DE10338161A1

DE10338161A1 - Spannungsverarbeitungseinrichtung für Kraftfahrzeug und Kraftfahrzeug mit Spannungsverarbeitungseinrichtung

Info

Publication number: DE10338161A1
Application number: DE10338161A
Authority: DE
Inventors: Josef Winkler; Gunther Schwab
Original assignee: Audi AG
Current assignee: Audi AG
Priority date: 2003-08-20
Filing date: 2003-08-20
Publication date: 2004-11-25

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Spannungsverarbeitungseinrichtung für ein Kraftfahrzeug, die einen Stromrichter (101-105) zur Umwandlung von Gleichspannung in Wechselspannung umfasst, wobei der Wandler für bidirektionale Umwandlung ausgelegt ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Spannungsverarbeitungseinrichtung für ein Kraftfahrzeug sowie ein Kraftfahrzeug mit einer Spannungsverarbeitungseinrichtung. Spannungsverarbeitungseinrichtungen sind in Kraftfahrzeugen und in Geräten für die Benutzung in Verbindung mit Fahrzeugen bekannt. Diese Spannungsverarbeitungseinrichtungen können beispielsweise dazu verwendet werden, die Spannung, die von einer Spannungsquelle zur Verfügung gestellt wird, an die Anforderungen anzupassen, die von Verbrauchern festgelegt sind. Hierbei können Spannungsverarbeitungseinrichtungen verwendet werden, mittels derer das Spannungsniveau geändert, das heißt erhöht oder erniedrigt wird. Weiterhin sind auch Spannungsverarbeitungseinrichtungen bekannt, mittels derer Gleichstrom in Wechselstrom oder Wechselstrom in Gleichstrom umgewandelt werden kann. Diese letztgenannten Stromrichter sind beispielsweise DC/AC- oder AC/DC-Wandler.

Solche Spannungsverarbeitungseinrichtungen sind insbesondere für Kraftfahrzeuge von besonderer Bedeutung. In Kraftfahrzeugen wird mittels einer Batterie und/oder einem Generator eine Bordnetzspannung bereitgestellt, die in der Regel einen Gleichstrom bei Spannungswerten in der Größenordnung von beispielsweise 14, 36 oder 42 V aufweist. Elektrische Verbraucher, die in dem Kraftfahrzeug oder an dem Kraftfahrzeug betrieben werden, erfordern hingegen eine Wechselspannung mit Spannungswerten von 110/230 V. Um diese Verbraucher über das Bordspannungsnetz speisen zu können, sind Spannungsverarbeitungseinrichtungen notwendig, einerseits welche, die einen Wechselstrom aus dem Gleichstrom des Bordspannungsnetzes erzeugen können und die das Spannungsniveau erhöhen können. Diese Spannungsverarbeitungseinrichtungen, die auch als Wechselrichter bezeichnet werden, können mit dem Fahrzeug fest verbunden sein, das heißt in dieses eingebaut sein oder in Form eines Adapters ausgeführt sein und beispielsweise über den Zigarettenanzünder des Kraftfahrzeug mit dem Bordspannungsnetz verbunden werden. Neben diesen Wechselrichtern sind auch Spannungsverarbeitungseinrichtungen bekannt, die als Ladegerät der Kraftfahrzeugbatterie dienen. Diese Geräte transformieren die Netzspannung, die beispielsweise von einem Haushaltsnetz zur Verfügung gestellt wird, auf das vorgegebene Spannungsniveau des Bordspannungsnetzes und richten anschließend den Wechselstrom gleich.

Der Nachteil dieser bekannten Spannungsverarbeitungseinrichtungen besteht darin, dass für die unterschiedlichen Verarbeitungen, insbesondere für das Gleichrichten oder Wechselrichten des Stroms unterschiedliche Geräte benutzt werden müssen. Da diese teilweise separate Geräte, das heißt nicht mit dem Kraftfahrzeug verbundene Geräte, darstellen, muss der Benutzer des Kraftfahrzeugs Sorge tragen, dass die entsprechenden Geräte zur Verfügung stehen.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Spannungsverarbeitungseinrichtung zu schaffen, die es dem Benutzer eines Kraftfahrzeugs erlaubt auf einfache Weise flexibel die Spannung von Spannungsquellen innerhalb oder außerhalb des Kraftfahrzeugs für unterschiedliche Anwendungen in beziehungsweise an dem Kraftfahrzeug zu verwenden.

Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass diese Aufgabe durch eine Spannungsverarbeitungseinrichtung gelöst werden kann, die unterschiedliche Verarbeitungen der elektrischen Energie, insbesondere die Umwandlung von Wechselstrom in Gleichstrom und umgekehrt erlaubt.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß daher gelöst durch eine Spannungsverarbeitungseinrichtung für ein Kraftfahrzeug, die einen Stromrichter zur Umwandlung von Gleichspannung in Wechselspannung umfasst, wobei der Wandler für bidirektionale Umwandlung ausgelegt ist.

Als bidirektionale Umwandlung wird im Sinne der vorliegenden Erfindung die Fähigkeit des Wandlers bezeichnet, Wechselspannung in Gleichspannung und Gleichspannung in Wechselspannung zu wandeln. Als Kraftfahrzeug wird erfindungsgemäß vorzugsweise ein Kraftfahrzeug mit Verbrennungsmotor verwendet, bei dem die elektrische Energie mittels eines Generators und einer Kraftfahrzeugbatterie, beispielsweise eines Bleiakkumulators, zur Verfügung gestellt wird.

Durch die bidirektionale Ausgestaltung des Wandlers kann die Spannungsverarbeitungseinrichtung sowohl als Ladegerät für eine Kraftfahrzeugbatterie als auch als Spannungswandler für die Versorgung elektrischer Verbraucher im oder am Fahrzeug dienen.

Vorzugsweise ist die Spannungsverarbeitungseinrichtung in dem Kraftfahrzeug integriert. Der Vorteil dieser Ausgestaltung liegt darin, dass die Spannungsverarbeitungseinrichtung fest mit dem Kraftfahrzeug und insbesondere mit dem Bordnetz des Kraftfahrzeugs verbunden ist. Somit können separate Geräte für unterschiedliche Funktionen entfallen. So ist beispielsweise kein Ladegerät notwendig, um die Fahrzeugbatterie zu laden. Weiterhin kann auch auf einen Adapter für die Versorgung elektrischer Geräte, beispielsweise im Fahrgastraum, verzichtet werden.

In einer bevorzugten Ausführungsform weist die Spannungsverarbeitungseinrichtung ein Steuergerät zur Einstellung der Richtung der Wandlung auf. Durch dieses Steuergerät, das auch als Controller bezeichnet wird, können wahlweise unterschiedliche Bausteine in der Spannungsverarbeitungseinrichtung angesteuert werden oder die Funktionsweise eines einzigen Bausteins in unterschiedlicher Weise beeinflusst werden. Über das Steuergerät kann somit die Richtung der Wandlung, das heißt Wandlung von Gleichspannung in Wechselspannung beziehungsweise umgekehrt eingestellt werden. Weiterhin kann der Controller auch die üblichen Funktionen der Überwachung und Regelung der Wandlung ausführen, beispielsweise die Amplitude der bereitgestellten Spannung.

Gemäß einer Ausführungsform stellt die erfindungsgemäße Spannungsverarbeitungseinrichtung eine Kombination eines Wechselrichters und eines Ladegeräts dar.

Durch die Integration dieser beiden Geräte, das heißt des Wechselrichters und des Ladegeräts, in einer erfindungsgemäßen Spannungsverarbeitungseinrichtung, können eine Vielzahl von Bauelementen der einzelnen Geräte für beide Verwendungen genutzt werden. Die Reduktion der benötigten Bauteile bringt zum einen eine Verringerung der Abmessungen der Spannungsverarbeitungseinrichtung und zum anderen einen geringeren Schaltungsaufwand mit sich.

Besonders bevorzugt sind alle Komponenten für die bidirektionale Wandlung in einem gemeinsamen Gehäuse vorgesehen. Besonders bevorzugt sind sämtliche Komponenten eines Wechselrichters und eines Ladegeräts in einem gemeinsamen Gehäuse integriert. Eine der Komponenten, die beispielsweise für einen Wechselrichter und ein Ladegerät Verwendung finden, ist ein Transformator, der erfindungsgemäß ebenfalls für eine bidirektionale Transformation der Spannung ausgelegt sein kann. Hierdurch kann der Transformator sowohl für die Funktion des Ladens der Kraftfahrzeugbatterie als auch für die Wandlung der Gleichspannung in Wechselspannung für elektrische Verbraucher eingesetzt werden.

