt. Die CM-Induktivität speichert die Nutzenergie des Wandlers und entsteht durch magnetische Flüsse, die jeweils nur eine Spule bzw. Spulenwicklung umfassen. Die CM-Induktivität wird daher durch einen magnetischen Flussanteil eingestellt, der zwischen den verschiedenen Spulenwicklungen ungekoppelt ist. Erfindungsgemäß wird dieser erste nicht gekoppelte magnetische Flussanteil (CM-Flussanteil) mittels der aus dem magnetischen Material gebildeten Vergussmasse eingestellt. Die Vergussmasse wird vorzugsweise durch Vergießen der um die Aufnahmekerne herumgewickelten Spulen mit dem magnetischen Material gebildet. Insbesondere ist ein Zwischenraum bzw. sind mehrere Zwischenräume zwischen benachbarten Spulen mit dem magnetischen Material gefüllt. Auf diese Weise lässt sich der CM-Flussanteil besonders platzsparend führen. Außerdem kann die Vergussmasse neben Einstellen der CM-Induktivität basierend auf den magnetischen Eigenschaften des verwendeten Materials gleichzeitig als Wärmeleiter zum Abführen der in der Speicherdrossel entstehenden Wärmeverluste nach außen fungieren und somit eine thermische Anbindung an ein Metallgehäuse oder einen Kühler herstellen.
  • Neben dem CM-Flussanteil existiert ein (zweiter) Flussanteil, der eine Differential-Mode- (DM-)Induktivität der Speicherdrossel bewirkt. Die DM-Induktivität ist für einen Blindstrom verantwortlich, der in der Schaltung des Wandlers zirkuliert, jedoch nicht in Nutzenergie umgesetzt wird und somit minimiert werden soll. Die DM-Induktivität entsteht durch magnetische Flüsse, die mehrere Spulenwicklungen umfassen. Die DM-Induktivität wird daher durch einen magnetischen Flussanteil (DM-Flussanteil) eingestellt, der zwischen den verschiedenen Spulenwicklungen im Gegensatz zum CM-Flussanteil gekoppelt ist. Gemäß einer Ausführungsform dienen die äußeren Kerne zum Einstellen des DM-Flussanteils. Hierduch lässt sich der DM-Flussanteil mit einem einfach herzustellenden Konstrukt wirksam führen.
  • Gemäß einer weiteren Ausführungsform setzt sich das magnetische Material aus einem Basismaterial und einem im Basismaterial verteilten pulverförmigen Füllmaterial zusammen. Das Basismaterial ist vorzugsweise ein weichmagnetisches Material (etwa Ferrit), wobei das pulverförmige Füllmaterial weiter vorzugsweise Eisenpulver aufweist. Somit lässt sich die Vergussmasse zum Einstellen des CM-Flussanteils auf einfache Weise bewerkstelligen, da zur Gewinnung dieser Materialien auf etablierte Techniken zurückgegriffen werden kann. Das hierdurch zusammengesetzte magnetische Material hat vorzugsweise eine magnetische Permeabilität in einem Bereich von 5 bis 20 H·m-1.
  • Gemäß einer weiteren Ausführungsform überdeckt die Vergussmasse die Spulen bis auf mehrere Kontaktanschlüsse, die zum Strombeaufschlagen der Spulen ausgebildet sind, vollumfänglich, wobei die Kontaktanschlüsse über eine Oberfläche der Vergussmasse hinausragen. Dies ermöglicht auf besonders einfache Weise eine externe Kontaktierung der Spulen, während die übrigen Bauteile der Speicherdrossel vor äußeren Umwelteinflüssen wie mechanischen Stößen oder Vibrationen geschützt sind. Die Vergussmasse ist vorzugsweise quaderförmig mit einer Längsseite ausgeformt, entlang derer die Aufnahmekerne mit den um diese herumgewickelten Spulen weiter vorzugsweise beabstandet aneinandergereiht sind. Diese Maßnahme ermöglicht eine Speicherdrossel mit einer vordefinierten Bauform und -volumen, sodass sich die Montage der Speicherdrossel in den gesamten Wandler bzw. in den entsprechenden Bauraum im Fahrzeug einfacher gestaltet. Außerdem ist die Lagestabilität der Speicherdrossel hierdurch vorteilhafterweise erhöht.
