DE102022212442A1 - Gleichspannungswandler, Mehrspannungsnetz, elektrisches Fahrzeug und Verfahren zum Betreiben eines Mehrspannungsnetzes - Google Patents

Gleichspannungswandler, Mehrspannungsnetz, elektrisches Fahrzeug und Verfahren zum Betreiben eines Mehrspannungsnetzes Download PDF

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Christoph Van Booven
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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Gleichspannungswandler (240) mit einer ersten Wandlerstufe (241) und einer zweiten Wandlerstufe (242), wobei die erste Wandlerstufe (241) insbesondere galvanisch getrennt ausgebildet ist, wobei die erste Wandlerstufe (241) und die zweite Wandlerstufe (242) über einen internen Zwischenkreiskondensator (Cint) miteinander verbunden sind, wobei die erste Wandlerstufe (241) zum Anschluss an eine Niederspannungsseite eingerichtet ist und einen positiven Niederspannungsanschluss (LV) aufweist, und wobei die erste Wandlerstufe (241) einen positiven Zwischenanschluss aufweist und darüber an den internen Zwischenkreiskondensator (Cint) angebunden ist, wobei die zweite Wandlerstufe (242) zum Anschluss an eine Hochspannungsseite eingerichtet ist und einen ersten positiven Anschluss (A1), einen zweiten positiven Anschluss (A2), und einen dritten positiven Anschluss (A3) aufweist, die als erster positiven Hochspannungsanschluss (HV1), als zweiter positiver Hochspannungsanschluss (HV2) und als positiver Zwischenanschluss (ZA) verwendbar sind, wobei die zweite Wandlerstufe (242) über den positiven Zwischenspannungsanschluss (ZA) an den internen Zwischenkreiskondensator angebunden ist, wobei der Gleichspannungswandler (240, 340) eingerichtet ist, den dritten positiven Anschluss (A3) der zweiten Wandlerstufe in einem Pfad (PF1), insbesondere über einen Ansteuerschalter und eine Induktivität, wahlweise mit dem ersten positiven Anschluss (A1) oder mit zweiten positiven Anschluss (A1) zu verbinden.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft einen Gleichspannungswandler, ein Mehrspannungsnetz mit einem Gleichspannungswandler, ein elektrisches Fahrzeug sowie ein Verfahren zum Betreiben eines Mehrspannungsnetzes.
  • Hintergrund der Erfindung
  • In modernen Fahrzeugen, insbesondere elektrisch betriebenen Fahrzeugen (rein elektrisch oder auch Hybrid) können Bordnetze zum Einsatz kommen, die ein Hochspannungsteilbordnetz und ein Niederspannungsteilbordnetz umfassen. Es kann hierbei auch von zwei Bordnetzen, einem Hochspannungsbordnetz und einem Niederspannungsbordnetz gesprochen werden, vom gesamten Bordnetz dann als Mehrspannungs- oder Zweispannungsbordnetz. Als Schnittstelle zwischen diesen beiden (Teil-)Bordnetzen können Gleichspannungswandler, insbesondere solche, die galvanisch getrennt sind bzw. eine galvanische Trennung der (Teil-)Bordnetze erlauben, zum Einsatz kommen.
  • Offenbarung der Erfindung
  • Erfindungsgemäß werden ein Gleichspannungswandler, ein Mehrspannungsnetz, ein elektrisches Fahrzeug sowie ein Verfahren zum Betreiben eines Mehrspannungsnetzes mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche vorgeschlagen. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche sowie der nachfolgenden Beschreibung.
  • Die Erfindung beschäftigt sich mit Bordnetzen bzw. Mehrspannungsbordnetzen von z.B. Fahrzeugen sowie allgemein Mehrspannungsnetzen und insbesondere Gleichspannungswandlern, die die für oder in Fahrzeugen verwendet werden können. Ein Mehrspannungsnetz umfasst hierbei ein Hochspannungsnetz und ein Niederspannungsnetz. Wenngleich die Erfindung insbesondere mit Bezug auf ein Mehrspannungsbordnetz mit einem Hochspannungsbordnetz und einem Niederspannungsbordnetz beschrieben wird, wie sie für z.B. Fahrzeuge zum Einsatz kommen, kann die Erfindung auch für Mehrspannungsnetze allgemein, also ohne Bezug zu Fahrzeugen, verwendet werden.
  • Wie erwähnt, kann ein Gleichspannungswandler (insbesondere, wenn dieser eine galvanische Trennung erlaubt bzw. aufweist) als Schnittstelle zwischen Hochspannungsnetz (bzw. Hochspannungsbordnetz) und einem Niederspannungsnetz (bzw. Niederspannungsbordnetz) zum Einsatz kommen. Ein typisches Spannungsniveau für ein Niederspannungsbordnetz kann z.B. bei 12V oder 14V liegen, ein typisches Spannungsniveau für ein Hochspannungsbordnetz hingegen deutlich höher, z.B. bei 48V oder auch bei 400V. Allgemein ist es aber, insbesondere im Rahmen der vorliegenden Erfindung, ausreichend, wenn die Spannungsniveaus von Hochspannungsnetz (bzw. Hochspannungsbordnetz) und Niederspannungsnetz (bzw. Niederspannungsbordnetz) verschieden sind, wobei das Hochspannungsnetz ein höheres Spannungsniveau als das Niederspannungsnetz aufweist.
  • Typische Aufgaben eines Gleichspannungswandlers (auch als DC-DC-Wandler bezeichnet) können die galvanische Trennung von Hochspannungsbordnetz und Niederspannungsbordnetz sein, sowie eine Versorgung von Lasten im Niederspannungsbordnetz und ein Laden einer Batterie im Niederspannungsbordnetz. Außerdem ermöglicht ein Gleichspannungswandler eine oftmals kostengünstige Integration weiterer Funktionen wie das sog. Vorladen („pre-charging“) sowie das aktive Entladen von Zwischenkreiskondensatoren.
