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Die Erfindung betrifft einen Gleichspannungswandler nach den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1, ein Fahrzeug und eine Anordnung.
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Aus dem Stand der Technik sind, wie in der
DE 10 2020 007 837 A1 beschrieben, ein Spannungswandler zum Laden eines elektrischen Energiespeichers eines elektrisch angetriebenen Fahrzeugs, ein Fahrzeug und ein Verfahren bekannt. Der Spannungswandler umfasst eine Eingangsseite zum Koppeln mit einer Gleichspannungsladequelle, eine Ausgangsseite zum Koppeln mit dem elektrischen Energiespeicher, eine Schaltanordnung, welche zwischen der Eingangsseite und Ausgangsseite verschaltet ist, und eine Reihenschaltung eines ersten und eines zweiten Kondensators des Spannungswandlers zum Bereitstellen einer Ausgangspannung. Die Schaltanordnung ist ausgebildet, einen ersten Betriebsmodus einzunehmen, um als Ausgangsspannung die Summe einer ersten Spannung des ersten Kondensators und einer zweiten Spannung des zweiten Kondensators bereitzustellen, und einen zweiten Betriebsmodus einzunehmen, in welchem ein Entladen des elektrischen Energiespeichers durchführbar ist, wobei eine entnommene Leistung des elektrischen Energiespeichers an die Gleichspannungsladequelle übertragbar ist.
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In der
DE 10 2020 109 426 A1 wird eine Ladevorrichtung zum Laden eines elektrischen Energiespeichers eines elektrisch betriebenen Fahrzeugs mit einem Gleichspannungswandler beschrieben. Die Ladevorrichtung umfasst einen ersten Gleichspannungsanschluss zum Verbinden der Ladevorrichtung mit einer Gleichspannungsquelle, einen zweiten Gleichspannungsanschluss zum Verbinden der Ladevorrichtung mit dem elektrischen Energiespeicher und einen Gleichspannungswandler zum Umwandeln einer ersten Gleichspannung des ersten Gleichspannungsanschlusses in eine zweite Gleichspannung.
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Aus der
DE 10 2020 004 578 A1 sind ein Spannungswandler und ein Verfahren zum Laden eines elektrischen Energiespeichers eines elektrisch betriebenen Fahrzeugs bekannt. Der Spannungswandler umfasst eine erste Anschlussseite zum Verbinden des Spannungswandlers mit einer Stromquelle, welche eine Ladespannung bereitstellt, und eine zweite Anschlussseite zum Verbinden des Spannungswandlers mit dem elektrischen Energiespeicher. Zwischen der ersten und der zweiten Anschlussseite ist eine Schalteinrichtung angeordnet. Die Schalteinrichtung nimmt einen ersten Schaltzustand ein, wodurch ein erster Kondensator einer ersten Schalteinheit der Schalteinrichtung und ein zweiter Kondensator einer zweiten Schalteinheit der Schalteinrichtung in Reihe zueinander geschaltet sind. Die Schalteinrichtung nimmt einen zweiten Schaltzustand ein, wodurch eine Reihenschaltung mit der ersten Anschlussseite, dem ersten und dem zweiten Kondensator und der zweiten Anschlussseite gebildet ist, wodurch eine Versorgungsspannung erzeugbar ist, um den elektrischen Energiespeicher zu laden.
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In der
DE 10 2019 005 476 A1 werden eine Ladevorrichtung und ein Verfahren zum Laden eines elektrischen Energiespeichers eines Fahrzeugs beschrieben. Die Ladevorrichtung umfasst einen ersten Gleichspannungswandler zum Umwandeln einer Wechselspannung in eine erste Gleichspannung, einen eingangsseitigen Wechselspannungsanschluss zum Bereitstellen der Wechselspannung, einen ausgangsseitigen Gleichspannungsanschluss, mit welchem der elektrische Energiespeicher mit der ersten Gleichspannung versorgbar ist, einen zweiten Gleichspannungswandler, mit welchem die Wechselspannung in eine zweite Gleichspannung umwandelbar ist, einen ersten Kondensator des ersten Gleichspannungswandlers, welcher von dem ersten Gleichspannungswandler mit der ersten Gleichspannung aufladbar ist, und einen zweiten Kondensator des zweiten Gleichspannungswandlers, welcher von dem zweiten Gleichspannungswandler mit der zweiten Gleichspannung aufladbar ist. Mit dem ersten Kondensator und/oder dem zweiten Kondensator ist der elektrische Energiespeicher des Fahrzeugs über den ausgangsseitigen Gleichspannungsanschluss mit der ersten Gleichspannung und/oder der zweiten Gleichspannung versorgbar.
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Aus der
DE 10 2019 000 238 A1 sind eine Ladeeinrichtung und ein Verfahren zum Aufladen einer ersten Batterie eines ersten Bordnetzes durch eine Ladestation, die eine einphasige Wechselspannung zum Aufladen bereitstellt, bekannt. In dem Verfahren wird die Wechselspannung mittels einer PFC-Einheit in eine Gleichspannung gewandelt. Die Gleichspannung wird mittels eines ersten Gleichspannungsenergiewandlers mit dem ersten Bordnetz elektrisch gekoppelt und mittels eines zweiten Gleichspannungsenergiewandlers bidirektional mit einem eine zweite Batterie aufweisenden zweiten Bordnetz derart elektrisch gekoppelt, dass ein Spannungsrippel im ersten Bordnetz reduziert wird. Die zweite Batterie wird unmittelbar mit dem zweiten Gleichspannungsenergiewandler gekoppelt und mit weiteren elektrischen Komponenten des zweiten Bordnetzes mittels eines wenigstens eine Diode und wenigstens einen Kondensator aufweisenden Netzwerks gekoppelt.
