DE10237779A1

DE10237779A1 - Wandlervorrichtung, Kraftfahrzeug mit einer Wandlervorrichtung und Verfahren zum Betrieb einer Wandlervorrichtung

Info

Publication number: DE10237779A1
Application number: DE10237779A
Authority: DE
Inventors: Jürgen Dipl.-Ing. Mittnacht; Franz Dipl.-Ing. Prenner; Axel Krause; Arno Mathoy
Original assignee: DaimlerChrysler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2002-08-17
Filing date: 2002-08-17
Publication date: 2004-03-25

Abstract

Wandlervorrichtung (2), welche mindestens zwei Wandlerstufen (6, 12) aufweist, die zeitlich versetzt betrieben werden, um eine kontinuierliche Leistungsaufnahme aus einer Energiequelle (90) und eine gute elektromagnetische Verträglichkeit (EMV) zu erreichen.

Description

Die Erfindung betrifft eine Wandlervorrichtung nach dem Oberbegriff von Anspruch 1, ein Kraftfahrzeug nach dem Oberbegriff von Anspruch 13 und ein Verfahren zum Betrieb einer Wandlervorrichtung nach Anspruch 18.
In der vorliegenden Beschreibung wird der Ausdruck „Variationsspannung" als Oberbegriff für alle Arten von Wechselspannung (AC), Wechselspannung mit Gleichspannungsanteil, Gleichspannung mit Wechselspannungsanteil und periodisch variabler Gleichspannung verwendet.

Die DE 42 34 725 A1 zeigt einen Gleichspannungswandler zum Wandeln einer Gleichspannung in eine andere Gleichspannung. Der Gleichspannungswandler enthält einen Haupttransformator mit zwei gegensinnig gewickelten Primärwicklungen gleicher Windungszahl, die im Transformatorkern entgegengesetzte Flüsse erzeugen. Die Primärwicklungen sind parallel zu einer Gleichspannungsquelle geschaltet. In Reihe mit den Primärwicklungen sind Kontrollschalter in Form von MOSFET's geschaltet. Zum Glätten von Spannungsschwankungen an der Spannungsquelle sind Kondensatoren parallel zu der Spannungsquelle geschaltet. Diese Kondensatoren liefern auch eine stabile Spannungsquelle für den Wandler. Die Schaltung der DE 42 34 725 A1 hat den Nachteil, dass zum wirksamen Glätten der Spannung an der Spannungsquelle Kondensatoren mit sehr hoher Kapazität erforderlich sind. Dies führt zu hohen Kosten und er höht den Platzbedarf und das Gewicht des Gleichspannungswandlers beträchtlich. Ferner verbleibt bei hoher Last trotz der Kondensatoren eine hohe Spannungswelligkeit an der Spannungsquelle.

Die EP 0876 554 B1 zeigt ein Kraftfahrzeug mit einem Spannungswandler, welcher zwei Unterbaugruppen umfasst, von denen eine Unterbaugruppe ein Hochsetzsteller zum Umsetzen von elektrischer Energie von einem niedrigen auf ein hohes Spannungsniveau ist und von denen die andere Unterbaugruppe zum Umsetzen elektrischer Energie von dem hohen Spannungsniveau auf das niedrige Spannungsniveau ausgebildet ist. Der Hochsetzsteller erreicht das hohe Spannungsniveau über eine Selbstinduktionsspannung, welche beim Unterbrechen des Stromflusses in einer Spule entsteht. Durch den Betrieb des Hochsetzstellers wird die Batterie durch kurzzeitig fließende, hohe Ströme stark belastet, was wegen des Innenwiderstandes der Batterie dazu führt, dass die Spannung der Batterie gegenüber ihrer Leerlaufspannung kurzzeitig stark absinkt. Ein Spannungswandler mit einem solchen Hochsetzsteller kann daher nur eine relativ geringe mittlere Leistung von der Batterie aufnehmen. Dies führt dazu, dass auf dem hohen Spannungsniveau ein Energiespeicher nötig ist, um dem Fahrzeugmotor genügend Leistung zum Starten zur Verfügung stellen zu können. Durch das erforderliche sehr schnelle Unterbrechen des Stromflusses entsteht ferner ein breites elektromagnetisches Störspektrum, das die elektromagnetische Verträglichkeit negativ beeinflusst und entsprechend abgeschirmt oder gefiltert werden muss.

Bei einem 12 V Bordsystem ergeben sich im Kraftfahrzeug unpraktikabel hohe Ströme für die Starter-Generatorfunktion. Traditionelle Kommutatormaschinen sind verschleiß- und verlustbehaftet. Die Kabelzuführungen sind schwer und teuer. Alternative, elektrisch kommutierte elektromotorische oder ge neratorische Maschinen sind bei niedrigem Spannungsniveau schlechter herstellbar (schwerer, größer) und die hochstromigen elektrischen Schalter im Umrichter sind teuer und ihre Montage aufwändig.

Durch die Erfindung soll die Aufgabe gelöst werden, eine Wandlervorrichtung zu schaffen, welche einer Gleichspannungsquelle eine hohe Leistung entnehmen kann, insbesondere zum Betrieb von elektrischen Verbrauchern in einem Kraftfahrzeug, und welche eine gute elektromagnetische Verträglichkeit (EMV) aufweist.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch die kennzeichnenden Merkmale von Anspruch 1 gelöst.

Gemäß Anspruch 1 der Erfindung enthält die Wandlervorrichtung eine Gleichspannungs-Eingangsseite, eine erste Wandlerstufe zur Gleich-Variations-Spannungswandlung von einer Eingangs-Gleichspannung der Gleichspannungs-Eingangsseite auf eine erste Eingangs-Variationsspannung, und eine erste Transformatoreinrichtung zur Transformierung der ersten Eingangs-Variationsspannung auf eine erste Ausgangs-Variationsspannung auf einer Variationsspannungs-Ausgangsseite. Der Begriff Variationsspannung bezeichnet hier allgemein eine Spannung, deren Spannungshöhe zeitlich variiert, beispielsweise eine Wechselspannung oder eine pulsierende Gleichspannung, wie sie sich aus durch Gleichrichten einer Wechselspannung ergibt. Die Wandlervorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass eine zweite Wandlerstufe zur Gleich-Variations-Spannungswandlung der Eingangs-Gleichspannung auf eine zweite Eingangs-Variationsspannung und eine zweite Transformatoreinrichtung zur Transformierung der zweiten Eingangs-Variationsspannung auf eine zweite Ausgangsvariationsspannung auf der Variationsspannungs-Ausgangsseite vorgesehen ist, wobei die beiden Eingangs-Variationsspannungen phasenverschoben erzeugbar sind, so dass bei einem, durch einen Verbraucher in den Transformatoreinrichtungen erzeugten Stromfluss die daraus resultierenden Stromspitzenwerte auf der Gleichspannungs-Eingangsseite ebenfalls phasenverschoben auftreten.

