WO2011009673A1 - Gleichstromstelleranordnung - Google Patents

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WO2011009673A1
WO2011009673A1 PCT/EP2010/057896 EP2010057896W WO2011009673A1 WO 2011009673 A1 WO2011009673 A1 WO 2011009673A1 EP 2010057896 W EP2010057896 W EP 2010057896W WO 2011009673 A1 WO2011009673 A1 WO 2011009673A1
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WO
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chopper
arrangement
arrangement according
power
rated power
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Application number
PCT/EP2010/057896
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English (en)
French (fr)
Inventor
Jochen Fassnacht
Philipp Morrison
Original Assignee
Robert Bosch Gmbh
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Filing date
Publication date
Application filed by Robert Bosch Gmbh filed Critical Robert Bosch Gmbh
Publication of WO2011009673A1 publication Critical patent/WO2011009673A1/de

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    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M3/00—Conversion of dc power input into dc power output
    • H02M3/02—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac
    • H02M3/04—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters
    • H02M3/10—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode
    • H02M3/145—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal
    • H02M3/155—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only
    • H02M3/156—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only with automatic control of output voltage or current, e.g. switching regulators
    • H02M3/158—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only with automatic control of output voltage or current, e.g. switching regulators including plural semiconductor devices as final control devices for a single load
    • H02M3/1584—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only with automatic control of output voltage or current, e.g. switching regulators including plural semiconductor devices as final control devices for a single load with a plurality of power processing stages connected in parallel

Definitions

  • the present invention relates to the field of DC conversion.
  • DC transformers so-called DC / DC converters (DC: Direct Current)
  • DC regulators may be implemented as buck converters in which the output voltage is less than the input voltage or as boost converters in which the output voltage is greater than the input voltage.
  • boost converters in which the output voltage is greater than the input voltage.
  • a realization as a flyback converter is conceivable.
  • the efficiency of a DC adjuster drops as a function of its load. 1 shows an exemplary profile of the efficiency W, which drops considerably in comparison with the load L in the extreme part-load operation, in particular under 10% load. This is particularly troublesome in drive applications in which a DC-DC converter is arranged in a power supply path of an electric vehicle, because electric vehicles are operated mainly in the extreme part-load operation. Achieving high efficiency, however, is very important because it not only determines the energy consumption, but also the range of the vehicle.
  • DC regulators also have to provide large outputs as a result of the application, it is particularly important in electric vehicles that the maximum converter power can be provided quickly in order to be able to represent the desired maximum driving performance.
  • equal DC current regulators as shown in FIG. 2, are usually connected in parallel. which distributes the power to the individual DC choppers and optimizes the total efficiency.
  • a three-phase DC-DC converter arrangement is shown with DC-actuators 201, which are connected in parallel on the output side.
  • a smoothing capacitor 207 is arranged, via which the output voltage 209, into which the input voltage 21 1 is converted, is output.
  • the DC-DC converter shown in Fig. 2 are exemplified as a boost converter.
  • individual DC controllers can be switched off or disconnected, which is associated with an improvement in the efficiency.
  • FIG. 3 shows an exemplary load distribution of an electric vehicle on a new European Driving Cycle (NEDC).
  • the number A of load points is shown in relation to the power in kW.
  • the electric vehicle is operated, for example, in the NEDC driving cycle with an average of 5.3 kW motor load, which corresponds to a load rating of 90 kW peak load of an average of 5.9% in a vehicle design.
  • known electric vehicles are operated in extreme partial load operation, which is associated with a significantly reduced efficiency of the DC chopper.
  • the present invention is based on the finding that an efficiency of a direct-current converter arrangement operated in the partial-load range can be improved by the provision of DC controllers of different rated power. This makes it possible, for example, by switching off or disconnecting at least one DC adjuster to achieve a more accurate adaptation of the power demanded in partial load operation to the efficiency characteristic of the resulting DC adjuster arrangement.
