EP4196367A1 - Resonanz transformator mit zusätzlich gekoppelter induktivität für obc - Google Patents

Resonanz transformator mit zusätzlich gekoppelter induktivität für obc

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EP4196367A1
EP4196367A1 EP21766109.9A EP21766109A EP4196367A1 EP 4196367 A1 EP4196367 A1 EP 4196367A1 EP 21766109 A EP21766109 A EP 21766109A EP 4196367 A1 EP4196367 A1 EP 4196367A1
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EP
European Patent Office
Prior art keywords
choke
charging device
coupled
board charging
voltage converter
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP21766109.9A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Thomas HÖFFKEN
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Innolectric AG
Original Assignee
Innolectric AG
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Filing date
Publication date
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Publication of EP4196367A1 publication Critical patent/EP4196367A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • Y02T90/14—Plug-in electric vehicles

Definitions

  • the present invention relates to on-board charging electronics according to the features in the preamble of claim 1 .
  • This traction battery is charged when the electric vehicle is idle by connecting it to an external voltage source.
  • an external voltage source Depending on the local conditions and also depending on the country in which the electric vehicle is to be charged, different connection options and supply voltages are available for carrying out the charging process.
  • the supply voltage is 100V - 500V with a frequency of 50 - 60 Hz.
  • power electronics are used, which transform the different supply voltages to a charging voltage, so that the traction battery in the electric vehicle can be charged.
  • an on-board charger Such on-board charging electronics can generally be connected to single-phase networks (typically PL-i and N conductors) or three-phase networks (PL-i — PL 2 - PL 3 conductors, with/without N conductor) operate.
  • the OBC essentially transforms the 50 Hz sinusoidal AC voltage (supply voltage) into a DC voltage.
  • the OBC can also create potential-free conditions between the vehicle and the supply network with the help of an integrated transformer.
  • AFE active front ends
  • PFC power factor correction
  • a PFC choke is formed from an inductance, and therefore a wound coil. Such a coil also has a winding core.
  • a resonant transformer is usually used as a voltage converter in such an on-board charger.
  • the resonant transformer can also be called LLC converter.
  • a capacitor and a filter in the form of a choke which is preferably in the form of an inductance, are connected in series on a primary side of the transformer.
  • the choke as an inductance itself is an additional component.
  • a diode and/or transistor circuit which is used to rectify a charging voltage which is then passed on to the traction battery of the electric vehicle.
  • a common-mode voltage is also generated in relation to the protective conductor PE or the housing of the OBC. This creates a common-mode interference current.
  • the on-board charging device is therefore suitable for an electric motor vehicle or a hybrid vehicle. It has a housing.
  • the housing has at least one electrical input connection for an external supply voltage source and at least one electrical output connection for coupling to a traction battery.
  • the power electronics of the on-board charging device are arranged in the housing.
  • This includes at least one voltage converter.
  • a filter in particular an EMI filter, and a rectifier can also be provided on a primary side of the voltage converter.
  • a choke is connected upstream of the voltage converter as an inductor on the primary side.
  • the choke can also be preceded by a series-connected capacitor in the primary circuit of the transformer.
  • a further choke is arranged in a return line of the primary side of the voltage converter, with the two chokes being coupled to one another.
  • a capacitor can also be connected upstream of the second inductor coupled to the first inductor.
  • this coupled choke can also be arranged on the secondary side.
  • a capacitor can optionally be assigned to this.
  • the second choke is then arranged in a line on the secondary side, in particular a return line on the secondary side, and is coupled to the first choke.
  • a second capacitor can also be arranged here.
  • the arrangement of the coupled choke according to the invention on the secondary side is particularly advantageous when the battery voltage is higher than the supply voltage, and therefore the voltage present on the primary side.
  • the lines can be designed thinner on the secondary side. This in turn saves installation space, is less error-prone and lighter in relation to its own weight.
  • the other choke is also designed as an inductance.
  • coupling with one another means that the two chokes are physically arranged directly next to one another with the incorporation of an air gap.
  • each choke is formed from a winding core, in particular an E-shaped winding core.
  • the two winding cores are then arranged directly next to one another with the incorporation of an air gap.
  • the openings of the respective E-shape of both throttles are designed to point towards one another.
  • the windings of each inductor are particularly preferably designed to be complementary to one another, which means that they have the same number of windings and the same winding diameter.
  • a preferred development of the invention provides that the two coupled chokes are coupled directly to the voltage converter in the form of a transformer.
  • the chokes are glued to the winding core or the housing of the transformer. As a result, the space can be reduced.
  • the coupled chokes thus have two functions together.
  • they form an additional filter, as a result of which a common-mode interference current that would flow through the entire voltage converter, in particular as a return line via the housing, is reduced.
  • Another advantage is that the two coupled chokes form an oscillating circuit with the capacitor and the leakage inductance of the transformer, which means that the leakage inductance of the transformer can be designed to be lower.
  • the installation space of the coupled choke can also be reduced, so that the actual choke connected upstream of the voltage converter can also be designed to be smaller in terms of installation space.
  • the direct arrangement of the chokes on one another and the optional coupling with the transformer itself leads to greater mechanical stability, which is important in on-board charging electronics in a motor vehicle, since these are exposed to vibrations when the electric motor vehicle is in operation. Malfunctions or internal damage to the power electronics over the period of use of such an electric motor vehicle can thus be reliably avoided.
