DE112021005665T5 - Schaltbarer bidirektionaler leistungswandler mit einer einzelnen leistungsfaktorkorrekturschaltung und einem onboard-ladegerät davon - Google Patents

Schaltbarer bidirektionaler leistungswandler mit einer einzelnen leistungsfaktorkorrekturschaltung und einem onboard-ladegerät davon Download PDF

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Ameer JANABI
Rohit Baranwal
Zhe Zhang
Devendra Ramesh Patil
Guangqi Zhu
Salwan S Sabry
Matthew Jones
Lewei Qian
Saeed J Siavoshani
Daniel Robert Ouwenga
Brian McKay
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Abstract

Ein schaltbarer bidirektionaler Leistungswandler kann eine verschachtelte Brückenkonfiguration umfassen. Ein Mehrphasen-Netzanschluss an eine Mehrphasen-Halbbrückenschaltbank kann einen ersten schaltenden Halbbrückenzweig umfassen. Ein Einphasen-Netzanschluss, der mit einer Einphasen-Vollbrückenschaltbank verbunden ist, kann die Mehrphasen-Halbbrückenschaltbank umfassen, die mit der Einphasen-Vollbrückenschaltbank verschachtelt ist. Die Einphasen-Vollbrückenschaltbank kann den ersten schaltenden Halbbrückenzweig und einen zweiten schaltenden Halbbrückenzweig umfassen. Ein Kondensatorschalter kann so konfiguriert werden, dass er mindestens zwei Leistungsfaktorkorrekturkondensatoren zwischen einer Parallelschaltung und einer Reihenschaltung umschaltet. Die Parallelschaltung kann mit der einphasigen Schaltbank, dem ersten schaltenden Halbbrückenzweig und dem zweiten schaltenden Halbbrückenzweig verbunden werden. Die Reihenschaltung kann mit der Mehrphasenschaltbank und dem ersten schaltenden Halbbrückenzweig verbunden werden. Diese kann in einem bidirektionalen Onboard-Ladegerät verwendet werden. Ultra-Weitbereichsspannungen können bidirektional gehandhabt werden.

Description

  • GEBIET
  • Diese Anmeldung stellt einen schaltbaren bidirektionalen Leistungswandler bereit, der eine einzelne schaltbare Leistungsfaktorkorrekturschaltung in einer verschachtelten Brückenkonfiguration umfasst.
  • HINTERGRUND
  • Die bestehenden Onboard-Ladegeräte-Topologien („OBC“) haben die praktische Herausforderung dahingehend, dass sie ein Design aufweisen, das sowohl für den Einphasen- als auch für den Dreiphasen-Netzbetrieb optimiert ist. Die Spannungsvarianz der Leistungsfaktorkorrektur („PFC“) zwischen einem Einphasenanschluss und einem Dreiphasenanschluss kann bis zu 400 V betragen. Eine Niederspannungslast von 24 V kann in einem System mit einer 400-V-Last sein. Es ist eine Herausforderung, sowohl die Effizienz als auch die geringe Teilezahl und die große Bandbreite zu erfüllen.
  • KURZDARSTELLUNG
  • Die hierin offenbarten Verfahren und Vorrichtungen überwinden die obigen Nachteile und verbessern den Stand der Technik mittels eines schaltbaren bidirektionalen Leistungswandlers, der eine verschachtelte Brückenkonfiguration umfasst. Ein Mehrphasen-Netzanschluss an eine Mehrphasen-Halbbrückenschaltbank kann einen ersten schaltenden Halbbrückenzweig umfassen. Ein Einphasen-Netzanschluss, der mit einer Einphasen-Vollbrückenschaltbank verbunden ist, kann die Mehrphasen-Halbbrückenschaltbank umfassen, die mit der Einphasen-Vollbrückenschaltbank verschachtelt ist. Die Einphasen-Vollbrückenschaltbank kann den ersten schaltenden Halbbrückenzweig und einen zweiten schaltenden Halbbrückenzweig umfassen. Ein Kondensatorschalter kann so konfiguriert werden, dass er mindestens zwei Leistungsfaktorkorrekturkondensatoren zwischen einer Parallelschaltung und einer Reihenschaltung umschaltet. Die Parallelschaltung kann mit der einphasigen Schaltbank, dem ersten schaltenden Halbbrückenzweig und dem zweiten schaltenden Halbbrückenzweig verbunden werden. Die Reihenschaltung kann mit der Mehrphasenschaltbank und dem ersten schaltenden Halbbrückenzweig verbunden werden. Diese kann in einem bidirektionalen Onboard-Ladegerät verwendet werden. Ultra-Weitbereichsspannungen können bidirektional gehandhabt werden.
  • Das Onboard-Ladegerät kann einen ersten Batterieanschluss zu dem schaltbaren bidirektionalen Leistungswandler und einen zweiten Batterieanschluss zu dem schaltbaren bidirektionalen Leistungswandler umfassen, wobei der erste Batterieanschluss für eine Spannung ausgelegt ist, die um einen oder mehrere Zehnerfaktoren größer ist als die des zweiten Batterieanschlusses.
  • Weitere Aufgaben und Vorteile werden teilweise in der folgenden Beschreibung dargelegt und teilweise aus der Beschreibung ersichtlich sein oder können durch die Ausübung der Offenbarung erlernt werden. Die Aufgaben und Vorteile werden auch mittels der Elemente und Kombinationen umgesetzt und erreicht, die insbesondere in den beiliegenden Ansprüchen dargelegt sind.
  • Figurenliste
    • 1 veranschaulicht ein Beispiel eines Einphasennetzes, das mit einer Fahrzeugbatterie verbunden ist.
    • Die 2A und 2B veranschaulichen ein Einphasennetz für den Betrieb eines Fahrzeugs.