  • a driving strategy can also be obtained, which increases the efficiency, in particular, on the driving cycles that are important for the electric vehicles.
  • the relevant driving cycles for electric vehicles, in which they are operated in extreme part-load operation, are in particular Stadtg. Overland cycles.
  • the invention relates to a DC chopper arrangement with a first DC chopper with a first rated power, and a second DC chopper with a second rated power, which differs from the first rated power.
  • the first DC-DC converter and the second DC-DC converter are dependent on a power requirement, ie on a demand for electrical power, which may be requested by one or more electrical consumers, fauxschaltbar or separable from each other.
  • the DC-DC converter arrangement comprises an input port and an output port with one or more connection terminals, wherein the first DC-DC converter and the second DC-DC converter can be coupled to the input port and to the output port.
  • a ratio or a difference between the first rated power and the second rated power is predetermined.
  • this difference in power level for example, when one of the DC-DC regulators is switched off, the other DC-DC converter can be loaded such that the conversion efficiency of the individual DC-DC converter and thus of the entire DC-DC converter arrangement can be increased.
  • the first DC-DC converter and the second DC-DC converter are connectable in series or in parallel. This achieves advantageous flexibility of the DC-DC converter arrangement with regard to the current or voltage requirements.
  • the Gleichstromstelleran- order includes a plurality, in particular three or more, of sixteenschaltba- ren constant current regulators of different rated power. This will result in advantageous way a more accurate adaptation of the output electrical power to the efficiency characteristics of the DC-DC controller achieved.
  • the DC chopper arrangement comprises a control device for disconnecting at least one of the DC choppers in partial load operation of the DC chopper arrangement in order to operate the remaining DC chopper (s) with higher power.
  • the control device is preferably designed to detect in which load operating range the DC-DC converter arrangement or its
  • DC controllers are located. Depending on a result of this analysis, the controller may enable or disable individual DC choppers.
  • the invention further relates to an energy supply arrangement with at least one energy store and the DC chopper arrangement according to the invention.
  • the energy store is provided, for example, to provide at least one input voltage for the DC chopper arrangement, which is converted into an output voltage.
  • the energy store may further comprise one or more energy cells.
  • the energy storage comprises a plurality of energy storage modules, for example, a plurality of partial energy storage or separate energy storage, each energy storage module or each energy storage one, but especially one DC controller is associated with the DC chopper arrangement.
  • each energy storage module or each energy storage one but especially one DC controller is associated with the DC chopper arrangement.
  • the DC chopper method preferably includes interconnecting the DC chopper and the second DC chopper to provide higher power, and / or disconnecting at least one of the DC choppers during partial load operation to load the remaining DC chopper or the remaining DC choppers with higher power, thereby advantageously the overall efficiency can be increased. Further process steps result directly from the functionality of
  • the invention further relates to the use of the DC chopper arrangement in electric drives or in hybrid drives of vehicles.
  • Fig. 2 is a parallel circuit of the same DC controllers
  • 3 shows an exemplary load distribution during the operation of an electric vehicle; 4 shows a DC-DC converter arrangement;
  • Fig. 5 exemplary efficiency curves
  • Fig. 7 exemplary efficiency curves
  • Fig. 8 shows an energy supply arrangement.
  • 4 shows a DC chopper arrangement with a first DC chopper 101, with a second DC chopper 103, with a third DC chopper 103.
  • the DC-DC converter 101 to 107 are characterized by different nominal powers, whereby an increase in the efficiency of the DC-DC converter arrangement can be effected (see Fig. 7).
  • the DC controllers can be DC / DC converters.
  • the DC-DC converter arrangement further comprises on the input side an input port 109 for receiving an input voltage and an output-side output port 11 for outputting an output voltage which represents the transformed input side input voltage.
  • the first DC-DC converter 101 may for example be permanently interconnected or switchable between the input port 101 and the output port 11 1.
