EP4413653A1 - Gleichspannungswandler und komponentenanordnung für ein elektrisches hochvoltbordnetz eines fahrzeugs - Google Patents

Gleichspannungswandler und komponentenanordnung für ein elektrisches hochvoltbordnetz eines fahrzeugs

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EP4413653A1
EP4413653A1 EP22813290.8A EP22813290A EP4413653A1 EP 4413653 A1 EP4413653 A1 EP 4413653A1 EP 22813290 A EP22813290 A EP 22813290A EP 4413653 A1 EP4413653 A1 EP 4413653A1
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EP
European Patent Office
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voltage
converter
electrical
vehicle
low
Prior art date
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Pending
Application number
EP22813290.8A
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English (en)
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Inventor
Markus Orner
Thomas Weber
Nathan Tröster
Urs Boehme
Akin Candir
Andreas Kruspel
Matthias Leinfelder
Keith RenQiang ONG
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Mercedes Benz Group AG
Original Assignee
Mercedes Benz Group AG
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Filing date
Publication date
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Pending legal-status Critical Current

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Definitions

  • the invention relates to a DC voltage converter and a component arrangement for a high-voltage electrical system of a vehicle.
  • a vehicle with an electrical high-voltage vehicle electrical system is known from the prior art.
  • the high-voltage electrical system is divided into two sections, with the first section being arranged in a first installation space of the vehicle and the second section being arranged in at least a second installation space of the vehicle.
  • the subdivision of the electrical high-voltage vehicle electrical system into the two sub-areas is designed in such a way that in the first installation space of the vehicle only work is possible under electrical voltage of the first partial area of the electrical high-voltage vehicle electrical system and in at least one second installation space of the vehicle work can be carried out in a voltage-free state of the second partial area of the electrical system High-voltage vehicle electrical system are possible.
  • DE 102018 004498 A1 describes an arrangement of at least one high-voltage battery, which has a plurality of storage cells that are electrically connected to one another and are designed to store electrical energy, on a self-supporting body of a passenger car.
  • the high-voltage battery and other high-voltage components that are provided in addition to the high-voltage battery and are electrically connected to the high-voltage battery are held at least indirectly on the body.
  • the body forms a high-voltage safety cell that can be temperature-controlled by means of a temperature control device of the passenger vehicle, in which the high-voltage battery and the other high-voltage components are arranged.
  • An on-board electrical system for a motor vehicle is known from DE 102018 002 926 A1. It comprises at least a first and a second electrical potential line and is designed in an intended operation between the Potential lines to be applied with an electrical DC voltage.
  • the vehicle electrical system has at least one Y-capacitor which is electrically coupled to one of the potential lines at a first connection and to an electrical reference potential at a second connection.
  • a switching element is connected in series with the at least one Y-capacitor.
  • DE 102019 008 825 A1 describes a vehicle with a high-voltage electrical system.
  • the electrical high-voltage vehicle electrical system is divided into three sections, with the first section being arranged in a first installation space of the vehicle, the second section being arranged in a second installation space of the vehicle and the third section being arranged outside of these two installation spaces of the vehicle.
  • DE 102021 003 831 describes an on-board electrical system for a vehicle, a vehicle with an on-board electrical system and a method for operating an on-board electrical system for a vehicle.
  • the vehicle electrical system includes a battery with two electrical battery potential contacts and a vehicle-side DC charging connection with two electrical charging potential contacts.
  • a DC-DC converter is provided.
  • the first electrical battery potential contact can be electrically coupled or is coupled to a first electrical potential contact on an output side of the DC/DC converter.
  • the second electrical battery potential contact is electrically couplable or is coupled to the second electrical charging potential contact.
  • the respective electrical charging potential contact can be or is electrically coupled to a respective electrical potential contact of an input side of the DC-DC converter.
  • a second electrical potential contact on the output side of the DC-DC converter can be electrically coupled or is coupled to the first electrical potential contact on the input side of the DC-DC converter.
  • the electrical potential contacts on the input side of the DC-DC converter are each electrically coupled to an electrical connection contact of a first capacitor.
  • the electrical potential contacts on the output side of the DC voltage converter can each be electrically coupled or are coupled to an electrical connection contact of a second capacitor.
  • the invention is based on the object of specifying a DC-DC converter which is improved compared to the prior art and a component arrangement which is improved compared to the prior art for an electrical high-voltage vehicle electrical system of a vehicle.
  • the object is achieved according to the invention by a DC-DC converter with the features of claim 1 and a component arrangement for a high-voltage electrical system of a vehicle with the features of claim 5.
  • a DC-DC converter in particular for a vehicle, has several DC-DC converter modules with electrical input voltages and output voltages that differ from one another, which are designed as a common integrated structural unit, in particular in a common converter housing, and can be electrically interconnected in a number of subsystems in such a way that an electrical high-voltage voltage in different electrical low-voltage voltages can be converted.
  • the DC voltage converter is also referred to as a DC/DC converter, due to the conversion of the electrical high-voltage voltage into several electrical low-voltage voltages, also as an LV-DC/DC converter.
  • a DC-DC converter module is provided for converting the high-voltage into a low-voltage and the other DC-DC converter modules are provided for converting a low-voltage into another low-voltage.
  • the other DC-DC converter modules can then be coupled, for example, to an output side of the DC-DC converter module that converts the high-voltage voltage, in order to convert its low-voltage voltage into another low-voltage voltage, or to an output side of another of the DC-DC converter modules, in order to convert its low-voltage voltage into another low-voltage voltage.
  • the DC-DC converter according to the invention is therefore of modular design, so that it can fulfill a number of tasks, in particular can supply or couple a number of electrical low-voltage vehicle electrical systems.
  • Different voltage levels for example 12 V and 48 V, can be connected at the same time and different subsystems can also be switched on or off internally.
  • the DC-DC converter according to the invention can be used, for example, in a component arrangement for a high-voltage electrical system of a vehicle.
  • a component arrangement according to the invention therefore includes this DC-DC converter.
  • This component assembly is also called a Conversion Box designated.
  • the electrical components for which the common EMC filter and the common intermediate circuit are provided are in particular power electronics for at least one electric drive machine for driving the vehicle, a rectifier and/or the DC voltage converter.
  • the DC-DC converter can advantageously meet all requirements at the same time.
  • the individual functions can be activated or deactivated using software and/or switches, for example.
  • the DC-DC converter and advantageously also the component arrangement, in particular structurally identical, can be used for all possible requirements and then, in the application, can be set by software or application in such a way that the desired functions are fulfilled.
  • All the low-voltage connections required for this are advantageously provided on the housing of the component arrangement and are electrically coupled or can be coupled to the DC voltage converter. Low-voltage connections that are not used in each case for the respective purpose of use of the component arrangement are then closed, for example, for example covered.
  • the subsystems of the DC-DC converter can advantageously be activated and deactivated independently of one another, in particular for adaptation to the various possible functions described above and the various low-voltage voltages required for them and also to the various power requirements. It can also be provided that at least one of the subsystems is constantly active. As a result, a simplified structure can be achieved, since not all subsystems of the DC/DC converter have to be able to be switched off.