  • the respective second capacitor has the advantage that greater symmetry of the circuit arrangement is achieved. In this way, additional differential currents that occur are avoided or reduced, so that there is less differential interference.
  • Figure 1 is a block diagram of an on-board charger in one
  • FIG. 2 shows a circuit diagram of a resonant transformer
  • FIGS. 3 and 4 a circuit diagram of the power electronics within an on-board charger
  • FIG. 5 shows the circuit diagram with a choke coupled according to the invention
  • Figure 6 shows the first and second inductors physically coupled together and electrically connected to the transformer.
  • FIG. 7 shows an embodiment variant in which both chokes are coupled directly to the transformer.
  • FIG. 8 shows an arrangement of two coupled chokes.
  • Figure 9 shows a circuit arrangement according to Figure 5 with additional
  • FIG. 10 shows a circuit arrangement analogous to FIG. 5, with the chokes being arranged on the secondary side and
  • FIG. 11 shows a circuit arrangement analogous to FIG. 10, a second capacitor also being arranged here.
  • the same reference numbers are used for the same or similar components, even if a repeated description is omitted for reasons of simplification.
  • FIG. 1 shows the arrangement of an on-board charging device 1 according to the invention in an electric motor vehicle 2 .
  • the external charging socket 4 provides a supply voltage 6 ready.
  • the on-board socket 3 is electrically connected to the on-board charging device 1 .
  • the on-board charging device 1 has at least one electrical input connection 7 .
  • the on-board charging device 1 has an electrical output connection 8 which is coupled to a traction battery 9 of the electric motor vehicle 2 .
  • Further electrical input connections or output connections 10 can be present, for example an input connection of the vehicle battery, in particular with regard to a communication connected thereto.
  • a communication network of the electric motor vehicle 2 for example a CAN bus, can also be connected. This can also be cooling connections.
  • a mains filter 11 is then arranged in particular in the on-board charging device 1, for example in the form of an EMI filter. This is then followed by a PFC choke 12, in turn followed by a voltage converter in the form of a transformer 13, in particular a resonant transformer, for converting the supply voltage 6 into a charging voltage and an optional rectifier 14, which is then electrically coupled to the actual traction battery 9.
  • FIG. 2 shows a circuit arrangement for a voltage converter in an on-board charger, the voltage converter being designed as a resonant transformer.
  • the voltage converter being designed as a resonant transformer.
  • a capacitor C and a choke in the form of an inductance L are arranged in series .
  • a parasitic leakage inductance L S T in the area of the transformer 13 is also shown, which is caused by the structure of the transformer 13 itself is conditioned.
  • the switches Si and S2 generate a square-wave voltage with a mark-to-space ratio of about 50%.
  • the frequency of the square wave voltage is chosen to be close to the resonant frequency formed by the capacitor C and the inductors L and LST.
  • a diode and/or transistor combination for rectification is shown on the secondary side 16 .
  • a charging voltage is then delivered to the traction battery 9 .
  • FIGS. 3 and 4 now show the housing G of an on-board charging device 1 or on-board charger.
  • a mains filter 11 is additionally arranged inside the housing G, for example a mains filter and a PFC or AFE designed as a PFC choke.
  • the capacitances Ck1 and Ck2 are also shown.
  • the capacitance Ck1 is the winding capacitance between the primary and secondary windings of the voltage converter in the form of the resonant transformer.
  • the capacitance Ck2 is the total capacitance that arises from the structure of the secondary side 16 in relation to the housing G and the output filter.
  • the common-mode voltage that is generated in the AFE or PFC results in an interference current, which is shown as a dot-dash line in FIG.
  • the interference current flows through the intermediate circuit, the transformer 13, the rectifier 14, the housing G and the Y capacitor and the EMI filter in the circuit.
  • This interference current means that impermissible interference voltages are generated both in the output circuit at the connection of the traction battery 9 and on the mains side, which is not shown in detail. This results in additional voltage drops across CY and Ck2.
  • a second inductance in the form of a coupled choke 17 is arranged with the inductance L, which is electrically connected in series with the primary winding on the primary side.
  • the inductor L and the coupled inductor 17 are thus physically coupled to one another by incorporating an air gap 19 .
  • a second throttle 17 is thus used in the return line of the primary side 15 .
  • This second choke 17 has the function that the common-mode inductance forms an additional filter, as a result of which the common-mode interference current is reduced.
  • the coupled choke 17 can also be used in reverse as a so-called common-mode choke.
  • the difference and common-mode inductance then change, which must be taken into account when designing the resonant circuit frequency and the transformer 13 .
  • Figure 6 shows the schematic structure of the coupled choke 17 and electrically connected to the voltage converter in the form of a transformer.
  • the first choke L and the second choke 17 coupled thereto are thus formed as one component. They each have a winding core 18, which is designed here in the form of an E-shaped winding core. The respective openings of the E are arranged facing each other. An air gap 19 is formed between the two winding cores 18 so that they are physically coupled to one another with the incorporation of the air gap 19 as a built-in part. An insulating material, not shown in detail, can also be arranged here, for example. Both the choke L and the coupled choke 17 each have windings 20 . The windings 20 are designed to run in opposite directions to one another when the two chokes L and 17 are arranged pointing towards one another, as illustrated in FIG.