  • the DC choppers 103 to 107 are preferably individually and parallel to the first DC chopper (101) switchable.
  • 101 to 107 for example, comprise switching arrangements which are not shown in FIG. 4.
  • the nominal powers of the DC choppers 101 to 107 are in a specific relationship to each other, which may depend on the relevant driving cycles.
  • the ratio can be determined, for example, empirically or computer-assisted via an optimization process.
  • a combination of ratings for, for example, a NEDC provides a 60 kW converter arrangement, i. a DC chopper arrangement, with four smaller DC choppers whose outputs are, for example, 1 kW, 3 kW, 10 kW and 46 kW.
  • the different nominal power yields an efficiency advantage of, for example, 1.55% with a weighting of the load points corresponding to a power distribution occurring in the NEDC driving cycle.
  • FIG. 5 shows exemplary efficiency curves W via load L in the case of a parallel connection of DC controllers.
  • the curve 501 shows the efficiency in a parallel connection of converters of different rated power.
  • the curve 503 shows an efficiency in a parallel connection of converters with the same nominal power.
  • the efficiency when using DC actuators of different power ratings are significantly improved compared to an arrangement with DC / DC converters, which each have the same power output stage.
  • Fig. 7 further efficiency curves are shown by load in a parallel circuit of different powerful DC-DC controller and an efficiency-optimized control.
  • a suitable distribution of the load among the individual DC-actuators i.
  • On the individual components of the DC chopper arrangement an improvement of the overall achievable efficiency can be achieved.
  • the other DC choppers can be switched off and thus removed from the efficiency chain.
  • the distribution of the DC-DC converter over the load can be optimized in advance, for example.
  • this optimization can be carried out dynamically during vehicle travel, for example as a function of driving behavior.
  • This optimization can be carried out, for example, by means of a control device which determines the optimal interconnection of the DC-DC converter for the respective driving situation and makes this interconnection.
  • the DC chopper arrangement according to the invention also provides high efficiencies, which may correspond, for example, the efficiencies of the DC chopper without a parallel circuit, since the individual DC choppers can be operated with, for example, the same proportionate load.
  • the DC-DC converter arrangement according to the invention can be used wherever direct-current actuators are demanded high performance, but which also have to be operated with smaller powers.
  • the DC chopper arrangement can be used in electric vehicles with an electric motor or with hybrid vehicles which have an electric motor, because such drives have the load characteristics described above quite often.
  • the DC chopper arrangement can be used advantageously in sporty electric vehicles, since they must provide a very high maximum power and are thus operated in normal driving in percentage lower load ranges.
  • the DC controllers of different sizes can also be connected in series on the output side.
  • an energy source for example a battery
  • the DC controllers of different sizes can also be connected in series on the output side.
  • an energy source for example a battery
  • the DC controllers of different sizes can be divided into modules of different sizes, wherein the number of cells per module can be dependent on the respective performance of the respective DC adjuster.
  • FIG. 8 shows such an energy supply arrangement with a plurality of series-connectable DC controllers 801, 803 and 805.
  • the DC controller 801 is assigned a battery module 807
  • the DC controller 803 is a battery module 809
  • the DC controller 805 is a battery module 81 1.
  • Each transducer 801, 803 and 805 may be, for example, by means of a
  • each of the DC controllers 801, 803 and 805 is assigned an output capacitance 817.
  • the output capacitances 817 may each have the same size or different sizes.
  • the DC controller 801 may be designed for a rated power of 1 kW.
  • the battery module 807 assigned to this DC-DC converter is designed, for example, for 1 kW.
  • a further DC-DC converter for example the DC controller 803, can be designed for 3 kW or for 10 kW.
  • the power module 809 associated with this DC chopper may also be designed for 3 kW or 10 kW.
  • the DC controller 805 may be designed for a rated power of 46 kW. Therefore, the power module 811 associated with this DC chopper can also be designed, for example, for 46 kW.