  • Die Idee hinter dem Vorladen (oder allgemein Laden) des Zwischenkreiskondensators ist die Vermeidung eines schädlichen Einschaltstroms, der durch den direkten Anschluss einer Hochspannungsbatterie an einen teilweise oder vollständig entladenen Zwischenkreiskondensator entstehen würde. Eine mögliche Lösung hierfür ist, ein spezielles Vorladeschütz und einen Widerstand zur Begrenzung des Stroms während der Ladezeit des Zwischenkreiskondensators zu verwenden. Ein Nachteil hierbei sind die höheren Kosten und der höhere Platzbedarf aufgrund zusätzlicher Komponenten sowie der eher ineffiziente Vorladeprozess mit hoher thermischer Belastung des Vorladewiderstands. Um diese Nachteile zu überwinden, kommt eine Verwendung eines Gleichspannungswandlers (DC-DC-Wandler) mit Rückspeisefähigkeit (d.h. er kann bidirektional betrieben werden) in Betracht, der das Vorladen des Zwischenkreiskondensators aus der in der Niederspannungsbatterie gespeicherten Energie ermöglicht.
  • Der umgekehrte Prozess des Vorladens des Zwischenkreiskondensators ist das Entladen des Zwischenkreiskondensators. In bestimmten Szenarien (z.B. nach einem Unfall) kann es wichtig sein, dass die Spannung des Hochspannungsbordnetzes innerhalb eines relativ kurzen Zeitraums auf ein sicheres Niveau (z.B. unter 60V) gesenkt wird. Dies erfordert in der Regel eine aktive Entladefunktion. Ähnlich wie beim Vorladen des Zwischenkreiskondensators können verschiedene Ansätze bzw. Lösungen verwendet werden. Bei einer Energiedissipation an einem Entladewiderstand kann ein aktiver Schalter mit einem Entladewiderstand parallel zum Zwischenkreiskondensator geschaltet werden. Bei einem Entladen in das Niederspannungsbordnetz, um die Energie in der Niederspannungsbatterie zu speichern, kann ein Gleichspannungswandler, der an den Zwischenkreiskondensator angeschlossen ist und Energie an das Niederspannungsnetz überträgt, verwendet werden.
  • Im Rahmen der vorliegenden Erfindung ist nunmehr auch das Laden bzw. Vorladen des Zwischenkreiskondensators aus in der Hochspannungsbatterie gespeicherten Energie möglich, und zwar ohne, dass ein Vorladewiderstand oder eine zusätzliche Vorladesteuerschaltung erforderlich sind.
  • Hierzu wird ein Gleichspannungswandler mit einer ersten Wandlerstufe und einer zweiten Wandlerstufe vorgeschlagen. Die erste Wandlerstufe, die für die Niederspannungsseite vorgesehen ist, kann dabei insbesondere galvanisch getrennt ausgebildet sein. Die zweite Wandlerstufe ist hingegen für die Hochspannungsseite vorgesehen. Die erste Wandlerstufe und die zweite Wandlerstufe sind dabei über einen internen Zwischenkreiskondensator miteinander verbunden.
  • Die erste Wandlerstufe, die zum Anschluss an die Niederspannungsseite eingerichtet ist, weist einen positiven Niederspannungsanschluss auf, sowie einen positiven Zwischenanschluss. Über den positiven Niederspannungsanschluss kann die erste Wandlerstufe (und damit der gesamte Gleichspannungswandler) an einen positiven Anschluss eines Niederspannungsnetzes angeschlossen werden. Über den positiven Zwischenanschluss ist die erste Wandlerstufe an den internen Zwischenkreiskondensator, dort an einen positiven Anschluss, angebunden. An dieser Stelle sei der Vollständigkeit halber erwähnt, dass unter dem Begriff des Anbindens oder Anschließens insbesondere das Vorhandensein oder Herstellen einer elektrisch leitenden Verbindung zu verstehen ist.
  • Die zweite Wandlerstufe, die zum Anschluss an eine Hochspannungsseite eingerichtet ist, weist einen ersten, zweiten und dritten positiven Anschluss auf, die als erster positive Hochspannungsanschluss, als zweiter positiver Hochspannungsanschluss sowie als positiver Zwischenanschluss verwendbar sind. Hierzu kann der Gleichspannungswandler z.B. je nach Bedarf konfiguriert sein oder werden.
  • Der erste positive Anschluss kann als erster positiver Hochspannungsanschluss, der zweite positive Anschluss kann als zweiter positiver Hochspannungsanschluss und der dritte positive Anschluss kann als positiver Zwischenanschluss konfiguriert sein. Ebenso kann aber erste positive Anschluss als positiver Zwischenanschluss, der zweite positive Anschluss als zweiter positiver Hochspannungsanschluss und der dritte positive Anschluss kann als erster positiver Hochspannungsanschluss konfiguriert sein.
  • Dabei ist die zweite Wandlerstufe über den positiven Zwischenanschluss an den internen Zwischenkreiskondensator angebunden. Der erste positive Hochspannungsanschluss und der zweite positive Hochspannungsanschluss können dann an das Hochspannungsnetz oder Teile davon angebunden werden. Beide Konfigurationen können verwendet werden, wie später noch näher erläutert werden soll. Insbesondere können die erste Wandlerstufe und/oder die zweite Wandlerstufe - und damit auch der Gleichspannungswandler als solcher - bidirektional ausgebildet sein.
  • Weiterhin ist der Gleichspannungswandler eingerichtet, den dritten positiven Anschluss der zweiten Wandlerstufe in einem Pfad, insbesondere über einen Ansteuerschalter und eine Induktivität, wahlweise mit dem ersten positiven Anschluss oder mit zweiten positiven Annschluss zu verbinden. Der dritte positive Anschluss der zweiten Wandlerstufe kann in einem weiteren Pfad, insbesondere über einen Ansteuerschalter und eine Induktivität, mit dem ersten positiven Anschluss verbunden sein.
  • Je nach Konfiguration kann dann also z.B. der positive Zwischenanschluss der zweiten Wandlerstufe in dem einen Pfad entweder mit dem ersten positiven Hochspannungsanschluss oder mit zweiten positiven Hochspannungsanschluss verbunden sein. Der positive Zwischenanschluss der zweiten Wandlerstufe wäre in dem weiteren Pfad dann z.B. mit dem ersten positiven Hochspannungsanschluss verbunden.