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Die
CN 114655071 A zeigt eine Batterie, ein Batteriesteuerverfahren und ein Elektrofahrzeug, bei der ein Prozessor in der Batterie eine Gleichstromumwandlungsschaltung steuern kann, um einen Entladespannungswert einer Batteriezellengruppe in eine Nennarbeitsspannung einer Elektronikeinheit umzuwandeln. Damit kann eine Ausgangsspannung der Batterie an verschiedene Nennarbeitsspannungen von Elektrogeräten angepasst werden, um diese dann mit Strom zu versorgen. Die Kompatibilität einer solchen Batterie ist damit relativ hoch.
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Aus der
US 2019/0260226 A1 ist eine Stromversorgung mit sowohl Power-Sharing-Funktion als auch Power-Backup-Funktionen bekannt, welche effizienter und flexibler ist. Die Stromversorgung verwendet einen Power-Sharing-Konverter, der zwischen einem ersten Busanschluss und einem zweiten Bus-Anschluss gekoppelt ist, sodass, wenn einer der Bus-Anschlüsse nicht genügend Strom liefert, der andere Bus-Anschluss über den Power-Sharing-Konverter einschaltet, um die Stromversorgung bereitzustellen. Darüber hinaus kann ein Speicherkondensator zur Stromversorgungsunterstützung hinzukommen, wenn einer der Busanschlüsse nicht genügend Strom über den Power-Sharing-Konverter liefert oder nicht.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, einen gegenüber dem Stand der Technik verbesserten Gleichspannungswandler, ein Fahrzeug mit einem solchen Gleichspannungswandler und eine Anordnung mit einem solchen Fahrzeug anzugeben.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch einen Gleichspannungswandler mit den Merkmalen des Anspruchs 1, ein Fahrzeug mit den Merkmalen des Anspruchs 6 und eine Anordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 9.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Ein Gleichspannungswandler ist zum Wandeln einer ersten Gleichspannung in eine zweite Gleichspannung und umgekehrt, wobei die erste Gleichspannung größer ist als die zweite Gleichspannung, vorgesehen. Beispielsweise ist der Gleichspannungswandler zum Wandeln einer ersten Gleichspannung von 800V in eine zweite Gleichspannung von 400V und umgekehrt vorgesehen. Der Gleichspannungswandler weist einen ersten Gleichspannungsanschluss für die erste Gleichspannung, einen zweiten Gleichspannungsanschluss für die zweite Gleichspannung und, zum Wandeln der Spannung, eine Spannungswandlerschaltung zwischen dem ersten und zweiten Gleichspannungsanschluss auf.
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Erfindungsgemäß sind Minuspotentiale des ersten und zweiten Gleichspannungsanschlusses über eine gemeinsame Minuspotentialverbindungsleitung miteinander verbunden, in welcher eine Diode mit Sperrrichtung in Richtung des Minuspotentials des ersten Gleichspannungsanschlusses angeordnet ist. Über die Diode in der gemeinsamen Minuspotentialverbindungsleitung fällt in Richtung des zweiten Gleichspannungsanschluss, d.h. in Durchlassrichtung, kaum Spannung ab, so dass die beiden Gleichspannungsanschüsse diesbezüglich im Wesentlichen auf gleichem Potential liegen, genauer gesagt in Durchlassrichtung weisen beide Minuspotentiale im Wesentlichen ein gleiches Potential auf. In Sperrrichtung der Diode hingegen wird natürlich das Potential nicht übertragen, so dass diese auch unterschiedlich sein können. Die Diode ist beispielsweise zwischen dem Minuspotential des ersten Gleichspannungsanschlusses und der Spannungswandlerschaltung angeordnet.