Erfindungsgemäß kann die Spannungsverarbeitungseinrichtung zwei Schnittstellen für eine Verbindung mit Komponenten aufweisen, die vom Kraftfahrzeug unabhängig sind. Diese Schnittstellen können beispielsweise in Form von Steckdosen, beziehungsweise Steckern ausgeführt sein. Über diese Schnittstellen können zum einen Elektrogeräte, die beispielsweise in dem Fahrgastraum verwendet werden sollen, mit der Spannungsverarbeitungseinrichtung verbunden werden. Über diese Verbindung kann dann eine Versorgung des Elektrogeräts mit der erforderlichen Wechselspannung erfolgen. Andererseits kann über eine der Schnittstellen, die in Form eines Steckers, gegebenenfalls mit Verlängerungskabel, ausgeführt sein kann, die Spannungsverarbeitungseinrichtung an eine Netzspannung eines Versorgungsnetzes, wie beispielsweise dem Haushaltsnetz, angeschlossen werden.

Die erfindungsgemäße Spannungsverarbeitungseinrichtung kann in einer Ausführungsform so aufgebaut sein, dass diese drei Einheiten umfasst, wobei die Einheiten Schaltungen aufweisen, die wahlweise eine Gleichrichtung von Wechselspannung und eine Erzeugung von Wechselspannung aus Gleichspannung erlauben. Durch das Vorsehen dieser drei Einheiten ist es möglich, die Gleichspannung eines Bordspannungsnetzes zunächst in Wechselspannung umzuwandeln, bevor dieser auf ein höheres Spannungsniveau transformiert wird und anschließend durch Gleichrichtung und erneute Wechselrichtung die erforderliche Wechselspannung mit Werten von beispielsweise 111/230 V zu erzeugen. In entsprechender Weise kann umgekehrt eine Netzspannung in eine Bordspannung umgewandelt werden.

Die Funktion der einzelnen Einheiten dieser Ausführungsform der Spannungsverarbeitungseinrichtung kann vorzugsweise richtungsabhängig sein. Dies bedeutet, dass die Schaltungen so ausgelegt sind, dass eine zuverläs sige Wandlung von Gleichspannung in Wechselspannung beziehungsweise umgekehrt gewährleistet wird. In jeder Richtung sind zwei der drei Einheiten jeweils mit der gleichen Funktion ausgestattet.

Vorzugsweise ist die Spannungsverarbeitungseinrichtung so ausgelegt, dass diese eine Verarbeitung eines Bordspannungsnetzes eines Kraftfahrzeugs in eine Netzspannung eines Versorgungsnetzes und umgekehrt erlauben. Als Bordnetz können beispielsweise die bekannten Bordnetze mit Gleichspannung von 14, 36 beziehungsweise 42 V verwendet werden. Als Versorgungsnetz kann das Haushaltsversorgungsnetz mit Wechselspannungen von 110/230 V Einsatz finden.

Gemäß einem weiteren Aspekt betrifft die vorliegende Erfindung ein Kraftfahrzeug mit einer erfindungsgemäßen Spannungsverarbeitungseinrichtung.

Die Vorteile beziehungsweise Merkmale, die bezüglich des Kraftfahrzeugs beschrieben werden, gelten entsprechend und soweit anwendbar ebenfalls für die Spannungsverarbeitungseinrichtung und umgekehrt.