  • the arrangement shown in FIG. 8 may further comprise any number of
  • the DC-DC converter or DC-DC converter arrangement according to the invention can be implemented, for example, as a hardware circuit which can be controlled by control software.
  • the program underlying the control software can, for example, be used to optimize the efficiency in order to determine, for example, for the respective load operation, that combination of DC controllers which is optimal in terms of the efficiency to be achieved.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Dc-Dc Converters (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Gleichstromstelleranordnung mit einem ersten Gleichstromsteller (101) mit einer ersten Nennleistung, und einem zweiten Gleichstromsteller (103) mit einer zweiten Nennleistung, die sich von der ersten Nennleistung unterscheidet, wobei der erste Gleichstromsteller (101) und der zweite Gleichstromsteller (103) in Abhängigkeit von einem Leistungsbedarf zusammenschaltbar oder voneinander trennbar sind.

Description

Beschreibung
Titel
Gleichstromstelleranordnung
Stand der Technik
Die vorliegende Erfindung betrifft das Gebiet der Gleichstromwandlung. Zur Transformation von Gleichspannungen werden üblicherweise Gleichstromsteller, so genannte DC/DC-Wandler (DC: Direct Current), eingesetzt. Bekannte Gleichstromsteller können als Tiefsetzsteller, bei denen die Ausgangsspannung kleiner als die Eingangsspannung ist, oder als Hochsetzsteller, bei denen die Ausgangsspannung größer als die Eingangsspannung ist, ausgeführt werden. Eine Realisierung als Sperrwandler ist denkbar.
Bekannterweise sinkt der Wirkungsgrad eines Gleichstromstellers in Abhängigkeit von dessen Belastung. Fig. 1 zeigt einen beispielhaften Verlauf des Wirkungsgrades W, welcher gegenüber der Last L im extremen Teillastbetrieb, ins- besondere unter 10% Last, erheblich absinkt. Dies ist insbesondere in Antriebsapplikationen störend, in denen ein Gleichstromsteller in einem Energieversorgungspfad eines Elektrofahrzeugs angeordnet ist, weil Elektrofahrzeuge hauptsächlich im extremen Teillastbetrieb betrieben werden. Die Erzielung eines hohen Wirkungsgrades ist jedoch sehr wichtig, da dieser nicht nur den Energie- verbrauch, sondern auch die Reichweite des Fahrzeugs bestimmt.
Da Gleichstromsteller anwendungsbedingt auch große Leistungen bereitstellen müssen, ist es insbesondere in Elektrofahrzeugen von Bedeutung, dass die maximale Wandlerleistung rasch bereitgestellt werden kann, um die gewünschten maximalen Fahrleistungen darstellen zu können. Hierzu werden üblicherweise gleich starke Gleichstromsteller, wie es in Fig. 2 dargestellt ist, parallel geschal- tet, wodurch die Leistung auf die einzelnen Gleichstromsteller verteilt und der Summenwirkungsgrad optimal wird. In Fig. 2 ist eine dreiphasige Gleichstromstelleranordnung mit Gleichstromstellern 201 dargestellt, welche ausgang- seitig parallel geschaltet sind. Ausgangsseitig ist eine Glättungskapazität 207 an- geordnet, über der die Ausgangsspannung 209, in welche die Eingangsspannung 21 1 überführt wird, ausgegeben wird. Die in Fig. 2 dargestellten Gleichstromsteller sind beispielhaft als Hochsetzsteller ausgeführt. Um im Teillastbetrieb einzelne Gleichstromsteller 201 stärker zu belasten, können einzelne Gleichstromsteller abgeschaltet bzw. getrennt werden, was mit einer Verbesse- rung des Wirkungsgrades verbunden ist.
