EP4595198A1 - Gleichspannungswandler, elektrofahrzeug und verfahren zum betreiben eines gleichspannungswandlers - Google Patents

Gleichspannungswandler, elektrofahrzeug und verfahren zum betreiben eines gleichspannungswandlers

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EP4595198A1
EP4595198A1 EP23741680.5A EP23741680A EP4595198A1 EP 4595198 A1 EP4595198 A1 EP 4595198A1 EP 23741680 A EP23741680 A EP 23741680A EP 4595198 A1 EP4595198 A1 EP 4595198A1
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EP
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voltage
connection
converter
switching element
semiconductor switching
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Application number
EP23741680.5A
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Inventor
Jian Tian
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Robert Bosch GmbH
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Robert Bosch GmbH
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Publication date
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    • H02M3/33573—Full-bridge at primary side of an isolation transformer

Definitions

  • An electrical system of a vehicle that is fully or at least partially electrically powered usually comprises a high-voltage network and a low-voltage network.
  • the high-voltage network usually has a direct current in the range of a few hundred volts.
  • the low-voltage network usually has a significantly lower direct current, for example in the range of 12 to 14, 24 or 48 volts.
  • An electric drive system of such a vehicle and possibly other consumers with high power consumption are usually powered by the high-voltage network.
  • the low-voltage network usually powers consumers such as lighting, control units, brake and steering actuators or an entertainment system in the vehicle.
  • the high-voltage network and the low-voltage network can be coupled to one another, for example, using a DC-DC converter.
  • a DC-DC converter electrical energy can be exchanged between the high-voltage network and the low-voltage network.
  • electrical consumers in the low-voltage network can be supplied with electrical energy from a traction battery in the high-voltage network.
  • the publication DE 10 2014 210 283 A1 describes a method for operating a vehicle electrical system with at least two voltage levels, which have different nominal voltages.
  • the present invention provides a DC-DC converter, an electric vehicle and a method for operating a DC-DC converter with the features of the independent patent claims. Further advantageous embodiments are the subject of the dependent patent claims.
  • the transformer includes a primary winding, a first secondary winding and a second secondary winding.
  • the first H-bridge circuit is connected to a first DC voltage connection at external connections.
  • the center connections of the first H-bridge circuit are electrically coupled to the primary winding of the transformer.
  • the first resonant circuit is electrically arranged between the center connections of the first H-bridge circuit and the primary winding of the transformer.
  • the second H-bridge circuit is connected to a second DC voltage connection at external connections.
  • the center connections of the second H-bridge circuit are electrically coupled to the first secondary winding of the transformer.
  • the voltage converter circuit includes six semiconductor switching elements and an inductor.
  • a first semiconductor switching element between a first Node point and a first center connection arranged.
  • a second semiconductor switching element is arranged between the first center connection and a first external connection.
  • a third semiconductor switching element is arranged between a second node and a second center terminal.
  • a fourth semiconductor switching element is arranged between the second center connection and the first external connection.
  • a fifth switching element is arranged between a second external connection and the first node.
  • a sixth switching element is arranged between the second external connection and the second node.
  • the first external connection of the voltage converter circuit is electrically connected to a first connection point of a third DC voltage connection.
  • the inductance is arranged between the second external connection of the voltage converter circuit and a second connection point of the third DC voltage connection.
  • the first center connection and the second center connection of the voltage converter circuit are each electrically connected to connections of the second secondary winding of the transformer.
  • An electric vehicle with a high-voltage electrical system, a low-voltage electrical system and a DC-DC converter according to the invention.
  • the second DC voltage connection of the DC-DC converter is electrically coupled to the high-voltage electrical system of the electric vehicle.
  • the third DC voltage connection of the DC-DC converter is electrically coupled to the low-voltage electrical system of the electric vehicle.
  • the first DC voltage connection of the DC-DC converter can further be designed to be connected to a charging connection or a charging circuit of the electric vehicle.
  • DC-DC converter wherein the method comprises one of the following
  • the method can Electrical energy is transmitted from the first DC voltage connection to the second DC voltage connection.
  • electrical energy can be transferred from the second DC voltage connection to the third DC voltage connection.
  • electrical energy can be transferred from the third DC voltage connection to the second DC voltage connection.
  • electrical energy can be transmitted from the second DC voltage connection to the first DC voltage connection and to the third DC voltage connection.
  • electrical energy can be transmitted from the first DC voltage connection to the first second DC voltage connection and to the third DC voltage connection.
  • electrical energy can be transmitted from the third second DC voltage connection to the first DC voltage connection.
  • the fifth and sixth switching elements of the voltage converter circuit can be opened in the first and sixth operating modes. In the second and third operating modes, the fifth and sixth switching elements of the voltage converter circuit are closed. In the fourth and fifth operating modes, the fifth and sixth switching elements of the voltage converter circuit are controlled as buck converters.
  • the present invention is based on the knowledge that, if necessary, several DC-DC converters can be provided in conventional electric vehicles. For example, electrical energy can be exchanged between a high-voltage electrical system and a low-voltage electrical system using a DC-DC converter. In addition, a further DC-DC converter can also be provided between an external energy source and internal vehicle electrical systems. This means significant hardware effort and associated costs. It is therefore an idea of the present invention to provide a DC-DC converter which can realize an exchange of electrical energy between more than two terminals. In particular, it is desirable to realize a cost-effective and efficient DC-DC converter for energy exchange between more than two DC voltage connections.
  • a DC-DC converter with three DC voltage connections is provided.
  • the electrical energy can be exchanged between the individual DC voltage connections in almost any configuration.
  • a first DC voltage connection can be provided to be connected to an external energy source, for example a charging connection of an electric vehicle.
  • a DC voltage can either be provided directly at the charging connection, or alternatively, an AC voltage provided can be rectified by means of a rectifier and the rectified voltage can then be provided at the first DC voltage connection.
  • a second DC voltage connection can, for example, be designed to be connected to a high-voltage electrical system of an electric vehicle.
  • a high-voltage electrical system can include, for example, a traction battery as well as an electric drive system and possibly other consumers.
  • the high-voltage electrical system usually has an electrical voltage of a few hundred volts, for example 400 V or 800 V.
  • a third DC voltage connection of the rectifier can, for example, be designed to be connected to a low-voltage electrical system of an electric vehicle.
  • electrical consumers such as sensors, actuators, control devices, components of comfort functions, an entertainment system or the like can be provided.
  • an electrical energy storage device in the form of a rechargeable battery can also be provided in this low-voltage vehicle electrical system.
  • the low-voltage electrical system can have an electrical voltage that is significantly lower than the electrical voltage in the high-voltage network.
  • the electrical voltage in the low-voltage vehicle electrical system can be 12 to 14 V, 24 V or 48 V.
  • the half-bridge circuits of the rectifier can, for example, comprise two half-bridges, each with two semiconductor switching elements.
  • the semiconductor switching elements can be, for example, MOSFETs or bipolar transistors with an insulated gate connection (IGBT).
  • a half-bridge comprises two semiconductor switching elements connected in series. The two semiconductor switching elements are electrically connected to one another at a center connection.
  • the other connections which are referred to here as external connections, are connected to corresponding connection points of the respective DC voltage connections.
  • the center connections are connected to the connections of the corresponding windings of the transformer either directly or via an oscillating circuit.
  • the resonant circuit can, for example, include a series-connected coil or inductor and a capacitor or capacitance.
  • an inductance can also be provided, for example, between a center connection and a corresponding connection of the winding of the transformer, and a capacitance can be provided between the further center connection and the corresponding connection of the winding of the transformer.
  • any other configurations of resonant circuits are of course also possible. If necessary, the resonant circuit can only consist of a capacitance or an inductance.
  • the voltage converter circuit which is provided between the second secondary winding and the third DC voltage connection, comprises not only the components of an H-bridge but also two additional switching elements (fifth and sixth switching elements) and an inductance. These additional components enable the functionality of a buck converter to be realized.
  • the first semiconductor switching element and the fifth semiconductor switching element are complementary semiconductor switching elements.
  • the second semiconductor switching element and the sixth semiconductor switching element are complementary semiconductor switching elements.
  • the first, the second, the third and the fourth semiconductor switching elements can be the same or at least similar semiconductor switching elements.
  • a complementary semiconductor switching element to an n-channel transistor is, for example, a p-channel transistor and vice versa.
  • complementary semiconductor switching elements have opposite blocking or forward directions in the open state.
  • the semiconductor switching elements can be, for example, MOSFETs or bipolar transistors with an insulated gate connection (IGBT).
  • IGBT insulated gate connection
  • mixed forms are also conceivable, in which, for example, the first to fourth semiconductor switching elements are designed as IGBT and the fifth to sixth semiconductor switching elements are designed as MOSFET.
  • the first H-bridge circuit and the second H-bridge circuit each comprise four semiconductor switching elements.
  • the four semiconductor switching elements are designed in particular in the form of two half bridges.
  • a first semiconductor switching element is arranged between a first external connection and a first center connection of the respective H-bridge circuit.
  • a second semiconductor switching element is arranged between the first external connection and a second center connection of the respective H-bridge circuit.
  • a third semiconductor switching element is arranged between a second external connection and the first center connection of the respective H-bridge circuit.
  • a fourth semiconductor switching element is arranged between the second external connection and the second center connection of the respective H-bridge circuit.
  • the DC-DC converter comprises a second resonant circuit.
  • the second resonant circuit is electrically arranged between the center terminals of the second H-bridge circuit and the first secondary winding of the transformer.
  • the second resonant circuit can also comprise a capacitance and an inductance.
  • a series circuit comprising a capacitance and an inductance can be provided between a center terminal of the second H-bridge circuit and the corresponding terminal of the first secondary winding of the transformer.
  • the second resonant circuit can also comprise only a capacitance, which is arranged between a center terminal of the second H-bridge circuit and the corresponding terminal of the first secondary winding of the transformer.
  • the DC-DC converter comprises a control device.
  • the control device is designed to control the semiconductor switching elements of the first H-bridge circuit, the second H-bridge circuit and the voltage converter circuit in the DC-DC converter.
  • the control can be carried out, for example, by means of pulse-width modulated control signals.