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Beispielsweise stellt der zweite Gleichspannungsanschluss den Ladeanschluss eines zumindest teilweise elektrisch betriebenen Fahrzeugs dar, der mit einer externen Ladestation verbunden werden und zumindest zeitweise verbunden sein kann, und der erste Gleichspannungsanschluss den Anschluss eines zum Fahrzeug zugehörigen elektrischen Energiespeichers, insbesondere einer HV-Batterie oder/und Traktionsbatterie dar. Eine solche Diode in der gemeinsamen Minuspotentialverbindungsleitung zwischen den Minuspotentialen des ersten und zweiten Gleichspannungsanschlusses insbesondere hindert einen Ladevorgang vom zweiten Gleichspannungsanschluss mit einer Ladestation zum ersten Gleichspannungsanschluss mit einem elektrischen Energiespeicher hin nicht oder so gut wie kaum, da eben in diese Richtung die Diode einen Ladestrom durchschaltet. Ein umgekehrter ungewollter Energiefluss im Sinne eines Entladevorgang wird hingegen durch die Sperrrichtung der Diode unterbunden, was insbesondere in einem Fehlerfall bei einem Kurzschluss im Fahrzeug zwischen einem Pluspotential des ersten Gleichspannungsanschluss und einem Massepotential zur Sicherheit beiträgt. Hierbei kann dieser fahrzeuginterne Kurzschluss über die Masseverbindung zur Ladestation hin, in der Ladestation zur Erkennung eines Spannungsfehlers zwischen dem Minuspotential des zweiten Gleichspannungsanschluss und dem Massepotential, welches insbesondere im Fehlerfall dann auf dem Pluspotential des ersten Gleichspannungsanschluss liegen würde, in der Ladestation führen, was dann dort wiederum zum Auftrennen der Masseverbindung zwischen dem Fahrzeug und der Ladestation und einem aktiven Kurzschließen zwischen dem Minuspotential des zweiten Gleichspannungsanschluss und der Ladestationsmasse führen kann. Ohne die Diode in der gemeinsamen Minuspotentialverbindungsleitung zwischen dem ersten und zweiten Gleichspannungsanschlusses, welche in Richtung des ersten Gleichspannungsanschlusses sperrt, könnte sonst bei diesem Fehlerfall auf dem Massepotential der Ladestation, damit insbesondere auf dem damit eigentlich geerdeten Gehäuse, das Minuspotentiale des ersten Gleichspannungsanschlusses, insbesondere einer HV-Batterie, liegen. Da in dem Fehlerfall auf dem Massepotential des Fahrzeugs und damit auch insbesondere auf der Karosserie des Fahrzeugs das Pluspotential des ersten Gleichspannungsanschlusses, insbesondere der HV-Batterie, liegen würde und ohne die Diode ansonsten möglicherweise auf dem Gehäuse der Ladestation das Minuspotential des zweiten Gleichspannungsanschlusses, insbesondere der HV-Batterie, liegen würde, wäre dies eine echte Gefahrensituation für Personen, welche beide Gegenstände berühren könnten, was es zu verhindern gilt. Daher kann die Diode in der gemeinsamen Minuspotentialverbindungsleitung zwischen dem ersten und zweiten Gleichspannungsanschluss auch als Sicherheitsdiode bezeichnet werden.
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Des Weiteren ist erfindungsgemäß zur Diode eine Halbleitersicherung elektrisch parallelgeschaltet.
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Diese Halbleitersicherung ist normalerweise geöffnet, so dass darüber kein Potentialausgleich stattfinden kann, insbesondere so dass nicht das Minunspotential des ersten und zweiten Gleichspannungsanschlusses verbunden und übertragen wird. Auch beim beispielsweise normalen elektrischen Laden einer HV-Batterie eines Fahrzeugs am ersten Gleichspannungsanschluss von einer externen Ladestation am zweiten Gleichspannungsanschluss, bleibt die Halbleitersicherung geöffnet und die Verbindung besteht alleine über die in der gemeinsamen Minuspotentialverbindungsleitung angeordnete Diode, welche in dieser Richtung das Minuspotential kaum beeinflusst und nicht sperrt.
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Durch die erfindungsgemäße Lösung wird die oben erwähnte bidirektionale Spannungswandlung ermöglicht, d. h. das Wandeln der ersten Gleichspannung in die zweite Gleichspannung und auch das umgekehrte Wandeln der zweiten Gleichspannung in die erste Gleichspannung. Dies wird ermöglicht, indem die Diode, die das Wandeln der ersten Gleichspannung in die zweite Gleichspannung aufgrund ihrer Sperrrichtung verhindern würde, durch die dazu elektrisch parallel geschaltete Halbleitersicherung überbrückt wird.
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Somit wird bei einem gewollten Wandelvorgang von der ersten Gleichspannung auf die zweite Gleichspannung die Halbleitersicherung geschlossen und stellt damit die Verbindung zwischen dem Minuspotentiale des zweiten Gleichspannungsanschlusses mit dem Minuspotentiale des ersten Gleichspannungsanschlusses dar, da die Diode in der gemeinsamen Minuspotentialverbindungsleitung eben in diese Richtung sperrt und keine Verbindung darstellt. Um nun auch in dieser Betriebsart das Gefährdungspotential des obigen Fehlerfalls vermeiden zu können, öffnet die Halbleitersicherung im Fehlerfall, so dass damit auch diese Verbindung unterbrochen ist und die Diode als Sicherheitsdiode ebenfalls die Gefährdung verhindert. Daher wird hier auch eine Halbleitersicherung parallel zur Diode verschaltet und nicht nur ein Halbleiterschalter, welche die Verbindung auf gleiche Weise herstellen könnte.
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Um Verwechslungen vorzubeugen sei hier nochmals klargestellt, dass diese Verbindung über die Halbleitersicherung parallel zur Diode normalerweise geöffnet ist und nur aktiv bei einem Wandelvorgang von der ersten Gleichspannung auf die zweite Gleichspannung die Halbleitersicherung geschlossen wird. Damit sind eben auch bi-direktionalen Ladevorgänge mit der Diode als Sicherheitsdiode in der gemeinsamen Minuspotentialverbindungsleitung möglich, da beispielsweise bei einem Entladevorgang einer HV-Batterie am ersten Gleichspannungsanschluss die Halbleitersicherung aktiv geschlossen werden kann und damit die Sperrrichtung der Diode umgangen werden kann und dennoch im Fehlerfall bei allen Ladevorgängen die Diode in der gemeinsamen Minuspotentialverbindungsleitung als Sicherheitsdiode funktioniert ohne eben eine Bi-Direktionalität zu unterbinden.