Die vorliegende Erfindung wird im Folgenden anhand der beiliegenden Figuren, die ein nicht beschränkendes Beispiel der vorliegenden Erfindung zeigen, genauer erläutert.
Es zeigen:
1 eine schematische Blockdarstellung einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Spannungsverarbeitungseinrichtung; und
2 eine schematische Blockdarstellung der Schaltung eines bidirektionalen Wandlers in der erfindungsgemäßen Spannungsverarbeitungseinrichtung.
In 1 ist der Aufbau einer erfindungsgemäßen Spannungsverarbeitungseinrichtung 10 schematisch dargestellt. Die Spannungsverarbeitungseinrichtung 10 ist in einem Fahrzeug 1 integriert. An einer Seite, der Gleichspannungsseite 11, ist die Spannungsverarbeitungseinrichtung 10 mit dem Bordnetz 2 des Kraftfahrzeugs 1 verbunden. In dem Bordnetz ist ein Generator G vorgesehen, der für die Spannungsversorgung des Bordnetzes 2 dient. An der anderen Seite der Spannungsverarbeitungseinrichtung, der Wechselspannungsseite 12, sind zwei Schnittstellen 13 und 14 für die Verbindung mit Komponenten außerhalb des Fahrzeugs 1 vorgesehen. Die Schnittstelle 13 ist in der dargestellten Ausführungsform als Stecker verwirklicht, der gegebenenfalls über ein Verlängerungskabel 113 mit einem Versorgungsnetz (nicht dargestellt) mit einer Netzspannung von 110/230 V Wechselspannung verbunden werden kann. Die Schnittstelle 14 ist als Steckkontakt ausgeführt, über die ein Elektrogerät 3, das beispielsweise im Fahrgastraum beziehungsweise in der Umgebung des Kraftfahrzeugs betätigt werden soll, mittels eines Steckers 31 mit der Spannungsverarbeitungseinrichtung 10 verbunden werden kann.
Der Schaltungsaufbau der erfindungsgemäßen Spannungsverarbeitungseinrichtung 10 ist in einer Ausführungsform in 2 schematisch angedeutet. In den Einheiten 101, 102 und 104 sind Schaltungen verwirklicht, die sowohl eine Wechselrichtung als auch eine Gleichrichtung der Spannung erlauben. Die Einheit 103 stellt in der dargestellten Ausführungsform einen Transformator dar. Zusätzlich ist in der Einheit 104 eine Spannungsregelung realisiert. Die Einheiten 101, 102 und 104 sind weiterhin in der dargestellten Ausführungsform mit einem Steuergerät beziehungsweise Controller 105 verbunden.
Die Funktionsweise der Ausführungsform der erfindungsgemäßen Spannungsverarbeitungseinrichtung wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die 1 und 2 genauer beschrieben.
Um ein Elektrogerät 3, das mit einem Wechselspannung von beispielsweise 230 V betrieben werden muss, durch das Bordspannungsnetz 2 des Kraftfahrzeugs 1 versorgen zu können, werden in der Spannungsverarbeitungseinrichtung 10 folgende Schritte durchgeführt: Wie in 2 durch die oberen Pfeile dargestellt, liegt an der Einheit 104 eine Gleichspannung mit 12 V an. Diese wird in der Einheit 104 in eine Wechselspannung mit 12 V umgewandelt. Anschließend wird in dem Hochfrequenztransformator 103 eine Wechselspannung von > 230 V erzeugt. Diese Wechselspannung wird in der Einheit 102 in eine Gleichspannung von 230 V umgewandelt. Schließlich wird in der Einheit 101 aus dieser Gleichspannung eine Wechselspannung mit 230 V und 50 Hz erzeugt. Diese kann über den Ausgang 12 an der Steckdose 14 anliegen, wodurch das Elektrogerät 3 mittels des Steckers 31 mit der erforderlichen Spannung versorgt werden kann.
Alternativ kann eine Wechselspannung von beispielsweise 230 V über das Verlängerungskabel 131 beziehungsweise über den Stecker 13 unmittelbar von einem Spannungsnetz außerhalb des Kraftfahrzeugs genutzt werden. Hierbei wird, wie in 2 durch die unteren Pfeile angedeutet, auf der Wechselspannungsseite 12 der Spannungsverarbeitungseinrichtung 10 die Spannung in der Einheit 101 in eine Gleichspannung mit 230 V verarbeitet. Anschließend erfolgt eine Wechselrichtung, mittels derer eine Wechselspannung von mehr als 230 V erhalten wird, die anschließend im Transformator 103 auf 12 V Wechselspannung heruntertransformiert wird. Diese Wechselspannung wird in der Einheit 104 gleichgerichtet und einer Spannungsregelung unterzogen. Die so erhaltene Gleichspannung von 12 V kann in das Bordnetz 2 eingespeist werden, wodurch beispielsweise die Kraftfahrzeugbatterie des Kraftfahrzeugs 1 geladen werden kann oder Verbraucher in dem Bordnetz 2 betrieben werden können.
Mit der erfindungsgemäßen Spannungsverarbeitungseinrichtung ist es somit möglich, eine 230 V Wechselspannung aus einer beispielsweise 12 V Bordnetzspannung zu erzeugen. Hierdurch können im Fahrzeug handelsübliche 230 V Elektrogeräte betrieben werden. Mit der erfindungsgemäßen Spannungsverarbeitungseinrichtung ist es darüber hinaus möglich, aufgrund der bidirektionalen Ausgestaltung des Wandlers aus 230 V Wechselspannung beispielsweise eine 14 V Gleichspannung zu erzeugen.
Mit der erfindungsgemäßen Spannungsverarbeitungseinrichtung kann daher beispielsweise eine leere Batterie eines Kraftfahrzeugs nachgeladen werden, ohne dass ein zweites Fahrzeug benötigt wird oder ein Ladegerät vorhanden sein muss. Zudem können, wenn sich das Kraftfahrzeug im Stand befindet und beispielsweise an eine Steckdose angeschlossen ist, alle an Bord befindlichen elektrischen Funktionen benutzt werden, ohne dass die Fahrzeugbatterie entladen wird. Die elektrischen Funktionen können sowohl Funktionen sein, die in dem Fahrzeug integriert sind, als auch Elektrogeräte, die über einen Steckkontakt mit der Spannungsverarbeitungseinrichtung verbunden werden. Erfindungsgemäß wird somit in einem einzigen Gerät, das vorzugsweise auch in einem gemeinsamen Gehäuse vorgesehen ist und in dem Kraftfahrzeug integriert ist, ein Ladegerät und ein Wechselrichter geschaffen. Darüber hinaus weist die erfindungsgemäße Spannungsverarbeitungseinrichtung einen einfachen Aufbau auf, da eine große Anzahl von Einzelkomponenten in doppelter Weise genutzt werden können. Neben dem in der Ausführungsform dargestellten Transformator können auch Schaltungsbausteine der einzelnen Einheiten der Spannungsverarbeitungseinrichtung sowohl für die Funktion des Ladegeräts als auch für die Funktion des DC/AC-Wandlers verwendet werden.
Die vorliegende Erfindung ist nicht auf das dargestellte Ausführungsbeispiel beschränkt. Insbesondere können mit der erfindungsgemäßen Spannungsverarbeitungseinrichtung Spannungen unterschiedlicher Spannungsniveaus erzeugt werden. So ist es beispielsweise auch möglich, aus einer 36 V beziehungsweise 42 V Bordspannung Wechselspannungen von beispielsweise 110 beziehungsweise 230 V bei Frequenzen von beispielsweise 50 Hz zu erzeugen oder diese in die genannten Bordspannungen umzuwandeln. Wesentlich ist bei der vorliegenden Erfindung lediglich, dass der Wandler, mittels dessen die Umwandlung des Spannungs erfolgt, in einer bidirektionalen Weise ausgelegt ist, das heißt eine Umwandlung in beide Richtungen zulässt. Diese bidirektionale Umwandlung wird vorzugsweise durch geeignete Schaltungen verwirklicht, welche in einem Gerät zusammengefasst sind.