    • 3 veranschaulicht ein Beispiel eines Dreiphasennetzes, das mit einer Fahrzeugbatterie verbunden ist.
    • Die 4A und 4B veranschaulichen ein Dreiphasennetz für den Betrieb eines Fahrzeugs.
    • 5 zeigt eine Alternative zum Beibehalten sowohl eines oberen als auch eines unteren Nullvektors.
    • Die 5A-5C zeigen alternative bidirektionale Schalter als Ersatz in dem gestrichelten Kasten von 5.
    • Die 6A und 6B zeigen ein Dreiphasennetz für den Fahrzeugbetrieb, bei dem beide Nullvektoren verwendet werden.
    • 7 ist eine Darstellung einer Schaltung, die nur den unteren Spannungsnullvektor beibehält.
    • Die 8A und 8B zeigen das Dreiphasennetz für den Fahrzeugbetrieb, wobei nur der untere Nullvektor verwendet wird.
    • 9 ist eine Darstellung einer Schaltung, die nur den oberen Spannungsnullvektor beibehält.
    • Die 10A und 10B zeigen das Dreiphasennetz für den Fahrzeugbetrieb, wobei nur der obere Nullvektor verwendet wird.
    • Die 11 und 12 zeigen eine alternative Kondensatorbank- und Kondensatorschalteranordnung.
    • Die 12A und 12B zeigen alternative Kondensatorbankanordnungen für den gestrichelten Kasten in 12.
  • AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
  • Es wird nun im Detail auf die Beispiele Bezug genommen, die in den beigefügten Zeichnungen veranschaulicht sind. Wo immer möglich, werden in den Zeichnungen durchgehend die gleichen Bezugszeichen verwendet, um auf die gleichen oder auf ähnliche Teile zu verweisen. Die Anwendung umfasst bidirektionale Vorrichtungen zum Bewegen von Leistung zwischen einem Netz und einer Batterie. Die Batterien können über das Netz aufgeladen werden und die am Netz angeschlossenen Lasten mit Leistung versorgen. Richtungsbezüge wie „links“ und „rechts“ oder „Eingang“ und „Ausgang“ dienen der einfachen Zuordnung zu den Figuren. Zum Beispiel kann das Netz links Spannung liefern, um die Batterien rechts zu laden, und das Netz kann als Versorgungsseite oder Eingang bezeichnet werden, während die Batterien als Ausgangsseite bezeichnet werden. Aber die Batterien können Lasten im Netz mit Spannung versorgen. Dann kann die Benennung umgekehrt werden, sodass die Batterien als Eingänge bezeichnet werden können und das Netz als Ausgangs- oder Lastseite bezeichnet werden kann.
  • Ein bidirektionales, isoliertes Batterieladegerät kann mit verschiedenen Netztypen kompatibel sein und einen sehr weiten Verstärkungsbereich aufweisen. Anstatt mehrere Stufen von Wandlern und Aufwärts- und Abwärts-Vorrichtungen (Buck and Boost) aneinanderzureihen, kann eine einzelne Leistungswandlertopologie verwendet werden, um einen breiten Bereich von Eingangs- und Ausgangsspannungen bereitzustellen. Die Topologie kann Spannungen zwischen dem Netz und den Batterien senken und erhöhen. Es kann eine isolierte Leistungsumwandlung durchgeführt werden. Ein Onboard-Ladegerät für ein Zweispannungsbatteriesystem kann eine einzelne Leistungsfaktorkorrekturschaltung als Teil eines einzelnen Leistungswandlermoduls darstellen.
  • Ein Freigabemerkmal ist der Kondensatorschalter CS 1 oder CS2. Schalter lassen sich in der Fertigung nur schwer individuell hinzufügen, sodass es wichtig ist, einen Schalterplatz auszuwählen, auf den die Fertigungsanlagen zugreifen können. Die Platzierung des Kondensatorschalters CS 1 oder CS2 innerhalb eines schaltbaren bidirektionalen Leistungswandlers ist daher nicht trivial. Doch durch Hinzufügen der offenbarten Kondensatorschalter CS 1, CS2 ist es möglich, eine Mehrphasen-Halbbrückenschaltbank mit einer Einphasen-Vollbrückenschaltbank zu verschachteln, sodass eine einzelne Leistungsfaktorkorrekturschaltung („PFC“) für einen sehr breiten Spannungsbereich verwendet werden kann. Zum Beispiel kann ein Onboard-Ladegerät eines Elektrofahrzeugs anstelle von mehreren separaten Wandlermodulen eine einzelne schaltbare PFC-Schaltung umfassen.
  • Mit den offenbarten Layouts ist es möglich, die Last und das Wicklungsverhältnis des offenbarten Leistungswandlers in einer einzelnen PCF-Topologie anstelle von mehreren Wandlern zu schalten. Die Kondensatorschalter CS 1, CS2 können mit netzseitigen Schaltern (Versorgungsschaltern) SP1-SP6 zusammenarbeiten. Dann kann ein Einphasen-Netzanschluss, der durch P1A dargestellt wird, durch die Versorgungsschalter SP4-SP6 erfolgen, während ein Mehrphasen-Netzanschluss, der durch A, B, C dargestellt wird, durch zusätzliche Schalter oder Schaltergruppen hergestellt werden kann. Die Arbeitsbeispiele hierin verwenden Dreiphasen-Netzanschlüsse durch Sätze von Versorgungsschaltern SP1-SP3. Stromversorgungseinrichtungen wie Lichtmaschinen, Motorgeneratoren, regenerative Bremsen usw. können Leistung in die Netzanschlüsse A, B, C, P1A liefern, während Verbraucher wie Anlasser, Elektrofahrzeugmotoren, Kompressoren, Bremsen, Zubehör usw. über die Netzanschlüsse A, B, C, P1A Leistung ziehen können.