  • the DC-DC converter modules are designed as a common integrated structural unit, in particular in a common converter housing. It is therefore not just a question of a parallel connection of several DC voltage converters.
  • the DC-DC converter in the component arrangement also referred to as a conversion box, provision can also be made for the DC-DC converter to be connected directly to a high-voltage system as an independent component outside of such a component arrangement or without this component arrangement.
  • the DC-DC converter according to the invention enables a construction of several low-voltage vehicle electrical systems in a cost-effective manner. This is necessary in particular in electric vehicles for the operation of safety-critical functions and for the simultaneous operation of different consumers or suppliers on their own low-voltage vehicle electrical systems.
  • the DC voltage converter modules each have a low output. As described above, they are used for different low-voltage vehicle electrical systems. If larger low-voltage outputs are required, several of the DC-DC converter modules or subsystems are connected in parallel on the output side. This enables efficient operation in partial load operation.
  • the DC-DC converter according to the invention enables a cost reduction through the use of a module system for different functions in low-voltage voltage conversion, an increase in energy efficiency through a targeted shutdown of one or more subsystems at low low-voltage loads in a respective low-voltage vehicle electrical system, since DC-DC converters are most efficient in Have nominal operating point, and a simple ability to generate several Low-voltage electrical systems in the vehicle. Furthermore, there is no need to develop a new DC converter for changed functional requirements, for example for increased vehicle electrical system requirements or if an additional converter is required for a solar roof.
  • the DC-DC converter according to the invention can also advantageously be used for safe low-voltage generation in safety-critical applications, for example for highly automated driving and steer-by-wire.
  • Fig. 1 schematically shows a DC-DC converter
  • FIG. 2 shows a schematic of a component arrangement for a high-voltage electrical system of a vehicle.
  • FIG. 1 shows a schematic representation of an embodiment of a DC voltage converter 8, in particular for a vehicle. It has several DC-DC converter modules with differing electrical input voltages and output voltages, which are designed as a common integrated structural unit, in particular in a common converter housing 10, and can be electrically interconnected in several subsystems A, B, C in such a way that an electrical high-voltage voltage can be converted into different electrical Low-voltage voltages can be changed.
  • the DC-DC converter modules can thus be electrically connected in particular in such a way that, in electric vehicles which have a high-voltage battery 7, a plurality of low-voltage vehicle electrical systems, in particular with different low-voltage voltages, can be generated.
  • the DC-DC converter 8 is used in this way for a low-voltage electrical system 11 with a first low-voltage level, for example for Consumers and a low-voltage battery, for a low-voltage vehicle electrical system 12 with a second low-voltage level that differs therefrom, for example for further consumers and a further low-voltage battery, for energy recovery 13, for example for a solar module and/or a damper system, and for self-sufficiency 14, in particular for low-voltage components in used in a high-voltage electrics/electronics installation space.
  • the DC voltage converter 8 is also referred to as a DC/DC converter, due to the conversion of the high-voltage electrical voltage into a plurality of low-voltage electrical voltages, also as an LV-DC/DC converter.
  • the subsystems A, B, C are also referred to as rails, for example, in particular due to the electrical interconnection of the DC voltage converter modules by means of busbars. However, electrical wiring by means of cables is also possible.
  • the solution described is therefore a modular DC-DC converter 8 for converting a high-voltage voltage into various low-voltage voltages, which can be used in particular in vehicles designed as electric vehicles.
  • a DC-DC converter module is provided for converting the high-voltage into a low-voltage and the other DC-DC converter modules are provided for converting a low-voltage into another low-voltage.
  • the other DC-DC converter modules can then be coupled, for example, to an output side of the DC-DC converter module that converts the high-voltage voltage, in order to convert its low-voltage voltage into another low-voltage voltage, or to an output side of another of the DC-DC converter modules, in order to convert its low-voltage voltage into another low-voltage voltage.
  • the high-voltage for example 800 V, in particular galvanically isolated, is thus converted to a low-voltage of for example 48 V with the first DC voltage converter module.
  • this lower low-voltage voltage for example 12 V
  • these two DC voltage converter modules are electrically interconnected to form a subsystem A, B, C interconnected.
  • the first DC voltage converter module for converting the high-voltage voltage can already form its own subsystem A, B, C, for example.
  • the DC-DC converter 8 thus has a subsystem A, B, C with the high-voltage as the input voltage and the high low-voltage as the output voltage, and a further subsystem B, C, A with the high-voltage as the input voltage and the lower low-voltage as the output voltage.
  • a subsystem A, B, C with the high-voltage as the input voltage and the high low-voltage as the output voltage
  • B, C with the high-voltage as the input voltage and the lower low-voltage as the output voltage.
  • three subsystems A, B, C are provided, which can each be designed in the manner described or with more DC voltage converter modules electrically coupled to one another.
  • Each subsystem A, B, C is advantageously terminated on the output side with an EMC filter 9, referred to below as an additional EMC filter 9, particularly with reference to FIG.
  • the DC voltage converter modules can advantageously be operated bidirectionally. This enables pre-charging of a high-voltage electrical system of the vehicle.
  • the individual DC voltage converter modules are designed in particular for a low nominal power, for example 500 W.
  • the first DC/DC converter module i. H. the DC-DC converter module for converting the high-voltage voltage into the high low-voltage voltage of 48 V, for example, is designed for safe and functionally reliable operation. It then also includes an integrated, short-circuit-proof switch-off on the high-voltage side and also fulfills functional requirements in order to meet high ASIL levels, for example for ASIL D.
  • this DC-DC converter module can be connected directly to the high-voltage battery 7, in particular without an isolating contactor, and can be used for safety-critical functions, for example steer-by-wire and highly automated driving functions, without an additional low-voltage battery.
  • the individual subsystems A, B, C are connected on the high-voltage side, i. H. on the input side, electrically connected in parallel.
  • the high-voltage side i. H. on the input side
  • several low-voltage vehicle electrical systems can be generated in this way on the low-voltage side.
  • Subsystems A, B, C are also electrically connected in parallel on the output side, ie on the low-voltage side. If the load changes during operation, individual subsystems A, B, C can be switched on or off again depending on the load. This ensures that the individual subsystems A, B, C currently in operation work with a high degree of efficiency even with a low, low-voltage load.
  • the DC-DC converter 8 enables a cost reduction through the use of a module system for different functions in low-voltage voltage conversion, an increase in energy efficiency through a targeted shutdown of one or more subsystems A, B, C with a low low-voltage load in a respective low-voltage vehicle electrical system, since the DC-DC converter 8 has its highest efficiency at the nominal operating point have, and a simple ability to generate multiple low-voltage electrical systems in the vehicle. Furthermore, there is no need to develop a new DC voltage converter if the functional requirements change, for example for increased vehicle electrical system requirements or if an additional converter is required for a solar roof.
  • the DC-DC converter 8 can also advantageously be used for safe low-voltage generation in safety-critical applications, for example for highly automated driving and steer-by-wire.