Da die Stromspitzenwerte der ersten Wandlerstufe und der zweiten Wandlerstufe phasenverschoben auftreten, wird der Gesamt-Stromspitzenwert auf der Gleichspannungs-Eingangsseite wesentlich reduziert im Vergleich zu einer Vorrichtung, bei welcher die beiden Stromspitzen-Werte gleichzeitig erzeugt werden. Diese Reduktion beruht auf zwei Effekten: Zum einen werden durch die Verwendung von zwei Wandlerstufen, bei gegebenem mittleren Stromfluss, auf der Gleichspannungs-Eingangsseite die Stromspitzenwerte durch jede der Wandlerstufen halbiert. Darüber hinaus führt die Phasenverschiebung dazu, dass die Stromspitzenwerte sich in der Gleichspannungseingangsseite nicht wieder addieren. Auf diese Weise sind die in der Gleichspannungs-Eingangsseite auftretenden Gesamt-Strompitzenwerte wesentlich reduziert, vorzugsweise ausgelöscht, und auch die Stromwelligkeit ist wesentlich reduziert.

Durch die geringe Stromwelligkeit kann einer an die Gleichspannungs-Eingangsseite angeschlossenen oder anschließbaren Energiequelle eine hohe mittlere elektrische Leistung entnommen werden, ohne dass die Spannung der Energiequelle aufgrund ihres Innenwiderstandes unzulässig stark zusammenbricht. Dies ist insbesondere in einem Kraftfahrzeug von Vorteil, da wegen des üblichen 12 V Gleichspannungsniveaus der Fahrzeugbatterien bei deren Belastung, beispielsweise durch elektrische Maschinen, sehr hohe Ströme auf der Gleichspannungs-Eingangsseite fließen.

Mit einer erfindungsgemäßen Wandlervorrichtung kann daher eine elektrische Maschine auf dem hohen Spannungsniveau der Wandlervorrichtung betrieben werden, ohne dass eine Zwischenspeicherung von Energie auf dem hohen Spannungsniveau nötig ist. Auf diese Weise können kostenintensive Zwischenspeicher wie etwa Schwungradspeicher eingespart werden.

Die Vorteile einer Wandlervorrichtung nach der Erfindung treten besonders deutlich hervor bei einer erfindungsgemäßen Wandlervorrichtung mit hohem Leistungsdurchsatz, insbesondere bei einer Wandlervorrichtung eines Kraftfahrzeugs.

Durch den Betrieb der elektrischen Maschine (z. B. Starter-Generator, Fahrantriebsmaschine) auf dem hohen Spannungsniveau wird die Verlustleistung in den elektrischen Zuleitungen wie auch in der elektrischen Maschine selbst reduziert. Die Schalter einer Motorumrichterbrücke können auf niedrigeren Stromfluss ausgelegt sein, wodurch sich die Kosten ebenfalls reduzieren.

Eine erfindungsgemäße Wandlervorrichtung kann daher vorteilhaft immer dann eingesetzt werden, wenn Spannungsschwankungen aufgrund des Umrichterbetriebes an dem Niederspannungsniveau der Wandlervorrichtung vermieden werden sollen, beispielsweise für einen Einsatz in einem Kraftfahrzeug oder für eine Solaranlage bei welcher die Spannung der Solarmodule auf eine 220 V Wechselspannung hochgesetzt werden soll.

Durch die geringe Stromwelligkeit können Filter entfallen oder sehr klein ausfallen. Dadurch wird der Aufwand an Gewicht, Kosten und Entstörmaßnahmen signifikant reduziert.

Die erfindungsgemäße Aufgabe wird ferner gelöst durch ein Verfahren zum Betrieb einer Wandlervorrichtung, enthaltend einen Eingang, einen Ausgang und einen Wandlerpfad zwischen dem Eingang und dem Ausgang, welcher betrieben wird, um eine Eingangsgleichspannung an dem Eingang auf eine Ausgangsspannung an dem Ausgang hoch zu setzen, wobei von dem Wandlerpfad ein zeitlich variierender Fluss elektrischer Leistung in einer Hochsetzrichtung von dem Eingang zu dem Ausgang erzeugt wird, wobei das Verfahren dadurch gekennzeichnet ist, dass mindestens ein weiterer Wandlerpfad zwischen dem Eingang und dem Ausgang analog zu dem einen Wandlerpfad betrieben wird, dass von dem weiteren Wandlerpfad ein zeitlich variierender Fluss elektrischer Leistung in der Hochsetzrichtung erzeugt wird, und dass die Wandlerpfade zeitlich versetzt zueinander betrieben werden, um an dem Eingang Spannungsschwankungen, die durch den zeitlich variierenden Fluss elektrischer Leistung in den Wandlerpfaden bedingt sind, zu reduzieren.

Der Betrieb des zweiten Wandlerpfades analog zu dem ersten Wandlerpfad bedeutet, dass der zweite Wandlerpfad zwischen dem Eingang und dem Ausgang, angeordnet ist und betrieben wird, um die Eingangsgleichspannung an dem Eingang auf die Ausgangsspannung an dem Ausgang hoch zu setzen, wobei von dem Wandlerpfad ein zeitlich variierender Fluss elektrischer Leistung in einer Hochsetzrichtung von dem Eingang zu dem Ausgang erzeugt wird.

Die beiden Wandlerpfade sind hier nur eine andere Sichtweise des Sachverhalts, wie er oben bereits bezüglich Anspruch 1 beschrieben wurde. Die bezüglich Anspruch 1 genannten Vorteile gelten daher entsprechend für das beschriebene Verfahren.

Durch den geeigneten, zeitlich versetzten Betrieb der beiden Wandlerpfade werden insbesondere Spannungsschwankungen an dem Eingang, d. h. das kurzzeitige Zusammenbrechen der Spannung an dem Eingang vermieden. Ferner wird die Störausstrahlung wesentlich verringert, wodurch Filter entfallen können oder sehr klein realisierbar sind.

Weitere Merkmale der Erfindung sind in den Unteransprüchen enthalten.