  • Außerdem kann die erste Wandlerstufe einen negativen Niederspannungsanschluss und einen negativen Zwischenanschluss aufweisen, die zweite Wandlerstufe einen negativen Hochspannungsanschluss und einen negativen Zwischenanschluss. Dabei sind der negativen Hochspannungsanschluss und der negative Zwischenanschluss der zweiten Wandlerstufe und der negative Zwischenanschluss der ersten Wandlerstufe miteinander verbunden. Hierbei handelt es sich um eine typische Verbindung der negativen Anschlüsse. Außerdem sind diese negativen Anschlüsse dann an den internen Zwischenkreiskondensator angeschlossen, dort insbesondere an einen negativen Anschluss.
  • Da die negativen Anschlüsse typischerweise nicht explizit bezeichnet werden, kann bei dem vorgeschlagenen Gleichspannungswandler von einem dreipoligen zweistufigen Gleichspannungswandler (DC-DC-Wandler) gesprochen werden. Ein solcher Gleichspannungswandler kann in einem Mehrspannungsnetz umfassend ein Hochspannungsnetz und ein Niederspannungsnetz eingesetzt werden. Hierbei werden oder sind dann mittels des Gleichspannungswandlers das Hochspannungsnetz und das Niederspannungsnetz miteinander verbunden
  • Der vorgeschlagene Gleichspannungswandler ermöglicht dabei verschiede Funktionen, wozu ggf. verschiedene der erwähnten Konfigurationen (in Bezug auf Belegung bzw. internen Verbindungen der Anschlüsse) verwendet werden können. So ist mit dem Gleichspannungswandler z.B. eine kontrollierte Vorladefunktion eines Zwischenkreiskondensators in dem Hochspannungsnetz möglich. Eine Aufgabe des Gleichspannungswandler besteht hierbei darin, Energie zwischen dem Hochspannungs- und Niederspannungsnetz zu übertragen. Die Integration der Vorladefunktion in bestehende Hardware bietet Kostenvorteile sowie eine bessere Nutzung der in der Hochspannungsbatterie gespeicherten Energie (keine Verlustleistung im Widerstand).
  • Die Integration des Vorladens (bzw. Ladens) aus der Hochspannungsbatterie ist bei üblichen einstufigen Gleichspannungswandlern mit zwei Anschlüssen (d.h. einem positiven Niederspannungsanschluss und einem positiven Hochspannungsanschluss) nicht möglich, da nur ein Anschluss die Hochspannung unterstützt, während der andere in der Regel galvanisch von den Hochspannungsstromkreisen getrennt bleiben muss.
  • Das Vorladen muss damit nicht mehr aus der Niederspannungsbatterie durch die Verwendung bidirektionaler DC-DC-Wandler erfolgen, womit Energieeffizienz erhöht wird (Energie muss nicht zuerst von der Hochspannungsbatterie zur Niederspannungsbatterie und anschließend von der Niederspannungsbatterie zu den Zwischenkreiskondensatoren übertragen werden; wobei bei jeder Übertragung Verluste entstehen). Außerdem sind keine oder weniger Beschränkungen durch die Netzarchitektur eines elektrischen Fahrzeugs mehr nötig; z.B. ist keine Niederspannungsbatterie mehr erforderlich.
  • Der vorgeschlagene Gleichspannungswandler mit insbesondere rekonfigurierbaren Anschlüssen bietet somit ein effizientes, kostengünstigstes und breit anwendbares Vorladekonzept, das auch zukünftige Bordnetze von elektrischen Fahrzeugen ohne Energiespeicher auf der Niederspannungsseite ermöglicht. Darüber hinaus kann der vorgeschlagene zweistufige Gleichspannungswandler den Zwischenkreiskondensator vorladen, während er das Niederspannungsnetz unterbrechungsfrei versorgt; eine Funktion, die von bisherigen Gleichspannungswandlern mit integrierter Vorladefunktion nicht geboten wird. Die aktive Entladefunktion des Zwischenkreises mit Energiespeicherung in einer Hochspannungs- oder Niederspannungsbatterie wird ebenfalls unterstützt. Somit sind keine zusätzlichen aktiven Entladekomponenten (d.h. aktive Bauelemente, Verlustwiderstände, Steuerschaltungen etc.) erforderlich. Die Tatsache, dass die entladene Energie in der Hochspannungsbatterie gespeichert werden kann, ermöglicht Niederspannungsbordnetze ohne Energiespeicher. Zudem wird die Energieeffizient gegenüber dissipativen, aktiven Entladekonzepten erhöht, da die entladene Energie in der Hochspannungsbatterie gespeichert wird, die geringe Umwandlungsverluste hat (jedenfalls geringer als eine Niederspannungsbatterie).
  • Die beiden Wandlerstufen können insbesondere unabhängig voneinander gesteuert werden. Die erste Wandlerstufe, die insbesondere für die galvanische Trennung zwischen Hoch- und Niederspannungsstromkreisen sorgt (ISO-Stufe), kann permanent mit dem Niederspannungsnetz verbunden und nicht am Vorladevorgang beteiligt sein, kann aber am aktiven Entladevorgang beteiligt sein, wenn Energie in die Niederspannungsbatterie übertragen wird. Wenn die erste Wandlerstufe bidirektional ist, kann mit dem Gleichspannungswandler auch ein Laden von und ein Entladen zu der Niederspannungsseite (oder dort einer Batterie) erfolgen. Die zweite Wandlerstufe (CTRL-Stufe) kann an einem Ende fest mit einem der Hochspannungsanschlüsse des Hochspannungsnetztes und am anderen Ende mit der ISO-Stufe verbunden sein.
  • Die zweite Wandlerstufe kann im normalen DC-DC-Betrieb so konfiguriert sein, dass sie entweder Abwärts- oder Aufwärtswandlungsfunktionen bietet, sowie höchste Leistung und maximales Leistungsvermögen, während der zweite positive Hochspannungsanschluss nicht mit Strom versorgt wird. Bei der Rekonfiguration zur Aktivierung des Vorladens kann die Leistungsfähigkeit im normalen DC-DC-Betrieb reduziert werden und die Spannung am zweiten positiven Hochspannungsanschluss kann kontinuierlich über den Bereich von 0V bis zur Spannung der Hochspannungsbatterie gesteuert werden. Während der Vorlademodus aktiv ist und Spannung und Strom am zweiten positiven Hochspannungsanschluss geregelt werden, kann der normale DC-DC-Betrieb mit begrenzter maximaler Ausgangsleistung (thermische Auslegungsbegrenzung) und unbeeinflusster Spannungs- und Laststromregelung am positiven Niederspannungsanschluss fortgesetzt werden (d.h. die Regelung der Leistungsübertragung von der Hoch- zur Niederspannungsseite wird nicht beeinträchtigt).