  • the control device can be designed to adapt a frequency and/or phase of an electrical alternating voltage that is established at the primary winding and/or the first secondary winding of the transformer in a resonant operation.
  • control device can be designed to control the fifth and/or the sixth semiconductor switching element of the voltage converter circuit in a buck converter mode.
  • the DC-DC converter is designed to receive electrical energy from the first DC voltage connection to the second DC voltage connection.
  • electrical energy can be transmitted from an energy source connected to the first DC voltage connection to a traction battery of an electric vehicle connected to the second DC voltage connection in order to charge the traction battery.
  • the DC voltage converter can be operated in a resonant mode according to the resonance frequency of the first oscillating circuit.
  • the DC voltage converter can be designed to transmit electrical energy from the second DC voltage connection to the third DC voltage connection in a second operating mode. If a second oscillating circuit is provided between the second H-bridge circuit and the first secondary winding of the transformer, the DC voltage converter can also be operated in a resonant operating mode.
  • this second operating mode for example, electrical energy can be transmitted from a traction battery of an electric vehicle connected to the second DC voltage connection to a low-voltage on-board network of the electric vehicle connected to the third DC voltage connection.
  • the fifth and sixth switching elements of the voltage converter circuit can both be closed.
  • the DC-DC converter can be designed to transmit electrical energy from the third DC voltage connection to the second DC voltage connection in a third operating mode.
  • the fifth and sixth switching elements of the voltage converter circuit can be closed.
  • electrical energy can be transmitted from the low-voltage electrical system of an electric vehicle to the high-voltage electrical system of the electric vehicle at the second DC voltage connection in order to charge an intermediate circuit in the high-voltage electrical system.
  • the DC-DC converter can be designed to transmit electrical energy from the second DC voltage connection to the first DC voltage connection and to the third DC voltage connection at the same time in a fourth operating mode.
  • the fifth and sixth switching elements of the voltage converter circuit can be controlled together with the inductance of the voltage converter circuit as a buck converter. In this way, both the electrical voltage at the first DC voltage connection as well as the third DC voltage connection can be specifically set to predetermined target values.
  • the DC voltage converter can be designed to transfer electrical energy from the first DC voltage connection to the second DC voltage connection and simultaneously to the third DC voltage connection in a fifth operating mode. In this case, the fifth and/or the sixth switching element of the voltage converter circuit can be controlled as a buck converter.
  • the DC voltage converter can be designed to transfer electrical energy from the second DC voltage connection to the first DC voltage connection in a sixth operating mode. In this case, both the fifth and the sixth switching element of the voltage converter circuit are closed.
  • Fig. 4 a flow chart underlying a method for operating a DC-DC converter according to an embodiment.
  • FIG. 1 shows a schematic representation of a basic circuit diagram of a DC-DC converter 1 according to an embodiment.
  • the DC-DC converter 1 includes three DC voltage connections Gl, G2 and G3. If such a DC-DC converter 1 is used, for example, in an electric vehicle, an external energy source, for example a charging station, can be connected to the first DC voltage connection G1. If this charging station already provides a DC voltage, the charging voltage provided can be provided directly, if necessary via a suitable isolating switch, at the first DC voltage connection G1. If a single- or multi-phase alternating voltage is provided by the external energy source, this can optionally be converted into a direct voltage via a rectifier or a suitable other charging circuit 100 and the direct voltage can be provided at the first direct voltage connection G1.
  • a high-voltage electrical system 200 of an electric vehicle can be connected to the second DC voltage connection G2.
  • a high-voltage electrical system 200 can include, for example, a traction battery, an electric drive system or any other electrical consumers.
  • the high-voltage electrical system usually has an electrical voltage of a few hundred volts, for example 350 to 400 V or 800 V.
  • a low-voltage electrical system 300 of an electric vehicle can be connected to the third DC voltage connection G3.
  • electrical consumers can be connected such as control devices, sensors, actuators, components for comfort functions in an electric vehicle, an entertainment system or the like.
  • An electrical energy storage device for example a lead battery or the like, can also be provided in this low-voltage on-board network 300.
  • the low-voltage on-board network 300 generally has an electrical voltage that is significantly lower than the electrical voltage in the high-voltage on-board network 200.
  • the electrical voltage in the low-voltage on-board network 300 can be 12 to 14 V, 24 V or 48 V.
  • the DC-DC converter 1 is designed to exchange electrical energy between the three DC voltage connections Gl, G2 and G3.
  • a transformer TR is provided in the DC-DC converter 1. In this way, the individual DC voltage connections Gl, G2 and G3 can be galvanically isolated from one another.
  • the transformer TR comprises a primary winding 11, a first secondary winding 12 and a second secondary winding 13. Furthermore, the DC-DC converter 1 comprises a first H-bridge circuit H1, a second H-bridge circuit H2 and a voltage converter circuit H3. The basic structure of an H-bridge circuit H1, H2 is explained in more detail below.
  • the two outer connections A11, A12 of the first H-bridge circuit H1 are electrically connected to corresponding connection points of the first DC voltage connection Gl.
  • the two center connections Mil, M12 of the first H-bridge circuit H1 are connected to the two connections of the primary winding 11 via a first resonant circuit S1.
  • the first resonant circuit S1 can include, for example, a first capacitance CI and a first inductance II.
  • the first capacitance CI can be provided between a first center connection Mil of the first H-bridge circuit Hl and a corresponding connection of the primary winding 11.
  • first inductor II can be provided between the second center connection M12 of the first half bridge Hl and the further connection of the primary winding 11.
  • other suitable arrangements of resonant components for the first resonant circuit S1 are also possible.
  • the second H-bridge circuit H2 is electrically connected to the two external connections with corresponding connection points of the second DC voltage connection G2.
  • the two center connections of the second H-bridge circuit H2 are connected to the two connections of the first secondary winding 12 of the transformer TR. If necessary, further resonant components can also be provided between the connection points of the first secondary winding 12 of the transformer TR and the center connections of the second H-bridge circuit H2. This will be explained in more detail below.
  • the voltage converter circuit H3 is arranged between the third DC voltage connection G3 and the second secondary winding 13 of the transformer TR.
  • the voltage converter circuit H3 comprises six semiconductor switching elements TI to T6 and an inductance L. If necessary, a (parasitic) inductance of the second secondary winding 13 of the transformer TR can also be used in addition or as an alternative to this discrete inductance.
  • a first semiconductor switching element TI is arranged between a first node Kl and a first center short Ml of the voltage converter circuit H3.
  • the second switching element T2 is arranged between the first center connection Ml and a first external connection Al of the voltage converter circuit H3.
  • a third switching element T3 is arranged between a second node K2 and a second center terminal M2 of the voltage converter circuit H3.
  • a fourth switching element T4 is arranged between the second center connection M2 and the first external connection Al.
  • a fifth semiconductor switching element T5 is arranged between a second external connection A2 and the first node K1 of the voltage converter circuit H3.
  • a sixth semiconductor switching element T6 is arranged between the second external connection A2 and the second node K2.
  • the first external connection Al is electrically connected to a first connection point of the third DC voltage connection G3.
  • the inductance L is arranged between the second external connection A2 of the voltage converter circuit H3 and the second connection point of the DC voltage connection G3.
  • the switching elements TI to T6 of the voltage converter circuit H3 as well as the switching elements of the first half-bridge circuit Hl and the second half-bridge circuit H2 can be controlled in a suitable manner by a control device 20. In this way, electrical energy can be exchanged between the DC voltage connections Gl, G2 and G3 in almost any way.
  • a control device 20 To regulate the energy transfer, current and/or voltage sensors (not shown) can optionally be provided in the DC-DC converter 1. The sensor values of these current or voltage sensors can be provided on the control device 20.
  • the control device 20 then generates control signals for the switching elements in the first half-bridge circuit H1, the second half-bridge circuit H2 and the voltage converter circuit H3 using a setpoint specification for the energy transfer and the output voltages to be set. These control signals can optionally be provided to the corresponding switching elements via suitable driver stages.
  • Figure 2 shows a schematic representation of a basic circuit diagram of a half-bridge circuit, such as the first half-bridge circuit Hl or second half-bridge circuit H2 can be used in a rectifier 1 according to the invention. Even if the explanations are described below in connection with the first half-bridge circuit H1, they also apply analogously to the second half-bridge circuit H2.
  • the first half-bridge circuit Hl comprises two half-bridges, each with two series-connected semiconductor switching elements TU to T14.
  • a first semiconductor switching element TU is arranged between a first external connection All and a first center connection Mil.
  • a second semiconductor switching element T12 is arranged between the first center terminal Mil and a second external terminal A12.
  • a third semiconductor switching element T13 is arranged between the first external connection All and a second center connection M12.
  • a fourth semiconductor switching element T14 is arranged between the second center terminal M12 and the second external terminal A12.
  • the two external connections All and A12 are connected to the corresponding connections of the primary winding 11 of the transformer TR via the first resonant circuit S1.
  • the second half-bridge circuit H2 is constructed analogously to the circuit principle described above with the four semiconductor switching elements T21 to T24.
  • the semiconductor switching elements T21 to are therefore arranged accordingly between the outer terminals A21 and A22 and the center terminals M21 and M22.
  • FIG. 3 shows a schematic representation of a basic circuit diagram of a DC-DC converter 1 according to a further embodiment.
  • the DC-DC converter 1 according to FIG. 3 differs in particular in that a second resonant circuit S2 is provided between the first secondary winding 12 of the transformer TR and the second half-bridge circuit H2.
  • This resonant circuit can, for example, include a second capacitance C2 and a second inductance 12.
  • a series connection of the second capacitance C2 and the second inductance 12 between a connection point of the first secondary winding 12 of the transformer TR and be provided at a center connection of the second half-bridge circuit H2.
  • the second capacitance C2 can also be provided between a connection of the first secondary winding 12 of the transformer TR and a first center connection of the second half bridge H2, and the second inductance 12 can be provided between a further connection of the first secondary winding 12 of the transformer TR and a second center connection of the second half bridge H2 can be provided. If necessary, only a capacitance C2 between a connection of the first secondary winding 12 of the transformer TR and a center connection of the second half-bridge circuit H2 is possible as the second resonant circuit S2.