  • windings 20 it is also conceivable for the windings 20 to run in the same direction.
  • the two coupled chokes together have a common-mode filter effect and at the same time also a differential-mode filter effect, but in each case with different parameter levels.
  • the unit for this is Henry. This means the common-mode filter effect, but the differential-mode filter effect can also be adjusted by the orientation of the winding (opposite or parallel) of the two chokes L and 17 . This depends on the desired filter performance, in particular on the voltage converter or transformer used.
  • FIG. 7 shows a development according to the invention.
  • the choke L and the choke 17 coupled thereto, and consequently the two coupled inductances are physically arranged with the incorporation of the air gap 19 with one another.
  • the windings 20 can thus be routed both through the transformer 13 and the two chokes L, 17 coupled to one another, so that overall there is less installation space in addition to the advantages of the electronic circuit described above.
  • FIG. 8 shows the coupled chokes L and 17 in a preferred embodiment.
  • the choke L and the choke 17 coupled thereto are shown, which rest directly against one another at the ends of the outer webs 23 of the winding cores 18 .
  • the central webs 24, on the other hand are shortened or spaced apart from one another in such a way that an air gap 19 results.
  • the air gap preferably has a size of 100 ⁇ m to 3 mm.
  • the ends of the webs 23 can be glued together.
  • the windings 20 are electrically insulated from the respective winding core 18 itself. A magnetic field then flows through the winding core 18 . However, there is no electrical short circuit at the ends of the outer webs 23 .
  • the windings 20 are shown only schematically.
  • FIG. 9 shows a circuit arrangement analogous to FIG. 5.
  • a second capacitor C2 is arranged in the return line 21 on the primary side 15.
  • FIG. 9 the circuit is thus constructed “more symmetrically” with regard to the capacitor, the first coil L, the second coil 17 coupled thereto, and the second capacitor C2. Additional residual currents that occur are reduced as a result.
  • FIG. 10 shows a structure analogous to FIG. This circuit arrangement is particularly advantageous when a significantly higher voltage is present as charging voltage on the secondary side 16 to the traction battery 9 than on the primary side and thus as the in-house supply voltage.
  • FIG. 11 shows an analog structure, with a second capacitor C2 also being arranged in a line 25, in particular a return line, on the secondary side.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine bordeigene Ladevorrichtung (OBC) (1) für ein Elektrokraftfahrzeug (2), aufweisend ein Gehäuse G mit zumindest einem elektrischen Eingangsanschluss (7) für eine externe Versorgungsspannungsquelle sowie mindestens einem Ausgangsanschluss (8) zu einer Traktionsbatterie (9) sowie in dem Gehäuse G angeordneter Leistungselektronik, welche mindestens einen Spannungswandler aufweist, wobei dem Spannungswandler eine Drossel L als Induktivität vorgeschaltet ist, wobei in einer Rückführleitung (21) einer Primärseite (15) des Spannungswandlers eine weitere Drossel (17) angeordnet ist, wobei die zwei Drosseln L, (17) miteinander gekoppelt sind.

Description

Resonanz Transformator mit zusätzlich gekoppelter Induktivität für OBC
Die vorliegende Erfindung betrifft eine bordeigene Ladeelektronik gemäß den Merkmalen im Oberbegriff von Anspruch 1 .
Aus dem Stand der Technik ist es bekannt, zur Fortbewegung von Kraftfahrzeugen elektrische Energie zu verwenden. Solche Kraftfahrzeuge werden rein elektrisch als Elektrofahrzeug angetrieben. Es gibt jedoch auch Hybridvarianten, bei denen zusätzlich mit einem Verbrennungsmotor bzw. einer Brennstoffzelle Energie erzeugt wird. Beiden Fahrzeugen gemeinsam ist, dass die elektrische Energie gespeichert wird in einer Traktionsbatterie, nachfolgend auch Akku, Akkumulator bzw. Batterie genannt.
Diese Traktionsbatterie wird im Ruhezustand des Elektrofahrzeuges aufgeladen durch Anschluss an eine externe Spannungsquelle. Je nach örtlicher Gegebenheit sowie auch je nach Land, in welchem das Elektrofahrzeug geladen werden soll, stehen unterschiedliche Anschlussmöglichkeiten sowie Versorgungsspannungen zum Durchführen des Ladevorganges zur Verfügung. Üblicherweise beträgt die Versorgungsspannung von 100V - 500V mit einer Frequenz von 50 - 60 Hz.
Hierzu wird eine Leistungselektronik eingesetzt, welche die unterschiedlichen Versorgungsspannungen auf eine Ladespannung transformieren, so dass die Traktionsbatterie in dem Elektrofahrzeug geladen werden kann.
Damit nunmehr möglichst flexibel das Elektrofahrzeug für verschiedene Versorgungsspannungen einsetzbar ist, ist eine Leistungselektronik mit Ladekommunikation in dem Kraftfahrzeug vorhanden, welche auch On-Board Charger (OBC) genannt wird. Eine solche bordeigene Ladeelektronik kann im Allgemeinen mit Ein-Phasen-Netzen (typisch PL-i— und N-Leiter) oder Drei-Phasen- Netzen (PL-i— PL2- PL3-Leiter, mit/ohne N-Leiter) betrieben werden. Maßgeblich transformiert der OBC die 50 Hz Sinuswechselspannung (Versorgungsspannung) in eine DC-Gleichspannung. Der OBC kann weiterhin zwischen dem Fahrzeug und dem Versorgungsnetz eine Potenzialfreiheit mit Hilfe eines integrierten Transformators herstellen.