  • Zusätzlich zur Vorladefunktion kann der vorgeschlagene Gleichspannungswandler auch die aktive Entladefunktion für den Zwischenkreiskondensator übernehmen. Aufgrund seiner insbesondere inhärenten bidirektionalen Leistungsflussfähigkeit kann die entladene Energie aus dem Zwischenkreiskondensator in der Hochspannungsbatterie (oder Niederspannungsbatterie) wieder gespeichert werden, so dass im System bzw. im Mehrspannungsnetz keine zusätzlichen Verlustwiderstände erforderlich sind (d.h. der Energieverbrauch pro Vorlade- und aktivem Entladezyklus des Zwischenkreises ist vernachlässigbar).
  • Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der beiliegenden Zeichnung.
  • Die Erfindung ist anhand von Ausführungsbeispielen in der Zeichnung schematisch dargestellt und wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnung beschrieben.
  • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
    • 1 zeigt schematisch Bordnetze zur Erläuterung des Hintergrunds der Erfindung.
    • 2 zeigt schematisch ein Mehrspannungsbordnetz zur Erläuterung erfindungsgemäßer Verfahren in bevorzugten Ausführungsformen.
    • 3 zeigt schematisch einen erfindungsgemäßen Gleichspannungswandler in einer bevorzugten Ausführungsform in einer Konfiguration.
    • 4 zeigt schematisch den Gleichspannungswandler aus 3 in einer anderen Konfiguration.
    • 5 zeigt schematisch einen Spannungsverlauf bei erfindungsgemäßen Verfahren in einer bevorzugten Ausführungsform.
    • 6 zeigt schematisch ein Mehrspannungsbordnetz zur Erläuterung erfindungsgemäßer Verfahren in einer weiteren bevorzugten Ausführungsformen.
    • 7 zeigt schematisch einen erfindungsgemäßen Gleichspannungswandler in einer weiteren bevorzugten Ausführungsform in einer Konfiguration.
  • Ausführungsform(en) der Erfindung
  • In 1 sind schematisch Bordnetze zur Erläuterung des Hintergrunds der Erfindung gezeigt. In Abbildung (a) ist ein Bordnetz 110a gezeigt, das z.B. in einem elektrischen Fahrzeug für den Betrieb einer elektrischen Maschine 110 verwendet werden kann. Es handelt sich hier um ein reines Hochspannungsnetz bzw. Hochspannungsbordnetz bzw. es ist nur das Hochspannungsnetz bzw. Hochspannungsbordnetz gezeigt. Eine Hochspannungsbatterie BT mit positivem Anschluss +BT und negativem Anschluss -BT mit Spannung VBT ist an einen Inverter oder Traktionsinverter 112, über den die Gleichspannung der Hochspannungsbatterie z.B. in Wechselspannung für den motorischen Betrieb der elektrischen Maschine gewandelt werden kann angebunden bzw. ist über Schalter 105 und 106 anbindbar und trennbar. Ebenso kann über den Inverter 112 z.B. bei generatorischem Betrieb der elektrischen Maschine 110 Energie in die Hochspannungsbatterie zurückgespeist werden.
  • Für den Betrieb des Bordnetzes 110a bzw. Hochspannungsnetzes ist ein Zwischenkreiskondensator CHV vorgesehen, der entsprechend an eine positive Hochspannungsseite +HV und eine negative Hochspannungsseite -HV angebunden ist. Dort fällt eine Spannung VHV des Hochspannungsnetzes ab. Der Zwischenkreiskondensator CHV soll hier für eine kumulative Kapazität des Hochspannungsbordnetzes stehen, also z.B. auch mehrere separate Kondensatoren und/oder Zwischenkreiskondensatoren oder sonstige Kapazitäten von Lasten.
  • Um den Zwischenkreiskondensator CHV vorzuladen bzw. zu laden, können wie erwähnt, z.B. ein Vorladeschütz 120 und ein Widerstand 122 zur Begrenzung des Stroms während der Ladezeit des Zwischenkreiskondensators CHV vorgesehen und verwendet werden. Zum Entladen des Zwischenkreiskondensators CHV können entsprechend, wie erwähnt, z.B. ein aktiver Schalter 130 mit einem Entladewiderstand 132 parallel zum Zwischenkreiskondensator CHV geschaltet werden.
  • Ein Nachteil hierbei sind die höheren Kosten und der höhere Platzbedarf aufgrund der zusätzlichen Komponenten (z.B. Vorladeschütz 120, Widerstand 122) sowie der eher ineffiziente Vorladeprozess mit hoher thermischer Belastung des Vorladewiderstands. Um diese Nachteile zu überwinden, kommt eine Verwendung eines Gleichspannungswandlers (DC-DC-Wandler) mit Rückspeisefähigkeit (d.h. er kann bidirektional betrieben werden) in Betracht, der das Vorladen des Zwischenkreiskondensators aus der in der Niederspannungsbatterie gespeicherten Energie ermöglicht.
  • Dies ist in Abbildung (b) gezeigt. Das gezeigte Bordnetz 110b umfasst neben einem Hochspannungsnetz bzw. Hochspannungsbordnetz 101 auch ein Niederspannungsnetz bzw. Niederspannungsbordnetz 102, mit Spannung VLV. Es handelt sich also um ein Mehrspannungsnetz bzw. Mehrspannungsbordnetz. Während das Hochspannungsnetz 101 im Grunde dem Hochspannungsnetz aus Abbildung (a) entsprechen kann, sind hier jedoch die zusätzlichen Komponenten nicht vorgesehen. Stattdessen ist der erwähnte Gleichspannungswandler 140 (DC-DC-Wandler) mit Rückspeisefähigkeit und insbesondere auch galvanischer Trennung vorgesehen, über den das Hochspannungsbordnetz 101 mit dem Niederspannungsbordnetz 102 verbunden ist.
  • Das Vorladen bzw. Laden und das Entladen des Zwischenkreiskondensators CHV kann hierbei über den Gleichspannungswandler 140 aus dem bzw. in das Niederspannungsbordnetz 102 bzw. dort eine Niederspannungsbatterie erfolgen.