  • the switching elements of the first half-bridge circuit Hl and the second half-bridge circuit H2 can be controlled in such a way that an electrical alternating voltage is present at the windings of the transformer TR, taking into account the frequency and/or phase of these alternating voltages a resonance frequency of the first resonant circuit S1 and / or the second resonant circuit S2 can be set. In this way, a resonant operating mode can be set in the DC-DC converter 1.
  • the basic principle of such resonant operation is considered to be known, a more detailed explanation is omitted here.
  • Figure 4 shows a flow chart as it can form the basis of a method for operating a DC-DC converter 1, in particular one of the DC-DC converters 1 described above, according to one embodiment.
  • the control device 20 can control the switching elements in the H-bridge circuits H1, H2 and/or in the voltage converter circuit H3 in a suitable manner.
  • a pulse width modulated control can be carried out in order to set the desired electrical voltage in terms of amplitude, frequency and phase at the respective primary or secondary windings 11, 12, 13.
  • a first operating mode Bl electrical energy can be transmitted from the first DC voltage connection Gl to the second DC voltage connection G2.
  • the fifth switching element T5 and the sixth switching element T6 of the voltage converter circuit H3 can be open.
  • the third DC voltage connection G3 is electrically separated from the second secondary winding 13 of the transformer TR.
  • an electrical alternating voltage can be generated in a resonant operating mode, the frequency and/or phase of which is set taking into account a resonance frequency of the first resonant circuit S1.
  • electrical energy can be transmitted from an energy source connected to the first DC voltage connection Gl to a traction battery connected to the second DC voltage connection G2, for example to charge the traction battery.
  • a second operating mode B2 electrical energy can be transmitted from the second DC voltage connection G2 to the third DC voltage connection G3.
  • This allows, for example, electrical energy to be transmitted from a traction battery in the high-voltage network of an electric vehicle to a low-voltage network of the electric vehicle.
  • a second oscillating circuit S2 is provided between the second half-bridge circuit H2 and the first secondary winding 12 of the transformer TR, a resonant operation can also be set taking into account the resonance frequency of the second oscillating circuit S2.
  • the fifth switching element T5 and the sixth switching element T6 are both closed.
  • a third operating mode B3 electrical energy can be transferred from the third DC voltage connection G3 to the second DC voltage connection G2.
  • This can be used, for example, to charge an intermediate circuit that is located in the high-voltage vehicle network that is connected to the second DC voltage connection G2.
  • both the fifth switching element T5 and the sixth switching element T6 are closed.
  • the switching elements TI - T4 in an H-bridge circuit 31 of the voltage converter circuit H3 can be controlled, for example, according to the principle of a dual active bridge. Since this switching principle is also considered to be known, further details will not be discussed here.
  • a fourth operating mode B4 electrical energy can be transmitted from the second DC voltage connection G2 to the first DC voltage connection Gl and simultaneously to the third DC voltage connection G3.
  • the DC-DC converter 1 is operated in such a way that an electrical DC voltage to be set is present at the first DC voltage connection Gl.
  • the fifth switching element T5 and the sixth switching element T6 as well as the inductance L of the voltage converter circuit H3 form a buck converter 32.
  • the control device 20 can thus set the electrical voltage at the third DC voltage connection G3 according to a predetermined target value by suitably controlling the fifth switching element T5 and the sixth switching element T6 of this buck circuit 32.
  • a fifth operating mode B5 electrical energy can be transmitted from the first DC voltage connection Gl to the second DC voltage connection G2 and at the same time from the first DC voltage connection Gl to the third DC voltage connection G3.
  • the electrical voltage at the second DC voltage connection G2 is initially set according to a setpoint specification.
  • the electrical voltage at the third DC voltage connection G3 can also be adjusted here by appropriately controlling the fifth switching element T5 and the sixth switching element T6 in the step-down converter circuit 32 of the voltage converter circuit H3.
  • a sixth operating mode B6 electrical energy can be transmitted from the second DC voltage connection G2 to the first DC voltage connection Gl and simultaneously to the third DC voltage connection (G3).
  • a resonant operating mode can be selected if necessary.
  • the fifth switching element T5 and the sixth switching element T6 of the voltage converter circuit H3 are open.
  • the present invention relates to a DC-DC converter with three DC voltage connections. Electrical energy can be exchanged between the three DC voltage connections in almost any way.
  • the DC-DC converter includes a resonant circuit for resonant operation.
  • a combination of an H-bridge circuit and a buck converter is also provided on at least one DC-DC converter connection.

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Abstract

Gleichspannungswandler mit drei Gleichspannungsanschlüssen. Der Gleichspannungswandler kann elektrische Energie in nahezu beliebiger Weise zwischen den drei Gleichspannungsanschlüssen austauschen. Der Gleichspannungswandler umfasst einen Schwingkreis für einen resonanten Betrieb. Darüber hinaus ist an mindestens einem Gleichspannungswandleranschluss eine Kombination aus einer H-Brückenschaltung und einem Tiefsetzsteller vorgesehen.

Description

Beschreibung
Titel
Gleichspannungswandler, Elektrofahrzeug und Verfahren zum Betreiben eines Gleichspannungswandlers
Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Gleichspannungswandler sowie ein Elektrofahrzeug mit einem solchen Gleichspannungswandler. Die vorliegende Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Betreiben eines Gleichspannungswandlers. Die vorliegende Erfindung betrifft insbesondere einen Gleichspannungswandler mit drei Gleichspannungsanschlüssen.
Stand der Technik
Ein elektrisches Bordnetz eines ganz oder zumindest teilweise elektrisch angetriebenen Fahrzeugs umfasst in der Regel ein Hochvoltnetz und ein Niedervoltnetz. Das Hochvoltnetz weist in der Regel eine elektrische Gleichspannung im Bereich von einigen Hundert Volt auf. Das Niedervoltnetz weist in der Regel eine signifikant geringere elektrische Gleichspannung, beispielsweise im Bereich von 12 bis 14, 24 oder 48 Volt auf. Üblicherweise wird ein elektrisches Antriebssystem eines solchen Fahrzeugs sowie gegebenenfalls weitere Verbraucher mit hoher Leistungsaufnahme von dem Hochvoltnetz gespeist. Das Niedervoltnetz speist in der Regel Verbraucher wie zum Beispiel Beleuchtungen, Steuergeräte, Brems- und Lenkaktuatoren oder ein Entertainmentsystem des Fahrzeugs.
Hochvoltnetz und Niedervoltnetz können beispielsweise mittels eines Gleichspannungswandlers miteinander gekoppelt sein. Mittels eines solchen Gleichspannungswandlers kann elektrische Energie zwischen dem Hochvoltnetz und dem Niedervoltnetz ausgetauscht werden. Auf diese Weise können zum Beispiel elektrische Verbraucher im Niedervoltnetz mittels elektrischer Energie von einer Traktionsbatterie in dem Hochvoltnetz mit elektrischer Energie versorgt werden. Die Druckschrift DE 10 2014 210 283 Al beschreibt beispielsweise ein Verfahren zum Betreiben eines Fahrzeugbordnetzes mit mindestens zwei Spannungsebenen, welche unterschiedliche Nennspannungen aufweisen.
Darüber hinaus kann in einem solchen Elektrofahrzeug ein weiterer Spannungswandler vorgesehen sein, welcher eine elektrische Spannung am Ladeanschluss des Fahrzeugs in eine Gleichspannung konvertiert, die dazu geeignet ist, die Traktionsbatterie des Elektrofahrzeugs aufzuladen.
Offenbarung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung schafft einen Gleichspannungswandler, ein Elektrofahrzeug und ein Verfahren zum Betreiben eines Gleichspannungswandlers mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche. Weitere vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche.
Demgemäß ist vorgesehen:
Ein Gleichspannungswandler mit einem Transformator, einer ersten H- Brückenschaltung, einer zweiten H-Brückenschaltung, einer Spannungswandlerschaltung und einem Schwingkreis. Der Transformator umfasst eine Primärwicklung, eine erste Sekundärwicklung und eine zweite Sekundärwicklung. Die erste H-Brückenschaltung ist an Außenanschlüssen mit einem ersten Gleichspannungsanschluss verbunden. Die Mittenanschlüsse der ersten H-Brückenschaltung sind mit der Primärwicklung des Transformators elektrisch gekoppelt. Hierbei ist der erste Schwingkreis elektrisch zwischen den Mittenanschlüssen der ersten H-Brückenschaltung und der Primärwicklung des Transformators angeordnet. Die zweite H-Brückenschaltung ist an Außenanschlüssen mit einem zweiten Gleichspannungsanschluss verbunden. Die Mittenanschlüsse der zweiten H-Brückenschaltung sind mit der ersten Sekundärwicklung des Transformators elektrisch gekoppelt. Die Spannungswandlerschaltung umfasst sechs Halbleiterschaltelemente und eine Induktivität. Hierbei ist ein erstes Halbleiterschaltelement zwischen einem ersten Knotenpunkt und einem ersten Mittenanschluss angeordnet. Ein zweites Halbleiterschaltelement ist zwischen dem ersten Mittenanschluss und einem ersten Außenanschluss angeordnet. Ein drittes Halbleiterschaltelement ist zwischen einem zweiten Knotenpunkt und einem zweiten Mittenanschluss angeordnet. Ein viertes Halbleiterschaltelement ist zwischen dem zweiten Mittenanschluss und dem ersten Außenanschluss angeordnet. Ein fünftes Schaltelement ist zwischen einem zweiten Außenanschluss und dem ersten Knotenpunkt angeordnet. Ein sechstes Schaltelement ist zwischen dem zweiten Außenanschluss und dem zweiten Knotenpunkt angeordnet. Der erste Außenanschluss der Spannungswandlerschaltung ist elektrisch mit einem ersten Anschlusspunkt eines dritten Gleichspannungsanschlusses verbunden. Die Induktivität ist zwischen dem zweiten Außenanschluss der Spannungswandlerschaltung und einem zweiten Anschlusspunkt des dritten Gleichspannungsanschlusses angeordnet. Der erste Mittenanschluss und der zweite Mittenanschluss der Spannungswandlerschaltung sind jeweils mit Anschlüssen der zweiten Sekundärwicklung des Transformators elektrisch verbunden.