Im Folgenden wird die Erfindung mit Bezug auf die Zeichnungen anhand von bevorzugten Ausführungsformen als Beispiele be schrieben. Diese beschriebenen Beispiele sind unmittelbar auf obige Ausführungen, d. h. auf die Beschreibungseinleitung bezogen, insbesondere bezüglich der beschriebenen Funktionen und Vorteile. Obige Begriffsdefinitionen und Erläuterungen gelten durchgehend auch für die nachfolgende Beschreibung der Zeichnungen.
Dabei zeigen:
1 schematisch eine Ausführungsform einer Wandlervorrichtung nach der Erfindung für den Betrieb einer elektrischen Maschine;
2 schematisch eine Prinzipdarstellung der Wandlervorrichtung aus 1;
3 schematisch eine alternative Ausführungsform eines Wandlerpfades nach der Erfindung;
4 schematisch eine weitere alternative Ausführungsform eines Wandlerpfades nach der Erfindung;
5 schematisch eine nochmals weitere alternative Ausführungsform eines Wandlerpfades nach der Erfindung;
6 für eine Wandlervorrichtung nach der Erfindung beispielhaft den zeitlichen Verlauf eines Schalterstromes, einer Spannung an einem Schwingkreiskondensator und eine Schwankung eines Eingangsstromes.
In der folgenden Beschreibung der Zeichnungen werden Haupt-Bezugszahlen (z. B. 26) und zusammengesetzte Bezugszahlen (z. B. 26-1, 26-2 etc.), die auf der entsprechenden Haupt-Bezugszahl basieren, verwendet. Die Hauptbezugszahl steht hier stellvertretend für alle zusammengesetzten Bezugszahlen, die auf der Hauptbezugszahl basieren.
Einander entsprechende Elemente verschiedener Zeichnungen sind im Folgenden mit identischen Bezugszeichen bezeichnet.
1 und 2 zeigen eine erfindungsgemäße Wandlervorrichtung 2, enthaltend eine Gleichspannungs-Eingangsseite 4, eine erste Wandlerstufe 6 zur Gleich-Variations-Spannungswandlung von einer Eingangs-Gleichspannung der Gleichspannungs-Eingangsseite 4 auf eine erste Eingangs-Variationsspannung, und eine erste Transformatoreinrichtung 8 zur Transformierung der ersten Eingangs-Variationsspannung auf eine erste Ausgangs-Variationsspannung auf einer Variationsspannungs-Ausgangsseite 10. Die Wandlervorrichtung 2 enthält ferner eine zweite Wandlerstufe 12 zur Gleich-Variations-Spannungswandlung der Eingangs-Gleichspannung auf eine zweite Eingangs-Variationsspannung und eine zweite Transformatoreinrichtung 14 zur Transformierung der zweiten Eingangs-Variationsspannung auf eine zweite Ausgangs-Variations-Spannung auf der Variationsspannungs-Ausgangsseite 10. Die Wandlerstufen sind betreibbar, um die beiden Eingangs-Variationsspannungen phasenverschoben zu erzeugen, so dass bei einem, durch einen Verbraucher in den Transformatoreinrichtungen 8, 14 erzeugten Stromfluss die daraus resultierenden Stromspitzenwerte auf der Gleichspannungs-Eingangsseite 4 ebenfalls phasenverschoben auftreten.
Hierdurch wird, wie oben beschrieben, ein gleichmäßigerer und im zeitlichen Mittel höherer Leistungsdurchsatz durch die Wandlervorrichtung 2 erreicht.
Ferner kann eine dritte Wandlerstufe 16 zur Variations-Gleich-Spannungswandlung der ersten Ausgangs-Variationsspannung auf eine erste Ausgangs-Gleichspannung und eine vierte Wandlerstufe 18 zur Variations-Gleich-Spannungswandlung der zweiten Ausgangs-Variationsspannung auf eine zweite Ausgangs-Gleichspannung vorgesehen sein. Die dritte Wandlerstufe 16 und die vierte Wandlerstufe 18 können zur Kombination der ersten Ausgangs-Gleichspannung und der zweiten Ausgangs-Gleichspannung zu einer Gesamt-Ausgangs-Gleichspannung auf einer Gesamt-Gleichspannungs-Ausgangsseite 20 der Wandlervorrichtung 2 parallel geschaltet sein, sind vorzugsweise jedoch in Reihe geschaltet, wie in 1 und 2 dargestellt, um die beiden Ausgangs-Gleichspannungen zu addieren. Die Stromspitzenwerte treten auf der Gesamt-Gleichspannungs-Ausgangsseite 20 ebenfalls phasenverschoben auf .
Die Eingangs-Gleichspannung und die Gesamt-Ausgangs-Gleichspannung sind vorzugsweise glatt oder haben nur vernachlässigbaren oder zumindest kleine Spannungsrippel.
Die erste Wandlerstufe 6, die erste Transformatoreinrichtung 8 und die dritte Wandlerstufe 16 bilden einen ersten Wandlerpfad 22 der Wandlervorrichtung 2. Analog bilden die zweite Wandlerstufe 12, die zweite Transformatoreinrichtung 14 und die vierte Wandlerstufe 18 einen zweiten Wandlerpfad 24 der Wandlervorrichtung 2. Gemäß der Erfindung werden die beiden Wandlerpfade 22, 24 zeitlich versetzt betrieben, um durch die Wandlerpfade 22, 24 hervorgerufene Spannungsschwankungen an dem Eingang bzw. an der Gleichspannungs-Eingangsseite 4 des Wandlervorrichtung 2 zu reduzieren, vorzugsweise auf Null zu reduzieren.
Wie bereits dargelegt, ist sowohl die Gleichspannungs-Eingangsseite 4 als auch die Gesamt-Gleichspannungs-Ausgangsseite 20 mit Gleichspannung betreibbar. Hierfür enthält der erste Wandlerpfad 22 die dritte Wandlerstufe 16 und der zweite Wanderpfad 24 die vierte Wandlerstufe 18.
Vorzugsweise sind die beiden Wandlerpfade 22, 24 der Wandlervorrichtung 2 identisch.
In jeder Wandlerstufe 6, 12, 16, 18 können Strom-steuernde Bauelemente, von denen beispielsweise die Funktion einer Diode realisierbar ist, als steuerbare, aktive Bauelemente 26 ausgebildet sein. Durch die Steuerung der aktiven Bauelemente 26 ist jede Wandlerstufe vorzugsweise als Variations-Gleich-Spannungswandlerstufe und alternativ als Gleich-Variations-Spannungswandlerstufe betreibbar, zum Betrieb in einer Hin-Richtung mit einem Stromfluss durch die Transformatoreinrichtungen 8, 14 von der Gleichspannungs-Eingangsseite 4 zu der Gesamt-Variationsspannungs-Ausgangsseite 15 bzw. zu der Gesamt-Gleichspannungs-Ausgangsseite 20, alternativ zum Betrieb in einer Rück-Richtung mit einem Stromfluss durch die Transformatoreinrichtung von der Gesamt-Variationsspannungs-Ausgangsseite 15 bzw. von der Gesamt-Gleichspannungs-Ausgangsseite 20 zu der Gleichspannungs-Eingangsseite 4. Somit ist mit sehr geringem Aufwand eine Wandlervorrichtung 2 realisierbar, die einen bidirektionalen Betrieb ermöglicht. Beispielsweise kann auf diese weise einem an die Gleichspannungs-Eingangsseite 4 angeschlossenen Energiespeicher Energie sowohl entnommen als auch zugeführt werden.