  • the DC-DC converter 8 can be used, for example, in a component arrangement 1 for a high-voltage electrical system of a vehicle, as shown by way of example in FIG.
  • a common EMC filter 2 and a common intermediate circuit 3 are provided for a plurality of electrical components K, these electrical components K being arranged in a common housing 4 together with the common EMC filter 2 and the common intermediate circuit 3.
  • the common intermediate circuit 3 is designed as a capacitor, for example.
  • the unit with the housing 4 and with the electrical components K, the common EMC filter 2 and the common intermediate circuit 3, which are located in the housing 4, is also referred to as a conversion box.
  • the electrical components K for which the common EMC filter 2 and the common intermediate circuit 3 are provided, are, for example, as shown in Figure 2, power electronics 5 for at least one electric drive unit for driving the vehicle, a rectifier 6, also as AC /DC converter designates, in particular for AC charging of the high-voltage battery 7 of the vehicle, and the DC voltage converter 8.
  • the power electronics 5 preferably have a galvanic coupling for the at least one electric drive machine, and the rectifier 6 and the DC voltage converter 8 each have a galvanic isolation.
  • This respective further EMC filter 9 can be arranged in the common housing 4, for example.
  • such further EMC filters 9 are shown for the power electronics 5 and the rectifier 6 . Since the DC-DC converter 8 has a number of outputs, a further EMC filter 9 can be provided at the respective output, i. H. at one or more of the exits or at all exits.
  • a safety unit is advantageously provided at the output of the power electronics 5 for the at least one electric drive machine in the direction of the AC charging connection in order to implement the AC charging function, which safety unit is arranged, for example, between the power electronics 5 for the at least one electric drive machine and the additional EMC filter 9. This safety unit is used to comply with safety and EMC standards.
  • the galvanic coupling requires additional measures such as emergency shutdown and neutralization of PE leakage currents.
  • the components K mentioned above share the common intermediate circuit 3 and the common EMC filter 2 on the DC side. They also have separable outputs, in the example shown to the high-voltage battery 7 .
  • Separating elements 15 for this are designed, for example, in each case as a semiconductor fuse or contactor/CSID.
  • a semiconductor fuse can be provided on both poles or a contactor/fuse combination on both poles or a contactor/CSID on both poles or a contactor on one pole and a semiconductor fuse on the other pole.
  • the components K are in particular each formed as a semiconductor component.
  • a microcontroller can be provided, which is also arranged in the housing 4 .
  • This microcontroller is also designed in particular as a semiconductor component.
  • the common intermediate circuit 3 and the common EMC filter 2 are in particular each designed as a passive component.
  • the separating elements 15 are in particular each formed as a passive semiconductor component, for example as a semiconductor fuse.
  • the separating elements 15 can alternatively, for example, be designed as a contactor or CSID, which then, however, is a mechanical component.
  • the respective further EMC filter 9, if it is provided, is designed in particular as a passive component.
  • the above-described components of the component arrangement 1, in particular the conversion box, in particular the components K described above, which are arranged in particular in the housing 4, are advantageously implemented together in the form of highly integrated power electronics, i. H.
  • the component arrangement 1 has no individual components, particularly in the housing 4, but only the highly integrated power electronics.
  • the solution described enables in particular a compact integration of high-voltage functionalities, for example electrical switching, charging, converting, converting, which then also enables a more compact design and/or cost reduction, for example.
  • the solution described advantageously uses a common installation space for all high-voltage functionalities, in particular switching, charging, converting, converting.
  • passive components such as the common EMC filter 2, and the intermediate circuit capacity, i. H. the common intermediate circuit 3, synergies are used.
  • This enables a compact design.
  • Power electronic semiconductors are advantageously used to implement all core functions, in particular switching, converting, charging, converting.
  • a high level of semiconductor integration can be achieved by realizing all the essential functions using semiconductors.
  • functions can also be purchased and activated after the vehicle has been manufactured.
  • the controls of the individual semiconductor groups are advantageously matched to one another.
  • the solution described advantageously uses a common installation space for all high-voltage functionalities, in particular switching, charging, converting, converting.
  • the function of the rectifier 6 for AC charging of the high-voltage battery 7 is taken over by the converter of the power electronics 5 for the at least one electric drive machine, so that no separate rectifier 6 is provided
  • synergies are not only used with passive components, but Additionally, a semiconductor circuit is used for the motor control and for the AC charging functionality. i.e. In addition to the synergies with passive components, the synergy at the level of the semiconductor circuit for motor control and AC charging functionality is also used.

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Gleichspannungswandler (8).Erfindungsgemäß weist er mehrere Gleichspannungswandlermodule mit voneinander abweichenden elektrischen Eingangsspannungen und Ausgangsspannungen auf, welche als eine gemeinsame integrierte Baueinheit ausgebildet sind und in mehreren Subsystemen (A, B, C) derart miteinander elektrisch verschaltbar sind, dass eineelektrische Hochvoltspannung in verschiedene elektrische Niedervoltspannungen wandelbar ist.Des Weiteren betrifft die Erfindung eine Komponentenanordnung (1) für ein elektrisches Hochvoltbordnetz eines Fahrzeugs.

Description

Gleichspannungswandler und Komponentenanordnung für ein elektrisches Hochvoltbordnetz eines Fahrzeugs
Die Erfindung betrifft einen Gleichspannungswandler und eine Komponentenanordnung für ein elektrisches Hochvoltbordnetz eines Fahrzeugs.
Aus dem Stand der Technik ist, wie in der DE 102019 008 835 A1 beschrieben, ein Fahrzeug mit einem elektrischen Hochvoltbordnetz bekannt. Das elektrische Hochvoltbordnetz ist in zwei Teilbereiche unterteilt, wobei der erste Teilbereich in einem ersten Bauraum des Fahrzeugs angeordnet ist und der zweite Teilbereich in mindestens einem zweiten Bauraum des Fahrzeugs angeordnet ist. Die Unterteilung des elektrischen Hochvoltbordnetzes in die beiden Teilbereiche ist derart ausgebildet, dass im ersten Bauraum des Fahrzeugs nur Arbeiten unter elektrischer Spannung des ersten Teilbereichs des elektrischen Hochvoltbordnetzes möglich sind und im mindestens einen zweiten Bauraum des Fahrzeugs Arbeiten in einem spannungsfreien Zustand des zweiten Teilbereichs des elektrischen Hochvoltbordnetzes möglich sind.
In der DE 102018 004498 A1 wird eine Anordnung wenigstens einer mehrere elektrisch miteinander verbundene und zum Speichern von elektrischer Energie ausgebildete Speicherzellen aufweisenden Hochvolt-Batterie an einer selbsttragenden Karosserie eines Personenkraftwagens beschrieben. Die Hochvolt-Batterie und weitere zusätzlich zu der Hochvolt-Batterie vorgesehene und mit der Hochvolt-Batterie elektrisch verbundene Hochvolt-Komponenten sind zumindest mittelbar an der Karosserie gehalten. Die Karosserie bildet eine mittels einer Temperiereinrichtung des Personenkraftwagens temperierbare Hochvolt-Sicherheitszelle, in welcher die Hochvolt-Batterie und die weiteren Hochvolt-Komponenten angeordnet sind.