  • Die Erfindung betrifft weiterhin einen Gleichspannungswandler zum Aufladen einer DC-Spannungsversorgung, insbesondere einer HV-Batterie, in einem Elektrofahrzeug oder einem Hybridfahrzeug. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Herstellen der Speicherdrossel sowie ein Fahrzeug mit einem erfindungsgemäßen Gleichspannungswandler. Daraus ergeben sich die bereits im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Speicherdrossel beschriebenen Vorteile auch für den erfindungsgemäßen Gleichspannungswandler, das erfindungsgemäße Verfahrens sowie das erfindungsgemäße Fahrzeug.
  • Nachfolgend wird die Erfindung anhand von in den Figuren dargestellten Ausführungsformen beispielhaft erläutert.
  • Es zeigen:
    • 1 ein schematisches Schaltbild eines mehrphasigen Gleichspannungswandlers, wobei eine Common-Mode-Induktivität veranschaulicht ist;
    • 2 ein schematisches Schaltbild des mehrphasigen Gleichspannungswandlers, wobei eine Differential-Mode-Induktivität veranschaulicht ist;
    • 3 eine schematische Darstellung des mehrphasigen Gleichspannungswandlers in einer Perspektivansicht, wobei zwei Spulen jeweils um einen Aufnahmekern herumgewickelt sind, der zwischen zwei äußeren Kernen gehaltert ist;
    • 4 eine schematische Darstellung des mehrphasigen Gleichspannungswandlers in einer weiteren Perspektivansicht, wobei die Spulen bis auf Kontaktanschlüsse mit einem magnetischen Material vergossen sind.
  • 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.
  • 1-2 zeigen jeweils ein schematisches Schaltbild eines mehrphasigen Gleichspannungswandlers 100 zum Umwandeln einer DC-Eingangsspannung Uin, die von einer DC-Spannungsversorgung bereitgestellt ist, in eine DC-Ausgangsspannung Uout, um eine wiederaufladbare Batterie (hier nicht gezeigt), insbesondere eine Hochvolt(HV)-Batterie, in einem Elektrofahrzeug oder Hybridfahrzeug aufzuladen. Der Gleichspannungswandler 100 umfasst eine Speicherdrossel 10, die zur Zwischenspeicherung von Energie in Form von magnetischen Flüssen ausgebildet ist. Dazu weist die Speicherdrossel 10 mehrere, hier beispielhaft zwei, Spulen 106,108 auf, die jeweils eine zwischen einem eingangsseitigen Kontaktanschluss und einem ausgangsseitigen Kontaktanschluss angeordnete Spulenwicklung umfassen. Durch Anlegen einer Spannung an den Wicklungen der Spulen 106,108 kann ein Stromfluss und damit einhergehend ein magnetischer Fluss in den Spulen 106,108 erzeugt werden.
  • Im mehrphasigen Gleichspannungswandler 100 ist eine Leistungselektronik vorgesehen, die mehrere Halbbrücken umfasst. Die Spulen 106,108 sind jeweils zwischen einer der Halbbrücken und einem ausgangsseitigen Kondensator 108 geschaltet, wobei der Halbbrücke ein eingangsseitiger Kondensator 110 vorgeschaltet ist. Die Anzahl der zueinander parallelgeschalteten Halbbrücken entspricht der Anzahl der Spulen 106,108 und beträgt in der hier stark vereinfachten und rein beispielhaft gezeigten Ausführungsform zwei. Jede Halbbrücke entspricht einer Phase des mehrphasigen Wandlers 100 und umfasst eine Highside-Einrichtung 102a,b und eine Lowside-Einrichtung 104a,b. In diesem Beispiel sind die Highside-Einrichtung 102a,b und die Lowside-Einrichtung 104a,b jeweils durch ein Halbleiterschaltelement gebildet, welches vorzugsweise als IGBT oder MOSFET ausgebildet sein kann. Das dem Halbleiterschaltelement zugrundliegende Halbleitermaterial ist weiter vorzugsweise ein sogenannter Halbleiter mit großen Bandlücken (Wide Bandgap Semiconductor, WBC) wie Silziumcarbid (SiC) oder Galliumnitrid (GaN). Die Spulen 106,108 sind eingangsseitig jeweils zwischen der Highside-Einrichtung 102a,b und der dazugehörigen Lowside-Einrichtung 104a,b angeschlossen. Des Weiteren kann zumindest ein Filter (hier nicht gezeigt) zum Beseitigen von Störsignalen in der eingespeisten DC-Eingangsspannung Uin und/oder der abzugebenden DC-Ausgangsspannung Uout geschaltet sein.