In Fig. 3 ist eine beispielhafte Lastverteilung eines Elektrofahrzeugs auf einem neuen europäischen Fahrzyklus (NEDC: New European Driving Cycle) dargestellt. Dabei ist die Anzahl A der Lastpunkte gegenüber der Leistung in kW dar- gestellt. Wie in Fig. 3 zu erkennen ist, wird das Elektrofahrzeug beispielsweise in dem NEDC-Fahrzyklus bei durchschnittlich 5,3 kW motorischer Last betrieben, was bei einer Fahrzeugauslegung auf 90 kW Spitzenleistung einer Last von durchschnittlich 5,9% entspricht. Somit werden bekannte Elektrofahrzeuge im extremen Teillastbetrieb betrieben, welcher mit einem deutlich verringerten Wir- kungsgrad der Gleichstromsteller verbunden ist.
Offenbarung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung basiert auf der Erkenntnis, dass ein Wirkungsgrad ei- ner im Teillastbereich betriebenen Gleichstromstelleranordnung durch die Zurverfügungstellung von Gleichstromstellern unterschiedlicher Nennleistung verbessert werden kann. Dadurch wird es möglich, durch beispielsweise eine Abschaltung oder Trennung wenigstens eines Gleichstromstellers eine genauere Anpassung der im Teillastbetrieb abgeforderten Leistung an die Wirkungsgradcharakte- ristik der resultierenden Gleichstromstelleranordnung zu erzielen. Durch eine geeignete Kombination verschiedener Gleichstromsteller mit unterschiedlicher Leistungsfähigkeit kann ferner eine Ansteuerungsstrategie erwirkt werden, welche den Wirkungsgrad insbesondere auf den für die Elektrofahrzeuge wichtigen Fahrzyklen erhöht. Die relevanten Fahrzyklen für Elektrofahrzeuge, in welchen diese im extremen Teillastbetrieb betrieben werden, sind insbesondere Stadtbzw. Überland-Zyklen. Die Erfindung betrifft eine Gleichstromstelleranordnung mit einem ersten Gleichstromsteller mit einer ersten Nennleistung, und einem zweiten Gleichstromsteller mit einer zweiten Nennleistung, welche sich von der ersten Nennleistung unter- scheidet. Vorteilhaft sind der erste Gleichstromsteller und der zweite Gleichstromsteller in Abhängigkeit von einem Leistungsbedarf, d.h. von einem Bedarf an elektrischer Leistung, welcher durch einen oder mehrere elektrische Verbraucher angefordert sein kann, zusammenschaltbar oder voneinander trennbar. Somit wird der Wandlungswirkungsgrad des einzelnen Gleichstromstellers und damit der Wandlungswirkungsgrad der gesamten Gleichstromstelleranordnung erhöht.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform umfasst die Gleichstromstelleranordnung ein Eingangstor und ein Ausgangstor mit einer oder mit mehreren An- schlussklemmen, wobei der erste Gleichstromsteller und der zweite Gleichstromsteller mit dem Eingangstor und mit dem Ausgangstor koppelbar sind. Somit wird in vorteilhafter Weise sichergestellt, dass die Gleichstromstelleranordnung einen definierten Eingang und einen definierten Ausgang aufweist, so dass das Zuschalten oder das Abschalten der Gleichstromsteller effizient innerhalb der Gleichstromstelleranordnung realisiert werden kann.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform ist ein Verhältnis oder eine Differenz zwischen der ersten Nennleistung und der zweiten Nennleistung vorbestimmt. Durch diese unterschiedliche Leistungsstufigkeit kann beispielsweise beim Ab- schalten eines der Gleichstromsteller der andere Gleichstromsteller so belastet werden, dass der Wandlungswirkungsgrad des einzelnen Gleichstromstellers und somit der gesamten Gleichstromstelleranordnung erhöht werden kann.