Ferner ist vorgesehen:
Ein Elektrofahrzeug mit einem Hochvoltbordnetz, einem Niedervoltbordnetz und einem erfindungsgemäßen Gleichspannungswandler. Hierbei ist der zweite Gleichspannungsanschluss des Gleichspannungswandlers mit dem Hochvoltbordnetz des Elektrofahrzeugs elektrisch gekoppelt. Der dritte Gleichspannungsanschluss des Gleichspannungswandlers ist elektrisch mit dem Niedervoltbordnetz des Elektrofahrzeugs gekoppelt. Der erste Gleichspannungsanschluss des Gleichspannungswandlers kann ferner dazu ausgelegt sein, mit einem Ladeanschluss oder einer Ladeschaltung des Elektrofahrzeugs verbunden zu werden.
Schließlich ist vorgesehen:
Ein Verfahren zum Betreiben eines erfindungsgemäßen
Gleichspannungswandlers, wobei das Verfahren jeweils einen der nachfolgenden
Schritte ausführen kann. In einem ersten Betriebsmodus kann in dem Verfahren elektrische Energie von dem ersten Gleichspannungsanschluss an den zweiten Gleichspannungsanschluss übertragen werden. In einem zweiten Betriebsmodus kann elektrische Energie von dem zweiten Gleichspannungsanschluss an den dritten Gleichspannungsanschluss übertragen werden. In einem dritten Betriebsmodus kann elektrische Energie von dem dritten Gleichspannungsanschluss an den zweiten Gleichspannungsanschluss übertragen werden. In einem vierten Betriebsmodus kann elektrische Energie von dem zweiten Gleichspannungsanschluss an den ersten Gleichspannungsanschluss und an den dritten Gleichspannungsanschluss übertragen werden. In einem fünften Betriebsmodus kann elektrische Energie von dem ersten Gleichspannungsanschluss an den ersten zweiten Gleichspannungsanschluss und an den dritten Gleichspannungsanschluss übertragen werden übertragen werden. Ferner kann in einem sechsten Betriebsmodus elektrische Energie von dem dritten zweiten Gleichspannungsanschluss an den ersten Gleichspannungsanschluss übertragen werden. Dabei können in dem ersten und dem sechsten Betriebsmodus das fünfte und das sechste Schaltelement der Spannungswandlerschaltung geöffnet sein. In dem zweiten und dritten Betriebsmodus sind das fünfte und sechste Schaltelement der Spannungswandlerschaltung geschlossen. In dem vierten und fünften Betriebsmodus werden das fünfte und sechste Schaltelement der Spannungswandlerschaltung als Tiefsetzsteller angesteuert.
Vorteile der Erfindung
Der vorliegenden Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass in konventionellen Elektrofahrzeugen gegebenenfalls mehrere Gleichspannungswandler vorgesehen sein können. Beispielsweise kann mittels eines Gleichspannungswandlers elektrische Energie zwischen einem Hochvoltbordnetz und einem Niedervoltbordnetz ausgetauscht werden. Darüber hinaus kann auch zwischen einer externen Energiequelle und internen Bordnetzen ein weiterer Gleichspannungswandler vorgesehen sein. Dies bedeutet einen signifikanten Hardwareaufwand und damit verbundene Kosten. Es ist daher eine Idee der vorliegenden Erfindung, einen Gleichspannungswandler zu schaffen, welcher einen Austausch von elektrischer Energie zwischen mehr als zwei Anschlüssen realisieren kann. Insbesondere ist es wünschenswert, einen kostengünstigen sowie effizienten Gleichspannungswandler für einen Energieaustausch zwischen mehr als zwei Gleichspannungsanschlüssen zu realisieren.
Erfindungsgemäß ist ein Gleichspannungswandler mit drei Gleichspannungsanschlüssen vorgesehen. Hierbei kann die elektrische Energie in nahezu beliebiger Konfiguration zwischen den einzelnen Gleichspannungsanschlüssen ausgetauscht werden. Beispielsweise kann ein erster Gleichspannungsanschluss dazu vorgesehen sein, mit einer externen Energiequelle, beispielsweise einem Ladeanschluss eines Elektrofahrzeugs verbunden zu werden. An dem Ladeanschluss kann entweder direkt eine Gleichspannung bereitgestellt werden, oder alternativ kann eine bereitgestellte Wechselspannung mittels eines Gleichrichters gleichgerichtet werden und anschließend die gleichgerichtete Spannung am ersten Gleichspannungsanschluss bereitgestellt werden. Ein zweiter Gleichspannungsanschluss kann beispielsweise dazu ausgelegt sein, mit einem Hochvoltbordnetz eines Elektrofahrzeugs verbunden zu werden. Ein solches Hochvoltbordnetz kann zum Beispiel eine Traktionsbatterie sowie ein elektrisches Antriebssystem und gegebenenfalls weitere Verbraucher umfassen. Das Hochvoltbordnetz weist in der Regel eine elektrische Spannung von einigen Hundert Volt, beispielsweise 400 V oder 800 V auf. Ein dritter Gleichspannungsanschluss des Gleichrichters kann beispielsweise dazu ausgelegt sein, mit einem Niedervoltbordnetz eines Elektrofahrzeugs verbunden zu werden. In einem solchen Niedervoltbordnetz können zum Beispiel elektrische Verbraucher wie Sensoren, Aktoren, Steuergeräte, Komponenten von Komfortfunktionen, ein Entertainmentsystem oder Ähnliches vorgesehen sein. Darüber hinaus kann auch in diesem Niedervoltbordnetz ein elektrischer Energiespeicher in Form einer aufladbaren Batterie vorgesehen sein. Das Niedervoltbordnetz kann eine elektrische Spannung aufweisen, welche signifikant niedriger ist, als die elektrische Spannung im Hochvoltnetz.
Beispielsweise kann die elektrische Spannung im Niedervoltbordnetz 12 bis 14 V, 24 V oder 48 V betragen. Die Halbbrückenschaltungen des Gleichrichters können beispielsweise zwei Halbbrücken mit jeweils zwei Halbleiterschaltelementen umfassen. Bei den Halbleiterschaltelementen kann es sich beispielsweise um MOSFET oder bipolare Transistoren mit einem isolierten Gate-Anschluss (IGBT) handeln. Eine Halbbrücke umfasst jeweils zwei in Serie geschaltete Halbleiterschaltelemente. Die beiden Halbleiterschaltelemente sind an einem Mittenanschluss elektrisch miteinander verbunden. Die jeweils anderen Anschlüsse, welche hier als Außenanschlüsse bezeichnet werden, sind mit korrespondierenden Anschlusspunkten der jeweiligen Gleichspannungsanschlüsse verbunden. Die Mittenanschlüsse sind entweder direkt oder über einen Schwingkreis mit den Anschlüssen der entsprechenden Wicklungen des Transformators verbunden.
Der Schwingkreis kann beispielsweise eine in Serie geschaltete Spule bzw. Induktivität sowie einen Kondensator bzw. eine Kapazität umfassen. Alternativ kann auch beispielsweise zwischen einem Mittenanschluss und einem korrespondierenden Anschluss der Wicklung des Transformators eine Induktivität vorgesehen sein und zwischen dem weiteren Mittenanschluss und dem hierzu korrespondierenden Anschluss der Wicklung des Transformators kann eine Kapazität vorgesehen sein. Darüber hinaus sind selbstverständlich auch beliebige andere Konfigurationen von Schwingkreisen möglich. Gegebenenfalls kann der Schwingkreis auch nur aus einer Kapazität oder einer Induktivität bestehen.
Die Spannungswandlerschaltung, die zwischen der zweiten Sekundärwicklung und dem dritten Gleichspannungsanschluss vorgesehen ist, umfasst neben den Komponenten einer H-Brücke zusätzlich zwei weitere Schaltelemente (fünftes und sechstes Schaltelement) sowie eine Induktivität. Durch diese zusätzlichen Komponenten kann die Funktionalität eines Tiefsetzstellers (Buck Converter) realisiert werden.
Hiermit ist es möglich, bei der Übertragung von elektrischer Energie zu dem dritten Gleichspannungsanschluss durch diese Komponenten des Tiefsetzstellers die elektrische Spannung am dritten Gleichspannungsanschluss in geeigneter Weise anzupassen. Somit kann auf effiziente Weise eine Übertragung von elektrischer Energie zwischen den drei Gleichspannungsanschlüssen realisiert werden, wobei die elektrische Spannung an den einzelnen Anschlüssen jeweils gezielt eingestellt bzw. geregelt werden kann.
Gemäß einer Ausführungsform handelt es sich bei dem ersten Halbleiterschaltelement und dem fünften Halbleiterschaltelement um komplementäre Halbleiterschaltelemente. Ebenso handelt es sich bei dem zweiten Halbleiterschaltelement und dem sechsten Halbleiterschaltelement um komplementäre Halbleiterschaltelemente. Das erste, das zweite, das dritte und das vierte Halbleiterschaltelement können gleiche oder zumindest gleichartige Halbleiterschaltelemente sein. Ein komplementäres Halbleiterschaltelement zu einem n-Kanal-Transistor ist beispielsweise ein p-Kanal-Transistor und umgekehrt. Insbesondere weisen komplementäre Halbleiterschaltelemente in geöffnetem Zustand entgegengesetzte Sperr- bzw. Durchlassrichtungen auf. Bei den Halbleiterschaltelementen kann es sich beispielsweise um MOSFET oder bipolare Transistoren mit einem isolierten Gate-Anschluss (IGBT) handeln. Grundsätzlich sind auch Mischformen denkbar, bei welchen beispielsweise das erste bis vierte Halbleiterschaltelement als IGBT ausgeführt sind und das fünfte bis sechste Halbleiterschaltelement als MOSFET ausgeführt sind.