  • Die Mehrphasen-Netzanschlüsse A, B, C können mit einem Filter wie einem EMV-Filter (elektromagnetische Verträglichkeit) verbunden werden. Dieser kann einen EMI-Filter (elektromagnetische Interferenz) einschließen. Da es sich um eine Hochspannung handelt, ist ein LCL mit den Mehrphasen-Netzanschlüssen A, B, C verbunden. Es sind auch andere Strukturen als Ersatz für den LCL möglich, wie andere isolierte DC-DC-Wandler, die im Stand der Technik bekannt sind, wobei nachstehend ein CLLC erwähnt wird.
  • Bei Elektro- und Hybridelektrofahrzeugen (EVs) werden die Batterien über ein bordeigenes Batterieladegerät (OBC) aus dem Netz geladen. Im Allgemeinen dienen die Batterien in Elektrofahrzeugen zwei Zwecken: zum einen der Versorgung eines Hochspannungs-Fahrmotor-Wechselrichtersystems und zum anderen der Niederspannung für Hilfsstromversorgungen, die einen Verbraucher wie Beleuchtung, automatische Sitze und andere elektronische Vorrichtungen versorgen. Die Niederspannungsbatterie kann entweder über das Netz oder über die Hochspannungsbatterie geladen werden. In den 1, 3, 5, 7, 9, 11 und 12 ist die Hochspannungsbatterie oben links und die Niederspannungsbatterie unten links gezeichnet. Beide Batterien können Sicherheitsschalter und passive Vorrichtungen umfassen, die mit einer primärseitigen passiven Vorrichtung zusammenwirken. Zum Beispiel kann ein Transformator mit einer primärseitigen Wicklung ausgebildet sein, die mit dem schaltbaren bidirektionalen Leistungswandler verbunden ist. Eine primärseitige passive Vorrichtung kann mindestens einen Induktor umfassen, oder kann mindestens einen Induktor und mindestens einen Kondensator umfassen. Wie gezeichnet, kann ein Transformator eine Wicklung mit mehreren Abgriffen und der Induktivität LM umfassen. Festzuhalten ist, dass die Wicklung des primärseitigen Transformators eine Wicklung mit mehreren Abgriffen ist. Ein zusätzlicher Kondensator C1 und eine Induktivität L1 sind eingeschlossen, um die primärseitige passive Vorrichtung zu bilden. Es kann eine unterschiedliche Anzahl von Transformatorwicklungen verwendet werden. Ein Schwingkreis kann eine alternative passive Vorrichtung sein. Somit kann eine Reiheninduktivität in einem Schwingkreis in Form einer Streuinduktivität in einen Transformator integriert sein.
  • Sekundärseitige passive Vorrichtungen können die Übertragung zwischen dem schaltbaren bidirektionalen Leistungswandler und den Batterien vervollständigen. Sekundärseitige Wicklungen werden als mit den Batterien verbunden mit einem Kondensator C2 und einem Induktor L2 an der Hochspannungsbatterie und einem Induktor L3 an der Niederspannungsbatterie gezeigt. Die Konnektivität zu den Batterien kann über schaltbare Vorrichtungen wie die veranschaulichten MOSFETs S1-S4 & T1-T4 moduliert werden. Es können zusätzliche und alternative Vorrichtungen eingeschlossen sein, wie ein Abwärtswandler, verschiedene andere Kondensatoren und Widerstände. Anstatt Tiefsetzsteller und Hochsetzsteller (Bucks und Boosts) auf dem schaltbaren bidirektionalen Leistungswandler zu platzieren, können diese auf den Batterieseiten ihrer passiven Vorrichtungen platziert werden. Dann kann die schaltbare Leistungsfaktorkorrekturschaltung das Wicklungsverhältnis in einer einzelnen Leistungswandlertopologie umschalten.
  • Festzuhalten ist, dass der schaltbare bidirektionale Leistungswandler einen primärseitigen Transformator umfasst, der eine Wicklung parallel zu dem Induktor LM umfasst, der mit einem Kondensator C1 und einem Induktor L1 verbunden ist. Der primärseitige Transformator kann auf einer ersten Seite mit dem ersten schaltenden Halbbrückenzweig LG1 verbunden sein und auf einer zweiten Seite mit dem Kondensatorschalter CS 1 oder CS2 verbunden sein, um zwischen einer Verbindung mit dem zweiten schaltenden Halbbrückenzweig LG2 und einer Verbindung zwischen den mindestens zwei PFC-Kondensatoren CPFC1, CPFC2 und/oder CPFC3, CPCF4 des Kondensatorschalters CS 1 oder CS2 umzuschalten.
  • Festzuhalten ist auch, dass der schaltbare bidirektionale Leistungswandler eine primärseitige passive Leistungsübertragungsvorrichtung umfasst, die mindestens einen Induktor L 1 umfasst, wobei die primärseitige passive Leistungsübertragungsvorrichtung auf einer ersten Seite mit dem ersten schaltenden Halbbrückenzweig LG1 verbunden ist und auf einer zweiten Seite mit dem Kondensatorschalter CS 1 oder CS2 verbunden ist, um zwischen einer Verbindung mit dem zweiten schaltenden Halbbrückenzweig LG2 und einer Verbindung zwischen mindestens zwei PFC-Kondensatoren CPFC1, CPFC2 und/oder CPFC3, CPCF4 des Kondensatorschalters CS 1, CS2 umzuschalten.