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform sind der erste Gleichstromsteller und der zweite Gleichstromsteller in Reihe oder parallel zusammenschaltbar. Dadurch wird eine vorteilhafte Flexibilität der Gleichstromstelleranordnung bezüglich der Strom- bzw. Spannungsanforderungen erreicht.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform umfasst die Gleichstromstelleran- Ordnung eine Mehrzahl, insbesondere drei oder mehr, von zusammenschaltba- ren Gleichstromstellern unterschiedlicher Nennleistung. Dadurch wird in vorteil- hafter Weise eine genauere Anpassung der abgegebenen elektrischen Leistung an die Wirkungsgradcharakteristik der Gleichstromsteller erzielt.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform ist zumindest ein oder jeder Gleich- stromsteller mittels einer Schaltanordnung zu- oder abschaltbar. Die Schaltanordnung kann beispielsweise einen oder zwei Schalttransistoren, insbesondere Leistungstransistoren, aufweisen. Dadurch wird in vorteilhafter weise eine einfache Zu- oder Abschaltung der Gleichstromsteller ermöglicht. Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform umfasst die Gleichstromstelleranordnung eine Steuerungseinrichtung zum Trennen zumindest einer der Gleichstromsteller in Teillastbetrieb der Gleichstromstelleranordnung, um den oder die verbleibenden Gleichstromsteller mit höherer Leistung zu betreiben. Bevorzugt ist die Steuerungseinrichtung beispielsweise ausgebildet, zu erfassen, in wel- ehern Lastbetriebsbereich sich die Gleichstromstelleranordnung bzw. deren
Gleichstromsteller befinden. In Abhängigkeit von einem Ergebnis dieser Analyse kann die Steuerungseinrichtung einzelne Gleichstromsteller zu- oder abschalten.
Die Erfindung betrifft ferner eine Energiebereitstellungsanordnung mit zumindest einem Energiespeicher und der erfindungsgemäßen Gleichstromstelleranordnung. Der Energiespeicher ist beispielsweise vorgesehen, zumindest eine Eingangsspannung für die Gleichstromstelleranordnung bereitzustellen, welche in eine Ausgangsspannung überführt wird. Der Energiespeicher kann ferner eine oder mehrere Energiezellen aufweisen.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform umfasst der Energiespeicher eine Mehrzahl von Energiespeichermodulen, beispielsweise eine Mehrzahl von Teilenergiespeichern oder von separaten Energiespeichern, wobei jedes Energiespeichermodul oder jeder Energiespeicher einem, insbesondere jedoch genau einem, Gleichstromsteller der Gleichstromstelleranordnung zugeordnet ist. Somit wird mit einem Zu- oder Abschalten des jeweiligen Gleichstromstellers gleichzeitig mit das jeweilige Energiespeichermodul oder -Speicher zu- oder abgeschaltet, wodurch in vorteilhafter weise ein effizientes Energiemanagementkonzept realisiert werden kann. Die Erfindung betrifft ferner ein Gleichstromstellerverfahren unter Verwendung der erfindungsgemäßen Gleichstromstelleranordnung. Das Gleichstromstellerverfahren umfasst bevorzugt das Zusammenschalten des Gleichstromstellers und des zweiten Gleichstromstellers, um eine höhere Leistung bereitzustellen, und/oder das Trennen zumindest eines des Gleichstromsteller im Teillastbetrieb, um den verbleibenden Gleichstromsteller oder um die verbleibenden Gleichstromsteller mit höherer Leistung zu belasten, wodurch in vorteilhafter weise der Gesamtwirkungsgrad erhöht werden kann. Weitere Verfahrensschritte ergeben sich unmittelbar aus der Funktionalität der
Gleichstromstelleranordnung.
Die Erfindung betrifft ferner die Verwendung der Gleichstromstelleranordnung in Elektroantrieben oder in Hybridantrieben von Fahrzeugen.