Gemäß einer Ausführungsform umfassen die erste H-Brückenschaltung und die zweite H-Brückenschaltung jeweils vier Halbleiterschaltelemente. Die vier Halbleiterschaltelemente sind insbesondere in Form von zwei Halbbrücken ausgeführt. Hierbei ist jeweils ein erstes Halbleiterschaltelement zwischen einem ersten Außenanschluss und einem ersten Mittenanschluss der jeweiligen H- Brückenschaltung angeordnet. Ein zweites Halbleiterschaltelement ist zwischen dem ersten Außenanschluss und einem zweiten Mittenanschluss der jeweiligen H-Brückenschaltung angeordnet. Ein drittes Halbleiterschaltelement ist jeweils zwischen einem zweiten Außenanschluss und dem ersten Mittenanschluss der jeweiligen H-Brückenschaltung angeordnet. Ein viertes Halbleiterschaltelement ist jeweils zwischen dem zweiten Außenanschluss und dem zweiten Mittenanschluss der jeweiligen H-Brückenschaltung angeordnet. Gemäß einer Ausführungsform umfasst der Gleichspannungswandler einen zweiten Schwingkreis. Der zweite Schwingkreis ist elektrisch zwischen den Mittenanschlüssen der zweiten H-Brückenschaltung und der ersten Sekundärwicklung des Transformators angeordnet. Analog zu dem ersten Schwingkreis kann auch der zweite Schwingkreis eine Kapazität und eine Induktivität umfassen. Beispielsweise kann zwischen einem Mittenanschluss der zweiten H-Brückenschaltung und dem korrespondierenden Anschluss der ersten Sekundärwicklung des Transformators eine Serienschaltung aus einer Kapazität und einer Induktivität vorgesehen sein. Alternativ ist es auch möglich, zwischen dem ersten Mittenanschluss der zweiten H-Brückenschaltung und dem korrespondierenden Anschluss der ersten Sekundärwicklung des Transformators eine Kapazität anzuordnen und zwischen dem zweiten Mittenanschluss und dem hierzu korrespondierenden Anschluss der ersten Sekundärwicklung des Transformators die Induktivität anzuordnen. Alternativ kann der zweite Schwingkreis auch lediglich eine Kapazität umfassen, welche zwischen einem Mittenanschluss der zweiten H-Brückenschaltung und dem korrespondierenden Anschluss der ersten Sekundärwicklung des Transformators angeordnet ist.
Gemäß einer Ausführungsform umfasst der Gleichspannungswandler eine Steuereinrichtung. Die Steuereinrichtung ist dazu ausgelegt, die Halbleiterschaltelemente der ersten H-Brückenschaltung, der zweiten H- Brückenschaltung und der Spannungswandlerschaltung in dem Gleichspannungswandler anzusteuern. Insbesondere kann die Ansteuerung beispielsweise mittels pulsbreitenmodulierten Ansteuersignalen erfolgen. Die Steuereinrichtung kann dazu ausgelegt sein, in einem resonanten Betrieb eine Frequenz und/oder Phase einer sich an der Primärwicklung und/oder der ersten Sekundärwicklung des Transformators einstellenden elektrischen Wechselspannung anzupassen.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann die Steuereinrichtung dazu ausgelegt sein, das fünfte und/oder das sechste Halbleiterschaltelement der Spannungswandlerschaltung in einem Tiefsetzsteller-Modus anzusteuern.
Gemäß einer Ausführungsform ist der Gleichspannungswandler dazu ausgelegt, in einem ersten Betriebsmodus elektrische Energie von dem ersten Gleichspannungsanschluss an den zweiten Gleichspannungsanschluss zu übertragen. Beispielsweise kann hierdurch elektrische Energie von einer am ersten Gleichspannungsanschluss angeschlossenen Energiequelle zu einer am zweiten Gleichspannungsanschluss angeschlossenen Traktionsbatterie eines Elektrofahrzeugs übertragen werden, um die Traktionsbatterie aufzuladen. Insbesondere kann hierbei der Gleichspannungswandler in einem resonanten Betrieb entsprechend der Resonanzfrequenz des ersten Schwingkreises betrieben werden. Ferner kann der Gleichspannungswandler dazu ausgelegt sein, in einem zweiten Betriebsmodus elektrische Energie von dem zweiten Gleichspannungsanschluss an den dritten Gleichspannungsanschluss zu übertragen. Falls zwischen der zweiten H-Brückenschaltung und der ersten Sekundärwicklung des Transformators ein zweiter Schwingkreis vorgesehen ist, so kann auch hierbei der Gleichspannungswandler in einem resonanten Betriebsmodus betrieben werden. In diesem zweiten Betriebsmodus kann beispielsweise elektrische Energie von einer am zweiten Gleichspannungsanschluss angeschlossenen Traktionsbatterie eines Elektrofahrzeugs in ein am dritten Gleichspannungsanschluss angeschlossenes Niedervoltbordnetz des Elektrofahrzeugs übertragen werden. Hierbei können das fünfte und sechste Schaltelement der Spannungswandlerschaltung beide geschlossen sein. Weiterhin kann der Gleichspannungswandler dazu ausgelegt sein, in einem dritten Betriebsmodus elektrische Energie von dem dritten Gleichspannungsanschluss an den zweiten Gleichspannungsanschluss zu übertragen. Hierbei können das fünfte und das sechste Schaltelement der Spannungswandlerschaltung geschlossen sein. In diesem dritten Betriebsmodus kann beispielsweise elektrische Energie von dem Niedervoltbordnetz eines Elektrofahrzeugs in das Hochvoltbordnetz des Elektrofahrzeugs am zweiten Gleichspannungsanschluss übertragen werden, um einen Zwischenkreis in dem Hochvoltbordnetz aufzuladen. Ferner kann der Gleichspannungswandler dazu ausgelegt sein, in einem vierten Betriebsmodus elektrische Energie von dem zweiten Gleichspannungsanschluss gleichzeitig an den ersten Gleichspannungsanschluss und an den dritten Gleichspannungsanschluss zu übertragen. Dabei kann in diesem vierten Betriebsmodus das fünfte und das sechste Schaltelement der Spannungswandlerschaltung gemeinsam mit der Induktivität der Spannungswandlerschaltung als Tiefsetzsteller angesteuert werden. Auf diese Weise kann sowohl die elektrische Spannung am ersten Gleichspannungsanschluss als auch am dritten Gleichspannungsanschluss gezielt auf vorgegebene Sollwerte eingestellt werden. Weiterhin kann der Gleichspannungswandler dazu ausgelegt sein, in einem fünften Betriebsmodus elektrische Energie von dem ersten Gleichspannungsanschluss an den zweiten Gleichspannungsanschluss und gleichzeitig an den dritten Gleichspannungsanschluss zu übertragen. Hierbei können das fünfte und/oder das sechste Schaltelement der Spannungswandlerschaltung als Tiefsetzsteller angesteuert werden. Schließlich kann der Gleichspannungswandler dazu ausgelegt sein, in einem sechsten Betriebsmodus elektrische Energie von dem zweite Gleichspannungsanschluss an den ersten Gleichspannungsanschluss zu übertragen. Hierbei sind sowohl das fünfte als auch das sechste Schaltelement der Spannungswandlerschaltung geschlossen.
Die obigen Ausgestaltungen und Weiterbildungen lassen sich, soweit sinnvoll, beliebig miteinander kombinieren. Weitere Ausgestaltungen, Weiterbildungen und Implementierungen der Erfindung umfassen auch nicht explizit genannte Kombinationen von zuvor oder im Folgenden bezüglich den Ausführungsbeispielen beschriebenen Merkmalen der Erfindung. Insbesondere wird der Fachmann auch Einzelaspekte als Verbesserungen oder Ergänzungen zu den jeweiligen Grundformen der Erfindung hinzu-fügen.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung werden nachfolgend anhand der Figuren erläutert. Dabei zeigen:
Fig. 1: eine schematische Darstellung eines Prinzipschaltbildes für einen Gleichspannungswandler gemäß einer Ausführungsform;
Fig. 2: eine schematische Darstellung eines Prinzipschaubildes einer H- Brückenschaltung in einem Gleichspannungswandler gemäß einer Ausführungsform; Fig. 3: eine schematische Darstellung eines Prinzipschaltbildes eines Gleichspannungswandlers gemäß einer weiteren Ausführungsform; und
Fig. 4: ein Ablaufdiagramm wie es einem Verfahren zum Betreiben eines Gleichspannungswandlers gemäß einer Ausführungsform zugrunde liegt.
Beschreibung der Ausführungsformen
Figur 1 zeigt eine schematische Darstellung eines Prinzipschaltbildes eines Gleichspannungswandlers 1 gemäß einer Ausführungsform. Der Gleichspannungswandler 1 umfasst drei Gleichspannungsanschlüsse Gl, G2 und G3. Wird ein solcher Gleichspannungswandler 1 beispielsweise in einem Elektrofahrzeug eingesetzt, so an dem ersten Gleichspannungsanschluss Gl eine externe Energiequelle, beispielsweise eine Ladestation, angeschlossen werden. Stellt diese Ladestation bereits eine Gleichspannung bereit, so kann die bereitgestellte Ladespannung direkt, gegebenenfalls über einen geeigneten Trennschalter, an dem ersten Gleichspannungsanschluss Gl bereitgestellt werden. Wird von der externen Energiequelle eine ein- oder mehrphasige Wechselspannung bereitgestellt, so kann diese gegebenenfalls über einen Gleichrichter oder eine geeignete andere Ladeschaltung 100 in eine Gleichspannung konvertiert werden und die Gleichspannung an dem ersten Gleichspannungsanschluss Gl bereitgestellt werden.
An dem zweiten Gleichspannungsanschluss G2 kann beispielsweise ein Hochvoltbordnetz 200 eines Elektrofahrzeugs angeschlossen werden. Ein solches Hochvoltbordnetz 200 kann beispielsweise eine Traktionsbatterie, ein elektrisches Antriebssystem oder beliebige weitere elektrische Verbraucher umfassen. Das Hochvoltbordnetz weist in der Regel eine elektrische Spannung von einigen Hundert Volt, beispielsweise 350 bis 400 V oder 800 V auf.