  • OBC-Topologien zeigen die praktische Herausforderung, ein Design zu besitzen, das sowohl für den Einphasen- als auch für den Dreiphasen-Netzbetrieb optimiert ist. Die Spannungsvarianz der Leistungsfaktorkorrektur (PFC) zwischen einem Einphasenanschluss und einem Dreiphasenanschluss kann zum Beispiel bis zu 400 V betragen. Man kann sagen, dass ein erster Batterieanschluss für eine Spannung ausgelegt ist, die um einen oder mehrere Zehnerpotenzen größer ist als die eines zweiten Batterieanschlusses. Als Arbeitsbeispiel kann ein Niederspannungssystem 12 Volt oder 24 Volt betragen, während das Hochspannungssystem 400 Volt oder 600 oder mehr Volt betragen kann. Eine Lösung, um diese Varianz für beide Netzanschlüsse zu reduzieren, wäre die Verstärkung der Einphasen-PFC-Spannung auf das Niveau der Dreiphasen-PFC-Spannung. Allerdings macht dieser Ansatz den OBC ineffizient. Da die PFC ein Aufwärtswandler sein kann, ist es auch nicht möglich, die Dreiphasen-PFC-Spannung auf einen Einphasen-Spannungspegel zu reduzieren.
  • Da Resonanzwandler meist für die DC-DC-Umwandlungsstufe verwendet werden, kann die Auslegung auf einen hohen Eingangs-/Ausgangsverstärkungsbereich die Auswahl der magnetischen Komponenten zu einer großen Herausforderung machen. Ein großer Eingangsverstärkungsbereich bezieht sich auf die beiden folgenden Gründe:
    • • Die Netzspannung ist variabel und ändert sich basierend auf den Betriebsbedingungen, und der Spannungsbereich zwischen einer Einphasen-Netzspannung und einer Dreiphasen-Netzspannung ist groß.
    • • Die Leistungsfaktorkorrektur (PFC) ist ein Aufwärtswandler, und die minimale DC-Spannung, die er erzeugt, ist immer höher als die Leitungsspannung des Netzes.
  • Die Topologie des Onboard-Batterieladegeräts berücksichtigt hierin die Auswirkungen von Dreiphasen- und Einphasen-Netzanschlüssen. Diese Topologie verwendet eine primäre H-Brücken-Gleichrichterstruktur für den CLLC, um im Einphasenfall den vollen Spannungspegel zu haben, und schaltet dann im Dreiphasenfall auf eine primäre Halbbrücken-CLLC-Gleichrichterstruktur um. Dadurch wird die PFC DC-Spannung im Dreiphasenfall halbiert, sodass der CLLC sowohl für den Dreiphasen- als auch für den Einphasen-Netzanschluss die gleiche oder eine sehr ähnliche Eingangsspannung aufweist. Somit fungiert die PFC-Schaltung auch als Gleichrichter und Wechselrichter, da sie deren Merkmale zur Durchführung der Leistungsfaktorkorrektur umfasst.
  • 1 zeigt einen Schaltplan für den Fall, dass die Batterie über ein Einphasennetz geladen wird. Die Eingangsfilterinduktoren sind ineinander verschachtelt, was zu einem verschachtelten Einphasen-PFC-Betrieb führt. Der Rückführpfad der Einphasen-AC-Quelle ist mit dem vierten PFC-Zweig verbunden. Die PFC-Kondensatoren sind für den PFC-Einphasenspannungsbereich (z. B.: 350 bis 450 V) oder eine andere PFC-Spannungseinstellung (wie z. B. 200 V Niederspannung und 1000 V Hochspannung oder 160 V Niederspannung und 500 V Hochspannung) ausgelegt. Die Parallelschaltung erhöht die Kapazität der Einphasen-PFC, um die Niederfrequenzkomponente herauszufiltern.
  • Mit Blick auf 1 lässt sich sagen, dass der schaltbare bidirektionale Leistungswandler einen Einphasen-Netzanschluss mit einer Vollbrücken-Einphasenschaltbank verbindet, wobei die Halbbrücken-Mehrphasenschaltbank mit der Vollbrücken-Einphasenschaltbank verschachtelt ist, und wobei die Vollbrücken-Einphasenschaltbank den ersten schaltenden Halbbrückenzweig LG1 und einen zweiten schaltenden Halbbrückenzweig LG2 umfasst. Der Leistungswandler umfasst eine schaltbare Leistungsfaktorkorrekturschaltung.
  • Der schaltbare bidirektionale Leistungswandler kann Sätze von Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistoren („MOSFETS“) zum Umschalten umfassen. Alternativen wie IGBTs können ersetzt werden. Die Vollbrücken-Einphasenschaltbank kann die MOSFETs R4 und R8 auf der Netzseite der PFC-Schaltung umfassen. Ein erster schaltender Halbbrückenzweig LG1 kann MOSFETs P1, P3 umfassen und ein zweiter schaltender Halbbrückenzweig LG2 kann durch MOSFETs P2, P4 auf der Batterieseite der PFC-Schaltung gebildet werden. Für den Einphasenanschluss zwischen Netz und Batterien umfasst der Kondensatorschalter CS1 die Arme A1, A2 und die Knoten 1-3. Der Arm A1 verbindet den PFC-Kondensator CPCF2 mit dem Knoten 1, um den PFC-Kondensator CPCF2 parallel zu den Vollbrücken-Einphasenschaltbank-MOSFETs R4 und R8 zu schalten. Der Arm A2 verbindet den Knoten 3 mit dem PFC-Kondensator CPCF2. Eine Anordnung vom Typ einer H-Brücke wird mit den ersten und den zweiten Halbbrückenzweigen hergestellt.