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Der erfindungsgemäße Gleichspannungswandler ist besonders vorteilhaft zur Verwendung in einem Fahrzeug, da er hier das Laden einer HV-Batterie oder Traktionsbatterie des Fahrzeugs, d. h. eines elektrochemischen Energiespeichers zur elektrischen Energieversorgung mindestens einer elektrischen Antriebsmaschine zum Antrieb des Fahrzeugs, ermöglicht, auch als Ladebetrieb bezeichnet, und zudem eine Rückspeisung aus der Traktionsbatterie in eine von der Traktionsbatterie mit elektrischer Energie zu versorgende, insbesondere fahrzeugexterne, Einheit ermöglicht. Insbesondere weisen heutige Fahrzeuge ein wesentlich höhere Bord- und/oder Batteriespannung auf, als es viele Ladestationen oder sonstige Verbraucher am Ladeanschluss benötigen, so dass beispielsweise der Gleichspannungswandler die Spannung der Traktionsbatterie auf das benötigte Spannungsniveau eines Verbrauchers oder der Ladestation beim Entladen des Fahrzeugs vermindern bzw. herabsetzen muss, was auch als Buck-Betrieb bezeichnet wird.
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Umgekehrt muss beispielsweise der Gleichspannungswandler beim Laden der Traktionsbatterie mit einer höheren Spannung als die Ladespannung der Ladestation die Spannung der Ladestation erhöhen, um die Traktionsbatterie laden zu können, was dann als Boost-Betrieb bezeichnet wird.
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Diese Betriebsarten hängen primär von der Wandelmethode und den anliegenden beziehungsweise benötigten Spannungen ab und weniger von der Laderichtung, so dass die erfinderische Lösung mit der Diode in der gemeinsamen Minuspotentialverbindungsleitung als Sicherheitsdiode und der parallel geschalteten Halbleitersicherung eine Bi-Direktionalität in allen Fällen ermöglicht.
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Insbesondere aus diesem Grund ist vorgesehen, dass ein erfindungsgemäßes Fahrzeug einen solchen Gleichspannungswandler aufweist. Dabei ist insbesondere vorgesehen, dass der erste Gleichspannungsanschluss mit der Traktionsbatterie des Fahrzeugs elektrisch gekoppelt ist. Zudem ist insbesondere vorgesehen, dass der zweite Gleichspannungsanschluss mit einer fahrzeugexternen Einheit elektrisch koppelbar ist.
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Eine erfindungsgemäße Anordnung weist ein solches Fahrzeug und eine fahrzeugexterne Einheit auf, wobei der zweite Gleichspannungsanschluss mit der fahrzeugexternen Einheit elektrisch gekoppelt ist. Die fahrzeugexterne Einheit ist beispielsweise eine elektrische Ladestation zum Laden der Traktionsbatterie oder eine von der Traktionsbatterie mit elektrischer Energie zu versorgende Einheit.
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Ist die fahrzeugexterne Einheit eine elektrische Ladestation zum Laden der Traktionsbatterie, dann wird mittels des Gleichspannungswandlers das Laden der Traktionsbatterie mit einer Ladespannung ermöglicht, die geringer ist als eine Batteriespannung der Traktionsbatterie, beispielsweise das Laden einer 800V Traktionsbatterie mit einer Ladespannung von 400V.
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Ist die fahrzeugexterne Einheit eine von der Traktionsbatterie mit elektrischer Energie zu versorgende Einheit, dann wird mittels des Gleichspannungswandlers ein Rückspeisen elektrischer Energie der Traktionsbatterie in diese Einheit ermöglicht. Die fahrzeugexterne Einheit kann beispielsweise ein elektrisches Gerät oder ein zu ladender Akkumulator sein. Dies wird auch als V2L (Vehicle to Load) bezeichnet. Die fahrzeugexterne Einheit kann beispielsweise auch ein Gebäude sein, insbesondere ein Stromnetz des Gebäudes. Dies wird auch als V2H (Vehicle to Home) bezeichnet. Die fahrzeugexterne Einheit kann beispielsweise auch ein öffentliches Stromnetz sein. Dies wird auch als V2G (Vehicle to Grid) bezeichnet. insbesondere wenn die fahrzeugexterne Einheit ein Gebäude oder öffentliches Stromnetz ist, kann dieses Zurückspeisen von der Traktionsbatterie beispielsweise über eine Ladestation erfolgen, die mit dem zweiten Gleichspannungsanschluss des Gleichspannungswandlers elektrisch gekoppelt ist. In diesem Fall wird die Ladestation nicht zum Laden der Traktionsbatterie, sondern als Verbindung zum Stromnetz des Gebäudes oder zum öffentlichen Stromnetz und beispielsweise als Wechselrichter verwendet, um darüber die elektrische Energie der Traktionsbatterie in das Stromnetz des Gebäudes oder in das öffentliche Stromnetz einzuspeisen.