  • In 2 ist ein Mehrspannungsnetz bzw. Mehrspannungsbordnetz 200 gezeigt, bei dem die Erfindung verwendet werden kann. Das Mehrspannungsbordnetz 200 weist beispielhaft zwei Hochspannungsbatterien BT1 (als Energiespeicher) mit Spannung VBT1 und BT2 mit Spannung VBT2 auf, wobei zwischen den beiden Hochspannungsbatterien ein Abgriff oder mittlerer Anschluss BTmid vorgesehen ist. Unter einem mittleren Anschluss kann hierbei verstanden werden, dass das Spannungsniveau hier zwischen maximalem positivem und negativem Wert liegt, z.B. in etwa in der Mitte. Anstelle zweier Hochspannungsbatterien könnte auch an einer Hochspannungsbatterie ein Abgriff oder Anschluss BTmid z.B. in der Mitte vorgesehen sein, was die gleiche Wirkung hätte.
  • Das Mehrspannungsbordnetz 200 umfasst ein Hochspannungsnetz bzw. Hochspannungsbordnetz 201 sowie ein Niederspannungsnetz bzw. Niederspannungsbordnetz 202 (ggf. könnten auch mehrere Niederspannungsnetzte vorgesehen sein). Wie auch in 1 ist beispielhaft eine elektrische Maschine 110 über einen Inverter 112 an das Hochspannungsbordnetz 201 angebunden; es können auch andere und/oder weitere Lasten vorgesehen sein. Die Hochspannungsbatterien sind mit positivem Anschluss +BT1 und negativem Anschluss -BT2 (es handelt sich um die freien bzw. nicht miteinander verbundenne Anschlüsse der beiden Batterien) an das Hochspannungsbordnetz 201 angebunden bzw. sind über Schalter 205 und 206 anbindbar und trennbar.
  • Es sind nun ein erfindungsgemäßer Gleichspannungswandler 240 in einer bevorzugten Ausführungsform, sowie ein herkömmlicher Gleichspannungswandler 140 (wie z.B. der in 1, Abbildung (b) gezeigt, ggf. mit angepasstem Spannungsniveau) vorgesehen. Der Gleichspannungswandler 140 ist auf Niederspannungsseite an das Niederspannungsbordnetz 202 angebunden, und auf Hochspannungsseite an die Hochspannungsbatterie BT1, also die Anschlüsse +BT1 und BTmid. Anstelle des Gleichspannungswandlers 140 könnte auch ein erfindungsgemäßer Gleichspannungswandler 240 in einer bevorzugten Ausführungsform vorgesehen sein, bei dem dann die positiven Hochspanungsanschlüsse HV1 und HV2 (siehe spätere Erläuterung) verbunden bzw. kurzgeschlossen sind.
  • Der Gleichspannungswandler 240 weist eine erste Wandlerstufe 241 und eine zweite Wandlerstufe 242 auf. Die erste Wandlerstufe 241 ist zum Anschluss an die Niederspannungsseite eingerichtet ist und weist hierfür einen positiven Niederspannungsanschluss LV auf (die beiden gezeigten Kreise stehen für positiven (oben) und negativen (unten) Niederspannungsanschluss). Die erste Wandlerstufe weist auch einen positiven Zwischenanschluss auf und ist darüber an einen internen Zwischenkreiskondensator Cint angebunden, dort an einen positiven Anschluss, der hier +DCint entspricht. Über einen negativen Zwischenanschluss ist die erste Wandlerstufe auch an den internen Zwischenkreiskondensator Cint angebunden, dort an einen negativen Anschluss, der hier -BT2 entspricht. Die erste Wandlerstufe 241 ist insbesondere, wie gezeigt, galvanisch getrennt ausgebildet.
  • Die zweite Wandlerstufe 242 ist zum Anschluss an die Hochspannungsseite eingerichtet und weist einen ersten positiven Hochspannungsanschluss HV1 und einen zweiten positiven Hochspannungsanschluss HV2 (die drei gezeigten Kreise stehen für zweiten positiven (oben), ersten positiven (Mitte) und negativen (unten) Hochspannungsanschluss) auf. In dem gezeigten Beispiel ist die zweite Wandlerstufe 242 über einen positiven Zwischenanschluss an den internen Zwischenkreiskondensator Cint angebunden, der erste positive Hochspannungsanschluss HV1 ist an den Anschluss BTmid angebunden, und der zweite positive Hochspannungsanschluss HV2 ist an +BT1 angebunden.
  • In 3 ist der Gleichspannungswandler 240 auf 2 detaillierter gezeigt, insbesondere in Bezug auf die zweite Wandlerstufe 242. Die zweite Wandlerstufe 242 ist hier über den positiven Zwischenanschluss ZA, der hier durch einen dritten positiven Anschluss A3 gebildet wird, bei +DCint an den internen Zwischenkreiskondensator (hier nicht gezeigt, vgl. 2) angebunden. Außerdem ist der positive Zwischenanschluss ZA hier in einem ersten Pfad PF1, insbesondere über einen Ansteuerschalter 251 und eine Induktivität L1, mit dem ersten positiven Hochspannungsanschluss HV1, der hier durch einen ersten positiven Anschluss A1 gebildet wird, verbunden, und zwar insbesondre dauerhaft, und darüber aufgrund der in 2 gezeigten Einbindung in das Hochspannungsbordnetz auch an den Anschluss BTmid.
  • Außerdem ist der positive Zwischenanschluss ZA der zweiten Wandlerstufe in einem zweiten Pfad PF2, insbesondere über einen Ansteuerschalter 252 und eine Induktivität L2, ebenfalls mit dem ersten positiven Hochspannungsanschluss HV1 verbunden.
  • Wie auch zu sehen ist, könnte der positive Zwischenanschluss der zweiten Wandlerstufe in dem zweiten Pfad PF2 aber stattdessen auch mit dem zweiten positiven Hochspannungsanschluss HV2, der hier durch einen zweiten positiven Anschluss A2 gebildet wird, verbunden werden. Diese wahlweise Umschaltung kann z.B. über den gezeigten Schalter oder Umschalter S1 erfolgen. Hierzu kann der Gleichspannungswandler 240 z.B. entsprechend eingerichtet sein, bei Bedarf umzuschalten.