Aus der DE 102018 002 926 A1 ist ein elektrisches Bordnetz für ein Kraftfahrzeug bekannt. Es umfasst wenigstens eine erste und eine zweite elektrische Potentialleitung und ist ausgebildet, in einem bestimmungsgemäßen Betrieb zwischen den Potentialleitungen mit einer elektrischen Gleichspannung beaufschlagt zu werden. Das Bordnetz weist wenigstens einen Y-Kondensator auf, der mit einem ersten Anschluss mit einer der Potentialleitungen und mit einem zweiten Anschluss mit einem elektrischen Bezugspotential elektrisch gekoppelt ist. Ein Schaltelement ist zum wenigstens einen Y-Kondensator in Reihe geschaltet.
In der DE 102019 008 825 A1 wird ein Fahrzeug mit einem elektrischen Hochvoltbordnetz beschrieben. Das elektrische Hochvoltbordnetz ist in drei Teilbereiche unterteilt, wobei der erste Teilbereich in einem ersten Bauraum des Fahrzeugs angeordnet ist, der zweite Teilbereich in einem zweiten Bauraum des Fahrzeugs angeordnet ist und der dritte Teilbereich außerhalb dieser beiden Bauräume des Fahrzeugs angeordnet ist.
In der DE 102021 003 831 werden ein elektrisches Bordnetz für ein Fahrzeug, ein Fahrzeug mit einem elektrischen Bordnetz und ein Verfahren zum Betreiben eines elektrischen Bordnetzes für ein Fahrzeug beschrieben. Das elektrische Bordnetz umfasst eine Batterie mit zwei elektrischen Batteriepotentialkontakten und einen fahrzeugseitigen Gleichstromladeanschluss mit zwei elektrischen Ladepotentialkontakten. Es ist ein Gleichspannungswandler vorgesehen. Der erste elektrische Batteriepotentialkontakt ist mit einem ersten elektrischen Potentialkontakt einer Ausgangsseite des Gleichspannungswandlers elektrisch koppelbar oder gekoppelt. Der zweite elektrische Batteriepotentialkontakt ist mit dem zweiten elektrischen Ladepotentialkontakt elektrisch koppelbar oder gekoppelt. Der jeweilige elektrische Ladepotentialkontakt ist mit einem jeweiligen elektrischen Potentialkontakt einer Eingangsseite des Gleichspannungswandlers elektrisch koppelbar oder gekoppelt. Ein zweiter elektrischer Potentialkontakt der Ausgangsseite des Gleichspannungswandlers ist mit dem ersten elektrischen Potentialkontakt der Eingangsseite des Gleichspannungswandlers elektrisch koppelbar oder gekoppelt. Die elektrischen Potential kontakte der Eingangsseite des Gleichspannungswandlers sind mit jeweils einem elektrischen Anschlusskontakt eines ersten Kondensators elektrisch gekoppelt. Die elektrischen Potentialkontakte der Ausgangsseite des Gleichspannungswandlers sind mit jeweils einem elektrischen Anschlusskontakt eines zweiten Kondensators elektrisch koppelbar oder gekoppelt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, einen gegenüber dem Stand der Technik verbesserten Gleichspannungswandler und eine gegenüber dem Stand der Technik verbesserte Komponentenanordnung für ein elektrisches Hochvoltbordnetz eines Fahrzeugs anzugeben. Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch einen Gleichspannungswandler mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und eine Komponentenanordnung für ein elektrisches Hochvoltbordnetz eines Fahrzeugs mit den Merkmalen des Anspruchs 5.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Ein Gleichspannungswandler, insbesondere für ein Fahrzeug, weist erfindungsgemäß mehrere Gleichspannungswandlermodule mit voneinander abweichenden elektrischen Eingangsspannungen und Ausgangsspannungen auf, welche als eine gemeinsame integrierte Baueinheit, insbesondere in einem gemeinsamen Wandlergehäuse ausgebildet sind und in mehreren Subsystemen derart miteinander elektrisch verschaltbar sind, dass eine elektrische Hochvoltspannung in verschiedene elektrische Niedervoltspannungen wandelbar ist. Der Gleichspannungswandler wird auch als DC/DC-Wandler bezeichnet, aufgrund der Wandlung der elektrischen Hochvoltspannung in mehrere elektrische Niedervoltspannungen auch als LV-DC/DC-Wandler.
Insbesondere ist ein Gleichspannungswandlermodul zur Wandlung der Hochvoltspannung in eine Niedervoltspannung vorgesehen und die anderen Gleichspannungswandlermodule sind zur Wandlung einer Niedervoltspannung in eine andere Niedervoltspannung vorgesehen. Die anderen Gleichspannungswandlermodule können dann jeweils beispielsweise mit einer Ausgangsseite des die Hochvoltspannung wandelnden Gleichspannungswandlermoduls gekoppelt werden, um dessen Niedervoltspannung in eine andere Niedervoltspannung zu wandeln, oder mit einer Ausgangsseite eines anderen der Gleichspannungswandlermodule gekoppelt werden, um dessen Niedervoltspannung in eine andere Niedervoltspannung zu wandeln.
Der erfindungsgemäße Gleichspannungswandler ist somit modular ausgelegt, so dass er mehrere Aufgaben erfüllen kann, insbesondere mehrere elektrische Niedervoltbordnetze versorgen bzw. koppeln kann. So können unterschiedliche Spannungslagen, beispielsweise 12 V und 48 V gleichzeitig verschaltet werden und dazu intern auch unterschiedliche Subsysteme zugeschaltet oder abgeschaltet werden.
Der erfindungsgemäße Gleichspannungswandler ist beispielsweise in einer Komponentenanordnung für ein elektrisches Hochvoltbordnetz eines Fahrzeugs einsetzbar. Eine erfindungsgemäße Komponentenanordnung umfasst daher diesen Gleichspannungswandler. Diese Komponentenanordnung wird auch als Conversion Box bezeichnet. Bei ihr sind vorteilhafterweise für mehrere elektrische Komponenten ein gemeinsamer EMV-Filter (EMV = elektromagnetische Verträglichkeit) und ein gemeinsamer Zwischenkreis vorgesehen, wobei diese elektrischen Komponenten zusammen mit dem gemeinsamen EMV-Filter und dem gemeinsamen Zwischenkreis in einem gemeinsamen Gehäuse angeordnet sind. Die elektrischen Komponenten, für die der gemeinsame EMV-Filter und der gemeinsame Zwischenkreis vorgesehen sind, sind dabei insbesondere eine Leistungselektronik für mindestens eine elektrische Antriebsmaschine zum Antrieb des Fahrzeugs, ein Gleichrichter und/oder der Gleichspannungswandler. Bei dieser Komponentenanordnung sind vorteilhafterweise alle wesentlichen Bestandteile eines Hochvoltsystems in einer Box, d. h. in einem gemeinsamen Gehäuse angeordnet und miteinander zu verschalten, so dass diese Box, insbesondere baugleich, vorteilhafterweise universell einsetzbar ist. Daher sind vorteilhafterweise auch die Bestandteile dieser Komponentenanordnung universell. Dies gilt im hier beschriebenen Beispiel insbesondere für den Gleichspannungswandler, welcher mehrere Aufgaben erfüllen kann und mehrere Niedervoltbordnetze bedienen kann.