  • Die 2A und 2B zeigen die Spannung (V) und die Stromstärke (A) im Zeitverlauf für den 20-Ohm-Widerstand RL an der Hochspannungsbatterie. Dies ist ein nicht einschränkendes Arbeitsbeispiel für die Betriebsfrequenzsteuerung, wobei auch andere Optionen implementiert werden können. Zum Beispiel kann eine bestimmte oder eine beliebige Kombination aus Pulsbreitensteuerung mit einem festen Wert für einen Schaltzyklus, Betriebsfrequenzsteuerung oder Phasenverschiebungssteuerung verwendet werden. Bei einer Schaltfrequenz von 150 KiloHertz wird die Spannung V1 geteilt durch 10 auf einer Linie mit Dreiecken gezeigt, der Strom i1, i2 geteilt durch 3 auf einer Linie mit Rauten, im und iout geteilt durch 3 auf einer Linie mit Kreisen und vout geteilt durch 10 auf einer Linie mit Sternen. Die Notation wird für die 4A, 4B, 6A, 6B, 8A, 8B, 10A und 10B wiederholt.
  • Als nächstes zeigt 3 den Anschluss des Dreiphasennetzes an die PCF-Schaltung. 3 zeigt den Schaltplan, wenn die Batterie über ein Dreiphasennetz geladen wird. Wenn der OBC an ein Dreiphasennetz angeschlossen ist, verdoppelt sich die PFC-Zwischenkreisspannung nahezu. Folglich ist es nicht möglich, einen Schwingkreis oder eine Transformatorwicklung zu konzipieren, die für beide Spannungspegel optimal ist.
  • Ein Ansatz besteht darin, zwei getrennte Schwingkreise und zwei Sätze der Transformatorprimärwicklung (mit Mittelabgriff) zu haben, um die beiden Eingangsspannungsbereiche zu berücksichtigen. Die diesen zugeordneten zusätzlichen Kosten lassen sich jedoch vermeiden. Die Primärseite des CLLC wird von einer Vollbrücke zu einer Halbbrücke umgestaltet. Durch die Umstrukturierung wird die PFC-Spannung in zwei Hälften geteilt. Dies kann durch eine einzelne Relaisstruktur (Kondensatorschalter CS 1) erfolgen, die den Anschluss des Zwischenkreiskondensators von Parallel- auf Reihenschaltung ändert. Da im Fall der Dreiphasen-PFC keine Oberschwingungen niedriger Ordnung auf der Zwischenkreisseite auftreten, kann eine Verringerung des Werts der PFC-Kondensatoren CPCFI und CPCF2 so konzipiert werden, dass die Anforderungen an die Restwelligkeit des Zwischenkreises nicht beeinträchtigt werden. Die Halbbrückenstruktur mit der geteilten Kondensatoranordnung halbiert die PFC-Spannung im Vergleich zur Verwendung einer H-Brücke. Dies führt zu einer PFC-Spannung im gleichen Bereich wie die PFC-Spannung, die aus einem Einphasen-Netzanschluss erzeugt wird (vgl. 2A und 2B mit 4A und 4B). Während der Verwendung von nur einer Halbbrücke bleibt die andere Halbbrücke ungenutzt.
  • Der zweite schaltende Halbbrückenzweig LG2 kann so konfiguriert werden, dass er über Metalloxid-Halbleiter-Feldeffekttransistoren („MOSFETS“) P2, P4 schaltbar mit der Halbbrücken-Mehrphasenschaltbank verbunden ist. Das heißt, diese MOSFETS können zum Abschalten gesteuert werden, wie in 3 gezeigt. Dadurch wird eine Halbbrückenstruktur erzeugt.
  • Festzuhalten ist, dass der schaltbare bidirektionale Leistungswandler einen Mehrphasen-Netzanschluss mit einer Halbbrücken-Mehrphasenschaltbank verbindet. Die Halbbrücken-Mehrphasenschaltbank kann den ersten schaltenden Halbbrückenzweig LG1 umfassen, der durch die Schalter, hier MOSFETs P2, P4, gebildet wird. Die Mehrphasenschaltbank kann Schalter wie die MOSFETs R1-R3 und R5-R7 umfassen.
  • Der Kondensatorschalter CS 1, der einen Teil einer schaltbaren Leistungsfaktorkorrekturschaltung bildet, schaltet beide Arme A1, A2 zum Knoten 2, sodass die PFC-Kondensatoren CPCF1 und CPCF2 in Reihe geschaltet sind. Durch Verbinden mit dem Knoten 2 wird die primärseitige passive Leistungsübertragungsvorrichtung auf der ersten Seite mit dem ersten schaltenden Halbbrückenzweig LG1 verbunden und auf der zweiten Seite mit dem Knoten 2 des Kondensatorschalters CS 1 verbunden, um von einer Verbindung mit dem zweiten schaltenden Halbbrückenzweig LG2 (1) auf eine Verbindung zwischen den mindestens zwei Leistungsfaktorkorrekturkondensatoren CPCF1 und CPCF2 umzuschalten.
  • Ein Vergleich der 1 und 3 zeigt, dass der Kondensatorschalter CS 1 so konfiguriert ist, dass er mindestens zwei Leistungsfaktorkorrekturkondensatoren (PFC-Kondensatoren) CPCF1 und CPCF2 umschaltet zwischen:
    • • einer Parallelschaltung mit der Einphasenschaltbank, dem ersten schaltenden Halbbrückenzweig LG1 und dem zweiten schaltenden Halbbrückenzweig LG2; und
    • • einer Reihenschaltung mit der Mehrphasenschaltbank und dem ersten schaltenden Halbbrückenzweig.