Damit die 50 Hz Wechselspannung (Versorgungsspannung) in eine DC- Gleichspannung (Ladespannung) umgewandelt werden kann, verwendet man im Stand der Technik Active Front Ends (AFE) oder Power Factor Correction (PFC). PFCs werden verwendet, wenn der Energiefluss nur von der Versorgungsspannung zum Verbraucher geleitet wird. Auch sind sogenannte bidirektionale PFCs bekannt. Wird im Umkehrschluss die Batterie entladen, um die Batteriespannung in das Versorgungsnetz einzuspeisen, spricht man von einem AFE, welcher auch als bidirektionaler PFC bezeichnet werden kann.
Aus dem Stand der Technik ist es bekannt, dass eine PFC-Drossel aus einer Induktivität, mithin einer gewickelten Spule, ausgebildet ist. Eine solche Spule weist ebenfalls einen Wickelkern auf. Üblicherweise wird in einem solchen On-Board Charger ein Resonanztransformator als Spannungswandler eingesetzt. Der Resonanztransformator kann auch LLC Konverter genannt werden. Hierbei wird auf einer Primärseite des Transformators ein Kondensator und ein Filter in Form einer Drossel, welche bevorzugt als Induktivität ausgebildet ist, in Reihe geschaltet. Es befindet sich eine parasitäre Streuinduktivität im Bereich des Transformators. Die Drossel als Induktivität selbst ist jedoch ein zusätzliches Bauteil.
Auf der Sekundärseite befindet sich beispielsweise eine Dioden- und/oder Transistorschaltung, welche zur Gleichrichtung einer Ladespannung genutzt wird, die dann an die Traktionsbatterie des Elektrokraftfahrzeuges weitergegeben wird.
Wird nunmehr auf der Primärseite mittels PFC/AFE eine Gleichspannung erzeugt, entsteht zusätzlich eine Gleichtaktspannung gegenüber dem Schutzleiter PE bzw. dem Gehäuse des OBC. Dadurch entsteht ein Gleichtakt Störstrom.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ausgehend vom Stand der Technik eine Möglichkeit aufzuzeigen, bei möglichst kostengünstiger Herstellung und kleinem Bauraum eines On-Board Chargers den Gleichtakt Störstrom zu reduzieren und damit die Ladeleistung zu verbessern.
Die zuvor genannte Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einer bordeigenen Ladevorrichtung gemäß den Merkmalen im Anspruch 1 gelöst.
Vorteilhafte Ausgestaltungsvarianten sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Die bordeigene Ladevorrichtung ist somit für ein Elektrokraftfahrzeug bzw. auch ein Hybridfahrzeug geeignet. Sie weist ein Gehäuse auf. Das Gehäuse weist zumindest einen elektrischen Eingangsanschluss für eine externe Versorgungsspannungsquelle und zumindest einen elektrischen Ausgangsanschluss zur Kopplung mit einer Traktionsbatterie auf. Ferner ist in dem Gehäuse die Leistungselektronik der bordeigenen Ladevorrichtung angeordnet. Diese umfasst zumindest einen Spannungswandler. Optional können auf einer Primärseite des Spannungswandlers zusätzlich ein Filter, insbesondere ein EMI Filter, sowie ein Gleichrichter vorgesehen sein. Dem Spannungswandler ist auf der Primärseite eine Drossel als Induktivität vorgeschaltet. Der Drossel kann ferner noch ein in Reihe geschalteter Kondensator in den Primärkreis des Transformators vorgeschaltet sein.
Erfindungsgemäß ist in einer Rückführleitung der Primärseite des Spannungswandlers eine weitere Drossel angeordnet, wobei die zwei Drosseln miteinander gekoppelt sind. Besonders bevorzugt kann auch der zweiten, mit der ersten Drossel gekoppelten Drossel ein Kondensator vorgeschaltet sein.
Alternativ oder optional ergänzend kann auch diese gekoppelte Drossel auf der Sekundärseite angeordnet sein. Dies bedeutet, dass auf der Sekundärseite des Spannungswandlers, insbesondere in Form des Transformators, dann die Induktivität angeordnet ist. Dieser kann optional ein Kondensator zugeordnet sein. In einer Leitung der Sekundärseite, insbesondere Rückführleitung der Sekundärseite, ist dann die zweite Drossel angeordnet und mit der ersten Drossel gekoppelt. Optional kann auch hier ein zweiter Kondensator angeordnet sein. Die Anordnung der erfindungsgemäßen gekoppelten Drossel auf der Sekundärseite ist insbesondere dann vorteilig, wenn die Batteriespannung höher ist als die Versorgungsspannung, mithin die auf der Primärseite anliegende Spannung. Beträgt die Spannung auf der Primärseite beispielsweise 400 V, mithin die Versorgungsspannung 400 V und die Batteriespannung auf der Sekundärseite 1000 V, so dass auch die Ladespannung 1000 V betragen muss, so fließt bei gleicher Leistung (P=U x I) ein geringerer Strom auf der Sekundärseite. Hierdurch können auf der Sekundärseite die Leitungen dünner ausgelegt sein. Dies spart wiederum Bauraum, ist weniger fehleranfällig und leichter in Bezug auf das Eigengewicht.