Für den Betrieb in der Hin-Richtung sind vorzugsweise die erste Wandlerstufe 6 und die zweite Wandlerstufe 12 als Gleich-Variations-Spannungswandlerstufe und die dritte Wandlerstufe 16 und die vierte Wandlerstufe 18 als Variations-Gleich-Spannungswandlerstufe betreibbar. Entsprechend sind vorzugsweise für den Betrieb in der Rück-Richtung die erste Wandlerstufe 6 und die zweite Wandlerstufe 12 als Variations-Gleich-Spannungswandlerstufe und die dritte Wandlerstufe 16 und die vierte Wandlerstufe 18 als Gleich-Variations-Spannungswandlerstufe betreibbar. Falls die Variationsspannungen zeitlich variierende Spannungen mit konstanter Polarität (z. B. gepulste Gleichspannungen) sind, ist ein Betrieb der jeweiligen Wandlerstufen als Variations-Gleich-Spannungswandlerstufe selbstverständlich nicht erforderlich.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind die aktiven Bauelemente 26 als Schalter betreibbar und ein Umschalten der Schalter erfolgt in einem Stromnulldurchgang, um Schaltverluste und die Störausstrahlung zu reduzieren. Im Folgenden wird für die aktiven Bauelemente stellvertretend der Begriff „Schalter" verwendet. Jedoch können die aktiven Bauelemente anstatt als Schalter auch in anderer Weise betrieben werden, falls erforderlich.
Die Eingangs-Variationsspannungen und die Ausgangs-Variationsspannungen sind vorzugsweise Wechselspannungen mit zeitlich wechselnder Polarität. Auf diese Weise wird der Transformatorkern 28, 29 jeder Transformatoreinrichtung 8, 14 in beide Richtungen magnetisiert, was die Ausnutzung und den Wirkungsgrad der Transformatoreinrichtung 8, 14 erhöht.
Nachdem die Spannung auf der Primärseite 30 jeder Transformatoreinrichtung 8, 14 niedrig ist, fließen hier hohe Ströme. Um Verluste möglichst gering zu halten, ist es vorteilhaft mindestens primärseitig möglichst wenige Bauteile zu verwenden. Hierzu ist vorzugsweise mindestens die primäre Transformatorwicklung 32, 33 auf der Primärseite 30 vorzugsweise beider Transformatoreinrichtungen 8, 14 mit einem Zwischenabgriff 34 zwischen zwei Teilwicklungen 32-1, 32-2, 33-1, 33-2 der Primärwicklungen 32, 33 ausgebildet. Auf diese Weise genügt für jede Teilwicklung 32-1, 32-2, 33-1, 33-2 ein einziges Strom-steuerndes Bauelement 26-1, 26-2, 26-3, 26-4 zur Steuerung eines Stromes durch die Transformatorwicklung. Die strom-steuernden Bauelemente 26-1, 26-2, 26-3, 26-4 sind jeweils vorzugsweise durch einen MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor) gebildet, da an dieser Art von Bauelementen der Spannungsabfall sehr gering ist. Jede dieser Teilwicklungen 32-1, 32-2, 33-1, 33-2 ist in Reihe mit seinem zugeordneten Strom-steuernden Bauelement 26-1, 26-2, 26-3, 26-4 über elektrische Leitungen an die Gleichspannungs- Eingangsseite 4 angeschlossen zur Bildung eines Primärstromkreises 35-1, 35-2, 35-3, 35-4. Die Polung der Teilwicklungen 32-1, 32-2, 33-1, 33-2 ist hierbei so auf ihre jeweilige Wicklungsrichtung abgestimmt, dass von beiden Teilwicklungen 32-1, 32-2, 33-1, 33-2 eine Teilwicklung 32-1, 33-1 eine positive Teilwelle der Wechselspannung (Magnetisierung des Transformator-Kerns 28, 29 in einer ersten Richtung) und die andere Teilwicklung 32-2, 33-2 eine negative Teilwelle der Wechselspannung (Magnetisierung des Transformator-Kerns entgegen der ersten Richtung) erzeugt. Die Primärstromkreise 35 der ersten Wandlerstufe 6 und der zweiten Wandlerstufe 12 sind parallel an die Gleichspannungs-Eingangsseite 4 angeschlossen.
Vorzugsweise ist der Zwischenabgriff 34 ein Mittelabgriff mit 50%-Tastverhältnis, um für beide Teilwellen eine dem Betrage nach identische Scheitelspannung zu erreichen.
Die Sekundärseite 40, 41 (Hochspannungsseite) der Transformatoreinrichtungen 8, 14 kann ebenfalls mit Zwischenabgriff 34 ausgebildet sein (4, 5). Aus Kostengründen kann jedoch jede Transformatoreinrichtung 8, 14 auch eine ungeteilte Sekundärspule 42, 44 aufweisen, die durch eine sekundärseitige Vollbrücke angesteuert wird. Für die Vollbrücke sind zwar zwei Strom-steuernde Bauelemente 26 für jede Teilwelle erforderlich, was jedoch wegen des höheren Spannungsniveaus tolerierbar ist.
Die dritte Wandlerstufe 16 und die vierte Wandlerstufe 18 enthalten somit in der beschriebenen Ausführungsform jeweils ingesamt vier Schalter 26-5, 26-6, 26-7, 26-8; 26-9, 26-10, 26-11, 26-12 zur Bildung einer Vollbrücke. Wegen des niedrigeren Stromes auf der Sekundärseite (hohes Spannungsniveau) können für diese Schalter 26 vorzugsweise IGBT's (Insulated Gate Bipolar Transistor) anstatt MOSFET's verwendet werden, da diese preiswerter sind als MOSFET's. Die vier Schalter 26-5, 26-6, 26-7, 26-8 der dritten Wandlerstufe 16 sind in zwei parallelen Schalter-Zweigen 46; 48 mit jeweils zwei Schaltern 26-5, 26-7; 26-6, 26-8 in Reihe zwischen einen Pol 49 der Gesamt-Gleichspannungs-Ausgangsseite 20 und einen mit der vierten Wandlerstufe 18 gemeinsamen Anschluss 50 geschaltet. Die vier Schalter 26-9, 26-10, 26-11, 26-12 der vierten Wandlerstufe 18 sind in zwei parallelen Schalter-Zweigen 52; 54 mit jeweils zwei Schaltern 26-9, 26-11; 26-10, 26-12 in Reihe zwischen den anderen Pol 51 der Gesamt-Gleichspannungs-Ausgangsseite 20 und den gemeinsamen Anschluss 50 geschaltet. Jede Sekundärspule 42; 44 ist zwischen die beiden Schalter-Zweige 46, 48; 52, 54 der zugeordneten Wandlerstufe 16; 18 geschaltet und jeweils zwischen den beiden Schaltern 26-5, 26-7; 26-6, 26-8; 26-9, 26-11; 26-10, 26-12 des entsprechenden Schalterzweiges 46; 48; 52; 54 angeschlossen.
Die erste Wandlerstufe 6, die zweite Wandlerstufe 12, die dritte Wandlerstufe 16 und die vierte Wandlerstufe 18 sind je in einen Schwingkreis integriert und bei einer Resonanzfrequenz des Schwingkreises betreibbar. Dadurch lassen sich hohe Taktfrequenzen und insbesondere zusammen mit einem Schalten der aktiven Bauelemente 26 in einem Stromnulldurchgang hohe Wirkungsgrade erreichen.