Der Gleichspannungswandler kann vorteilhafterweise alle Anforderungen gleichzeitig erfüllen. Die einzelnen Funktionen sind beispielsweise mittels Software und/oder Schaltern aktivierbar bzw. deaktivierbar. Damit kann der Gleichspannungswandler und vorteilhafterweise auch die Komponentenanordnung, insbesondere baugleich, für alle möglichen Anforderungen eingesetzt werden und dann im Anwendungsfall softwareseitig bzw. applikativ so eingestellt werden, dass die gewünschten Funktionen erfüllt werden.
Am Gehäuse der Komponentenanordnung sind vorteilhafterweise alle hierzu erforderlichen Niedervoltanschlüsse vorgesehen und mit dem Gleichspannungswandler elektrisch gekoppelt oder koppelbar. Für den jeweiligen Verwendungszweck der Komponentenanordnung dann jeweils nicht verwendete Niedervoltanschlüsse werden dann beispielsweise verschlossen, zum Beispiel abgedeckt.
Insbesondere zur Anpassung an die oben beschriebenen verschiedenen möglichen Funktionen und die dafür erforderlichen verschiedenen Niedervoltspannungen und auch an verschiedene erforderliche Leistungen sind die Subsysteme des Gleichspannungswandlers vorteilhafterweise unabhängig voneinander aktivierbar und deaktivierbar. Dabei kann auch vorgesehen sein, dass mindestens eines der Subsysteme ständig aktiv ist. Dadurch kann ein vereinfachter Aufbau erzielt werden, da nicht alle Subsysteme des Gleichspannungswandlers abschaltbar sein müssen. Wie oben beschrieben, sind die Gleichspannungswandlermodule als eine gemeinsame integrierte Baueinheit, insbesondere in einem gemeinsamen Wandlergehäuse ausgebildet. Es handelt sich somit nicht lediglich um eine Parallelschaltung mehrerer Gleichspannungswandler.
Alternativ zur oben beschriebenen Verwendung des Gleichspannungswandlers in der auch als Conversion Box bezeichneten Komponentenanordnung kann beispielsweise auch vorgesehen sein, dass der Gleichspannungswandler als eigenständiges Bauteil außerhalb einer solchen Komponentenanordnung oder ohne diese Komponentenanordnung direkt an ein Hochvoltsystem angeschlossen ist.
Ohne eine gemeinsame Nutzung des EMV-Filters und Zwischenkreises der eigenständigen Bauteile muss dennoch die EM -Verträglichkeit und ein Zwischenkreis durch das Hochvoltsystem sichergestellt werden, so dass dann eben meist die eigenständigen Bauteile einen eigenen, dem Bauteil zugeordneten EMV Filter und Zwischenkreis aufweisen. Diese können dann insbesondere in dem Gehäuse des Bauteils untergebracht sein.
Der erfindungsgemäße Gleichspannungswandler ermöglicht durch seine modulare Ausgestaltung auf kostengünstige Weise einen Aufbau mehrerer Niedervolt-Spannungsbordnetze. Dies ist insbesondere in Elektrofahrzeugen zum Betrieb sicherheitskritischer Funktionen sowie zum gleichzeitigen Betreiben unterschiedlicher Verbraucher oder Versorger an eigenen Niedervoltbordnetzen erforderlich.
Die Gleichspannungswandlermodule weisen vorteilhafterweise jeweils eine kleine Leistung auf. Sie werden, wie oben beschrieben, für unterschiedliche Niedervolt-Spannungsbordnetze verwendet. Werden größere Niedervoltleistungen benötigt, werden mehrere der Gleichspannungswandlermodule oder Subsysteme ausgangsseitig parallel geschaltet. Dadurch wird ein effizienter Betrieb im Teillastbetrieb ermöglicht.
Der erfindungsgemäße Gleichspannungswandler ermöglicht, wie bereits erwähnt, eine Kostenreduktion durch die Nutzung eines Mod ul systems für unterschiedliche Funktionen beim Niedervoltspannungswandeln, eine Steigerung der Energieeffizienz durch eine gezielte Abschaltung eines oder mehrerer Subsysteme bei geringer Niedervoltlast in einem jeweiligen Niedervoltbordnetz, da Gleichspannungswandler ihren höchsten Wirkungsgrad im Nennbetriebspunkt haben, und eine einfache Erzeugbarkeit mehrerer Niedervoltbordnetze im Fahrzeug. Des Weiteren entfällt eine Neuentwicklung eines Gleichspannungswandlers für geänderte Funktionsanforderungen, beispielsweise für erhöhte Bordnetzanforderungen oder wenn ein Zusatzwandler für ein Solardach benötigt wird.
Der erfindungsgemäße Gleichspannungswandler ist zudem vorteilhafterweise verwendbar zur sicheren Niedervolt-Spannungserzeugung bei sicherheitskritischen Anwendungen, beispielsweise für hochautomatisiertes Fahren und Steer-by-Wire.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand von Zeichnungen näher erläutert.
Dabei zeigen:
Fig. 1 schematisch einen Gleichspannungswandler, und
Fig. 2 schematisch eine Komponentenanordnung für ein elektrisches Hochvoltbordnetz eines Fahrzeugs.
Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
Figur 1 zeigt eine schematische Darstellung einer Ausführungsform eines Gleichspannungswandlers 8, insbesondere für ein Fahrzeug. Er weist mehrere Gleichspannungswandlermodule mit voneinander abweichenden elektrischen Eingangsspannungen und Ausgangsspannungen auf, welche als eine gemeinsame integrierte Baueinheit, insbesondere in einem gemeinsamen Wandlergehäuse 10 ausgebildet sind und in mehreren Subsystemen A, B, C derart miteinander elektrisch verschaltbar sind, dass eine elektrische Hochvoltspannung in verschiedene elektrische Niedervoltspannungen wandelbar ist.
Die Gleichspannungswandlermodule können somit insbesondere derart elektrisch verschaltet werden, dass in Elektrofahrzeugen, welche eine Hochvoltbatterie 7 aufweisen, mehrere Niedervoltspannungsbordnetze, insbesondere mit verschiedenen Niedervoltspannungen erzeugt werden können.
Im dargestellten Beispiel wird der Gleichspannungswandler 8 auf diese Weise für ein Niedervoltbordnetz 11 mit einer ersten Niedervoltspannungslage, beispielsweise für Verbraucher und eine Niedervoltbatterie, für ein Niedervoltbordnetz 12 mit einer davon abweichenden zweiten Niedervoltspannungslage, beispielsweise für weitere Verbraucher und eine weitere Niedervoltbatterie, für eine Energierückspeisung 13, beispielsweise für ein Solarmodul und/oder ein Dämpfersystem, und für eine Selbstversorgung 14, insbesondere für Niedervoltkomponenten in einem Hochvolt-Elektrik/Elektronik-Bauraum verwendet.