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Für dieses Rückspeisen aus der Traktionsbatterie in die fahrzeugexterne Einheit ist beispielsweise eine elektrische Leistung von maximal 20 kW ausreichend, so dass dies über die Halbleitersicherung erfolgen kann. Insbesondere ist die Halbleitersicherung hierfür auf einen kleinen Strom von beispielsweise maximal 25A ausgelegt. Für den Betrieb des Gleichspannungswandlers zum Rückspeisen aus der Traktionsbatterie in die fahrzeugexterne Einheit, ist insbesondere ein Schalter vorgesehen, mittels welchem der Ladestrompfad, d. h. der Pfad mit der Diode, der im Ladebetrieb zum Laden der Traktionsbatterie verwendet wird, abgeschaltet wird.
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Der Gleichspannungswandler ist ein gekoppelter Gleichspannungswandler, im Gegensatz zu einem potentialgetrennten Gleichspannungswandler. Vorteile im Vergleich zu einem solchen potentialgetrennten Gleichspannungswandler sind insbesondere geringere Kosten und ein kleinerer erforderlicher Bauraum.
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Problematisch bei einem solchen gekoppelten Gleichspannungswandler ist jedoch, dass, insbesondere wenn hierfür der so genannte CHAdeMO Standard verwendet wird, bei einem Einzelfehler ein unzulässig gefährlicher Zustand auftreten kann, d. h. ein Kurzschluss im Fahrzeug zwischen einem Pluspotential und einem Massepotential. Durch einen solchen niederohmigen Potentialfehler im Fahrzeug vom Pluspotential zum Massepotential, d. h. zur Fahrzeugmasse, wird die Ladestation mit der hohen ersten Gleichspannung von beispielsweise 800V beaufschlagt, wodurch ein Überspannungsschutz der Ladestation ausgelöst werden kann. Dadurch wird das Minuspotential der Ladestation mit dem Massepotential der Ladestation verbunden. Dies führt zu einem gefährlichen Zustand, da zwischen einem Gehäuse der Ladestation und einem Chassis des Fahrzeugs die Batteriespannung der Traktionsbatterie anliegt. Durch Berühren beider Teile kann ein lebensbedrohlicher Strom durch den menschlichen Körper fließen.
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Um dies zu vermeiden, ist in der gemeinsamen Minuspotentialverbindungsleitung die Diode mit Sperrrichtung in Richtung des Minuspotentials des ersten Gleichspannungsanschlusses vorgesehen, welche jedoch das oben beschriebene Rückspeisen von der Traktionsbatterie in die fahrzeugexterne Einheit verhindern würde. Daher ist zusätzlich die zur Diode elektrisch parallel geschaltete Halbleitersicherung vorgesehen, welche dies ermöglicht und gleichzeitig die Absicherung in dem oben beschriebenen Fehlerfall weiterhin sicherstellt, indem in einem solchen Fehlerfall die Halbleitersicherung ausgelöst wird und dadurch der Kurzschlussstrom unterbrochen wird. Der Gleichspannungswandler weist somit weiterhin die Schutzfunktion für einen solchen Fehlerfall auf.
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Je nach Ausführung kann eine Leitungsinduktivität, insbesondere der gemeinsamen Minuspotentialverbindungsleitung, bereits zur rechtzeitigen Abschaltung durch die Halbleitersicherung ausreichen, da durch diese im System vorhandene Leitungsinduktivität ein zu schneller Anstieg des Kurzschlussstroms vermieden wird. Normallerweise wird aber versucht solche Leitungsinduktivitäten gering zu halten, was so auch bestimmt bei der Minuspotentialverbindungsleitung sein dürfte. Daher wird in einer weiteren möglichen Ausführungsform insbesondere vorgesehen, dass in einem Strompfad der Halbleitersicherung ein induktives Bauelement, beispielsweise eine Spule und/oder Drossel, ebenfalls parallel zur Diode und damit zur Minuspotentialverbindungsleitung angeordnet ist, um den zu schnellen Anstieg des Kurzschlussstroms zu vermeiden und dadurch das rechtzeitige Auslösen der Halbleitersicherung in einem Fehlerfall zu ermöglichen. Insbesondere kann vorgesehen sein, dass die Diode entsprechend dieses induktiven Bauelements ausuzlegen ist, um alle Sicherheitserfordernisse zu erfüllen.
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Die Spannungswandlerschaltung weist beispielsweise zwei Transistoren auf. Beispielsweise ist zu den Transistoren jeweils eine Diode antiparallel geschaltet. Beispielsweise ist zwischen einem Pluspotential des zweiten Gleichspannungsanschlusses und der Spannungswandlerschaltung eine Drossel angeordnet. Diese Drossel kann beispielsweise ein Bestandteil der Spannungswandlerschaltung sein.
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Die beschriebene Lösung kann ebenfalls verwendet werden, wenn Inverter zweier elektrischer Antriebsmaschinen des Fahrzeugs zur Spannungswandlung verwendet werden, d. h. die Spannungswandlerschaltung weist dann diese Inverter auf.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand von Zeichnungen näher erläutert.
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Dabei zeigen:
- 1 schematisch ein Gleichspannungswandler,
- 2 schematisch ein Fahrzeug mit dem Gleichspannungswandler aus 1, und
- 3 schematisch eine Anordnung mit dem Fahrzeug aus 2 und einer fahrzeugexternen Einheit.