An dem dritten Gleichspannungsanschluss G3 kann beispielsweise ein Niedervoltbordnetz 300 eines Elektrofahrzeugs angeschlossen werden. In diesem Niedervoltbordnetz 300 können beispielsweise elektrische Verbraucher wie Steuerungsgeräte, Sensoren, Aktoren, Komponenten für Komfortfunktionen in einem Elektrofahrzeug, ein Entertainmentsystem oder Ähnliches angeschlossen sein. Auch kann in diesem Niedervoltbordnetz 300 ein elektrischer Energiespeicher, beispielsweise eine Bleibatterie oder Ähnliches vorgesehen sein. Das Niedervoltbordnetz 300 weist in der Regel eine elektrische Spannung auf, die deutlich geringer ist als die elektrische Spannung in dem Hochvoltbordnetz 200. Beispielsweise kann die elektrische Spannung in dem Niedervoltbordnetz 300 12 bis 14 V, 24 V oder 48 V betragen.
Der Gleichspannungswandler 1 ist dazu ausgelegt, elektrische Energie zwischen den drei Gleichspannungsanschlüssen Gl, G2 und G3 auszutauschen. Dabei ist in dem Gleichspannungswandler 1 ein Transformator TR vorgesehen. Auf diese Weise können die einzelnen Gleichspannungsanschlüsse Gl, G2 und G3 galvanisch voneinander getrennt werden.
Der Transformator TR umfasst eine Primärwicklung 11, eine erste Sekundärwicklung 12 und eine zweite Sekundärwicklung 13. Weiterhin umfasst der Gleichspannungswandler 1 eine erste H-Brückenschaltung Hl, eine zweite H-Brückenschaltung H2 und eine Spannungswandlerschaltung H3. Der grundsätzliche Aufbau einer H-Brückenschaltung Hl, H2 wird im Nachfolgenden noch näher erläutert.
Die beiden Außenanschlüsse All, A12 der ersten H-Brückenschaltung Hl sind mit korrespondierenden Anschlusspunkten des ersten Gleichspannungsanschlusses Gl elektrisch verbunden. Die beiden Mittenanschlüsse Mil, M12 der ersten H-Brückenschaltung Hl sind über einen ersten Schwingkreis S1 mit den beiden Anschlüssen der Primärwicklung 11 verbunden.
Der erste Schwingkreis S1 kann beispielsweise eine erste Kapazität CI und eine erste Induktivität II umfassen. Beispielsweise kann zwischen einem ersten Mittenanschluss Mil der ersten H-Brückenschaltung Hl und einem korrespondierenden Anschluss der Primärwicklung 11 die erste Kapazität CI vorgesehen sein. Ferner kann zwischen dem zweiten Mittenanschluss M12 der ersten Halbbrücke Hl und dem weiteren Anschluss der Primärwicklung 11 die erste Induktivität II vorgesehen sein. Alternativ ist es auch möglich, eine Serienschaltung aus der ersten Kapazität CI und der ersten Induktivität II zwischen einem Mittenanschluss Mil, M12 der ersten Halbbrücke Hl und einem Anschluss der Primärwicklung 11 vorzusehen. Darüber hinaus sind gegebenenfalls auch weitere geeignete Anordnungen aus resonanten Bauelementen für den ersten Schwingkreis S1 möglich.
Die zweite H-Brückenschaltung H2 ist mit den beiden Außenanschlüssen mit korrespondierenden Anschlusspunkten des zweiten Gleichspannungsanschlusses G2 elektrisch verbunden. Die beiden Mittenanschlüsse der zweiten H-Brückenschaltung H2 sind mit den beiden Anschlüssen der ersten Sekundärwicklung 12 des Transformators TR verbunden. Gegebenenfalls können zwischen den Anschlusspunkten der ersten Sekundärwicklung 12 des Transformators TR und den Mittenanschlüssen der zweiten H-Brückenschaltung H2 auch weitere resonante Bauelemente vorgesehen sein. Dies wird im Nachfolgenden noch näher erläutert.
Zwischen dem dritten Gleichspannungsanschluss G3 und der zweiten Sekundärwicklung 13 des Transformators TR ist die Spannungswandlerschaltung H3 angeordnet. Die Spannungswandlerschaltung H3 umfasst sechs Halbleiterschaltelemente TI bis T6 sowie eine Induktivität L. Gegebenenfalls kann eventuell auch zusätzlich oder alternativ zu dieser diskreten Induktivität eine (parasitäre) Induktivität der zweiten Sekundärwicklung 13 des Transformators TR genutzt werden.
Ein erstes Halbleiterschaltelement TI ist zwischen einem ersten Knotenpunkt Kl und einem ersten Mittenschluss Ml der Spannungswandlerschaltung H3 angeordnet. Das zweite Schaltelement T2 ist zwischen dem ersten Mittenanschluss Ml und einem ersten Außenanschluss Al der Spannungswandlerschaltung H3 angeordnet. Eine drittes Schaltelement T3 ist zwischen einem zweiten Knotenpunkt K2 und einem zweiten Mittenanschluss M2 der Spannungswandlerschaltung H3 angeordnet. Ein viertes Schaltelement T4 ist zwischen dem zweiten Mittenanschluss M2 und dem ersten Außenanschluss Al angeordnet. Weiterhin ist ein fünftes Halbleiterschaltelement T5 zwischen einem zweiten Außenanschluss A2 und dem ersten Knotenpunkt Kl der Spannungswandlerschaltung H3 angeordnet. Schließlich ist ein sechstes Halbleiterschaltelement T6 zwischen dem zweiten Außenanschluss A2 und dem zweiten Knotenpunkt K2 angeordnet.
Der erste Außenanschluss Al ist mit einem ersten Anschlusspunkt des dritten Gleichspannungsanschlusses G3 elektrisch verbunden. Zwischen dem zweiten Außenanschluss A2 der Spannungswandlerschaltung H3 und dem zweiten Anschlusspunkt des Gleichspannungsanschlusses G3 ist die Induktivität L angeordnet.
Auf diese Weise wird durch die Spannungswandlerschaltung H3 eine Kombination aus einer dritten H-Brückenschaltung 31 und einem Tiefsetzsteller 32 gebildet.
Die Schaltelemente TI bis T6 der Spannungswandlerschaltung H3 sowie die Schaltelemente der ersten Halbbrückenschaltung Hl und der zweiten Halbbrückenschaltung H2 können durch eine Steuereinrichtung 20 in geeigneter Weise angesteuert werden. Auf diese Weise kann elektrische Energie zwischen den Gleichspannungsanschlüssen Gl, G2 und G3 in nahezu beliebiger Weise ausgetauscht werden. Zur Regelung der Energieübertragung können in dem Gleichspannungswandler 1 gegebenenfalls Strom- und/oder Spannungssensoren (nicht dargestellt) vorgesehen sein. Die Sensorwerte dieser Strom- bzw. Spannungssensoren können an der Steuereinrichtung 20 bereitgestellt werden. Die Steuereinrichtung 20 generiert unter Verwendung einer Sollwertvorgabe für die Energieübertragung und die einzustellenden Ausgangsspannungen daraufhin Steuersignale für die Schaltelemente in der ersten Halbbrückenschaltung Hl, der zweiten Halbbrückenschaltung H2 sowie der Spannungswandlerschaltung H3. Diese Steuersignale können gegebenenfalls über geeignete Treiberstufen an den entsprechenden Schaltelementen bereitgestellt werden.
Figur 2 zeigt eine schematische Darstellung eines Prinzipschaltbildes einer Halbbrückenschaltung, wie sie beispielsweise als erste Halbbrückenschaltung Hl oder zweite Halbbrückenschaltung H2 in einem erfindungsgemäßen Gleichrichter 1 eingesetzt werden kann. Auch wenn im Nachfolgenden die Ausführungen im Zusammenhang mit der ersten Halbbrückenschaltung Hl beschrieben werden, so gelten diese analog auch für die zweite Halbbrückenschaltung H2.
Wie in Figur 2 dargestellt, umfasst die erste Halbbrückenschaltung Hl zwei Halbbrücken mit jeweils zwei in Serie geschalteten Halbleiterschaltelementen TU bis T14. Ein erstes Halbleiterschaltelement TU ist zwischen einem ersten Außenanschluss All und einem ersten Mittenanschluss Mil angeordnet. Ein zweites Halbleiterschaltelement T12 ist zwischen dem ersten Mittenanschluss Mil und einem zweiten Außenanschluss A12 angeordnet. Ein drittes Halbleiterschaltelement T13 ist zwischen dem ersten Außenanschluss All und einem zweiten Mittenanschluss M12 angeordnet. Ein viertes Halbleiterschaltelement T14 ist zwischen dem zweiten Mittenanschluss M12 und dem zweiten Außenanschluss A12 angeordnet. Die beiden Außenanschlüsse All und A12 sind über den ersten Schwingkreis S1 mit den korrespondierenden Anschlüssen der Primärwicklung 11 des Transformators TR verbunden.
Die zweite Halbbrückenschaltung H2 ist analog zu dem oben beschriebenen Schaltungsprinzip mit den vier Halbleiterschaltelementen T21 bis T24 aufgebaut. Die Halbleiterschaltelemente T21 bis sind folglich entsprechend zwischen den Außenanschlüssen A21 und A22 sowie den Mittenanschlüssen M21 und M22 angeordnet.
Figur 3 zeigt eine schematische Darstellung eines Prinzipschaltbildes eines Gleichspannungswandlers 1 gemäß einer weiteren Ausführungsform. Hierbei gelten, soweit anwendbar, sämtliche zuvor bereits in Zusammenhang mit den Figuren 1 und 2 gemachten Ausführungen. Der Gleichspannungswandler 1 gemäß Figur 3 unterscheidet sich insbesondere dadurch, dass zwischen der ersten Sekundärwicklung 12 des Transformators TR und der zweiten Halbbrückenschaltung H2 ein zweiter Schwingkreis S2 vorgesehen ist. Dieser Schwingkreis kann beispielsweise eine zweite Kapazität C2 und eine zweite Induktivität 12 umfassen. Beispielsweise kann eine Serienschaltung aus der zweiten Kapazität C2 und der zweiten Induktivität 12 zwischen einem Anschlusspunkt der ersten Sekundärwicklung 12 des Transformators TR und einem Mittenanschluss der zweiten Halbbrückenschaltung H2 vorgesehen sein. Alternativ kann auch die zweite Kapazität C2 zwischen einem Anschluss der ersten Sekundärwicklung 12 des Transformators TR und einem ersten Mittenanschluss der zweiten Halbbrücke H2 vorgesehen sein, und die zweite Induktivität 12 kann zwischen einem weiteren Anschluss der ersten Sekundärwicklung 12 des Transformators TR und einem zweiten Mittenanschluss der zweiten Halbbrücke H2 vorgesehen sein. Gegebenenfalls ist als zweiter Schwingkreis S2 auch lediglich eine Kapazität C2 zwischen einem Anschluss der ersten Sekundärwicklung 12 des Transformators TR und einem Mittenanschluss der zweiten Halbbrückenschaltung H2 möglich.