Primärseitig ist jedem Primärstromkreis 35-1, 35-2, 35-3, 35-4 eine Schwingkreiskapazität 60 des Schwingkreises zugeordnet. Die Schwingkreiskapazität 60 ist vorzugsweise parallel zu dem ihr zugeordneten Primärstromkreis 35 geschaltet und in Brückenpunkten 62 an den Primärstromkreis 35 angeschlossen. Es kann vorgesehen sein, dass von der ersten Wandlerstufe 6 und von der zweiten Wandlerstufe 12 die beiden Primärstromkreise 35-1, 35-2; 35-3, 35-4 eine gemeinsame Schwingkreiskapazität 60-1, 60-2 aufweisen, wie in 1 dargestellt. Die Schwingkreisinduktivität jedes Schwingkreises wird mindestens teilweise von der Streuinduktivität der in dem Schwingkreis enthaltenen Primärwicklung 42, 44 bzw. der in dem Schwingkreis enthaltenen Teilwicklung 32-1, 32-2, 33-1, 33-2 der betreffenden Primärwicklung gebildet. Die Schwingkreiskapazität 60 bestimmt zusammen mit der Schwingkreisinduktivität die Resonanzfrequenzen des Schwingkreises.
Auch die dritte Wandlerstufe 16 und die vierte Wandlerstufe 18 weisen vorzugsweise jeweils eine Schwingkreiskapazität 56, 58 eines Schwingkreises auf, die jeweils parallel zu den zwei parallelen Schalter-Zweigen 46, 48, 52, 54 ihrer zugeordneten Wandlerstufe 16, 18 geschaltet ist. Die Schwingkreisinduktivitäten der dritten Wandlerstufe 16 und der vierten Wandlerstufe 18 sind mindestens teilweise durch die Sekundärwicklung der ersten bzw. zweiten Transformatoreinrichtung 8, 14 gebildet. Die Schwingkreise der dritten Wandlerstufe 16 und der vierten Wandlerstufe 18 ermöglichen insbesondere einen resonanten Schaltbetrieb der ihnen zugeordneten Schalter bei einem Betrieb des Spannungswandlers 2 in der Rück-Richtung. In der Hin-Richtung wirken die Schwingkreiskapazitäten 56, 58 und die Schwingkreisinduktivitäten vorzugsweise als Filterund Glättungselemente.
Die primären und sekundären Kapazitäten und die Transformator-Streuinduktivitäten wirken in beiden Wandlerrichtungen je als ein Schwingkreis. Die Wandlerstufen 6 und 16 sind Teile des einen Schwingkreises und die Wandlerstufen 12 und 18 sind Teile des anderen Schwingkreises.
Durch hochfrequentes wechselseitiges Schließen der aktiven Bauelemente 26 (Schalter) wird der betreffende Schwingkreis angestoßen und es fließen sinusförmige oder näherungsweise sinusförmige Ströme in den Schaltern 26 und Transformatorwicklungen 32-1, 32-2, 33-1, 33-2, 42, 44.
Zwischen der Gleichspannungs-Eingangsseite 4 einerseits und der ersten Wandlerstufe 6 und der zweiten Wandlerstufe 12 an dererseits kann eine Drosselanordnung 70 vorgesehen sein, welche die erste Wandlerstufe 6 und die zweite Wandlerstufe 12 elektromagnetisch koppelt. Die Drosselanordnung 70 enthält vorzugsweise eine Gleichtakt-Filterdrossel (Common-mode-Filterdrossel) 71, welche eine erste Teildrossel 72 zwischen der ersten Wandlerstufe 6 und der Gleichspannungs-Eingangsseite 4 und eine zweite Teildrossel 74 zwischen der zweiten Wandlerstufe 12 und der Gleichspannungs-Eingangsseite 4 aufweist. Beide Teildrosseln 72, 74 haben zusammen einen gemeinsamen Drosselkern 76, beispielsweise einen gemeinsamen Eisenkern, zur Kopplung der ersten und der zweiten Wandlerstufe 12. Die Teildrosseln 72, 74 sind vorzugsweise zwischen einen ersten Pol der Gleichspannungs-Eingangsseite 4 und einen Brückenpunkt 62 geschaltet.
Neben der Gleichtakt-Filterdrossel 71 können weitere Elemente zur Filterung und Glättung der Eingangs-Gleichspannung vorgesehen sein. Beispielsweise kann zwischen jede Teildrossel 72, 74 und den ersten Pol der Gleichspannungs-Eingangsseite 4 eine Filter-Induktivität 78 geschaltet sein. Zwischen die beiden Pole des Niederspannungsanschlusses kann ein Filter-Kondensator 80 parallel geschaltet sein.
Die Gleichtakt-Filterdrossel 71 ermöglicht den beiden Transformatoreinrichtungen bei einem Betrieb der Wandlervorrichtung 2 in der Hinrichtung den für die Resonanzbedingung erforderlichen gegenläufigen Spannungshub im Resonanzkreis der ersten Wandlerstufe 6 und der zweiten Wandlerstufe 12 auszubilden. Hierfür sind die beiden Teildrosseln 72, 74 gleichsinnig gewickelt.
Analog kann auch zwischen der Gesamt-Gleichspannungs-Ausgangsseite 20 einerseits und der dritten Wandlerstufe 16 und der vierten Wandlerstufe 18 andererseits eine Drosselanordnung 82 vorgesehen werden, welche die dritte Wandlerstufe 16 und die vierte Wandlerstufe 18 elektromagnetisch koppelt.
Auch diese Drosselanordnung 82 kann eine der dritten Wandlerstufe 16 und der vierten Wandlerstufe 18 gemeinsame Gleichtakt-Filterdrossel 84 mit Teildrosseln 85, 86 aufweisen, welche bei einem Betrieb der Wandlervorrichtung 2 in der Rückrichtung die Ausbildung des für die Resonanzbedingung erforderlichen gegenläufigen Spannungshub im Resonanzkreis der dritten Wandlerstufe 16 und der vierten Wandlerstufe 18 ermöglicht.
Die Gleichtakt-Filterdrossel 84 der dritten Wandlerstufe 16 und der vierten Wandlerstufe 18 dient bei einem Betrieb der Wandlervorrichtung 2 in Hin-Richtung auch zur Glättung eines möglicherweise noch vorhandenen Stromrippels an der Gesamt-Gleichspannungs-Ausgangsseite 20. Insbesondere bei einem Sinus-förmigen Stromverlauf wird durch die Gleichtakt-Filterdrossel ein reiner Gleichstrom ohne Stromrippel erreicht. Somit gelangen keine hochfrequenten Stromkomponenten nach draußen. Die Gleichtakt-Filterdrossel dient daher auf der Sekundärseite auch der Entkopplung der Wandlervorrichtung 2 von einem Verbraucher, beispielsweise einer Motorsteuerung.
Analog dient die Gleichtakt-Filterdrossel der ersten Wandlerstufe 6 und der zweiten Wandlerstufe 12 bei einem Betrieb der Wandlervorrichtung 2 in der Rück-Richtung zur Glättung eines möglicherweise noch vorhandenen Stromrippels an der Gleichspannungs-Eingangsseite 4.
Besonders vorteilhaft kann die Verwendung der erfindungsgemäßen Wandlervorrichtung 2 in einem Kraftfahrzeug mit mindestens einer elektrischen Energiequelle 90 und mindestens einem elektrischen Verbraucher sein, wobei der mindestens eine Verbraucher durch die Wandlervorrichtung 2 von der mindestens einen Energiequelle 90 speisbar ist, welche an die Gleichspannungs-Eingangsseite 4 angeschlossen oder anschließbar ist. Die Energiequelle kann beispielsweise eine Batterie oder eine Brennstoffzelle sein.