  • Im Betrieb des mehrphasigen Gleichspannungswandlers 100 werden die Halbbrücken derart geschaltet, dass an den Spulen 106,108 eine Spannung U1, U2 mit dem gleichen Spannungsverlauf, jedoch mit Zeitversatz zwischen den Spulen 106,108 angelegt wird. Auf diese Weise liegen zu bestimmten gegebenen Zeitpunkten zumindest teilweise unterschiedliche Spannungen U1, U2 an den Spulen 106,108 an, während zu anderen Zeitpunkten die gleiche Spannung U1, U2 an den Spulen 106,108 anliegen kann. Aufgrund dieser zeitlich variierenden Spannungsbeaufschlagung der Spulen 106,108 kommt es zu einer Überlagerung eines von der DC-Spannungsversorgung über den Gleichspannungswandler 100 zur aufzuladenden Batterie fließenden ersten Stroms mit einem von der Batterie über den Gleichspannungswandler 100 und schließlich zur Batterie zurückfließenden bzw. zirkulierenden zweiten Strom (auch Blindstrom genannt), wobei der erste Strom und der zweite Strom zeitlich variierende Anteile am überlagerten Gesamtstrom haben.
  • Der erste Strom, in 1 rein schematisch und beispielhaft gezeigt, ist auf die Common-Mode-Induktivität (CM-Induktivität) der Speicherdrossel 10 zurückzuführen, die sich dadurch ergibt, dass sich die Dimension der Speicherdrossel 10 nicht beliebig vergrößern lässt. Wie in 1 gezeigt, fließt der erste Strom in beiden Phasen in gleicher Richtung (vom Eingang zum Ausgang), was dem Begriff „Common-Mode“ Rechnung trägt. Die CM-Induktivität speichert die Nutzenergie des Wandlers 100 und entsteht durch magnetische Flüsse, die jeweils nur eine Spule 106,108 bzw. Spulenwicklung umfassen. Die CM-Induktivität wird daher durch einen magnetischen Flussanteil eingestellt, der zwischen den verschiedenen Spulenwicklungen nicht gekoppelt ist. Aufgrund der CM-Induktivität kommt es zu Rippelströmen, die Leistungsverluste verursachen. In 1 ist zusätzlich ein weiteres Schaltbild gezeigt, in dem die an den Spulen 106,108 anliegenden zeitlich veriierenden Spannungen U1, U2 als eine auf die CM-Induktivität LCM zurückzuführende Common-Mode-Spannung UCM zusammen mit dem dazugehörigen ersten Strom ICM zusammengefasst sind.
  • Der zweite Strom, in 2 rein schematisch und beispielhaft gezeigt, ist auf die Differential-Mode-Induktivität (DM-Induktivität) der Speicherdrossel 10 zurückzuführen, die dem Grad des Anstiegs (bzw. der ersten zeitlichen Ableitung) des zweiten Stroms entspricht. Wie in 2 gezeigt, fließt der zweite Strom in beiden Phasen in entgegengesetzten Richtungen, was dem Begriff „Differential-Mode“ Rechnung trägt. Die DM-Induktivität ist für einen Blindstrom verantwortlich, der in der Schaltung des Wandlers zirkuliert, jedoch nicht in Nutzenergie umgesetzt wird und somit minimiert werden soll. Die DM-Induktivität entsteht durch magnetische Flüsse, die jeweils mehreren Spulen 106,108 bzw. Spulenwicklungen umfassen. Die DM-Induktivität wird daher durch einen magnetischen Flussanteil (DM-Flussanteil) eingestellt, der zwischen den verschiedenen Spulenwicklungen im Gegensatz zum CM-Flussanteil gekoppelt ist. In 2 ist zusätzlich ein weiteres Schaltbild gezeigt, in dem die an den Spulen 106,108 anliegenden zeitlich veriierenden Spannungen U1, U2 als eine auf die DM-Induktivität LDM zurückzuführende Differential-Mode-Spannung UDM zusammen mit dem dazugehörigen zweiten Strom IDM zusammengefasst sind.