Weitere Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden Bezug nehmend auf die beiliegenden Zeichnungen erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 einen Wirkungsgradverlauf eines Gleichstromstellers;
Fig. 2 eine Parallelschaltung von gleichen Gleichstromstellern;
Fig. 3 eine beispielhafte Lastverteilung beim Betrieb eines Elektrofahrzeugs; Fig. 4 eine Gleichstromstelleranordnung;
Fig. 5 beispielhafte Wirkungsgradverläufe;
Fig. 6 beispielhafte Wirkungsgradverläufe;
Fig. 7 beispielhafte Wirkungsgradverläufe;
Fig. 8 eine Energiebereitstellungsanordnung. Fig. 4 zeigt eine Gleichstromstelleranordnung mit einem ersten Gleichstromsteller 101 , mit einem zweiten Gleichstromsteller 103, mit einem dritten Gleich- stromsteller 105 und mit einem vierten Gleichstromsteller 107. Die Gleichstromsteller 101 bis 107 zeichnen sich durch unterschiedliche Nennleistungen aus, wodurch eine Erhöhung des Wirkungsgrades der Gleichstromstelleranordnung bewirkt werden kann (vgl. Fig. 7). Die Gleichstromsteller können DC/DC- Wandler sein.
Die Gleichstromstelleranordnung umfasst eingangsseitig ferner ein Eingangstor 109 zum Empfangen einer Eingangsspannung und ein ausgangsseitiges Ausgangstor 1 11 zum Ausgeben einer Ausgangsspannung, welche die transformier- te eingangsseitige Eingangsspannung darstellt.
Der erste Gleichstromsteller 101 kann beispielsweise zwischen dem Eingangstor 101 und dem Ausgangstor 11 1 fest verschaltet oder schaltbar angeordnet sein. Die Gleichstromsteller 103 bis 107 sind bevorzugt einzeln und parallel zu dem ersten Gleichstromsteller (101 ) zuschaltbar. Hierzu können die Gleichstromsteller
101 bis 107 beispielsweise Schaltanordnungen umfassen, welche in Fig. 4 nicht dargestellt sind.
Bevorzugt stehen die Nennleistungen der Gleichstromsteller 101 bis 107 in ei- nem bestimmten Verhältnis zueinander, das von den relevanten Fahrzyklen abhängen kann. Das Verhältnis kann beispielsweise empirisch oder computerunterstützt über einen Optimierungsvorgang bestimmt werden. Eine beispielsweise Kombination der Nennleistungen für beispielsweise einen NEDC liefert eine 60 kW-Wandleranordnung, d.h. eine Gleichstromstelleranordnung, mit vier kleineren Gleichstromstellern, deren Leistungen beispielsweise 1 kW, 3 kW, 10 kW und 46 kW betragen. Im Vergleich zu einer Wandleranordnung mit vier gleich starken Gleichstromstellern mit je 15 kW ergibt sich durch die unterschiedlichen Nennleistungen ein Wirkungsgradvorteil von beispielsweise 1 ,55% bei einer Gewichtung der Lastpunkte entsprechend einer im NEDC-Fahrzyklus auftretenden Leis- tungsverteilung.
Fig. 5 zeigt beispielhafte Wirkungsgradverläufe W über Last L bei einer Parallelschaltung von Gleichstromstellern. Dabei zeigt der Verlauf 501 den Wirkungsgrad bei einer Parallelschaltung von Wandlern unterschiedlicher Nennleistung. Im Vergleich hierzu zeigt der Verlauf 503 einen Wirkungsgrad bei einer Parallelschaltung von Wandlern mit gleicher Nennleistung. Wie in Fig. 5 dargestellt kann insbesondere im Teillastbetrieb bei geringeren Lasten der Wirkungsgrad bei Verwendung von Gleichstromstellern unterschiedlicher Nennleistungen deutlich verbessert werden gegenüber einer Anordnung mit DC/DC-Wandlern, welche jeweils dieselbe Leistungsendstufe aufweisen.