Die weitere Drossel ist ebenfalls als Induktivität ausgebildet. Im Rahmen der Erfindung bedeutet miteinander koppeln, dass die beiden Drosseln unter Eingliederung eines Luftspaltes physisch unmittelbar aneinander angeordnet sind. Hierzu ist jede Drossel aus einem Wickelkern ausgebildet, insbesondere einem E- förmigen Wickelkern. Die beiden Wickelkerne sind dann unter Eingliederung eines Luftspaltes unmittelbar nebeneinander angeordnet. Insbesondere sind die Öffnungen der jeweiligen E-Form von beiden Drosseln aufeinander zu zeigend ausgebildet. Ganz besonders bevorzugt sind die Wicklungen einer jeden Drossel zueinander komplementär ausgebildet, mithin weisen sie die gleiche Wicklungszahl und den gleichen Wicklungsdurchmesser auf.
Insbesondere ist bei einem E-förmigen Wickelkern nur der innere Steg des E mit einem Wickeldraht umwickelt.
Eine bevorzugte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass die beiden gekoppelten Drosseln unmittelbar an dem Spannungswandler in Form eines Transformators angekoppelt sind. Insbesondere sind die Drosseln an den Wickelkern bzw. dem Gehäuse des Transformators verklebt. Hierdurch kann der Bauraum reduziert werden.
Erfindungsgemäß weisen die gekoppelten Drosseln somit zusammen zwei Funktionen auf. Zum einen bilden sie als Gleichtaktinduktivität einen zusätzlichen Filter, wodurch ein Gleichtakt Störstrom, der durch den gesamten Spannungswandler, insbesondere als Rückführleitung über das Gehäuse fließen würde, reduziert wird.
Ein weiterer Vorteil ist, dass die zwei gekoppelten Drosseln einen Schwingkreis mit dem Kondensator und der Streuinduktivität des Transformators bilden, wodurch die Streuinduktivität des Transformators geringer ausgelegt werden kann.
Ebenfalls kann der Bauraum der gekoppelten Drossel verringert werden, so dass die eigentliche dem Spannungswandler vorgeschaltete Drossel ebenfalls bauraumtechnisch kleiner ausgebildet sein kann.
Die unmittelbare Anordnung der Drosseln aneinander und das optionale Koppeln mit dem Transformator selber führt zu einer höheren mechanischen Stabilität, die in einer bordeigenen Ladeelektronik eines Kraftfahrzeuges wichtig ist, da diese im Betrieb des Elektrokraftfahrzeuges Schwingungen ausgesetzt ist. Fehlfunktionen oder aber auch eine innere Beschädigung der Leistungselektronik über die Einsatzdauer eines solchen Elektrokraftfahrzeuges hinweg können somit sicher vermieden werden. Der jeweils zweite Kondensator hat den Vorteil, dass eine höhere Symmetrie der Schaltungsanordnung erreicht wird. Hierdurch werden zusätzlich auftretende Differenzströme vermieden bzw. vermindert, so dass es zu einer geringeren Differenzstörung kommt.
Weitere Vorteile, Merkmale, Eigenschaften und Aspekte der vorliegenden Erfindung sind Gegenstand der nachfolgenden Beschreibung. Bevorzugte Ausgestaltungsvananten sind in den nachfolgenden Figuren dargestellt. Diese dienen dem einfacheren Verständnis der Erfindung. Es zeigen:
Figur 1 ein Blockschaltbild eines On-Board Chargers in einem
Elektrokraftfahrzeug,
Figur 2 ein Schaltbild eines Resonanztransformators,
Figuren 3 und 4 ein Schaltbild der Leistungselektronik innerhalb eines On-Board Chargers,
Figur 5 das Schaltbild mit einer erfindungsgemäß gekoppelten Drossel,
Figur 6 die erste und zweite Drossel, physisch miteinander gekoppelt und elektrisch an den Transformator angeschlossen,
Figur 7 eine Ausgestaltungsvariante, bei welcher beide Drosseln unmittelbar an den Transformator gekoppelt sind.
Figur 8 eine Anordnung zweier gekoppelter Drosseln.
Figur 9 eine Schaltungsanordnung gemäß Figur 5 mit zusätzlichem
Kondensator,
Figur 10 eine Schaltungsanordnung analog zu Figur 5, wobei die Drosseln auf der Sekundärseite angeordnet sind und
Figur 11 eine Schaltungsanordnung analog zu Figur 10, wobei hier ein ebenfalls zweiter Kondensator angeordnet ist. ln den Figuren werden für gleiche oder ähnliche Bauteile dieselben Bezugszeichen verwendet, auch wenn eine wiederholte Beschreibung aus Vereinfachungsgründen entfällt.