  • 3 zeigt die Speicherdrossel 10 gemäß einer Ausführungsform in einer schematischen Perspektivansicht. In der Speicherdrossel 10 ist ein Drosselkern 11 enthalten, über den mehrere (hier beispielhaft zwei) Spulen 12a.b miteinander magnetisch gekoppelt sind. Der Drosselkern 11 umfasst mehrere Aufnahmekerne 14a,b jeweils zum Anbringen einer der Spulen 12a,b. Hierbei werden die Spulen 12a,b jeweils um den dazugehörigen Aufnahmekern 14a,b herumgewickelt. Der Drosselkern 11 umfasst ferner zwei äußere Kerne 15,17, die hier rein beispielhaft plattenförmig mit abgerundeten Enden ausgebildet sind und sich in einer Längsrichtung der Speicherdrossel 10 (in 3 die waagerechte Richtung) erstrecken. Zwischen den äußeren Kernen 15,17 sind die Aufnahmekerne 14a,b mit den in diesen gewickelten Spulen 12a,b entlang der Längsrichtung nebeneinander angeordnet bzw. gehaltert. Die Spulen 12a,b sind in der Längsrichtung voneinander beabstandet und definieren einen Zwischenraum 13.
  • Der Drosselkern 11 umfassend die Aufnahmekerne 14a,b und die äußeren Kerne 15,17 ist vorzugsweise derart ausgebildet, dass zwei U-förmige Kernabschnitte jeweils bestehend aus einem Aufnahmekern 14a,b und einem äußeren Kern 15,17 bereitgestellt sind, die mit ihren U-Öffnungen einander zugewandt stoßend zusammengefügt sind. Die U-förmigen Kernabschnitte sind außerdem, wie in 3 gezeigt, mittels einer Kunststoffhülse 19a,b von den Spulen 12a,b elektrisch isoliert, die den jeweiligen Aufnahmekern 14a,b umschließen. Außerdem dienen die äußeren Kerne 15,17 zum Einstellen des oben in Bezug auf 1-2 beschriebenen DM-Flussanteils. Hierduch lässt sich der DM-Flussanteil mit einem einfach herzustellenden Konstrukt wirksam führen.
  • Um den ebenfalls oben in Bezug auf 1-2 beschriebenen CM-Flussanteil einzustellen, wird, wie in 3 schematisch und beispielhaft gezeigt, eine Vergussmasse 16 vorgesehen, die aus einem mangetischen Material gebildet ist. Der CM-Flussanteil ist in 3 als gestrichelte Ellipsen jeweils für beide Spulen 12a,b rein schematisch dargestellt, wobei die Ellipsenebenen jeweils senkrecht zu den Wicklungen stehen. Obwohl hier pro Spule 12a,b nur zwei Ellipsen gezeichnet sind, ist dies für die vorliegende Erfindung nicht einschränkend, sondern lediglich als schematische Veranschaulichung der in Wirklichkeit entlang des gesamten Umfangs der Wicklungen verteilten magnetischen Feldlinien zu verstehen. Die Vergussmasse 16 entsteht vorzugsweise durch Vergießen der Spulen 12a,b zusammen mit dem Drosselkern 11 mit dem als Vergussmaterial bereitgetellten magnetischen Material. Dabei werden die eingangsseitigen Kontaktanschlüsse 20a,b und die ausgangsseitigen Kontaktanschlüsse 22a,b vom Vergussmaterial freigelegt, sodass die Kontaktanschlüsse 20a,b, 22a,b über eine Oberfläche 162 der Vergussmasse hinausragen. Dies ermöglicht eine elektrische Kontaktierung der Spulen 12a,b. Außerdem wird der Zwischenraum 13 zwischen den Spulen 12a,b mit dem Vergussmaterial gefüllt, sodass der CM-Flussanteil besonders wirksam und platzsparend geführt werden kann.
  • Zwecks Vergießens sind verschiedene Herstellungswege denkbar. Gemäß einer Ausführungsform kann die in 3 gezeigte, noch unvollständige Speicherdrossel 10 zunächst in einen für diese speziell vorgesehenen Bauraum im Fahrzeug (nicht gezeigt) aufgenommen werden. In diesem Zustand, in dem die unvollständige Speicherdrossel im Bauraum positioniert ist, wird Letztere mit dem magnetischen Material vergossen. Diese Herstellungsweise hat den Vorteil, dass die hieraus resultierende Speicherdrossel 10 einen optimalen Formschluss mit dem Bauraum des Fahrzeugs bildet, was die Lagestabilität der Speicherdrossel 10 im Fahrzeug erhöht. Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann die unvollständige Speicherdrossel 10 zunächst mittels eines fahrzeugexternen Vergusswerkzeugs mit dem magnetischen Material vergossen werden. Erst nach Abschluss des Vergussverfahrens wird die nun vergossene und vollständige Speicherdrossel 10 in den Bauraum des Fahrzeugs eingebracht. Diese alternative, modulare Herstellungsweise hat den Vorteil, dass bei großvolumiger Produktion die Herstellungseffizienz erhöht ist.