Von dem mindestens einen Verbraucher kann mindestens ein Verbraucher eine elektrische Maschine 92 sein. Von der mindestens einen elektrischen Maschine kann mindestens eine elektrische Maschine als Motor und alternativ als Generator betreibbar sein, wobei die Wandlervorrichtung 2 hierzu die Merkmale aufweist, dass in jeder Wandlerstufe Strom-steuernde Bauelemente als steuerbare, aktive Bauelemente 26 ausgebildet sind und dass durch die Steuerung der aktiven Bauelemente 26 jede Wandlerstufe als Variations-Gleich-Spannungswandlerstufe und alternativ als Gleich-Variations-Spannungswandlerstufe betreibbar ist zum Betrieb in einer Hin-Richtung mit einem Stromfluss durch die Transformatoreinrichtung von der Gleichspannungs-Eingangsseite 4 zu der Gesamt-Gleichspannungs-Ausgangsseite 20 und alternativ zum Betrieb in einer Rück-Richtung mit einem Stromfluss durch die Transformatoreinrichtung von der Gesamt-Gleichspannungs-Ausgangsseite 20 zu der Gleichspannungs-Eingangsseite 4. Hierbei erfolgt bei einem Betrieb der elektrischen Maschine als Motor ein Stromfluss durch die Wandlervorrichtung 2 in der Hin-Richtung und bei einem Betrieb der elektrischen Maschine als Generator ein Stromfluss durch die Wandlervorrichtung 2 in der Rück-Richtung.
Je nach dem Typ der elektrischen Maschine kann für die elektrische Maschine 92 eine Motorumrichterbrücke 94 vorgesehen sein oder die elektrische Maschine kann direkt an die Gesamt-Gleichspannungs-Ausgangsseite 20 (1, 2) angeschlossen sein. Die Motorumrichterbrücke 94 kann beispielsweise dreiphasig ausgelegt sein, zum Speisen von Wicklungen einer Dreiphasen-Maschine. Nachfolgend wird eine bevorzugte Ausführungsform für die Motorumrichterbrücke 94 beschrieben, jedoch sind mit der erfindungsgemäßen Wandlervorrichtung 2 auch beliebige andere Motorumrichterbrücken verwendbar. Die bevorzugte Motorumrichterbrücke 94 enthält für jede Phase zwei aktive Bauelemente 96, welche als Schalter betreibbar sind und zwischen die beiden Pole der Gesamt-Gleichspannungs-Ausgangsseite 20 geschaltet sind. Zwischen diese beiden Pole kann ferner auch ein Glättungskondensator 98 geschaltet sein, der jedoch keine größeren Energiemengen, beispielsweise zum Betrieb der elektrischen Maschine 92 zu speichern braucht, sondern lediglich die Energie der Spannungsrippel auf der Gesamt-Gleichspannungs-Ausgangsseite 20 zum Teil aufnimmt und phasenverschoben wieder abgibt, zum Glätten der Gesamt-Ausgangs-Gleichspannung. Der Abgriff für die entsprechende Wicklung der elektrischen Maschine erfolgt zwischen den aktiven Bauelementen 96. Vorzugsweise steuert die Motorumrichterbrücke 94 bei einem Betrieb der Wandlervorrichtung 2 in der Hinrichtung die Leistungsaufnahme der elektrischen Maschine von der Wandlervorrichtung 2, wobei sie die Wicklungen der elektrischen Maschine zeitlich versetzt an die Gesamt-Ausgangs-Gleichspannung auf der Gesamt-Gleichspannungs-Ausgangsseite 20 anlegt.
Bei einem Betrieb in der Rückrichtung steuert die Motorumrichterbrücke 94 die Leistungsabgabe der elektrischen Maschine an die Wandlervorrichtung 2. Hierbei wirkt die Motorumrichterbrücke 94 als Gleichrichter zum Gleichrichten der von der elektrischen Maschine 92 in ihrem generatorischen Betrieb erzeugten elektrischen Wechselspannung in eine Gleichspannung. Die Wandlervorrichtung 2 wandelt diese hohe Gleichspannung (Gesamt-Ausgangs-Gleichspannung) in eine niedrige Eingangsgleichspannung, welche sie der hier als Speicher betreibbaren Energiequelle (z. B. Batterie) zuführt.
Bei Bedarf können Verbraucher vorgesehen sein, welche insbesondere bei einem Betrieb in Rückrichtung einen Überschuss an elektrischer Energie in Wärme umsetzen.
von der mindestens einen elektrischen Maschine kann mindestens eine elektrische Maschine 92 als Starter zum Starten einer Verbrennungsmaschine betreibbar sein.
Im Folgenden werden alternative Schaltungsvarianten für die Wandlerpfade 22, 24 beschrieben. In den 3, 4, 5 sind beispielhaft die Bezugszahlen des ersten Wandlerpfades 22 angegeben, ohne auf diesen beschränkt zu sein. Vielmehr kann der zweite Wandlerpfad 24 ebenfalls entsprechend den 3, 4, 5 ausgebildet sein.
Beispielsweise kann vorgesehen sein, dass sowohl die Primärspule 32 als auch die Sekundärspule 42 der Transformatoreinrichtung ohne Zwischenabgriff ausgebildet sind, wie in 3 dargestellt. Somit sind auf der Primärseite und auf der Sekundärseite jeweils vier Schalter 26 (aktive Bauelemente) zur Erzeugung einer Vollwelle nötig.
Alternativ kann vorgesehen sein, dass die Primärseite ohne Zwischenabgriff und die Sekundärseite mit Zwischenabgriff 34 ausgebildet ist, wie in 4 dargestellt.
Als weitere Alternative können sowohl die Primärspule 32 als auch die Sekundärspule 42 mit Zwischenabgriff 34 ausgebildet sein und Teilspulen 32-1, 32-2 bzw. 42-1, 42-2 aufweisen, für deren Ansteuerung jeweils ein einziger Schalter 26 genügt, wie in 5 dargestellt. Somit werden auf der Primärseite und auf der Sekundärseite jeweils nur zwei Schalter benötigt.
Vorzugsweise ist, wie bereits in 1 und auch in den 3, 4 und 5 dargestellten Alternativen die Schwingkreiskapazität 60, 56 parallel zu dem Wicklungen des Transformators 32, 42 und die Induktivität 78 in Reihe mit der Primärwicklung 32 geschaltet.
Zusammenfassung von bevorzugten Merkmalen der Erfindung: In der bevorzugten Ausführungsform erfolgt ein Betrieb der erfindungsgemäßen Wandlervorrichtung 2 im Wechselspiel mit Verbrauchern, insbesondere mit elektrischen Maschinen in einem Kraftfahrzeug, z. B. ein Starter-Generator und/oder Fahrantriebsmaschinen in Form von Elektromotoren oder Maschinen welche alternativ als Elektromotor oder als Generator betreibbar sind.
Die Erfindung soll einen effizienten Betrieb ermöglichen.
Dies wird erreicht durch Einführung eines Hochspannungs-Hilfszwischenkreises, auf dem der mindestens eine Verbraucher, beispielsweise die elektrische Maschine 92, arbeitet. Die Ströme für die Motorumrichterbrücke 94 und für die elektrische Maschine 92 werden durch die Hochtransformierung der Spannung verringert. Trotz einer zusätzlichen Komponente in Form der Wandlervorrichtung 2 werden der Gesamtaufwand und die Systemkosten gesenkt. Die bidirektionale Wandlervorrichtung 2 ist aus EMV-Gründen in einer resonanten Topologie ausgeführt. Alle notwendigen Gleichrichter werden vorzugsweise als aktive Elemente ausgeführt, damit der Leistungsfluss auf einfache Weise in beiden Richtungen möglich ist. Der Lastfluss wir über die Motorumrichterbrücke 94 gesteuert.