Zur Übertragung elektrischer Energie zwischen den Gleichspannungsanschlüssen Gl, G2 und G3 können die Schaltelemente der ersten Halbbrückenschaltung Hl und der zweiten Halbbrückenschaltung H2 derart angesteuert werden, dass an den Wicklungen des Transformators TR eine elektrische Wechselspannung anliegt, wobei Frequenz und/oder Phase dieser Wechselspannungen unter Berücksichtigung einer Resonanzfrequenz des ersten Schwingkreises S1 und/oder des zweiten Schwingkreises S2 eingestellt werden kann. Auf diese Weise kann ein resonanter Betriebsmodus in dem Gleichspannungswandler 1 eingestellt werden. Da das Grundprinzip eines solchen resonanten Betriebs jedoch als bekannt angesehen wird, wird auf eine detailliertere Ausführung hier verzichtet.
Für den Austausch elektrischer Energie zwischen den Gleichspannungsanschlüssen Gl, G2 und G3 sind verschiedene Betriebsmodi möglich. Einige exemplarische Betriebsmodi werden nachfolgend unter Bezug auf das erfindungsgemäße Verfahren zum Betreiben eines Gleichspannungswandlers 1 näher erläutert.
Figur 4 zeigt ein Ablaufdiagramm, wie es einem Verfahren zum Betreiben eines Gleichspannungswandlers 1, insbesondere eines der zuvor beschriebenen Gleichspannungswandler 1, gemäß einer Ausführungsform zugrunde liegen kann. Zum Betreiben des Gleichspannungswandlers 1 kann die Steuereinrichtung 20 die Schaltelemente in den H-Brückenschaltungen Hl, H2 und/oder in der Spannungswandlerschaltung H3 in geeigneter Weise ansteuern. Hierzu kann beispielsweise eine pulsbreitenmodulierte Ansteuerung vorgenommen werden, um an den jeweiligen Primär- bzw. Sekundärwicklungen 11, 12, 13 die gewünschte elektrische Spannung in Bezug auf Amplitude, Frequenz und Phase einzustellen.
In einem ersten Betriebsmodus Bl kann beispielsweise elektrische Energie von dem ersten Gleichspannungsanschluss Gl zu dem zweiten Gleichspannungsanschluss G2 übertragen werden. Hierbei können das fünfte Schaltelement T5 und das sechste Schaltelement T6 der Spannungswandlerschaltung H3 geöffnet sein. Auf diese Weise ist der dritte Gleichspannungsanschluss G3 elektrisch von der zweiten Sekundärwicklung 13 des Transformators TR getrennt. Zur Energieübertragung von dem ersten Gleichspannungsanschluss Gl zu dem zweiten Gleichspannungsanschluss G2 kann in einem resonanten Betriebsmodus eine elektrische Wechselspannung generiert werden, deren Frequenz und/oder Phase unter Berücksichtigung einer Resonanzfrequenz des ersten Schwingkreises S1 eingestellt wird. In einem solchen ersten Betriebsmodus Bl kann beispielsweise elektrische Energie von einer am ersten Gleichspannungsanschluss Gl angeschlossenen Energiequelle zu einer am zweiten Gleichspannungsanschluss G2 angeschlossenen Traktionsbatterie übertragen werden, um zum Beispiel die Traktionsbatterie aufzuladen.
In einem zweiten Betriebsmodus B2 kann zum Beispiel elektrische Energie von dem zweiten Gleichspannungsanschluss G2 zu dem dritten Gleichspannungsanschluss G3 übertragen werden. Hierdurch kann zum Beispiel elektrische Energie von einer Traktionsbatterie in dem Hochvoltnetz eines Elektrofahrzeugs in ein Niedervoltnetz des Elektrofahrzeugs übertragen werden. Ist zwischen der zweiten Halbbrückenschaltung H2 und der ersten Sekundärwicklung 12 des Transformators TR ein zweiter Schwingkreis S2 vorgesehen, so kann auch hierbei ein resonanter Betrieb unter Berücksichtigung der Resonanzfrequenz des zweiten Schwingkreises S2 eingestellt werden. Für die Übertragung elektrischer Energie von dem zweiten Gleichspannungsanschluss G2 zu dem dritten Gleichspannungsanschluss G3 sind das fünfte Schaltelement T5 und das sechste Schaltelement T6 beide geschlossen.
In einem dritten Betriebsmodus B3 kann elektrische Energie von dem dritten Gleichspannungsanschluss G3 zu dem zweiten Gleichspannungsanschluss G2 übertragen werden. Hierdurch kann beispielsweise ein Zwischenkreis aufgeladen werden, welcher sich in dem Hochvoltbordnetz befindet, das an den zweiten Gleichspannungsanschluss G2 angeschlossen ist. Auch hierbei sind sowohl das fünfte Schaltelement T5 als auch das sechste Schaltelement T6 geschlossen. Zur Übertragung der elektrischen Energie von dem dritten Gleichspannungsanschluss G3 zu dem zweiten Gleichspannungsanschluss G2 können die Schaltelemente TI - T4 in einer H-Brückenschaltung 31 der Spannungswandlerschaltung H3 beispielsweise gemäß dem Prinzip einer Dual Active Bridge angesteuert werden. Da dieses Schaltprinzip ebenfalls als bekannt angesehen wird, wird auf nähere Details hier nicht eingegangen.
In einem vierten Betriebsmodus B4 kann beispielsweise elektrische Energie von dem zweiten Gleichspannungsanschluss G2 zu dem ersten Gleichspannungsanschluss Gl und gleichzeitig zu dem dritten Gleichspannungsanschluss G3 übertragen werden. Hierbei wird in einem resonanten Betriebsmodus der Gleichspannungswandler 1 derart betrieben, dass an dem ersten Gleichspannungsanschluss Gl eine einzustellende elektrische Gleichspannung anliegt. Das fünfte Schaltelement T5 und das sechste Schaltelement T6 sowie die Induktivität L der Spannungswandlerschaltung H3 bilden einen Tiefsetzsteller 32. Somit kann die Steuervorrichtung 20 durch geeignetes Ansteuern des fünften Schaltelements T5 und des sechsten Schaltelements T6 dieser Tiefsetzschaltung 32 die elektrische Spannung am dritten Gleichspannungsanschluss G3 gemäß einem vorgegebenen Sollwert einstellen.
In einem fünften Betriebsmodus B5 kann elektrische Energie von dem ersten Gleichspannungsanschluss Gl zu dem zweiten Gleichspannungsanschluss G2 und gleichzeitig von dem ersten Gleichspannungsanschluss Gl zu dem dritten Gleichspannungsanschluss G3 übertragen werden. Auch hierbei wird in einem resonanten Betriebsmodus zunächst die elektrische Spannung am zweiten Gleichspannungsanschluss G2 gemäß einer Sollwertvorgabe eingestellt. Darüber hinaus kann auch hier durch geeignetes Ansteuern des fünften Schaltelements T5 sowie des sechsten Schaltelements T6 in der Tiefsetzstellerschaltung 32 der Spannungswandlerschaltung H3 die elektrische Spannung am dritten Gleichspannungsanschluss G3 eingestellt werden.
Schließlich kann in einem sechsten Betriebsmodus B6 elektrische Energie von dem zweiten Gleichspannungsanschluss G2 zu dem ersten Gleichspannungsanschluss Gl und gleichzeitig an den dritten Gleichspannungsanschluss (G3) übertragen werden. Auch hierbei kann gegebenenfalls ein resonanter Betriebsmodus gewählt werden. Dabei sind das fünfte Schaltelemente T5 und das sechste Schaltelement T6 der Spannungswandlerschaltung H3 geöffnet.
Zusammenfassend betrifft die vorliegende Erfindung einen Gleichspannungswandler mit drei Gleichspannungsanschlüssen. Dabei kann elektrische Energie in nahezu beliebiger Weise zwischen den drei Gleichspannungsanschlüssen ausgetauscht werden. Der Gleichspannungswandler umfasst einen Schwingkreis für einen resonanten Betrieb. Darüber hinaus ist an mindestens einem Gleichspannungswandleranschluss ferner eine Kombination aus einer H- Brückenschaltung und einem Tiefsetzsteller vorgesehen.