  • Das magnetische Material setzt sich gemäß einer bevorzugten Ausführungsform aus einem Basismaterial und einem im Basismaterial verteilten pulverförmigen Füllmaterial zusammen. Das Basismaterial ist ein unmagnetisches Material und vorzugsweise aus Silikon gebildet, wobei weitere Füllstoffe im Silikon enthalten sein können. Das pulverförmige Füllmaterial weist vorzugsweise Eisenpulver oder Ferritpulver auf. Das pulverförmige Füllmaterial ist für die magnetischen Eigenschaften des zusammengesetzen magnetischen Materials maßgeblich. Somit lässt sich die Vergussmasse 16 zum Einstellen des CM-Flussanteils auf einfache Weise bewerkstelligen, da zur Gewinnung dieser Materialien auf etablierte Techniken zurückgegriffen werden kann. Das hierdurch zusammengesetzte magnetische Material hat vorzugsweise eine magnetische Permeabilität in einem Bereich von 5 bis 20 H·m-1.
  • Des Weiteren kann zwecks Optimierung der CM-Induktivität LCM und DM-Induktivität LDM der Speicherdrossel 10 zwei unterschiedliche Materialien für den Drosselkern 11--insbesondere die äußeren Kerne 15,17--zum einen, und für die Vergussmasse zum anderen, verwendet werden. Im Betrieb der Speicherdrossel 10 ist in der Vergussmasse 16 ein vergleichsweise hoher DC-Flussanteil vorhanden. Hier ist ein Material mit hoher Sättigungsmagnetisierung (z.B. Eisenpulver) geeignet, was gleichzeitig eine niedrige magnetische Permeabilität aufweist. In den äußeren Kernen 15,17 kompensieren sich die DC-Flussanteile der Spulen 12a.b, sodass hier effektiv kein DC-Flussanteil vorhanden ist. Für die äußeren Kerne 15,17 kann daher ein Material mit niedriger Sättigungsmagnetisierung eingesetzt werden. Dies ermöglicht den Einsatz von Materialien mit hoher magnetischer Permeabilität (z.B. Ferrit). Die DM-Induktivität LDM nimmt mit der magnetischen Permeabilität zu. Außerdem kann der Blindstrom reduziert werden, indem die DM-Induktivität LDM erhöht wird. Alternativ oder zusätzlich können die Aufnahmekerne 14a,b einerseits und die äußeren Kerne 15,17 andererseits aus unterschiedlichen Materialien hergestellt werden.
  • Die Anzahl der Spulen 106, 108, 12a,b (bzw. Teilwicklungen) ist für die erfindungsgemäße Speicherdrossel 10 nicht auf zwei eingeschränkt, sondern je nach Anwendungsfall beliebig skalierbar. Die vorstehend unter Bezug auf 1-4 rein beispielhaft beschriebene Bauart ist dahingehend zu verstehen, dass das erfindungsgemäße Prinzip betreffend die magnetische Vergussmasse 16 auf Ausführungsformen mit drei oder mehr Spulen direkt übertragbar ist.
  • Bezugszeichen
    • 10
    Speicherdrossel
    11
    Drosselkern
    102a,b, 104a,b
    Halbleiterschaltelemente
    106, 108, 12a,b
    Spulen
    110, 112
    Kondensator
    13
    Zwischenraum
    14a.b
    Aufnahmekerne
    15, 17
    äußere Kerne (Kernplatten)
    16
    Vergussmasse
    162
    Oberfläche
    19a,b
    Kunststoffhülsen
    20a,b 22a,b
    Kontaktanschlüsse
    Uin
    DC-Eingangsspannung
    Uout
    DC-Ausgangsspannung
    U1, 2 an
    den Spulen anliegende Spannungen
    UCM
    Common-Mode-Spannung
    UDM
    Differential-Mode-Spannung
    ICM
    Common-Mode-Strom
    IDM
    Differential-Mode-Strom
    LCM
    Common-Mode-Induktivität
    LDM
    Differential-Mode-Induktivität

Claims (13)

  1. Speicherdrossel (10) für einen mehrphasigen Gleichspannungswandler (100) zum Umwandeln einer DC-Eingangsspannung (Uin) in eine DC-Ausgangsspannung (Uout) zum Aufladen einer Fahrzeugbatterie in einem Elektrofahrzeug oder Hybridfahrzeug, wobei die Speicherdrossel (10) mehrere Spulen (12a,b) zum Zwischenspeichern der Energie in Form von magnetischen Flüssen aufweist, wobei die Spulen (12a,b) jeweils um einen Aufnahmekern (14a,b) herumgewickelt sind, wobei die Speicherdrossel (10) zum Einstellen eines ersten Anteils der magnetischen Flüsse, der eine Common-Mode, CM, -Induktivität (LCM) der Speicherfdrossel (10) bewirkt, eine Vergussmasse (16) aufweist, welche aus einem magnetischen Material gebildet ist.