Figur 1 zeigt die Anordnung einer erfindungsgemäßen bordeigenen Ladevorrichtung 1 in einem Elektrokraftfahrzeug 2. Hierzu wird das Elektrokraftfahrzeug 2 mit einer Bordsteckdose 3 an eine externe Ladesteckdose 4 mit einem Ladekabel 5 angeschlossen. Die externe Ladesteckdose 4 stellt eine Versorgungsspannung 6 bereit. Die Bordsteckdose 3 ist elektrisch mit der bordeigenen Ladevorrichtung 1 verbunden. Hierzu weist die bordeigene Ladevorrichtung 1 mindestens einen elektrischen Eingangsanschluss 7 auf. Ferner weist die bordeigene Ladevorrichtung 1 einen elektrischen Ausgangsanschluss 8 auf, welcher mit einer Traktionsbatterie 9 des Elektrokraftfahrzeuges 2 gekoppelt ist. Es können weitere elektrische Eingangsanschlüsse bzw. Ausgangsanschlüsse 10 vorhanden sein, beispielsweise ein Eingangsanschluss der Fahrzeugbatterie, insbesondere hinsichtlich einer damit verbundenen Kommunikation. Darüber hinaus kann auch ein Kommunikationsnetz des Elektrokraftfahrzeugs 2, beispielsweise ein CAN-Bus, angeschlossen sein. Auch können dies Kühlanschlüsse sein.
In der bordeigenen Ladevorrichtung 1 ist dann insbesondere ein Netzfilter 11 angeordnet, beispielsweise ausgebildet als EMI-Filter. Diesem folgt dann eine PFC- Drossel 12, wiederum gefolgt von einem Spannungswandler in Form eines Transformators 13 insbesondere Resonanztransformator, zur Wandlung der Versorgungsspannung 6 in eine Ladespannung sowie einem optionalen Gleichrichter 14, welcher dann elektrisch gekoppelt ist mit der eigentlichen Traktionsbatterie 9.
Figur 2 zeigt eine Schaltungsanordnung für einen Spannungswandler in einem On- Board Charger, wobei der Spannungswandler als Resonanztransformator ausgebildet ist. Auf die Bildebene bezogen gibt es somit linksseitig eine Primärseite 15 und rechtsseitig eine Sekundärseite 16 des Transformators 13. Auf der Primärseite 15 sind neben einer Spannungsquelle sowie an verschiedenen Schaltern Si und S2 ein Kondensator C sowie eine Drossel in Form einer Induktivität L in Reihe geschaltet angeordnet. Ferner ist eine parasitäre Streuinduktivität LST im Bereich des Transformators 13 eingezeichnet, die durch den Aufbau des Transformators 13 selbst bedingt ist. Die Schalter Si und S2 erzeugen eine Rechteckspannung mit einem Pulspausenverhältnis von ca. 50%. Die Frequenz der Rechteckspannung wird so gewählt, dass sie nahe bei der Resonanzfrequenz liegt, die durch den Kondensator C und die Induktivitäten L und LST gebildet wird. Auf der Sekundärseite 16 ist eine Dioden- und/oder Transistorkombination zur Gleichrichtung dargestellt. Damit wird dann eine Ladespannung an die Traktionsbatterie 9 abgegeben.
Figur 3 und 4 zeigen nunmehr das Gehäuse G einer bordeigenen Ladevorrichtung 1 bzw. On-Board Charger. Innerhalb des Gehäuses G ist zusätzlich angeordnet ein Netzfilter 11 , beispielsweise ausgebildet als PFC-Drossel einen Netzfilter sowie eine PFC bzw. AFE. Ferner eingezeichnet sind die Kapazitäten Ck1 und Ck2. Die Kapazität Ck1 ist die Wicklungskapazität zwischen der Primär- und Sekundärwicklung des Spannungswandlers in Form des Resonanztransformators. Die Kapazität Ck2 ist die Summenkapazität, die durch den Aufbau der Sekundärseite 16 gegenüber dem Gehäuse G und dem Ausgangsfilter entsteht. Durch die Gleichtaktspannung, die in der AFE bzw. PFC erzeugt wird, entsteht ein Störstrom, der als strichpunktierte Linie in Figur 4 dargestellt ist. Der Störstrom fließt über den Zwischenkreis, den Transformator 13, den Gleichrichter 14, das Gehäuse G und den Y-Kondensator sowie den EMI Filter im Kreis. Dieser Störstrom führt dazu, dass sowohl im Ausgangskreis am Anschluss der Traktionsbatterie 9 sowie auf der nicht näher dargestellten Netzseite, nicht zulässige Störspannungen erzeugt werden. Es entstehen dabei zusätzliche Spannungsabfälle über CY und Ck2.
Hier setzt die vorliegende Erfindung gemäß Figur 5 an. Analog zu der Darstellung aus Figur 4 ist jedoch der Induktivität L eine zweite Induktivität in Form einer gekoppelten Drossel 17 angeordnet, welche elektrisch auf der Primärseite in Reihe mit der Primärwicklung geschaltet ist. Physisch sind somit die Drossel L sowie die gekoppelte Drossel 17 miteinander unter Eingliederung eines Luftspaltes 19 gekoppelt. Somit ist in der rückführenden Leitung der Primärseite 15 eine zweite Drossel 17 eingesetzt. Diese zweite Drossel 17 hat die Funktion, dass die Gleichtakt Induktivität einen zusätzlichen Filter bildet, wodurch der Gleichtaktstörstrom reduziert wird. Zum anderen bildet sie eine zusätzliche Induktivität für den nötigen Schwingkreis zusammen mit dem Kondensator C und der parasitären Streuinduktivität LST- Die gekoppelte Drossel 17 kann auch entgegengesetzt als sogenannte Gleichtaktdrossel verwendet werden. Es ändert sich dann die Differenz und Gleichtaktinduktivität, was bei der Auslegung der Schwingkreisfrequenz und des Transformators 13 beachtet werden muss.