  • Diese Situation, in der der positive Zwischenanschluss der zweiten Wandlerstufe in dem zweiten Pfad PF2 mit dem zweiten positiven Hochspannungsanschluss HV2 verbunden ist, ist in 4 gezeigt. Dort ist anders als in 3 auch der Zwischenkreiskondensator CHV des Hochspannungsbordnetztes gezeigt, zudem ist die Spannung VDCint des internen Zwischenspannungskondensators gezeigt. Wenngleich die Anschlüsse HV1 und HV2 hier auf der anderen Seite als in 3 dargestellt sind, entspricht dies derselben Verschaltung.
  • Bei dem in 2 dargestellten Anwendungsfall wird der Gleichspannungswandler 240 also so eingesetzt, dass der erste positive Hochspannungsanschluss HV1 mit dem Low-Side-Batteriesegment BT2 verbunden ist. Dadurch kann der Low-Side-Eingangsanschluss (negativer Hochspannungsanschluss) des Gleichspannungswandler 240 über ein Batterieschütz (Schalter 206) mit der negative Hochspannungsseite -HV verbunden werden. Der zweite positive Hochspannungsanschluss HV2 ist mit der positiven Hochspannungsseite +HV verbunden und ermöglicht so die Vorladung des Zwischenkreiskondensators.
  • Die zweite Wandlerstufe 242 bietet Spannungserhöhungsfunktionen im normalen DC-DC-Betrieb, wenn Energie von der Hochspannungs- zur Niederspannungsseite übertragen wird. Eine mögliche Ausführungsform der zweiten Wandlerstufe 242 in dem gezeigten Anwendungsfall ist ein mehrphasiger Aufwärtswandler mit mindestens zwei Phasen - es handelt sich um die in 3 gezeigte Konfiguration.
  • Um die Zwischenkreisvorladung zu ermöglichen, ist es zweckmäßig, wenn mindestens eine der Phasen (bzw. Pfade) eine Halbbrücke mit zwei Schaltern ist oder umfasst, wie hier für den Pfad PF1 mit den Schaltern 251 und 253 (High-Side und Low-Side-Schalter) und für den Pfad PF2 mit den Schaltern 252 und 254 (High-Side und Low-Side-Schalter) gezeigt. Damit sind insgesamt wenigstens zwei Pfade bzw. Phasen zweckmäßig, es können aber auch mehr als zwei sein.
  • Für die Einbeziehung der aktiven Zwischenkreisentladung ist es zweckmäßig, wenn eine weitere Halbbrücke mit zwei Schaltern vorgesehen ist - hier der andere der beiden Pfade. Damit sind insgesamt auch hier wenigstens zwei Pfade bzw. Phasen zweckmäßig, es können aber auch mehr als zwei sein. Falls das Laden bzw. Entladen von bzw. zu der Niederspannungsbatterie erfolgt, wäre auch eine Phase bzw. ein Pfad ausreichend. Die in 3 dargestellte zweite Wandlerstufe umfasst den erwähnten Schalter S1, der zur Rekonfiguration der Wandlertopologie dient. Durch Umschalten des Schalters S1 von A1 bzw. HV1 auf A2 bzw. HV2 wird die ursprüngliche zweiphasige Boost-Topologie in eine einphasige kaskadierte Buck-Boost-Topologie umkonfiguriert, wie in 4 zu sehen, die es ermöglicht, die Spannung am Zwischenkreiskondensator auf einen beliebigen Wert zwischen 0V und VDCint zu bringen.
  • Um eine ordnungsgemäße Vorladefunktion des Zwischenkreiskondensators zu gewährleisten, sollte die Spannung VDCint höher sein als die Summe der beiden Batteriestapelspannungen VBT1 und VBT2.
  • Je nach Konfiguration der zweiten Wandlerstufe sind nunmehr verschiedene Betriebsarten möglich.
  • In einem regulären Gleichspannungswandler-Betrieb (DC-DC-Betrieb) kann z.B. Energie ausschließlich vom ersten positiven Hochspannungsanschluss HV1 zum positiven Niederspannungsanschluss LV oder umgekehrt übertragen werden. Der Schalter S1 befindet sich in der Stellung wie in 3 zu sehen, d.h. der positive Zwischenanschluss der zweiten Wandlerstufe ist im zweiten Pfad PF2 mit dem ersten positiven Hochspannungsanschluss verbunden. Die zweite Wandlerstufe ist hierbei als zweiphasiger Hochsetzsteller konfiguriert.
  • Zum Laden bzw. Vorladen des Zwischenkreiskondensators (Vorladebetrieb) erfolgt eine Energieübertragung zweckmäßigerweise vom ersten positiven Hochspannungsanschluss HV1 zum zweiten positiven Hochspannungsanschluss HV2, während die Energieübertragung zwischen dem ersten positiven Hochspannungsanschluss HV1 und dem positiven Niederspannungsanschluss LV bei reduzierter Kapazität weiterhin möglich ist. Der Schalter S1 befindet sich dann insbesondere in der Stellung wie in 4 zu sehen, d.h. der positive Zwischenanschluss der zweiten Wandlerstufe ist im zweiten Pfad PF2 mit dem zweiten positiven Hochspannungsanschluss verbunden. Die zweite Wandlerstufe ist hierbei als kaskadierter Buck-Boost-Wandler (Inverswandler) konfiguriert.
  • Die Spannungsverläufe während des Vorladens des Zwischenkreiskondensators sind in 5 dargestellt; hierbei ist eine Spannung V über einer Zeit t aufgetragen. Das Vorladen beginnt zum Zeitpunkt t1; hier wird der Schalter S1 zum Anschluss HV2 geschaltet. Das Vorladen dauert bis zum Zeitpunkt t2; hier wird dann der Schalter S1 wieder zum Anschluss HV1 geschaltet. Die Zwischenspannung VDCint des internen Zwischenkreiskondensators zwischen der ersten Wandlerstufe und der zweiten Wandlerstufe wird durch den Aufwärts- bzw. Boost-Pfad (hier der erste Pfad PF1) auf ein Niveau oberhalb der Summe der beiden Batteriestapelspannungen, VBT1 + VBT2, geregelt. Der Abwärts- bzw. Buck-Pfad (hier der zweite Pfad PF2) der zweiten Wandlerstufe steuert das Ladeprofil des internen Zwischenkreiskondensators.