  2. Speicherdrossel (10) nach Anspruch 1, wobei die Vergussmasse (16) durch Vergießen der um die Aufnahmekerne (14a,b) herumgewickelten Spulen (12a,b) gebildet ist.
  3. Speicherdrossel (10) nach Anspruch 1 oder 2, wobei ein oder mehrere Zwischenräume (18) zwischen benachbarten Spulen (12a,b) mit dem magnetischen Material vollständig gefüllt ist/sind.
  4. Speicherdrossel (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei sich das magnetische Material aus einem Basismaterial und einem im Basismaterial verteilten pulverförmigen Füllmaterial zusammengesetzt.
  5. Speicherdrossel (10) nach Anspruch 4, wobei das Basismaterial unmagnetisch und vorzugsweise aus Sikikon gebildet ist.
  6. Speicherdrossel (10) nach Anspruch 4 oder 5, wobei das pulverförmige Füllmaterial Eisenpulver und/oder Ferritpulver aufweist.
  7. Speicherdrossel (10) nach einem der Ansprüche 4 bis 6, wobei das magnetische Material, vorzugsweise das pulverförmige Füllmaterial, sowohl magnetisch als auch wärmeleitend ist.
  8. Speicherdrossel (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das magnetische Material eine magnetische Permeabilität in einem Bereich von 5 bis 20 H ·m-1 hat.
  9. Speicherdrossel (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Vergussmasse (16) die Spulen (12a,b) bis auf mehrere Kontaktanschlüsse (20a,b) zum Strombeaufschlagen der Spulen (12a,b) vollumfänglich überdeckt, wobei die Kontaktanschlüsse (20a,b) über eine Oberfläche (162) der Vergussmasse (16) hinausragen.
  10. Speicherdrossel (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, ferner umfassend mehrere äußere Kerne (15), zwischen denen die Aufnahmekerne (14a,b) gehaltert sind, wobei die äußeren Kerne (15) vorzugsweise zum Einstellen eines zweiten Anteils der magnetischen Flüsse ausgebildet sind, der eine Differential-Mode, DM, - Induktivität der Speicherdrossel (10) bewirkt.
  11. Verfahren zum Herstellen einer Speicherdrossel (10) für einen mehrphasigen Gleichspannungswandler (100) zum Umwandeln einer DC-Eingangsspannung (Uin) in eine DC-Ausgangsspannung (Uout) zum Aufladen einer Fahrzeugbatterie in einem Elektrofahrzeug oder Hybridfahrzeug, das Verfahren umfassend: - Bereitstellen mehrerer Spulen (12a,b) zum Zwischenspeichern der Energie in Form von magnetischen Flüssen; - Herumwickeln der Spulen (12a,b) jeweils um einen Aufnahmekern (14a,b) herum; - Vergießen der um die Aufnahmekerne (14a,b) herumgewickelten Spulen (12a,b), um eine Vergussmasse (16) zum Einstellen eines ersten Anteils der magnetischen Flüsse, der eine Common-Mode, CM, -Induktivität (LCM) der Speicherfdrossel (10) bewirkt, aus einem magnetischen Material auszuformen.
  12. Mehrphasiger Gleichspannungswandler (100) zum Umwandeln einer DC-Eingangsspannung in eine DC-Ausgangsspannung zum Aufladen einer Fahrzeugbatterie in einem Elektrofahrzeug oder Hybridfahrzeug, umfassend eine Speicherdrossel (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 10.
  13. Fahrzeug, insbesondere Elektrofahrzeug oder Hybridfahrzeug, umfassend einen mehrphasigen Gleichspannungswandler (100) nach Anspruch 11.
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