Durch den resonanten Schaltbetrieb und die hohe Trafoausnutzung ist der Wirkungsgrad der Wandlervorrichtung 2 sehr hoch. Damit kann eine hohe spezifische Volumensleistung realisiert werden.
Sowohl die Störaustrahlungen als auch die Schaltverluste sind deutlich geringer als bei herkömmlichen Anordnungen. Das führt zu kleinerer Siliziummenge pro Schalter und deutlich verbesserter Überlastfähigkeit, was der Anwendung als Starter entgegenkommt.
Durch das Parallelschalten verbunden mit zeitlich verschobenem Takten der Leistungsschaltergruppen erreicht man eine sehr kleine Stromwelligkeit im Eingangskreis. Damit können Filter entfallen oder sehr klein ausfallen, was den Aufwand an Gewicht, Kosten und Entstörmaßnahmen signifikant reduziert.
Die Wandlervorrichtung 2 hat ferner ein geringes Leistungsgewicht und einen hohen Wirkungsgrad.
Die bidirektionale Wandlervorrichtung 2 ist das Bindeglied zwischen dem Hochspannungszwischenkreis (HV = Hochspannung) und der Bordbatterie (LV = Niederspannung).
Die LV-Seiten der beiden Transformatoren werden in Mittelpunktschaltung betrieben damit der Schalterwiderstand möglichst tief gehalten werden kann. Auf der HV Seite sind in Serie geschaltete Vollbrücken vorgesehen.
Der für die resonant schaltende Topologie erforderliche Schwingkreis wird durch die Streuinduktivität der Transformatoreinrichtung und von auf beide Seiten verteilten Kapazitäten gebildet.
Durch hochfrequentes wechselseitiges Schließen der Schalter wird der Schwingkreis angestoßen und es fließen sinusförmige Ströme in den Schaltern. Alle Schalter der bidirektionalen Wandlervorrichtung werden unabhängig von der Last im Stromnulldurchgang geschaltet. Damit ergeben sich sehr kleine Störausstrahlungen und Schaltverluste. Durch das 50 % Tastverhältnis wird der Transformator magnetisch in jedem Arbeitspunkt optimal ausgenützt.
Durch zeitlich versetztes Takten der beiden Stufen ergibt sich auf der LV-Seite eine gegenseitige Auslöschung des Rippelstromes. Die an LV liegende Common mode Filterdrossel erlaubt den beiden Trafostufen den für die Resonanzbedin gung erforderlichen gegenläufigen Spannungshub an den beiden LV-Brückenpunkten auszubilden.
Auf der HV-Seite erfolgt eine Auslöschung des Spannungsrippels durch die Serienschaltung. Der Stromrippel wird somit vollständig von den Schwingkreiskapazitäten übernommen. Somit gelangen auch hier keine hochfrequenten Stromkomponenten nach außen. Die Common mode Drossel auf der HV-Seite dient daher zur Entkoppelung von der Motorsteuerung.
Da die Wandlerstufe mit konstantem Tastverhältnis betrieben werden muss, kann mit ihr keinerlei Spannungsanpassung zwischen HV und LV bewerkstelligt werden. Das Verhältnis der Spannungen entspricht dem Windungsverhältnis der Transformatoren.
Die Leistungssteuerung erfolgt daher durch den Umrichter, sprich durch Spannungs- oder Stromregelung der Motorsteuerung an der Zwischenkreisspannung.
Beschreibung des Betriebs in der Hin-Richtung: Für die Beschreibung eines Zyklus wird insbesondere auf die 1 und 6 Bezug genommen. Für den stationären Fall fließt durch die Induktivität 78-1 ein nahezu konstanter Strom. Die Induktivität 78-1 entkoppelt die beiden Spannungen vom Eingangskreis und jener Spannung, die am Transformator anliegt (von der Sekundärseite). Über die Schaltperiode kann der Eingangsstrom als konstant angesehen werden (Stromquelle Induktivität 78-1).
Zum Zeitpunkt t0 sei der Schalter 26-1 leitend. Der Schalterstrom 100 beginnt nun im Resonanzkreis 60-1 und der Streuinduktivität des Übertragers (Teilspule) 32-1 zu fließen. Solange dieser Strom nicht den Drosselstrom von Induktivität 78-1 erreicht hat, steigt die Kondensatorspannung 102 an der Kapazität 60-1 weiter an. Für die ganze Periode kann die Spannung am Übertrager (nur Hauptinduktivität) als konstant angesehen werden, da die Schwingkreiskapapzität 56 des Schwingkreises der dritten Wandlerstufe 16 ausreichend groß ist (Sekundärspannung an Kapazität 56). Der Spannungshub teilt sich im reziproken Verhältnis der auf eine Transformatorseite (z. B. Primärseite) bezogenen Kapazitäten auf. Sobald der Schalterstrom 100 den Drosselstrom erreicht hat (t1), fällt die Spannung 102 an dem Schwingkreiskondensator 60-1 der ersten Wandlerstufe B. Dieser Strom steigt, solange die Kondensatorspannung größer ist als die Spannung an der Hauptinduktivität. Trifft dies nicht mehr zu (t2), so fällt der Strom wiederum sinusförmig auf nahezu Null herab. Zum Zeitpunkt t3 steigt die Kondensatorspannung wiederum an. Im Nulldurchgang des Schalterstromes kann der Schalter stromlos geöffnet werden (t4).
Der nächste Zyklus kann nun angestoßen werden, indem der Schalter 26-2 geschlossen wird. Der Kondensator ist wieder hoch genug vorgeladen.
Für den Resonanzkreis 60-1, 32-1, 32-2 tilgt die Primärspannung an der Hauptinduktivität die Gleichspannung am Kondensator 60-1. An der Streuinduktivität tritt damit im stationären Fall eine reine Wechselspannung auf. Der Drosselstrom wird dann ansteigen bzw. abfallen, wenn die Eingangsspannung und die sekundäre Ausgangsspannung (umgerechnet mit dem Übersetzungsverhältnis des Übertragers (Transformatorvorrichtung) nicht mehr im Gleichgewicht sind.
Die Schalter 26-5 bis 26-12 bilden einen synchronen Gleichrichter. Die Teildrosseln 72, 74 bzw. 85, 86 sind als stromkompensierte Drosseln geschaltet, die zusätzlich Stromschwankungen dämpfen, die durch Unsymmetrien der beiden versetzt geschalteten Stufen entstehen können.
Die Schwankungen des Eingangsstroms 104 auf der Gleichspannungseingangsseite 4 sind infolge der erfindungsgemäßen Schaltungstopologie sehr gering.
Betrieb in der Rück-Richtung: Dieser Betrieb hat dieselben Spannungsverläufe an den Kapazitäten bzw. Induktiviäten. Die Phasenlage zwischen beiden ist jedoch versetzt, da der Strom nun eine andere Richtung hat und 60-1 von der Sekundärseite geladen werden muss. Um die Verluste gering zu halten, können die Schalter zusätzlich eingeschaltet werden (Synchrongleichrichter).