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Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
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1 zeigt eine Ausführungsform eines Gleichspannungswandlers 1 zum Wandeln einer ersten Gleichspannung U1 in eine zweite Gleichspannung U2 und umgekehrt, wobei die erste Gleichspannung U1 größer ist als die zweite Gleichspannung U2. Beispielsweise ist der Gleichspannungswandler 1 zum Wandeln einer ersten Gleichspannung U1 von 800 V in eine zweite Gleichspannung U2 von 400 V und umgekehrt vorgesehen.
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Der Gleichspannungswandler 1 weist einen ersten Gleichspannungsanschluss A1 für die erste Gleichspannung U1 und einen zweiten Gleichspannungsanschluss A2 für die zweite Gleichspannung U2 auf.
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Zur Spannungswandlung weist der Gleichspannungswandler 1 zwischen dem ersten Gleichspannungsanschluss A1 und dem zweiten Gleichspannungsanschluss A2 eine Spannungswandlerschaltung 2 auf. Diese Spannungswandlerschaltung 2 weist im dargestellten Beispiel zwei Transistoren T1, T2 auf, zu denen jeweils eine Diode D1, D2 antiparallel geschaltet ist. Die Transistoren T1, T2 sind beispielsweise jeweils als ein Bipolartransistor mit isolierter Gate-Elektrode (IGBT) ausgebildet. Des Weiteren weist der Gleichspannungswandler 1 im dargestellten Beispiel zwischen einem Pluspotential HV+U2 des zweiten Gleichspannungsanschlusses A2 und der Spannungswandlerschaltung 2 eine Drossel 3 auf. Diese Drossel 3 kann beispielsweise ein Bestandteil der Spannungswandlerschaltung 2 sein.
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Bei dem dargestellten Gleichspannungswandler 1 handelt es sich um einen gekoppelten Gleichspannungswandler 1, im Gegensatz zu einem potentialgetrennten Gleichspannungswandler. Vorteile im Vergleich zu einem solchen potentialgetrennten Gleichspannungswandler sind insbesondere geringere Kosten und ein kleinerer erforderlicher Bauraum.
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Der Gleichspannungswandler 1 ist, wie in 2 schematisch dargestellt, insbesondere zur Verwendung in einem Fahrzeug 4 vorgesehen, insbesondere zum Laden einer Traktionsbatterie 5 des Fahrzeugs 4 an einer Ladestation mit einer kleineren Ladespannung, beispielsweise zum Laden einer 800V-Traktionsbatterie mit einer Ladespannung von 400V. Die erste Gleichspannung U1 ist dann die Batteriespannung der Traktionsbatterie 5 von beispielsweise 800V und die zweite Gleichspannung U2 ist die Ladespannung von beispielsweise 400V.
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Problematisch bei einem solchen gekoppelten Gleichspannungswandler 1 ist jedoch, dass, insbesondere wenn hierfür der so genannte CHAdeMO-Standard verwendet wird, bei einem Einzelfehler ein unzulässig gefährlicher Zustand auftreten kann, d. h. ein Kurzschluss im Fahrzeug 4 zwischen einem Pluspotential HV+U1 und einem Massepotential. Durch einen solchen niederohmigen Potentialfehler im Fahrzeug 4 vom Pluspotential HV+U1 zum Massepotential, d. h. zur Fahrzeugmasse, wird die Ladestation mit der hohen ersten Gleichspannung U1 von beispielsweise 800V beaufschlagt, wodurch ein Überspannungsschutz der Ladestation ausgelöst werden kann. Dadurch wird das Minuspotential HV-U1 der Ladestation mit dem Massepotential der Ladestation verbunden. Dies führt zu einem gefährlichen Zustand, da zwischen einem Gehäuse der Ladestation und einem Chassis des Fahrzeugs 4 die Batteriespannung der Traktionsbatterie 5 anliegt. Durch Berühren beider Teile kann ein lebensbedrohlicher Strom durch den menschlichen Körper fließen.
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Um dies zu vermeiden, ist vorgesehen, dass in einer gemeinsamen Minuspotentialverbindungsleitung 6, welche das Minuspotential HV-U1 des ersten Gleichspannungsanschlusses A1 mit dem Minuspotential HV-U2 des zweiten Gleichspannungsanschlusses A2 verbindet, eine Diode 7 mit Sperrrichtung in Richtung des Minuspotentials HV-U1 des ersten Gleichspannungsanschlusses A1 angeordnet ist.
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Die Diode 7 ist im dargestellten Beispiel gemäß 1 zwischen dem Minuspotential HV-U1 des ersten Gleichspannungsanschlusses A1 und der Spannungswandlerschaltung 2 angeordnet.
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Ohne weitere Maßnahmen wäre durch diese Diode 7 jedoch keine bidirektionale Spannungswandlung möglich, sondern es wäre nur eine Spannungswandlung von der zweiten Gleichspannung U2 auf die erste Gleichspannung U1 möglich, insbesondere zum Laden der Traktionsbatterie 5 durch die Ladestation.
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Um sowohl die bidirektionale Spannungswandlung als auch weiterhin die Absicherung für den oben beschriebenen Fehlerfall zu ermöglichen, ist zur Diode 7 eine Halbleitersicherung 8 elektrisch parallelgeschaltet.