  • Mit Blick auf 5 ist es wünschenswert, die Möglichkeit zum Beibehalten eines oder mehrerer Nullvektoren zu haben. Während des Änderns der Topologie von der H-Brücke zur Halbbrücke kann die Spannung, die von der Primärseite des CLLC erzeugt werden kann, eine zweistufige Spannung sein (hoch und niedrig ohne Nullvektor). Um beide Nullvektoren (den hohen und den niedrigen Nullvektor) beizubehalten, kann ein bidirektionaler Schalter, der als Schalterpaar BD1, BD2 gezeigt wird, verwendet werden, um die neutrale Verbindung kurzzeitig zu unterbrechen, während die beiden Zweige der H-Brücke zum Erzeugen eines der Nullvektoren verwendet werden. Der Schaltplan ist in 5 gezeigt. Alternative Beispiele für bidirektionale Schalter sind auch in den 5A-5C gezeigt und können in 5 diesbezüglich ersetzt werden. Die Alternativen sind nicht einschränkend. Die 6A und 6B stehen im Gegensatz zu dem vorherigen Dreiphasen-Netzbetrieb, bei dem Spannung (V) und Stromstärke (A) im Laufe der Zeit schrittweise ansteigen.
  • Festzuhalten ist, dass der schaltbare bidirektionale Leistungswandler einen bidirektionalen Schalter umfassen kann, der ein Paar von Schaltern BD1, BD2 auf der zweiten Seite der passiven Vorrichtung umfassen kann. Der bidirektionale Schalter kann zwischen dem Kondensatorschalter CS 1 und dem Anschluss an den zweiten schaltenden Halbbrückenzweig LG2 verbunden werden. Dann kann der schaltbare bidirektionale Leistungswandler so konfiguriert werden, dass er einen Neutralleiter des Mehrphasen-Netzanschlusses trennt, während der erste schaltende Halbbrückenzweig LG1 parallel mit dem zweiten schaltenden Halbbrückenzweig LG2 verbunden ist, um einen Nullvektor zu erzeugen. Der zweite schaltende Halbbrückenzweig LG2 kann so konfiguriert werden, dass er schaltbar mit der Halbbrücken-Mehrphasenschaltbank verbunden ist.
  • Als weitere Option ist es möglich, nur den unteren Spannungsnullvektor beizubehalten. Die Verwendung des Nullvektors kann auch mit nur einem der Nullvektoren erfolgen. Um den von den beiden unteren Schaltern der CLLC-Primärseite erzeugten Nullvektor zu halten, muss nur eine Spannung -Vdc/2 gesperrt werden. Daher kann ein Drei-Quadranten-Schalter Q1 die Aufgabe übernehmen. Es ist zu beachten, dass bei Verwendung der Struktur in 7 der Schalter, der dem MOSFET P2 entspricht, bei dieser Mehrphasenkonfiguration immer AUS ist. Der MOSFET P2 kann mit entsprechenden Steuerungen zum Mehrphasenbetrieb abgeschaltet und für den Einphasen-Vollbrückenbetrieb eingeschaltet werden. Der schaltbare bidirektionale Leistungswandler kann den Drei-Quadranten-Schalter Q1 auf der zweiten Seite der passiven Vorrichtung umfassen, und der Drei-Quadranten-Schalter Q1 kann zwischen dem Kondensatorschalter CS 1 und dem Anschluss an den zweiten schaltenden Halbbrückenzweig LG22 verbunden werden. Ähnlichkeiten zwischen den 6A, 6B und 8A, 8B sind zu erkennen, was den einzelnen Drei-Quadranten-Schalter Q1 zu einer brauchbaren Alternative zu den in den 5, 5A-5C gezeigten Paaren von bidirektionalen Schaltern BD1, BD2 macht.
  • Als weitere Option ist es möglich, nur den oberen Spannungsnullvektor beizubehalten. Wenn nur der obere Nullvektor verwendet wird, beträgt die erforderliche Sperrspannung +Vdc/2. Daher kann die in 9 gezeigte Struktur verwendet werden, um eine Nullvektorisierung zu erreichen. Es ist zu beachten, dass bei dieser Topologie der Schalter, MOSFET P4, im Mehrphasenbetrieb immer AUS ist. Er kann zum Einschalten für den Vollbrücken-Einphasenbetrieb gesteuert werden. Somit kann durch Steuern der MOSFETs P2, P4 der zweite schaltende Halbbrückenzweig LG23 parallel mit dem ersten schaltenden Halbbrückenzweig LG1 verbunden werden. Als weitere Option kann ein richtig ausgewählter Dämpfungskondensator mit dem Drei-Quadranten-Schalter mit Mittelabgriff verbunden werden, um Rauschen zu vermeiden. Akzeptable Spannung (V) und Stromstärke (A) im Zeitverlauf sind in den 10A und 10B zu sehen.
  • Die Struktur in 11 bewegt den Anschluss des Mittelabgriffs zu den Dünnschichtkondensatoren CPFC3 und CPFC4, um das Layout zu vereinfachen. Es ist möglich, Dünnschichtkondensatoren anstelle von Elektrolytkondensatoren in der Mitte anzuzapfen, wie in den vorherigen Figuren dargestellt. Die Dünnschichtkondensatoren CPFC3 und CPFC4 können zur Filterung der Hochfrequenzkomponenten verwendet werden. In 11 werden zwei Kondensatorschalter verwendet. Ein erster Kondensatorschalter CS1 umfasst die drei Knoten 1-3 und zwei Arme A1, A2, um zwischen Reihen- und Parallelschaltungen der mindestens zwei PFC-Kondensatoren CPCFI und CPCF2 umzustellen. Die Umstellung zwischen Voll- und Halbbrückenbetrieb der PFC-Schaltung ist möglich. Und die PFC-Kondensatoren CPCF1 und CPCF2 können Elektrolytkondensatoren sein. Dann kann ein zweiter Kondensatorschalter CS2 mit einem Arm A3 und einem Knoten 4 selektiv die Dünnschichtkondensatoren CPFC3 und CPFC4 mit der passiven Vorrichtung verbinden. Wenn der zweite Kondensatorschalter CS2 getrennt wird, ist die passive Vorrichtung mit dem zweiten schaltenden Halbbrückenzweig LG2 verbunden.