Claims

Ansprüche
1. Gleichspannungswandler (1), mit: einem Transformator (TR) mit einer Primärwicklung (11), einer ersten Sekundärwicklung (12) und einer zweiten Sekundärwicklung (13); einer erste H-Brückenschaltung (Hl), die an Außenanschlüssen (All, A12) mit einem ersten Gleichspannungsanschluss (Gl) verbunden ist, und an Mittenanschlüssen (Mil, M12) mit der Primärwicklung (11) des Transformators (TR) elektrisch gekoppelt ist; einem ersten Schwingkreis (Sl), der elektrisch zwischen den Mittenanschlüsse (Mil, M12) der ersten H-Brückenschaltung (Hl) und der Primärwicklung (11) des Transformators (TR) angeordnet ist; einer zweite H-Brückenschaltung (H2), die an Außenanschlüssen mit einem zweiten Gleichspannungsanschluss (G2) verbunden ist, und an Mittenanschlüssen mit der ersten Sekundärwicklung (12) des Transformators (TR) elektrisch gekoppelt ist; und einer Spannungswandlerschaltung (H3), wobei zwischen einem ersten Knotenpunkt (Kl) und einem ersten Mittenanschluss (Ml) ein erstes Halbleiterschaltelement (TI) angeordnet ist, zwischen dem ersten Mittenanschluss (Ml) und einem ersten Außenanschluss (Al) ein zweites Halbleiterschaltelement (T2) angeordnet ist, zwischen einem zweiten Knotenpunkt (K2) und einem zweiten Mittenanschluss (M2) ein drittes Halbleiterschaltelement (T3) angeordnet ist, zwischen dem zweiten Mittenanschluss (M2) und dem ersten Außenanschluss (A2) ein viertes Halbleiterschaltelement (T4) angeordnet ist, zwischen einem zweiten Außenanschluss (A2) und dem ersten Knotenpunkt (Kl) ein fünftes Schaltelement (T5) angeordnet ist, zwischen dem zweiten Außenanschluss (A2) und dem zweiten Knotenpunkt (K2) ein sechstes Schaltelement (T6) angeordnet ist, und wobei der erste Außenanschluss (Al) elektrisch mit einem ersten Anschlusspunkt eines dritten Gleichspannungsanschluss (G3) verbunden ist, zwischen dem zweiten Außenanschluss (A2) und einem zweiten Anschlusspunkt des dritten Gleichspannungsanschluss (G3) eine Induktivität (L) angeordnet ist, und der erste Mittenanschluss (Ml) und der zweite Mittenanschluss (M2) jeweils mit Anschlüssen der zweiten Sekundärwicklung (13) des Transformators (TR) elektrisch verbunden sind.
2. Gleichspannungswandler (1) nach Anspruch 1, wobei das erste Halbleiterschaltelement (TI) und das fünfte Halbleiterschaltelement (T5) der Spannungswandlerschaltung (H3) komplementäre Halbleiterschaltelemente sind, und das zweite Halbleiterschaltelement (T2) und das sechste Halbleiterschaltelement (T6) der Spannungswandlerschaltung (H3) komplementäre Halbleiterschaltelemente sind.
3. Gleichspannungswandler (1) nach Anspruch 1 oder 2, wobei die erste H- Brückenschaltung (Hl) und die zweite H-Brückenschaltung (H2) jeweils ein erstes Halbleiterschaltelement (Til, T21) umfassen, das zwischen einem ersten Außenanschluss (All, A21) und einem ersten Mittenanschluss (Mil, M21) der jeweiligen H-Brückenschaltung (Hl, H2) angeordnet ist, ein zweites Halbleiterschaltelement (T12, T22), das zwischen dem ersten Außenanschluss (All, A21) und einem zweiten Mittenanschluss (M12, M22) der jeweiligen H-Brückenschaltung (Hl, H2) angeordnet ist, ein drittes Halbleiterschaltelement (T13, T23), das zwischen einem zweiten Außenanschluss (A12, A22) und dem ersten Mittenanschluss (Mil, M21) der jeweiligen H-Brückenschaltung (Hl, H2) angeordnet ist und ein viertes Halbleiterschaltelement (T14, T24), das zwischen dem zweiten Außenanschluss (A12, A22) und dem zweiten Mittenanschluss (M12, M22) der jeweiligen H-Brückenschaltung (Hl, H2) angeordnet ist.
4. Gleichspannungswandler (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, mit einem zweiten Schwingkreis (S2), der elektrisch zwischen den Mittenanschlüssen (M21, M22) der zweiten H-Brückenschaltung (H2) und der ersten Sekundärwicklung (12) des Transformators (TR) angeordnet ist.
5. Gleichspannungswandler (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, mit einer Steuereinrichtung (20), die dazu ausgelegt ist, die Halbleiterschaltelemente (T11-T14, T21-T24, T1-T6) der ersten H- Brückenschaltung (Hl), der zweiten H-Brückenschaltung (H2) und der Spannungswandlerschaltung (H3) anzusteuern, wobei die Steuereinrichtung (20) dazu ausgelegt ist, in einem resonanten Betrieb eine Frequenz und/oder eine Phase einer sich an der Primärwicklung (11) und/oder einer der Sekundärwicklungen (12,13) einstellenden elektrischen Wechselspannung anzupassen.
6. Gleichspannungsanschluss (1) nach Anspruch 5, wobei die Steuereinrichtung (20) dazu ausgelegt ist, das fünfte und/oder das sechste Halbleiterschaltelement (T5, T6) der Spannungswandlerschaltung (Al) in einem Tiefsetzsteller-Modus anzusteuern.
7. Gleichspannungswandler (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei der Gleichspannungswandler (1) dazu ausgelegt ist, in einem ersten Betriebsmodus elektrische Energie von dem ersten Gleichspannungsanschluss (Gl) an den zweiten Gleichspannungsanschluss (G2) zu übertragen, in einem zweiten Betriebsmodus elektrische Energie von dem zweiten Gleichspannungsanschluss (G2) an den dritten Gleichspannungsanschluss (G3) zu übertragen, in einem dritten Betriebsmodus elektrische Energie von dem dritten Gleichspannungsanschluss (G3) an den zweiten Gleichspannungsanschluss (G2) zu übertragen, in einem vierten Betriebsmodus elektrische Energie von dem zweiten Gleichspannungsanschluss (G2) an den ersten Gleichspannungsanschluss (Gl) und an den dritten Gleichspannungsanschluss (G3) zu übertragen, in einem fünften Betriebsmodus elektrische Energie von dem ersten Gleichspannungsanschluss (Gl) an den zweiten Gleichspannungsanschluss (G2) und den dritten Gleichspannungsanschluss (G3) zu übertragen, und in einem sechsten Betriebsmodus elektrische Energie von dem zweiten Gleichspannungsanschluss (G3) an den ersten Gleichspannungsanschluss (Bl) zu übertragen; wobei das fünfte und das sechste Schaltelement (T5, T6) der Spannungswandlerschaltung (H3) in dem ersten und dem sechsten Betriebsmodus geöffnet sind, in dem zweiten und dritten Betriebsmodus geschlossen sind und in dem vierten und fünften Betriebsmodus als Tiefsetzsteller angesteuert werden. Elektrofahrzeug mit einem Hochvoltbordnetz (200); einem Niedervoltbordnetz (300); und einem Gleichspannungswandler (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7; wobei der zweite Gleichspannungsanschluss (G2) des Gleichspannungswandlers (1) mit dem Hochvoltbordnetz (2) des Elektrofahrzeugs elektrische gekoppelt ist, und der dritte Gleichspannungsanschluss (G3) des Gleichspannungswandlers
(1) mit dem Niedervoltbordnetz (300) des Elektrofahrzeugs elektrische gekoppelt ist.
9. Elektrofahrzeug nach Anspruch 8, mit einem Gleichrichter (100), der dazu ausgelegt ist, an einem Wechselspannungseingang mit einer ein- oder mehrphasigen Wechselspannungsquelle gekoppelt zu werden und der an einem Gleichspannungsausgang mit dem ersten Gleichspannungsanschluss (Gl) des Gleichspannungswandlers (1) elektrisch gekoppelt ist.
10. Verfahren zum Betreiben eines Gleichspannungswandlers (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei bei dem Betrieb des Gleichspannungswandlers (1) je einer der folgenden Schritte ausgeführt wird:
Übertragen (Bl) von elektrischer Energie von dem ersten Gleichspannungsanschluss (Gl) an den zweiten Gleichspannungsanschluss (G2) in einem ersten Betriebsmodus;
Übertragen (B2) von elektrischer Energie von dem zweiten Gleichspannungsanschluss (G2) an den dritten Gleichspannungsanschluss (G3) in einem zweiten Betriebsmodus;
Übertragen (B3) von elektrischer Energie von dem dritten Gleichspannungsanschluss (G3) an den zweiten Gleichspannungsanschluss (G2) in einem dritten Betriebsmodus;
Übertragen (B4) von elektrischer Energie von dem zweiten Gleichspannungsanschluss (G2) an den ersten Gleichspannungsanschluss (Gl) und an den dritten Gleichspannungsanschluss (G3) in einem vierten Betriebsmodus;
Übertragen (B5) von elektrischer Energie von dem ersten Gleichspannungsanschluss (Gl) an den zweiten Gleichspannungsanschluss (G2) G2 und an den dritte Gleichspannungsanschluss (G3) in einem fünften Betriebsmodus; oder Übertragen (B6) von elektrischer Energie von dem zweiten Gleichspannungsanschluss (G2) an den ersten Gleichspannungsanschluss (Gl) in einem sechsten Betriebsmodus; wobei das fünfte und das sechste Schaltelement (T5, T6) der Spannungswandlerschaltung (H3) in dem ersten und dem sechsten Betriebsmodus geöffnet sind, in dem zweiten und dritten Betriebsmodus geschlossen sind und in dem vierten und fünften Betriebsmodus als Tiefsetzsteller angesteuert werden.
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Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP4685829A1 (de) * 2024-07-24 2026-01-28 Delta Electronics (Thailand) Public Co., Ltd. Mehrtortransformator und integrierter hochspannungs- und niederspannungswandler

Family Cites Families (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102014210283A1 (de) 2014-05-30 2015-12-03 Robert Bosch Gmbh Verfahren zum Betreiben eines Fahrzeugbordnetzes und Fahrzeugbordnetz
WO2015192133A2 (en) * 2014-06-13 2015-12-17 University Of Maryland An integrated dual-output grid-to-vehicle (g2v) and vehicle-to-grid (v2g) onboard charger for plug-in electric vehicles
US11491883B2 (en) * 2018-04-10 2022-11-08 University Of Maryland, College Park Vehicle on-board charger for bi-directional charging of low/high voltage batteries
CN109703399B (zh) * 2018-12-27 2021-05-18 台达电子企业管理（上海）有限公司 车载充放电系统及其所适用的控制方法
FR3104846B1 (fr) * 2019-12-17 2023-07-28 1 Valeo Siemens Eautomotive France Sas Système électrique pour la conversion de tension continue et la charge de batteries d’alimentation
WO2022133793A1 (zh) * 2020-12-23 2022-06-30 深圳欣锐科技股份有限公司 一种充电系统和汽车

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