Der Gleichspannungswandler 8 wird auch als DC/DC-Wandler bezeichnet, aufgrund der Wandlung der elektrischen Hochvoltspannung in mehrere elektrische Niedervoltspannungen auch als LV-DC/DC-Wandler.
Die Subsysteme A, B, C werden beispielsweise auch jeweils als Rail bezeichnet, insbesondere aufgrund der elektrischen Verschaltung der Gleichspannungswandlermodule mittels Stromschienen. Es ist jedoch auch eine elektrische Verschaltung mittels Kabeln möglich.
Die beschriebene Lösung ist somit ein modularer Gleichspannungswandler 8 zur Wandlung einer Hochvoltspannung in verschiedene Niedervoltspannungen, welcher insbesondere in als Elektrofahrzeug ausgebildeten Fahrzeugen verwendbar ist.
Insbesondere ist ein Gleichspannungswandlermodul zur Wandlung der Hochvoltspannung in eine Niedervoltspannung vorgesehen und die anderen Gleichspannungswandlermodule sind zur Wandlung einer Niedervoltspannung in eine andere Niedervoltspannung vorgesehen. Die anderen Gleichspannungswandlermodule können dann jeweils beispielsweise mit einer Ausgangsseite des die Hochvoltspannung wandelnden Gleichspannungswandlermoduls gekoppelt werden, um dessen Niedervoltspannung in eine andere Niedervoltspannung zu wandeln, oder mit einer Ausgangsseite eines anderen der Gleichspannungswandlermodule gekoppelt werden, um dessen Niedervoltspannung in eine andere Niedervoltspannung zu wandeln.
Es wird somit mit dem ersten Gleichspannungswandlermodul die Hochvoltspannung, beispielsweise 800 V, insbesondere galvanisch getrennt, auf eine Niedervoltspannung von beispielsweise 48 V gewandelt. Wird beispielsweise eine niedrigere Niedervoltspannung benötigt, kann durch ein weiteres, insbesondere galvanisch gekoppeltes, Gleichspannungswandlermodul diese kleinere Niedervoltspannung, beispielsweise 12 V, erzeugt werden. Hierzu werden diese beiden Gleichspannungswandlermodule zu einem Subsystem A, B, C elektrisch miteinander verschaltet. Das erste Gleichspannungswandlermodul zur Wandlung der Hochvoltspannung kann beispielsweise bereits ein eigenes Subsystem A, B, C bilden. Im beispielhaft beschriebenen Fall weist der Gleichspannungswandler 8 somit ein Subsystem A, B, C mit der Hochvoltspannung als Eingangsspannung und der hohen Niedervoltspannung als Ausgangsspannung und ein weiteres Subsystem B, C, A mit der Hochvoltspannung als Eingangsspannung und der niedrigeren Niedervoltspannung als Ausgangsspannung auf. Im in Figur 1 dargestellten Beispiel sind drei Subsysteme A, B, C vorgesehen, welche jeweils auf die beschriebene Weise oder mit mehr miteinander elektrisch gekoppelten Gleichspannungswandlermodulen ausgebildet sein können.
Vorteilhafterweise wird jedes Subsystem A, B, C ausgangsseitig mit einem EMV-Filter 9 abgeschlossen, im Folgenden, insbesondere mit Bezug auf Figur 2, als weiterer EMV-Filter 9 bezeichnet.
Die Gleichspannungswandlermodule können vorteilhafterweise bidirektional betrieben werden. Dadurch wird eine Vorladung eines Hochvoltbordnetzes des Fahrzeugs ermöglicht.
Die einzelnen Gleichspannungswandlermodule sind insbesondere auf eine geringe Nennleistung, beispielsweise 500 W, ausgelegt.
In einer möglichen Ausführungsform ist das erste Gleichspannungswandlermodul, d. h. das Gleichspannungswandlermodul zur Wandlung der Hochvoltspannung in die hohe Niedervoltspannung von beispielsweise 48 V, auf einen sicheren und funktional zuverlässigen Betrieb ausgelegt. Es beinhaltet dann zusätzlich eine integrierte, kurzschlusssichere Abschaltung auf Hochvoltseite und erfüllt zusätzlich funktionelle Anforderungen, um hohe ASIL-Level, beispielsweise für ASIL D, zu erfüllen. Dadurch kann dieses Gleichspannungswandlermodul direkt, insbesondere ohne Trennschütz, an die Hochvoltbatterie 7 angeschlossen werden und für sicherheitskritische Funktionen, beispielsweise Steer-by-wire und hochautomatisierte Fahrfunktionen, ohne zusätzliche Niedervoltbatterie verwendet werden.
Wie in Figur 1 gezeigt, werden die einzelnen Subsysteme A, B, C hochvoltseitig, d. h. eingangsseitig, elektrisch parallel geschaltet. Niedervoltseitig können auf diese Weise, wie oben bereits erwähnt, mehrere Niedervoltbordnetze erzeugt werden.
Überschreitet eine benötigte Niedervoltbordnetzleistung die von einem jeweiligen Subsystem A, B, C bereitgestellte Leistung, werden vorteilhafterweise mehrere Subsysteme A, B, C auch ausgangsseitig, d. h. niedervoltseitig, elektrisch parallel geschaltet. Bei wechselnder Last während des Betriebs können je nach Lastfall einzelne Subsysteme A, B, C zugeschaltet bzw. wieder abgeschaltet werden. Dadurch wird erreicht, dass die einzelnen sich jeweils im Betrieb befindlichen Subsysteme A, B, C auch bei niedriger Niedervoltlast mit einem hohen Wirkungsgrad arbeiten.
Der Gleichspannungswandler 8 ermöglicht eine Kostenreduktion durch die Nutzung eines Modulsystems für unterschiedliche Funktionen beim Niedervoltspannungswandeln, eine Steigerung der Energieeffizienz durch eine gezielte Abschaltung eines oder mehrerer Subsysteme A, B, C bei geringer Niedervoltlast in einem jeweiligen Niedervoltbordnetz, da Gleichspannungswandler 8 ihren höchsten Wirkungsgrad im Nennbetriebspunkt haben, und eine einfache Erzeugbarkeit mehrerer Niedervoltbordnetze im Fahrzeug. Des Weiteren entfällt eine Gleichspannungswandlerneuentwicklung bei geänderten Funktionsanforderungen, beispielsweise für erhöhte Bordnetzanforderungen oder wenn ein Zusatzwandler für ein Solardach benötigt wird.
Der Gleichspannungswandler 8 ist, wie oben beschrieben, zudem vorteilhafterweise verwendbar zur sicheren Niedervolt-Spannungserzeugung bei sicherheitskritischen Anwendungen, beispielsweise für hochautomatisiertes Fahren und Steer-by-Wire.
Der Gleichspannungswandler 8 ist beispielsweise in einer Komponentenanordnung 1 für ein elektrisches Hochvoltbordnetz eines Fahrzeugs einsetzbar, wie in Figur 2 beispielhaft gezeigt.