Figur 6 zeigt den schematischen Aufbau der gekoppelten Drossel 17 sowie elektrisch angeschlossen an den Spannungswandler in Form eines Transformators.
Die erste Drossel L und die zweite damit gekoppelte Drossel 17 sind somit als ein Bauteil ausgebildet. Sie weisen jeweils einen Wickelkern 18 auf, welcher hier in Form eines E-förmigen Wickelkerns ausgebildet ist. Die jeweiligen Öffnungen des E sind aufeinander zu gerichtet angeordnet. Zwischen den beiden Wickelkernen 18 ist ein Luftspalt 19 ausgebildet, so dass diese physisch unter Eingliederung des Luftspaltes 19 als Einbauteil miteinander gekoppelt sind. Hier kann auch beispielsweise ein nicht näher dargestellter Isolierwerkstoff angeordnet sein. Sowohl die Drossel L als auch die gekoppelte Drossel 17 weisen jeweils Wicklungen 20 auf. Die Wicklungen 20 sind zueinander gegenläufig ausgebildet, wenn die beiden Drosseln L und 17 aufeinander zu zeigend angeordnet sind, wie in Figur 6 dargestellt.
Alternativ ist es auch denkbar, dass die Wicklungen 20 gleichläufig ausgebildet sind. Die beiden gekoppelten Drosseln zusammen haben eine Gleichtaktfilterwirkung und gleichzeitig auch eine Gegentaktfilterwirkung, jeweils jedoch in unterschiedlicher Parameterhöhe. Die Einheit hierfür ist Henry. Dies bedeutet die Gleichtaktfilterwirkung, jedoch auch die Gegentaktfilterwirkung kann durch die Orientierung der Wicklung (gegenläufig bzw. gleichläufig) der zwei Drosseln L und 17 eingestellt werden. Abhängig ist dies von der gewünschten Filterleistung, insbesondere abhängig von dem eingesetzten Spannungswandler bzw. Transformator.
Elektrisch verbunden ist dann auf der Primärseite die Drossel L und die gekoppelte Drossel 17 mit dem Transformator 13. Über eine jeweilige Leitung 22 sind auch die Wicklungen 20 des Transformators 13 gekoppelt, so dass die gekoppelte Drossel 17 in die elektrische Rückführleitung 21 auf der Primärseite 15 integriert ist. Figur 7 zeigt eine erfindungsgemäße Weiterbildung. Hierbei wird die Drossel L sowie die damit gekoppelte Drossel 17, mithin die zwei gekoppelten Induktivitäten physisch unter Eingliederung des Luftspaltes 19, miteinander angeordnet. Diese werden sodann physisch mit dem Transformator 13 selbst gekoppelt, beispielsweise auf den Transformator 13 aufgeklebt. Schematisch angedeutet können somit die Wicklungen 20 sowohl durch Transformator 13 als auch die beiden miteinander gekoppelten Drosseln L, 17 geführt werden, so dass sich insgesamt ein geringerer Bauraum neben den zuvor beschriebenen Vorteilen der elektronischen Schaltung ergeben.
Figur 8 zeigt die gekoppelten Drosseln L und 17 in einer bevorzugten Ausführungsvariante. Hierbei ist die Drossel L sowie die damit gekoppelte Drossel 17 dargestellt, welche an den Enden der äußeren Stege 23 der Wickelkerne 18 unmittelbar aneinander anliegen. Die mittleren Stege 24 sind hingegen derart verkürzt bzw. voneinander beabstandet, dass sich ein Luftspalt 19 ergibt. Bevorzugt weist der Luftspalt eine Größe von 100 pm bis 3 mm auf. Insbesondere können die Enden der Stege 23 miteinander verklebt sein. Die Wicklungen 20 erfolgen elektrisch isoliert von dem jeweiligen Wickelkern 18 selber. Durch den Wickelkern 18 fließt dann ein magnetisches Feld. An den Enden der äußeren Stege 23 gibt es jedoch keinen elektrischen Kurzschluss. Die Wicklungen 20 sind nur schematisch eingezeichnet.
Figur 9 zeigt eine Schaltungsanordnung analog zu Figur 5. In der Rückführleitung 21 auf der Primärseite 15 ist ein zweiter Kondensator C2 angeordnet. Die Schaltung ist in diesem Schaltungskreis hinsichtlich Kodensator erste Spule L, zweite damit gekoppelte Spule 17 und zweiter Kondensator C2 somit „symmetrischer“ aufgebaut. Zusätzlich auftretende Differenzströme werden hierdurch verringert.