Claims

Spannungsverarbeitungseinrichtung für ein Kraftfahrzeug, die einen Stromrichter (101 – 105) zur Umwandlung von Gleichspannung in Wechselspannung umfasst, wobei der Wandler für bidirektionale Umwandlung ausgelegt ist.
Spannungsverarbeitungseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass diese in einem Kraftfahrzeug (1) integriert ist.
Spannungsverarbeitungseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass diese ein Steuergerät (105) zur Einstellung der Richtung der Wandlung aufweist.
Spannungsverarbeitungseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass diese eine Kombination eines Wechselrichters und eines Ladegeräts darstellt.
Spannungsverarbeitungseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass alle Komponenten für die bidirektionale Wandlung in einem Gehäuse vorgesehen sind.
Spannungsverarbeitungseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass diese einen Transformator (103) aufweist, der für eine bidirektionale Transformation der Spannung ausgelegt ist.
Spannungsverarbeitungseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass diese zwei Schnittstellen (13, 14) für eine Verbindung mit vom Kraftfahrzeug (1) unabhängigen Komponenten aufweist.
Spannungsverarbeitungseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass diese drei Einheiten (101, 102, 104) aufweist, wobei die Einheiten Schaltungen aufweisen, die wahlweise eine Gleichrichtung von Wechselspannung und eine Erzeugung von Wechselspannung aus Gleichspannung erlauben.
Spannungsverarbeitungseinrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Funktion der Einheiten (101 – 104) richtungsabhängig ist.
Spannungsverarbeitungseinrichtung nach einem der Ansprüche 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass in jeder Richtung zwei der Einheiten die gleiche Funktion ausüben.
Spannungsverarbeitungseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass diese eine Verarbeitung einer Spannung eines Bordspannungsnetzes eines Kraftfahrzeugs in eine Netzspannung eines Versorgungsnetzes und umgekehrt erlaubt.
Kraftfahrzeug mit einer Spannungsverarbeitungseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11.