Claims

Wandlervorrichtung, enthaltend eine Gleichspannungs-Eingangsseite (4), eine erste Wandlerstufe (6) zur Gleich-Variations-Spannungswandlung von einer Eingangs-Gleichspannung der Gleichspannungs-Eingangsseite (4) auf eine erste Eingangs-Variationsspannung, und eine erste Transformatoreinrichtung (8) zur Transformierung der ersten Eingangs-Variationsspannung auf eine erste Ausgangs-Variationsspannung auf einer Variationsspannungs-Ausgangsseite (10), wobei die Variationsspannungen in ihrer Spannungshöhe zeitlich variieren, dadurch gekennzeichnet , dass eine zweite Wandlerstufe (12) zur Gleich-Variations-Spannungswandlung der Eingangs-Gleichspannung auf eine zweite Eingangs-Variationsspannung und eine zweite Transformatoreinrichtung (14) zur Transformierung der zweiten Eingangs-Variationsspannung auf eine zweite Ausgangs-Variationsspannung auf der Variationsspannungs-Ausgangsseite (10) vorgesehen sind, wobei die beiden Eingangs-Variationsspannungen phasenverschoben erzeugbar sind, so dass bei einem, durch einen Verbraucher in den Transformatoreinrichtungen (8, 14) erzeugten Stromfluss die daraus resultierenden Stromspitzenwerte auf der Gleichspannungs-Eingangsseite (4) ebenfalls phasenverschoben auftreten.
Wandlervorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine dritte Wandlerstufe (16) vorgesehen ist zur Variations-Gleich-Spannungswandlung der ersten Ausgangs-Variationsspannung auf eine erste Ausgangs-Gleichspannung, dass eine vierte Wandlerstufe (18) vorgesehen ist zur Variations-Gleich-Spannungswandlung der zweiten Ausgangs-Variationsspannung auf eine zweite Ausgangs-Gleichspannung, und dass die erste Ausgangs-Gleichspannung und die zweite Ausgangs-Gleichspannung zu einer Gesamt-Ausgangs-Gleichspannung auf einer Gesamt-Gleichspannungs-Ausgangsseite (20) kombiniert sind.
Wandlervorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die dritte Wandlerstufe (16) und die vierte Wandlerstufe (18) in Reihe geschaltet sind, zur Addition der ersten Ausgangs-Gleichspannung und der zweiten Ausgangs-Gleichspannung zu der Gesamt-Ausgangs-Gleichspannung auf der Gesamt-Gleichspannungs-Ausgangsseite (20), wobei die Stromspitzenwerte auf der Gesamt-Gleichspannungs-Ausgangsseite (20) ebenfalls phasenverschoben auftreten.
Wandlervorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass in jeder Wandlerstufe Strom-steuernde Bauelemente als steuerbare, aktive Bauelemente (26) ausgebildet sind und dass durch die Steuerung der aktiven Bauelemente (26) jede Wandlerstufe als Variations-Gleich-Spannungswandlerstufe und alternativ als Gleich-Variations-Spannungswandlerstufe betreibbar ist zum Betrieb in einer Hin-Richtung mit einem Stromfluss durch die Transformatoreinrichtung von der Gleichspannungs-Eingangsseite (4) zu der Gesamt-Gleichspannungs-Ausgangsseite (20) und alternativ zum Betrieb in einer Rück-Richtung mit einem Stromfluss durch die Transformatoreinrichtung von der Gesamt-Gleichspannungs- Ausgangsseite (20) zu der Gleichspannungs-Eingangsseite (4) .
Wandlervorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass für den Betrieb in der Hin-Richtung die erste Wandlerstufe (6) und die zweite Wandlerstufe (12) als Gleich-Variations-Spannungswandlerstufe und die dritte und die vierte Wandlerstufe (18) als Variations-Gleich-Spannungswandlerstufe betreibbar sind, und dass für den Betrieb in der Rück-Richtung die erste Wandlerstufe (6) und die zweite Wandlerstufe (12) als Variations-Gleich-Spannungswandlerstufe und die dritte und die vierte Wandlerstufe (18) als Gleich-Variations-Spannungswandlerstufe betreibbar sind.
Wandlervorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die aktiven Bauelemente (26) als Schalter betreibbar sind und ein Umschalten der Schalter in einem Stromnulldurchgang durchführbar ist.
Wandlervorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Eingangs-Variationsspannungen und die Ausgangsvariationsspannungen Wechselspannungen sind.
Wandlervorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Transformatorwicklung (32, 33) mindestens einer der beiden Transformatoreinrichtungen (8, 14) mit einem Zwischenabgriff (34) zwischen zwei Teilwicklungen (32-1, 32-2, 33-1, 33-2) der Transformatorwicklung (32, 33) ausgebildet ist und dass jeder Teilwicklung (32-1, 32-2, 33-1, 33-2) ein einziges Strom steuerndes Bauelement (26) zugeordnet ist und mit diesem zusammenwirkt, um von der Wechselspannung eine positive Teilwelle durch eine der beiden Teilwicklungen (32-1, 33-1) und eine negative Teilwelle durch die andere Teilwicklung (32-2, 33-2) der beiden Teilwicklungen zu erzeugen.
Wandlervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Wandlerstufe (6) und die zweite Wandlerstufe (12) je in einen Schwingkreis integriert sind und bei einer Resonanzfrequenz des Schwingkreises betreibbar sind.
Wandlervorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Gleichspannungs-Eingangsseite (4) einerseits und der ersten und der zweiten Wandlerstufe (12) andererseits eine Drosselanordnung (70) vorgesehen ist, welche die erste Wandlerstufe (6) und die zweite Wandlerstufe (12) elektromagnetisch koppelt.
Wandlervorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche mit den Merkmalen von Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Gesamt-Gleichspannungs-Ausgangsseite (20) einerseits und der dritten und der vierten Wandlerstufe (18) andererseits eine Drosselanordnung (70) vorgesehen ist, welche die dritte Wandlerstufe (16) und die vierte Wandlerstufe (18) elektromagnetisch koppelt.
Wandlervorrichtung nach einem der Ansprüche 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass die elektromagnetische Kopplung der jeweils zwei elektromagnetisch gekoppelten Wandlerstufen durch einen gemeinsamen Eisenkern der Drosselanordnung (70) erfolgt.
Kraftfahrzeug mit mindestens einer elektrischen Energiequelle (90) und mindestens einem elektrischen Verbraucher (92) , gekennzeichnet durch eine Wandlervorrichtung (2) nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der mindestens eine Verbraucher durch die Wandlervorrichtung (2) von der mindestens einen Energiequelle (90) speisbar ist, welche an die Gleichspannungs-Eingangsseite (4) angeschlossen oder anschließbar ist.
Kraftfahrzeug nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Verbraucher eine elektrische Maschine (92) ist.
Kraftfahrzeug nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine der mindestens einen elektrischen Maschine als Motor und alternativ als Generator betreibbar ist und dass die Wandlervorrichtung (2) die Merkmale von Anspruch 4 aufweist, wobei bei einem Betrieb der elektrischen Maschine als Motor ein Stromfluss in der Hin-Richtung durch die wandlervorrichtung (2) erfolgt und bei einem Betrieb der elektrischen Maschine als Generator ein Stromfluss in der Rück-Richtung durch die Wandlervorrichtung (2) erfolgt.
Kraftfahrzeug nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine der mindestens einen elektrischen Maschine als Starter zum Starten einer Verbrennungsmaschine betreibbar ist.
Kraftfahrzeug nach einem der Ansprüche 14 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine der mindestens einen elektrischen Maschine als Fahrantriebsmotor betreibbar ist.
Verfahren zum Betrieb einer Wandlervorrichtung (2), enthaltend einen Eingang (4), einen Ausgang (20) und einen Wandlerpfad (22) zwischen dem Eingang (4) und dem Ausgang (20), welcher betrieben wird, um eine Eingangsgleichspannung an dem Eingang (4) auf eine Ausgangsspannung an dem Ausgang (20) hoch zu setzen, wobei von dem Wandlerpfad (22) ein zeitlich variierender Fluss elektrischer Leistung in einer Hochsetzrichtung von dem Eingang (4) zu dem Ausgang (20) erzeugt wird, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein weiterer Wandlerpfad (24) zwischen dem Eingang (4) und dem Ausgang (20) analog zu dem einen Wandlerpfad (22) betrieben wird, dass von dem weiteren Wandlerpfad (24) ein zeitlich variierender Fluss elektrischer Leistung in der Hochsetzrichtung erzeugt wird, und dass die Wandlerpfade (22, 24) zeitlich versetzt zueinander betrieben werden, um an dem Eingang (4) Spannungsschwankungen, die durch den zeitlich variierenden Fluss elektrischer Leistung in den Wandlerpfaden (22, 24) bedingt sind, zu reduzieren.