  • Zum Entladen des Zwischenkreiskondensators (Entladebetrieb) wird Energie vom zweiten positiven Hochspannungsanschluss HV2 auf den Zwischenkreiskondensator Cint bzw. den Anschluss +DCint übertragen, und je nach Anforderung an Niederspannungs-Last etnweder zur Versorgung der Niederspannungslasten über die erste Wandlerstufe verwendet, oder aber zum ersten postiven Hochspannungsanschluss HV1 übertrage und in der Hochspannungsbatterie gespeichert. eine ununterbrochene Versorgung der Niederspannungsseite ist weiterhin möglich. Es handelt sich um einen umgekehrten Prozess zum Vorladen des Zwischenkreiskondensators. Die in dargestellte Konfiguration der CTRL-Stufe ist anwendbar.
  • In 6 ist ein Mehrspannungsnetz bzw. Mehrspannungsbordnetz 300 gezeigt, bei dem die Erfindung ebenfalls verwendet werden kann. Das Mehrspannungsbordnetz 300 weist beispielhaft eine Hochspannungsbatterie BT mit Spannung VBT auf.
  • Das Mehrspannungsbordnetz 300 umfasst ein Hochspannungsnetz bzw. Hochspannungsbordnetz 301 sowie ein Niederspannungsnetz bzw. Niederspannungsbordnetz 302. Wie auch in 1 oder 2 ist beispielhaft eine elektrische Maschine 110 über einen Inverter 112 an das Hochspannungsbordnetz 301 angebunden; wie dort erwähnt, können auch andere und/oder weitere Lasten vorgesehen sein. Die Hochspannungsbatterie ist mit positivem Anschluss +BT und negativem Anschluss -BT an das Hochspannungsbordnetz 301 angebunden bzw. sind über Schalter 305 und 306 anbindbar und trennbar.
  • Es ist ein erfindungsgemäßer Gleichspannungswandler 340 in einer weiteren bevorzugten Ausführungsform vorgesehen. Der Gleichspannungswandler 340 weist eine erste Wandlerstufe 341 und eine zweite Wandlerstufe 342 auf. Die erste Wandlerstufe 341 ist zum Anschluss an die Niederspannungsseite eingerichtet ist und weist hierfür einen positiven Niederspannungsanschluss LV auf (die beiden gezeigten Kreise stehen für positiven (oben) und negativen (unten) Niederspannungsanschluss). Die erste Wandlerstufe weist auch einen positiven Zwischenanschluss auf und ist darüber an einen internen Zwischenkreiskondensator Cint angebunden, dort an einen positiven Anschluss, der hier +DCint entspricht. Über einen negativen Zwischenanschluss ist die erste Wandlerstufe auch an den internen Zwischenkreiskondensator Cint angebunden, dort an einen negativen Anschluss, der hier -BT2 entspricht. Die erste Wandlerstufe 341 ist insbesondere, wie gezeigt, galvanisch getrennt ausgebildet. Die erste Wandlerstufe 341 kann insbesondere auch wie die erste Wandlerstufe 241 aufgebaut sein.
  • Die zweite Wandlerstufe 342 ist zum Anschluss an die Hochspannungsseite eingerichtet und weist einen ersten positiven Hochspannungsanschluss HV1 und einen zweiten positiven Hochspannungsanschluss HV2 (die drei gezeigten Kreise stehen für zweiten positiven (oben), ersten positiven (Mitte) und negativen (unten) Hochspannungsanschluss) auf. In dem gezeigten Beispiel ist die zweite Wandlerstufe 342 über einen positiven Zwischenanschluss an den internen Zwischenkreiskondensator Cint angebunden, der erste positive Hochspannungsanschluss HV1 ist an den Anschluss BTmid angebunden, und der zweite positive Hochspannungsanschluss HV2 ist an +BT1 angebunden.
  • Die zweite Wandlerstufe 342 ist aber insbesondere anders als die zweite Wandlerstufe 242 konfiguriert, und zwar insbesondere dahingehend, wie die Anschlüsse intern verbunden sind.
  • Dies ist in 7 detaillierter gezeigt. Die zweite Wandlerstufe 342 entspricht zwar im Grunde der zweiten Wandlerstufe 242, jedoch wird hier der erste positive Anschluss A1 als Zwischenanschluss ZA verwendet, und der dritte positive Anschluss A3 als erster positiver Hochspannungsanschluss.
  • Bei der zweiten Wandlerstufe kann es sich auch um einen mehrphasigen Abwärtswandler mit mindestens zwei Phasen handeln. Der Schalter S1 kann verwendet werden, um eine der Phasen des Abwärtswandlers mit der positiven Hochspannungsseite +HV zu verbinden und so die Vorladefunktion zu ermöglichen. Um zusätzlich die Funktion der aktiven Entladung des Zwischenkreiskondensators zu unterstützen, kann der an S1 angeschlossene Pfad bidirektional sein, da er beim Entladen im Boost-Modus betrieben werden sollte.
  • Der normale DC-DC-Betrieb (Energieübertragung vom ersten positiven Hochspannungsanschluss zum positiven Niederspannungsanschluss LV) kann während der Vorladung und der aktiven Entladung mit reduzierter maximaler Leistungsübertragungsfähigkeit fortgesetzt werden (thermische Auslegungsbegrenzung).
  • Eine alternative Ausführung der zweiten Wandlerstufe mit einem einphasigen Abwärtswandler ist ebenfalls möglich, aber in diesem Fall ist eine Energieübertragung zwischen dem ersten positiven Hochspannungsanschluss und dem positiven Niederspannungsanschluss LV während der Vorladung des Zwischenkreises und der aktiven Entladung nicht möglich.