  • Festzuhalten ist, dass die schaltbare Leistungsfaktor-Korrekturschaltung optional eine oder mehrere Zwischenkreiskondensatoren umfassen kann, die gemeinsam mit der Halbbrücken-Mehrphasenschaltbank und der Vollbrücken-Einphasenschaltbank genutzt werden. Optional können die mindestens zwei Leistungsfaktor-Korrekturkondensatoren CPCF1 und CPCF2 ein oder mehrere Paare von Elektrolytkondensatoren umfassen, die durch den Kondensatorschalter CS 1 geteilt sind. Als noch eine weitere Option kann die schaltbare Leistungsfaktorkorrekturschaltung ferner ein oder mehrere Paare von Dünnschichtkondensatoren als PFC-Kondensatoren CPCF3 und CPCF4 umfassen, die mit der Vollbrücken-Einphasenschaltbank verbunden sind.
  • Festzuhalten ist, dass die schaltbare Leistungsfaktorkorrekturschaltung ein oder mehrere Paare von Dünnschichtkondensatoren (PFC-Kondensatoren CPFC3 und CPFC4) umfasst, die mit der Vollbrücken-Einphasenschaltbank verbunden sind, wobei die mindestens zwei Leistungsfaktorkorrekturkondensatoren CPFC1 und CPFC2 ein oder mehrere Paare von Elektrolytkondensatoren umfassen, die durch den Kondensatorschalter CS 1 geteilt sind.
  • Die PFC-Schaltung kann ferner eine primärseitige passive Leistungsübertragungsvorrichtung umfassen, die mindestens einen Induktor umfasst, wobei die primärseitige passive Leistungsübertragungsvorrichtung auf einer ersten Seite mit dem ersten schaltenden Halbbrückenzweig LG1 verbunden ist und auf einer zweiten Seite mit einem Halbbrückenschalter verbunden ist, um zwischen einer Verbindung mit dem zweiten schaltenden Halbbrückenzweig LG2 und einer Verbindung zwischen dem einen oder mehreren Paaren von Dünnschichtkondensatoren umzuschalten.
  • Die Struktur in 12 eliminiert die Notwendigkeit für ein Zwischenkreiskondensatorrelais. In diesem Fall muss die erforderliche Kapazität so ausgelegt sein, dass sie die Niederfrequenzkomponente filtert, und ihre Nennspannung muss gleich der vollen Zwischenkreisspannung sein. Um die Nennspannung zu erreichen, kann ein Kondensator verwendet werden oder es können mehrere Kondensatoren in Reihe geschaltet werden, wobei die Nennspannung jedes Kondensators gleich Vdc/n ist, wobei n die Gesamtzahl der in Reihe geschalteten Kondensatoren ist. Dies wird durch den austauschbaren gestrichelten Kasten in 12 veranschaulicht, wobei die Optionen von 12A und 12B die Möglichkeit eines oder mehrerer Kondensatoren vorsehen. In dem Beispiel von 12B kann jeder PFC-Kondensator für eine Hälfte der Zwischenkreisspannung ausgelegt sein.
  • In 12 ist es möglich, auf ein Relais (Kondensatorschalter CS 1) zu verzichten, indem der Wert des durch ein Paar von Elektrolytkondensatoren gebildeten Zwischenkreiskondensators für die PFC-Kondensatoren CPCFI und CPCF2 erhöht wird, oder durch Verwenden der Optionen von 12a und 12B. Dann kann ein einfacher Kondensatorschalter CS2, der zweite Kondensatorschalter CS2, mit den Dünnschicht-PFC-Kondensatoren CPCF3 und CPCF4 verwendet werden.
  • Auch wenn die Beispiele getrennt dargestellt wurden, ist es möglich, die verschiedenen Beispiele miteinander zu kombinieren. Zum Beispiel ist es möglich, die in 12 gezeigten Mittelabgriffe durch Kombinieren mit den zuvor beschriebenen Nullvektor-Halteverbindungen, bidirektionalen oder Drei-Quadranten-Schaltern zu verbinden. Es wurden auch Minimalschalter veranschaulicht, und es ist möglich, zusätzliche Schalter hinzuzufügen, um sie mit der Last- oder Batterieseite zu verbinden.
  • Obwohl hierin ein Beispiel für Elektrofahrzeuge bereitgestellt wurde, können auch andere Transportmaschinen und batteriebetriebene Vorrichtungen von den hierin enthaltenen Lehren profitieren.
  • Weitere Implementierungen werden für den Fachmann aus der Berücksichtigung der Patentschrift und Ausübung der hier offenbarten Beispiele ersichtlich sein.

Claims (16)

  1. Schaltbarer bidirektionaler Leistungswandler, umfassend: einen Mehrphasen-Netzanschluss an eine Halbbrücken-Mehrphasenschaltbank, wobei die Halbbrücken-Mehrphasenschaltbank einen ersten schaltenden Halbbrückenzweig umfasst; einen Einphasen-Netzanschluss mit einer Vollbrücken-Einphasenschaltbank, wobei die Halbbrücken-Mehrphasenschaltbank mit der Vollbrücken-Einphasenschaltbank verschachtelt ist, und wobei die Vollbrücken-Einphasenschaltbank den ersten schaltenden Halbbrückenzweig und einen zweiten schaltenden Halbbrückenzweig umfasst; und einen Kondensatorschalter, der so konfiguriert ist, dass er mindestens zwei Leistungsfaktorkorrekturkondensatoren umschaltet zwischen: einer Parallelschaltung mit der Einphasenschaltbank, dem ersten schaltenden Halbbrückenzweig und dem zweiten schaltenden Halbbrückenzweig; und einer Reihenschaltung mit der Mehrphasenschaltbank und dem ersten schaltenden Halbbrückenzweig.