Bei dieser Komponentenanordnung 1 sind für mehrere elektrische Komponenten K ein gemeinsamer EMV-Filter 2 und ein gemeinsamer Zwischenkreis 3 vorgesehen, wobei diese elektrischen Komponenten K zusammen mit dem gemeinsamen EMV-Filter 2 und dem gemeinsamen Zwischenkreis 3 in einem gemeinsamen Gehäuse 4 angeordnet sind.
Der gemeinsame Zwischenkreise 3 ist beispielsweise als Kondensator ausgebildet.
Die Einheit mit dem Gehäuse 4 sowie mit den elektrischen Komponenten K, dem gemeinsamen EMV-Filter 2 und dem gemeinsamen Zwischenkreis 3, die sich in dem Gehäuse 4 befinden, wird auch als Conversion-Box bezeichnet.
Diese Lösung ermöglicht einen vereinfachten und einheitlichen Aufbau eines
Hochvoltsystems eines Fahrzeugs, da sich unterschiedliche elektrische Komponenten K gemeinsam den Zwischenkreis 3 und den gemeinsamen EMV-Filter 2 teilen können, wobei diese Teile, d. h. der Zwischenkreis 3 und der gemeinsame EMV-Filter 2, dann dazu ausgelegt sind, für alle diese Komponenten K die Funktion erfüllen zu können. Auf diese Weise müssen diese Komponenten K selbst keine eigenen EMV-Filter und Zwischenkreise aufweisen und können kleiner und kompakter gebaut werden. Bei dieser Lösung sind somit vorteilhafterweise alle wesentlichen Bestandteile des Hochvoltsystems für ein Fahrzeug in einem Gehäuse 4, d. h. in einer Box, angeordnet und miteinander verschaltet, so dass diese Box, insbesondere baugleich, universell für verschiedene Fahrzeuge, insbesondere auch für verschiedene Fahrzeugtypen einsetzbar ist.
Die elektrischen Komponenten K, für die der gemeinsame EMV-Filter 2 und der gemeinsame Zwischenkreis 3 vorgesehen sind, sind beispielsweise, wie in Figur 2 gezeigt, eine Leistungselektronik 5 für mindestens eine elektrische Antriebsmaschine zum Antrieb des Fahrzeugs, ein Gleichrichter 6, auch als AC/DC-Wandler bezeichnet, insbesondere für ein Wechselstromladen der Hochvoltbatterie 7 des Fahrzeugs, und der Gleichspannungswandler 8.
Bevorzugt weist die Leistungselektronik 5 für die mindestens eine elektrische Antriebsmaschine eine galvanische Kopplung auf und der Gleichrichter 6 sowie der Gleichspannungswandler 8 weisen jeweils eine galvanische Trennung auf.
Optional kann vorgesehen sein, dass an einem Ausgang der jeweiligen Komponente K ein weiterer EMV-Filter 9 angeordnet ist, d. h. eine oder mehrere oder alle Komponenten K können an ihrem Ausgang jeweils einen eigenen weiteren EMV-Filter 9 aufweisen. Dieser jeweilige weitere EMV-Filter 9 kann dabei beispielsweise im gemeinsamen Gehäuse 4 angeordnet sein. Im dargestellten Beispiel sind für die Leistungselektronik 5 und den Gleichrichter 6 solche weiteren EMV-Filter 9 dargestellt. Da der Gleichspannungswandler 8 mehrere Ausgänge aufweist, kann am jeweiligen Ausgang jeweils ein weiterer EMV-Filter 9 vorgesehen sein, d. h. an einem oder mehreren der Ausgänge oder an allen Ausgängen.
In einer möglichen weiteren Ausführungsform kann vorgesehen sein, dass keine separate Komponente K für den auch als AC/DC-Wandler bezeichneten Gleichrichter 6 für das Wechselstromladen der Hochvoltbatterie 7 vorhanden ist, sondern diese Funktion wird ebenfalls von einem Umrichter der Leistungselektronik 5 für die mindestens eine elektrische Antriebsmaschine übernommen. Die Funktion Wechselstromladen und die Funktion Maschinenwechselrichter, auch als Inverter oder Umrichter bezeichnet, werden dabei insbesondere durch eine Halbleiterschaltung realisiert. Bei dieser Ausführungsform ist am Ausgang der Leistungselektronik 5 für die mindestens eine elektrische Antriebsmaschine in Richtung des Wechselstromladeanschlusses zur Realisierung der Wechselstromladefunktion vorteilhafterweise eine Sicherheitseinheit vorgesehen, welche beispielsweise zwischen der Leistungselektronik 5 für die mindestens eine elektrische Antriebsmaschine und dem weiteren EMV-Filter 9 angeordnet ist. Diese Sicherheitseinheit dient der Einhaltung von Sicherheits- und EMV-Normen. Die galvanische Kopplung erfordert zusätzliche Maßnahmen wie beispielsweise eine Notabschaltung und eine Neutralisierung von PE-Ableitströmen.
In einer weiteren Ausführungsform kann beispielsweise vorgesehen sein, dass keine Wechselstromladefunktion integriert ist. Die Komponenten K, die sich den gemeinsamen Zwischenkreis 3 und den gemeinsamen EMV-Filter 2 teilen, wären dann nur noch die Leistungselektronik 5 für die mindestens eine elektrische Antriebsmaschine und der Gleichspannungswandler 8.
Wie beschrieben, teilen sich die oben erwähnten Komponenten K auf der Gleichstromseite den gemeinsamen Zwischenkreis 3 und den gemeinsamen EMV-Filter 2. Sie weisen zudem trennbare Ausgänge, im dargestellten Beispiel zur Hochvoltbatterie 7, auf. Trennelemente 15 hierfür sind beispielsweise jeweils als Halbleitersicherung oder Schütz/CSID ausgebildet. Dabei kann beispielsweise jeweils eine Halbleitersicherung auf beiden Polen oder eine Schütz/Sicherungskombination auf beiden Polen oder jeweils ein Schütz/CSID auf beiden Polen oder ein Schütz auf dem einen Pol und eine Halbleitersicherung auf dem anderen Pol vorgesehen sein.
Die Komponenten K sind insbesondere jeweils als eine Halbleiterkomponente ausgebildet.
Zusätzlich kann ein Mikrocontroller vorgesehen sein, welcher ebenfalls im Gehäuse 4 angeordnet ist. Auch dieser Mikrocontroller ist insbesondere als eine Halbleiterkomponente ausgebildet.
Der gemeinsame Zwischenkreis 3 und der gemeinsame EMV-Filter 2 sind insbesondere jeweils als ein passives Bauteil ausgebildet.
Die Trennelemente 15 sind insbesondere jeweils als eine passive Halbleiterkomponente ausgebildet, beispielsweise als Halbleitersicherung. Die Trennelemente 15 können alternativ beispielsweise auch als ein Schütz oder CSID ausgeführt sein, was dann hingegen ein mechanisches Bauteil ist.
Der jeweilige weitere EMV-Filter 9, wenn er vorgesehen ist, ist insbesondere als ein passives Bauteil ausgebildet.