Claims (14)

  1. Gleichspannungswandler (240, 340) mit einer ersten Wandlerstufe (241, 341) und einer zweiten Wandlerstufe (242, 342), wobei die erste Wandlerstufe (241, 341) insbesondere galvanisch getrennt ausgebildet ist, wobei die erste Wandlerstufe (241, 341) und die zweite Wandlerstufe (242, 342) über einen internen Zwischenkreiskondensator (Cint) miteinander verbunden sind, wobei die erste Wandlerstufe (241, 341) zum Anschluss an eine Niederspannungsseite eingerichtet ist und einen positiven Niederspannungsanschluss (LV) aufweist, und wobei die erste Wandlerstufe (241, 341) einen positiven Zwischenanschluss aufweist und darüber an den internen Zwischenkreiskondensator (Cint) angebunden ist, wobei die zweite Wandlerstufe (242, 342) zum Anschluss an eine Hochspannungsseite eingerichtet ist und einen ersten positiven Anschluss (A1), einen zweiten positiven Anschluss (A2), und einen dritten positiven Anschluss (A3) aufweist, die als erster positiven Hochspannungsanschluss (HV1), als zweiter positiver Hochspannungsanschluss (HV2) und als positiver Zwischenanschluss (ZA) verwendbar sind, wobei die zweite Wandlerstufe (242) über den positiven Zwischenspannungsanschluss (ZA) an den internen Zwischenkreiskondensator (Cint) angebunden ist, wobei der Gleichspannungswandler (240, 340) eingerichtet ist, den dritten positiven Anschluss (A3) der zweiten Wandlerstufe in einem Pfad (PF2), insbesondere über einen Ansteuerschalter und eine Induktivität, wahlweise mit dem ersten positiven Anschluss (A1) oder mit dem zweiten positiven Anschluss (A2) zu verbinden.
  2. Gleichspannungswandler (240, 340) nach Anspruch 1, wobei der dritte positive Anschluss (A3) der zweiten Wandlerstufe in einem weiteren Pfad (PF1), insbesondere über einen Ansteuerschalter und eine Induktivität, mit dem ersten positiven Anschluss (A1) verbunden ist.
  3. Gleichspannungswandler (240, 340) nach Anspruch 1 oder 2, der eingerichtet ist, den ersten positiven Anschluss (A1) als ersten positiven Hochspannungsanschluss (HV1), den zweiten positiven Anschluss (A2) als zweiten positiven Hochspannungsanschluss (HV2), und den dritten positiven Anschluss (A3) als positiven Zwischenanschluss (ZA) zu verwenden.
  4. Gleichspannungswandler (240, 340) nach einem der vorstehenden Ansprüche, der eingerichtet ist, den ersten positiven Anschluss (A1) als positiven Zwischenanschluss (ZA), den zweiten positiven Anschluss (A2) als zweiten positiven Hochspannungsanschluss (H2), und den dritten positiven Anschluss (A3) als zweiten positiven Hochspannungsanschluss (HV2) zu verwenden.
  5. Gleichspannungswandler (240, 340) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die erste Wandlerstufe (241, 341) einen negativen Niederspannungsanschluss und einen negativen Zwischenanschluss aufweist, wobei die zweite Wandlerstufe (242, 342) einen negativen Hochspannungsanschluss und einen negativen Zwischenanschluss aufweist, und wobei der negativen Hochspannungsanschluss und der negativen Zwischenanschluss der zweiten Wandlerstufe und der negative Zwischenanschluss der ersten Wandlerstufe miteinander verbunden sind
  6. Mehrspannungsnetz (200, 300) umfassend ein Hochspannungsnetz (201, 301) und ein Niederspannungsnetz (202, 302), mit einer in dem Hochspannungsnetz vorgesehenen Kapazität (CHV), und mit einem Gleichspannungswandler (240, 340) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei mittels des Gleichspannungswandlers das Hochspannungsnetz und das Niederspannungsnetz miteinander verbunden sind.
  7. Elektrisches Fahrzeug mit einem Mehrspannungsnetz nach Anspruch 6.
  8. Verfahren zum Betreiben eines Mehrspannungsnetzes (200, 300), insbesondere nach Anspruch 6, umfassend ein Hochspannungsnetz (201, 301) und ein Niederspannungsnetz (202, 302), wobei in dem Hochspannungsnetz ein Zwischenkreiskondensator (CHV) vorgesehen ist, unter Verwendung eines Gleichspannungswandlers (240, 340) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei mittels des Gleichspannungswandlers das Hochspannungsnetz und das Niederspannungsnetz miteinander verbunden sind.
  9. Verfahren nach Anspruch 8, wobei für einen regulären Gleichspannungswandler-Betrieb der positive Zwischenanschluss (ZA) der zweiten Wandlerstufe in dem Pfad (PF2) mit dem ersten positiven Hochspannungsanschluss (HV1) verbunden ist oder wird.
  10. Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, wobei zum Laden, insbesodere Vorladen, des Zwischenkreiskondensators über den Gleichspannungswandler der positive Zwischenanschluss (ZA) der zweiten Wandlerstufe in dem Pfad (PF2) mit dem zweiten positiven Hochspannungsanschluss (HV2) verbunden ist oder wird.
  11. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 10, wobei zum Entladen des Zwischenkreiskondensator über den Gleichspannungswandler der positive Zwischenanschluss (ZA) der zweiten Wandlerstufe in dem Pfad (PF2) mit dem zweiten positiven Hochspannungsanschluss (HV2) verbunden ist oder wird
  12. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 10, wobei weiterhin die zweite Wandlerstufe (242, 342) über den positiven Zwischenanschluss (ZA) an den internen Zwischenkreiskondensator angebunden ist oder wird.
  13. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 12, in Rückbezug auf Anspruch 3, wobei der erste positive Anschluss (A1) als erster positiver Hochspannungsanschluss (HV1) verwendet wird und mit einem mittleren Anschluss (BTmid) eines Energiespeichers im Hochspannungsnetz verbunden ist oder wird, und wobei der zweite positive Anschluss (A2) als zweiter positiver Hochspannungsanschluss (HV2) verwendet wird und mit einem positiven Anschluss (+HV) des Hochspannungsnetzes verbunden ist oder wird.
  14. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 12, in Rückbezug auf Anspruch 4, wobei der dritte positive Anschluss (A3) als erster positiver Hochspannungsanschluss (HV1) verwendet wird und mit einem positiven Anschluss (+BT) eines Energiespeichers im Hochspannungsnetz verbunden ist oder wird, und wobei der zweite positive Anschluss (A2) als zweiter positiver Hochspannungsanschluss (HV2) verwendet wird und mit einem positiven Anschluss (+HV) des Hochspannungsnetzes verbunden ist oder wird.
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