  2. Schaltbarer bidirektionaler Leistungswandler nach Anspruch 1, umfassend einen primärseitigen Transformator, der eine mit einem Kondensator und einem Induktor verbundene Wicklung umfasst, wobei der primärseitige Transformator auf einer ersten Seite mit dem ersten schaltenden Halbbrückenzweig verbunden ist und auf einer zweiten Seite mit dem Kondensatorschalter verbunden ist, um zwischen einem Anschluss zu dem zweiten schaltenden Halbbrückenzweig und einem Anschluss zwischen den mindestens zwei Leistungsfaktor-Korrekturkondensatoren umzuschalten.
  3. Schaltbarer bidirektionaler Leistungswandler nach Anspruch 2, wobei die Wicklung des primärseitigen Transformators eine Wicklung mit mehreren Abgriffen ist.
  4. Schaltbarer bidirektionaler Leistungswandler nach Anspruch 1, umfassend eine primärseitige passive Leistungsübertragungsvorrichtung, die mindestens einen Induktor umfasst, wobei die primärseitige passive Leistungsübertragungsvorrichtung auf einer ersten Seite mit dem ersten schaltenden Halbbrückenzweig verbunden ist und auf einer zweiten Seite mit dem Kondensatorschalter verbunden ist, um zwischen einem Anschluss zu dem zweiten schaltenden Halbbrückenzweig und einem Anschluss zwischen den mindestens zwei Leistungsfaktor-Korrekturkondensatoren umzuschalten.
  5. Schaltbarer bidirektionaler Leistungswandler nach einem der Ansprüche 2-4, umfassend einen bidirektionalen Schalter auf der zweiten Seite, der zwischen dem Kondensatorschalter und dem Anschluss an den zweiten schaltenden Halbbrückenzweig verbunden ist.
  6. Schaltbarer bidirektionaler Leistungswandler nach Anspruch 5, der zum Trennen einer Neutralleitung des Mehrphasen-Netzanschlusses konfiguriert ist, während der erste schaltende Halbbrückenzweig mit dem zweiten schaltenden Halbbrückenzweig verbunden ist, um einen Nullvektor zu erzeugen.
  7. Schaltbarer bidirektionaler Leistungswandler nach Anspruch 5, wobei der zweite schaltende Halbbrückenzweig zum schaltbaren Verbinden mit der Halbbrücken-Mehrphasenschaltbank konfiguriert ist.
  8. Schaltbarer bidirektionaler Leistungswandler nach einem der Ansprüche 2-4, umfassend einen Drei-Quadranten-Schalter auf der zweiten Seite, der zwischen dem Kondensatorschalter und dem Anschluss an den zweiten schaltenden Halbbrückenzweig verbunden ist.
  9. Schaltbarer bidirektionaler Leistungswandler nach einem der Ansprüche 1-4, ferner umfassend einen oder mehrere Zwischenkreiskondensatoren, die gemeinsam mit der Halbbrücken-Mehrphasenschaltbank und der Vollbrücken-Einphasenschaltbank genutzt werden.
  10. Schaltbarer bidirektionaler Leistungswandler nach einem der Ansprüche 1-4, wobei die mindestens zwei Leistungsfaktorkorrekturkondensatoren ein oder mehrere Paare von Elektrolytkondensatoren umfassen, die durch den Kondensatorschalter geteilt sind.
  11. Schaltbarer bidirektionaler Leistungswandler nach Anspruch 10, ferner umfassend ein oder mehrere Paare von Dünnschichtkondensatoren, die mit der Vollbrücken-Einphasenschaltbank verbunden sind.
  12. Schaltbarer bidirektionaler Leistungswandler nach Anspruch 1, ferner umfassend ein oder mehrere Paare von Dünnschichtkondensatoren, die mit der Vollbrücken-Einphasenschaltbank verbunden sind, wobei die mindestens zwei Leistungsfaktor-Korrekturkondensatoren ein oder mehrere Paare von Elektrolytkondensatoren umfassen, die durch den Kondensatorschalter geteilt sind, und ferner umfassend eine primärseitige passive Leistungsübertragungsvorrichtung, die mindestens einen Induktor umfasst, wobei die primärseitige passive Leistungsübertragungsvorrichtung auf einer ersten Seite mit dem ersten schaltenden Halbbrückenzweig verbunden ist und auf einer zweiten Seite mit einem Halbbrückenschalter verbunden ist, um zwischen einem Anschluss zu dem zweiten schaltenden Halbbrückenzweig und einem Anschluss zwischen dem einen oder mehreren Paaren von Dünnschichtkondensatoren umzuschalten.
  13. Schaltbarer bidirektionaler Leistungswandler nach einem der Ansprüche 1-4, wobei die Halbbrücken-Mehrphasenschaltbank Metalloxid-Halbleiter-Feldeffekttransistoren („MOSFETS“) zum Umschalten umfasst.
  14. Schaltbarer bidirektionaler Leistungswandler nach einem der Ansprüche 1-4, wobei der zweite schaltende Halbbrückenzweig zum schaltbaren Verbinden mit der Halbbrücken-Mehrphasenschaltbank über Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistoren („MOSFETS“) konfiguriert ist.
  15. Bidirektionales Onboard-Ladegerät, umfassend den schaltbaren bidirektionalen Leistungswandler nach einem der vorstehenden Ansprüche.
  16. Bidirektionales Onboard-Ladegerät nach Anspruch 15, ferner umfassend einen ersten Batterieanschluss an den schaltbaren bidirektionalen Leistungswandler und einen zweiten Batterieanschluss an den schaltbaren bidirektionalen Leistungswandler, wobei der erste Batterieanschluss für eine Spannung ausgelegt ist, die doppelt so hoch ist wie ein oder mehrere Zehnerfaktoren größer als ein Nennwert des zweiten Batterieanschlusses.
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