Die oben beschriebenen, insbesondere im Gehäuse 4 angeordneten, Bestandteile der Komponentenanordnung 1, insbesondere der Conversion-Box, insbesondere die oben beschriebenen Komponenten K sind vorteilhafterweise gemeinsam in Form einer hochintegrierten Leistungselektronik realisiert, d. h. die Komponentenanordnung 1 weist insbesondere im Gehäuse 4 keine einzelnen Bestandteile auf, sondern nur die hoch integrierte Leistungselektronik.
Die beschriebene Lösung ermöglicht insbesondere eine kompakte Integration von Hochvoltfunktionalitäten, beispielsweise elektrisches Schalten, Laden, Wandeln, Umrichten, was dann beispielsweise auch eine kompaktere Bauweise und/oder Kostenreduktion ermöglicht.
Die beschriebene Lösung nutzt vorteilhafterweise einen gemeinsamen Bauraum für alle Hochvoltfunktionalitäten, insbesondere Schalten, Laden, Wandeln, Umrichten. Durch die gemeinsame Nutzung von passiven Bauelementen, wie dem gemeinsamen EMV-Filter 2, und der Zwischenkreiskapazität, d. h. dem gemeinsamen Zwischenkreis 3, werden Synergien genutzt. Dadurch wird eine kompakte Bauweise ermöglicht. Mit dem Ersatz von mechanischen Sicherungs-/Abschaltungselementen, insbesondere Schützen, durch Halbleiterschalter zur Trennung von der Hochvoltbatterie 7 entfallen mechanische Bauteile für die Funktion Schalten. Vorteilhafterweise werden leistungselektronische Halbleiter zur Realisierung aller Kernfunktion, insbesondere Schalten, Wandeln, Laden, Umrichten verwendet.
Durch diese Realisierung aller wesentlichen Funktionen durch Halbleiter kann eine hohe Halbleiterintegration erreicht werden. Eine Realisierung von Funktionsvarianten und/der Zusatzfunktionen, beispielsweise aufgrund von Sonderausstattungen, beispielsweise Sonderausstattung Wechselstromladen, erfolgt vorteilhafterweise softwareseitig und nicht wie bisher über die Änderung der Hardware, da einzelne Funktionen nicht aus der gesamten Hochvoltleistungselektronik herauslösbar sind. Zudem können dadurch Funktionen auch nach Fahrzeugherstellung gekauft und freigeschalten werden. Um den gemeinsame EMV-Filter 2 für alle Funktionalitäten verwenden zu können, sind vorteilhafterweise die Ansteuerungen der einzelnen Halbleitergruppen aufeinander abgestimmt.
Wie bereits erwähnt, nutzt die beschriebene Lösung vorteilhafterweise einen gemeinsamen Bauraum für alle Hochvoltfunktionalitäten, insbesondere Schalten, Laden, Wandeln, Umrichten. Bei der Ausführungsform, in welcher die Funktion des Gleichrichters 6 für das Wechselstromladen der Hochvoltbatterie 7 vom Umrichter der Leistungselektronik 5 für die mindestens eine elektrische Antriebsmaschine übernommen wird, so dass kein separater Gleichrichter 6 vorgesehen ist, werden nicht nur Synergien bei passiven Bauteilen genutzt, sondern zusätzlich eine Halbleiterschaltung für die Motoransteuerung und für die Wechselstromladefunktionalität verwendet. D. h. zusätzlich zu den Synergien bei passiven Bauteilen wird somit auch die Synergie auf der Ebene der Halbleiterschaltung für die Motoransteuerung und für die Wechselstromladefunktionalität genutzt. Durch diese zusätzliche Nutzung von Synergien auch bei aktiven Bauteilen für den Wandler des Antriebs und des Wechselstromladens sind eine kompaktere Bauweise und eine zusätzliche Kostenreduktion möglich. Die Verschmelzung der unterschiedlichen Funktionen, insbesondere die Wechselstromladefunktion und die Fahrfunktion mittels der mindestens einen elektrischen Antriebsmaschine, zu der übergeordneten Funktion Energieumwandlung ist eine konsequente Weiterentwicklung des Trends im batterieelektrischen Fahrzeugbereich zur Hochintegration und berücksichtigt den Trend der Halbleiterentwicklung.
Bezugszeichenliste
1 Komponentenanordnung
2 gemeinsamer EMV-Filter
3 Zwischenkreis
4 Gehäuse
5 Leistungselektronik
6 Gleichrichter
7 Hochvoltbatterie
8 Gleichspannungswandler
9 weiterer EMV-Filter
10 Wandlergehäuse
11 Niedervoltbordnetz mit einer ersten Niedervoltspannungslage
12 Niedervoltbordnetz mit einer zweiten Niedervoltspannungslage
13 Energierückspeisung
14 Selbstversorgung
15 Trennelement
A, B, C Subsystem
K Komponente

Claims

Patentansprüche Gleichspannungswandler (8), gekennzeichnet durch mehrere Gleichspannungswandlermodule mit voneinander abweichenden elektrischen Eingangsspannungen und Ausgangsspannungen, welche als eine gemeinsame integrierte Baueinheit ausgebildet sind und in mehreren Subsystemen (A, B, C) derart miteinander elektrisch verschaltbar sind, dass eine elektrische Hochvoltspannung in verschiedene elektrische Niedervoltspannungen wandelbar ist. Gleichspannungswandler (8) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass ein Gleichspannungswandlermodul zur Wandlung der Hochvoltspannung in eine Niedervoltspannung vorgesehen ist und die anderen Gleichspannungswandlermodule zur Wandlung einer Niedervoltspannung in eine andere Niedervoltspannung vorgesehen sind. Gleichspannungswandler (8) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Subsysteme (A, B, C) unabhängig voneinander aktivierbar und deaktivierbar sind. Gleichspannungswandler (8) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eines der Subsysteme (A, B, C) ständig aktiv ist. Komponentenanordnung (1) für ein elektrisches Hochvoltbordnetz eines Fahrzeugs, umfassend einen Gleichspannungswandler (8) nach einem der vorhergehenden Ansprüche. Komponentenanordnung (1) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass für mehrere elektrische Komponenten (K) ein gemeinsamer EMV-Filter (2) und ein gemeinsamer Zwischenkreis (3) vorgesehen sind, wobei diese elektrischen Komponenten (K) zusammen mit dem gemeinsamen EMV-Filter (2) und dem gemeinsamen Zwischenkreis (3) in einem gemeinsamen Gehäuse (4) angeordnet sind. Komponentenanordnung (1) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrischen Komponenten (K), für die der gemeinsame EMV-Filter (2) und der gemeinsame Zwischenkreis (3) vorgesehen sind, eine Leistungselektronik (5) für mindestens eine elektrische Antriebsmaschine zum Antrieb des Fahrzeugs, ein Gleichrichter (6) und/oder der Gleichspannungswandler (8) sind.
EP22813290.8A 2021-11-09 2022-11-07 Gleichspannungswandler und komponentenanordnung für ein elektrisches hochvoltbordnetz eines fahrzeugs Pending EP4413653A1 (de)

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