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Durch diese Lösung wird die oben erwähnte bidirektionale Spannungswandlung ermöglicht, d. h. das Wandeln der ersten Gleichspannung U1 in die zweite Gleichspannung U2 und auch das umgekehrte Wandeln der zweiten Gleichspannung U2 in die erste Gleichspannung U1. Dies wird ermöglicht, indem die Diode 7, die das Wandeln der ersten Gleichspannung U1 in die zweite Gleichspannung U2 aufgrund ihrer Sperrrichtung verhindern würde, durch die dazu elektrisch parallel geschaltete Halbleitersicherung 8 überbrückt wird. Im Normalfall ist die Halbleitersicherung 8 geöffnet und wird nur aktiv geschlossen, wenn eine Spannungswandlung von der ersten Gleichspannung U1 in die zweite Gleichspannung U2 erfolgen soll und damit die Diode 7 in Sperrrichtung durch die parallel geschaltete Halbleitersicherung 8 elektrisch überbrückt werden muss.
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Wurde die Halbleitersicherung 8 aktiv zum Wandel der Spannung in Sperrrichtung der Diode 7 geschlossen, stellt die Halbleitersicherung 8 dennoch die Absicherung in dem oben beschriebenen Fehlerfall weiterhin sicher, indem in einem solchen Fehlerfall die Halbleitersicherung 8 ausgelöst wird und dadurch der Kurzschlussstrom unterbrochen wird. D. h. die Halbleitersicherung 8 wird erst bei Auftreten des Fehlerfalls ausgelöst und sperrt dann den Stromfluss. Bis dahin ist sie auf Durchlass geschaltet, so dass der Strom über die Halbleitersicherung 8 fließen kann. Der Gleichspannungswandler 1 weist somit weiterhin die Schutzfunktion für einen solchen Fehlerfall in allen Spannungswandlungsfällen auf und ist damit eben bi-direktional einsetzbar.
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In einer möglichen Ausführungsform ist bereits eine Leitungsinduktivität, insbesondere der gemeinsamen Minuspotentialverbindungsleitung 6, zur rechtzeitigen Abschaltung durch die Halbleitersicherung 8 ausreichend, da durch diese Leitungsinduktivität ein zu schneller Anstieg des Kurzschlussstroms vermieden wird.
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In einer weiteren möglichen Ausführungsform kann vorgesehen sein, dass in einem Strompfad 9 der Halbleitersicherung 8, ein induktives Bauelement 13, beispielsweise eine Spule und/oder Drossel, angeordnet ist, um den zu schnellen Anstieg des Kurzschlussstroms zu vermeiden und dadurch das rechtzeitige Auslösen der Halbleitersicherung 8 zu ermöglichen. Die Diode 7 kann entsprechend dieses induktiven Bauelements 13 ausgelegt sein.
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Der Gleichspannungswandler 1 ermöglicht aufgrund dieser Möglichkeit der bidirektionalen Spannungswandlung bei einer Verwendung im Fahrzeug 4 das Laden der Traktionsbatterie 5 des Fahrzeugs 4, auch als Ladebetrieb bezeichnet, und zudem eine Rückspeisung aus der Traktionsbatterie 5 in eine von der Traktionsbatterie 5 mit elektrischer Energie zu versorgende, insbesondere fahrzeugexterne, Einheit 10.
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Weist beispielsweise die fahrzeugexterne Einheit 10 eine geringere benötigte Spannung auf als die Spannung der Traktionsbatterie 5, so muss zum Rückspeisung der Gleichspannungswandler 1 die Spannung der Traktionsbatterie 5 vom ersten Gleichspannungsanschluss A1 auf einen niedrigeren Spannungswert am zweiten Gleichspannungsanschluss A2 wandeln und so in einem sogenannten Buck-Betrieb arbeiten.
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In 1 ist mittels eines ersten Pfeils P1 eine Energieflussrichtung zum Laden der Traktionsbatterie 5, d. h. zum Wandeln der zweiten Gleichspannung U2 in die erste Gleichspannung U1, markiert. Dieses Laden erfolgt beispielsweise mit einem Ladestrom größer als 200A. Hierbei stellt ein erster Strompfeil S1 eine Ladestromrichtung dieses Ladestroms dar. Dieser Ladestrom fließt über die Diode 7. Beispielsweise kann hier eine Ladespannung der Ladestation von 400V durch den Gleichspannungswandler 1 auf eine Batteriespannung von 800V erhöht werden.
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Mittels eines zweiten Pfeils P2 ist ein Energiefluss während der Rückspeisung von der Traktionsbatterie 5 in die fahrzeugexterne Einheit 10 dargestellt, d. h. zum Wandeln der ersten Gleichspannung U1 in die zweite Gleichspannung U2. Hierbei stellt ein zweiter Strompfeil S2 diesen Stromfluss über den Strompfad 9 der auf Durchlass geschalteten Halbleitersicherung 8 dar, beispielsweise mit einer Stromstärke von maximal oder weniger als 25A. Die Diode 7 in der gemeinsamen Minuspotentialverbindungsleitung sperrt hierbei in diese Richtung den Stromfluss. Mittels eines dritten Strompfeils S3 ist der Stromfluss über die Halbleitersicherung 8 dargestellt, der durch Auslösen der Halbleitersicherung 8 gesperrt werden kann bzw. wird.
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Wie in 2 gezeigt und oben bereits erwähnt, weist das Fahrzeug 4 somit einen solchen Gleichspannungswandler 1 auf. Dabei ist insbesondere vorgesehen, dass der erste Gleichspannungsanschluss A1 mit der Traktionsbatterie 5 des Fahrzeugs 4 elektrisch gekoppelt ist. Zudem ist insbesondere vorgesehen, dass der zweite Gleichspannungsanschluss A2 mit einer fahrzeugexternen Einheit 10 elektrisch koppelbar ist.