Figur 10 zeigt einen Aufbau, analog zu Figur 5. Hier ist jedoch als deutlicher Unterschied zu sehen, dass auf der Sekundärseite 16 des Transformators 13 die Drossel L und die damit gekoppelte Drossel 17 sowie der Kondensator C angeordnet ist. Diese Schaltungsanordnung ist insbesondere dann vorteilig, wenn auf der Sekundärseite 16 zu der Traktionsbatterie 9 eine deutlich höhere Spannung als Ladespannung anliegt, als auf der Primärseite und somit als hauseigene Versorgungsspannung anliegend ist. Figur 11 zeigt einen analogen Aufbau, wobei auch hier ein zweiter Kondensator C2 in einer Leitung 25, insbesondere Rückführleitung, auf der Sekundärseite angeordnet ist.
Bezuqszeichen:
1 - bordeigene Ladevorrichtung
2 - Elektrokraftfahrzeug
3 - Bordsteckdose
4 - externe Ladesteckdose
5 - Ladekabel
6 - Versorgungsspannung
7 - elektrischer Eingangsanschluss
8 - elektrischer Ausgangsanschluss
9 - Traktionsbatterie
10 - weitere elektrische Eingangsanschlüsse bzw. Ausgangsanschlüsse
11 - Netzfilter
12 - PFC-Drossel
13 - Transformator
14 - Gleichrichter
15 - Primärseite
16 - Sekundärseite
17 - gekoppelte Drossel
18 - Wickelkern
19 - Luftspalt
20 - Wicklung
21 - Rückführleitung
22 - Leitung
23 - äußere Stege
24 - innere Stege
25 - Leitung
C - Kondensator
C2 - Kondensator
Ck1 - Kapazität
Ck2. Kapazität G - Gehäuse
L - Induktivität/Drossel
LST - Streuinduktivität
Si . Schalter
S2- Schalter

Claims

Patentansprüche Bordeigene Ladevorrichtung (OBC) (1) für ein Elektrokraftfahrzeug (2), aufweisend ein Gehäuse (G) mit zumindest einem elektrischen
Eingangsanschluss (7) für eine externe Versorgungsspannungsquelle sowie mindestens einem Ausgangsanschluss (8) zu einer Traktionsbatterie (9) sowie in dem Gehäuse (G) angeordneter Leistungselektronik, welche mindestens einen Spannungswandler aufweist, wobei dem Spannungswandler eine Drossel (L) als Induktivität zugeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass in einer Rückführleitung (21) einer Primärseite (15) oder einer Sekundärseite des Spannungswandlers eine weitere Drossel (17) angeordnet ist, wobei die zwei Drosseln (L, 17) miteinander gekoppelt sind. Bordeigene Ladevorrichtung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Drosseln (L, 17) physisch unter Eingliederung eines Luftspaltes (19) miteinander gekoppelt sind. Bordeigene Ladevorrichtung (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine jede Drossel (L, 17) als gewickelte Spule bzw. Induktivität (L) ausgebildet ist. Bordeigene Ladevorrichtung (1) nach einem der vorgehenden Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Drosseln (L, 17) zueinander elektrisch auf der Primärseite (15) des Spannungswandlers mit diesem in Reihe geschaltet sind, wobei die erste Drossel (L) gefolgt ist von der Primärwicklung des Spannungswandlers, wiederum gefolgt von der zweiten Drossel (17) oder, dass die Drosseln (L, 17) zueinander elektrisch auf der Sekundärseiten des Spannungswandlers mit diesem in Reihe geschaltet sind. Bordeigene Ladevorrichtung (1) nach einem der vorgehenden Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass beide Drosseln (L, 17) unmittelbar an dem Spannungswandler angeordnet sind, insbesondere an diesen geklebt sind. Bordeigene Ladevorrichtung (1) nach einem der vorgehenden Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Wicklungen (20) der ersten Drossel (L) und die Wicklungen (20) der zweiten Drossel (17) im montierten Zustand gegenläufig oder gleichläufig zueinander ausgebildet sind. Bordeigene Ladevorrichtung (1) nach einem der vorgehenden Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Drossel (L) durch einen Wickelkern (18), insbesondere einen E-förmigen Wickelkern (18) ausgebildet ist und die zweite Drossel (17) durch einen Wickelkern (18), insbesondere einen E- förmigen Wickelkern (18) ausgebildet ist und die Wickelkerne (18) unmittelbar unter Eingliederung eines Luftspaltes (19) aneinander anliegend sind, insbesondere zeigen die Öffnungen der E-Form aufeinander zu. Bordeigene Ladevorrichtung (1) nach einem der vorgehenden Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die gekoppelten zwei Drosseln (L, 17) als Gleichtakt Störstrom Filter wirken. Bordeigene Ladevorrichtung (1) nach einem der vorgehenden Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die gekoppelte zweite Drossel (17) mit einem auf der Primärseite (15) angeordneten Kondensator (C) und der ersten Drossel (L) einen Schwingkreis bildet, dergestalt, dass die Streuinduktivität (LST) des Transformators (13) geringer ausgelegt ist, wobei optional ein zweiter Kondensator mit angeordnet ist. Bordeigene Ladevorrichtung (1) nach einem der vorgehenden Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die gekoppelte zweite Drossel (17) mit einem auf der Sekundärseite angeordneten Kondensator und der ersten Drossel (L) einen Schwingkreis bildet, dergestalt, dass die Streuinduktivität (LST) des Transformators (13) geringer ausgelegt ist, wobei optional ein zweiter Kondensator mit angeordnet ist.
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