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3 zeigt eine schematische Darstellung einer Anordnung 12 mit einem solchen Fahrzeug 4 und einer fahrzeugexternen Einheit 10, wobei der zweite Gleichspannungsanschluss A2 mit der fahrzeugexternen Einheit 10 elektrisch gekoppelt ist. Die fahrzeugexterne Einheit 10 ist beispielsweise eine elektrische Ladestation zum Laden der Traktionsbatterie 5 oder eine von der Traktionsbatterie 5 mit elektrischer Energie zu versorgende Einheit.
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Ist die fahrzeugexterne Einheit 10 eine elektrische Ladestation zum Laden der Traktionsbatterie 5, dann wird mittels des Gleichspannungswandlers 1 das Laden der Traktionsbatterie 5 mit einer Ladespannung ermöglicht, die geringer ist als eine Batteriespannung der Traktionsbatterie 5, beispielsweise das Laden einer 800V-Traktionsbatterie mit einer Ladespannung von 400V. Die Batteriespannung ist dann die erste Gleichspannung U1 und die Ladespannung der als Ladestation ausgebildeten fahrzeugexternen Einheit 10 ist die zweite Gleichspannung U2.
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Ist die fahrzeugexterne Einheit 10 eine von der Traktionsbatterie 5 mit elektrischer Energie zu versorgende Einheit, dann wird mittels des Gleichspannungswandlers 1 ein Rückspeisen elektrischer Energie der Traktionsbatterie 5 in diese Einheit ermöglicht. Die fahrzeugexterne Einheit 10 kann beispielsweise ein elektrisches Gerät oder ein zu ladender Akkumulator sein. Dies wird auch als V2L (Vehicle to Load) bezeichnet. Die fahrzeugexterne Einheit 10 kann beispielsweise auch ein Gebäude sein, insbesondere ein Stromnetz des Gebäudes. Dies wird auch als V2H (Vehicle to Home) bezeichnet. Die fahrzeugexterne Einheit 10 kann beispielsweise auch ein öffentliches Stromnetz sein. Dies wird auch als V2G (Vehicle to Grid) bezeichnet. Insbesondere wenn die fahrzeugexterne Einheit 10 ein Gebäude, insbesondere dessen Stromnetz, oder öffentliches Stromnetz ist, kann dieses Zurückspeisen von der Traktionsbatterie 5 beispielsweise über eine Ladestation erfolgen, die mit dem zweiten Gleichspannungsanschluss A2 des Gleichspannungswandlers 1 elektrisch gekoppelt ist. In diesem Fall wird die Ladestation nicht zum Laden der Traktionsbatterie 5, sondern als Verbindung zum Stromnetz des Gebäudes oder zum öffentlichen Stromnetz und beispielsweise als Wechselrichter verwendet, um darüber die elektrische Energie der Traktionsbatterie 5 in das Stromnetz des Gebäudes oder in das öffentliche Stromnetz einzuspeisen.
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Für dieses Rückspeisen aus der Traktionsbatterie 5 in die fahrzeugexterne Einheit 10 ist beispielsweise eine elektrische Leistung von maximal 20 kW ausreichend, so dass dies über die Halbleitersicherung 8 erfolgen kann. Insbesondere ist die Halbleitersicherung 8 hierfür auf einen kleinen Strom von beispielsweise maximal 25A ausgelegt. Für das Rückspeisen aus der Traktionsbatterie 5 in die fahrzeugexterne Einheit 10, ist insbesondere ein hier nicht dargestellter Schalter vorgesehen, mittels welchem der Strompfad und damit die Verbindung über die Diode 7 in der gemeinsamen Minuspotentialverbindungsleitung geöffnet werden kann, die sonst im Ladebetrieb zum Laden der Traktionsbatterie 5 verwendet wird.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Gleichspannungswandler
- 2
- Spannungswandlerschaltung
- 3
- Drossel
- 4
- Fahrzeug
- 5
- Traktionsbatterie
- 6
- gemeinsame Minuspotentialverbindungsleitung
- 7
- Diode
- 8
- Halbleitersicherung
- 9
- Strompfad der Halbleitersicherung
- 10
- fahrzeugexterne Einheit
- 12
- Anordnung
- 13
- induktives Bauelement
- A1
- erster Gleichspannungsanschluss
- A2
- zweiter Gleichspannungsanschluss
- D1, D2
- Diode
- HV+U1
- Pluspotential
- HV-U1
- Minuspotential
- HV+U2
- Pluspotential
- HV-U2
- Minuspotential
- P1
- erster Pfeil
- P2
- zweiter Pfeil
- S1
- erster Strompfeil
- S2
- zweiter Strompfeil
- S3
- dritter Strompfeil
- T1, T2
- Transistor
- U1
- erste Gleichspannung
- U2
- zweite Gleichspannung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102020007837 A1 [0002]
- DE 102020109426 A1 [0003]
- DE 102020004578 A1 [0004]
- DE 102019005476 A1 [0005]
- DE 102019000238 A1 [0006]
- CN 114655071 A [0007]
- US 20190260226 A1 [0008]