In Fig. 6 sind weitere Wirkungsgradverläufe dargestellt, welche bei einer Parallelschaltung unterschiedlich leistungsfähiger Gleichstromsteller insbesondere bei einer optimierten Ansteuerung, d.h. Zu- oder Abschaltung in Abhängigkeit von einem Teillastbetrieb, erzielt werden kann.
In Fig. 7 sind weitere Wirkungsgradverläufe über Last bei einer Parallelschaltung unterschiedlich leistungsfähiger Gleichstromsteller und einer Wirkungsgradoptimierten Ansteuerung dargestellt. Wie in Fig. 7 zu erkennen ist, kann durch eine geeignete Aufteilung der Last auf die einzelnen Gleichstromsteller, d.h. auf die einzelnen Komponenten der Gleichstromstelleranordnung, eine Verbesserung des insgesamt erzielbaren Wirkungsgrades erreicht werden. So können beispielsweise bei minimalen Lasten nur diejenigen Gleichstromsteller betrieben werden, welche die geringste Nennleistung aufweisen, um den besten Wirkungsgrad zu erreichen. Die anderen Gleichstromsteller können abgeschaltet und so- mit aus der Wirkungsgradkette entfernt werden. Bei höheren Leistungen kann ferner je nach Lastpunkt entschieden werden, welche Kombination der Gleichstromsteller die beste Effizienz liefert. Die Aufteilung der Gleichstromsteller über der Last kann beispielsweise im Vorfeld optimiert werden. Dadurch ist es nicht notwendig, diese Optimierung im Fahrzeug bei Fahrt durchzuführen. Gemäß ei- nem Aspekt kann diese Optimierung jedoch dynamisch bei Fahrzeugfahrt, beispielsweise fahrverhaltensabhängig, durchgeführt werden. Diese Optimierung kann beispielsweise mittels einer Steuerungseinrichtung durchgeführt werden, welche die für die jeweilige Fahrsituation Wirkungsgrad optimale Zusammenschaltung der Gleichstromsteller bestimmt und diese Zusammenschaltung vor- nimmt.
Auf diese Weise können deutlich verbesserte Wirkungsgrade der Gleichstromsteller insbesondere bei deren Verwendung in einem Elektrofahrzeug auf der Basis einer geeigneten Dimensionierung der Gleichstromsteller in einer Pa- rallel- oder Serienschaltung, welche an sich bekannt sein können, erreicht werden. Durch die Verbesserung des Wirkungsgrades können insbesondere erhebli- che Reichweitenerhöhungen bei Elektrofahrzeugen erreicht werden. Bei höheren Lasten liefert die erfindungsgemäße Gleichstromstelleranordnung ebenfalls hohe Wirkungsgrade, welche beispielsweise den Wirkungsgraden der Gleichstromsteller ohne eine Parallelschaltung entsprechen können, da die einzelnen Gleich- stromsteller jeweils mit beispielsweise der gleichen anteiligen Last betrieben werden können.
Die erfindungsgemäße Gleichstromstelleranordnung kann überall dort verwendet werden, wo Gleichstromstellern eine große Leistungsfähigkeit abverlangt wird, die jedoch auch mit kleineren Leistungen betrieben werden müssen. Bevorzugt kann die Gleichstromstelleranordnung in Elektrofahrzeugen mit einem Elektromotor oder mit Hybridfahrzeugen, welche einen Elektromotor aufweisen, verwendet werden, weil derartige Antriebe die vorstehend beschriebenen Lastcharakteristi- ka recht häufig aufweisen. Insbesondere kann die Gleichstromstelleranordnung vorteilhaft bei sportlich ausgelegten Elektrofahrzeugen verwendet werden, da diese eine sehr hohe maximale Leistung bereitstellen müssen und dadurch im normalen Fahrbetrieb in prozentual niedrigeren Lastbereichen betrieben werden.
Anstatt einer Parallelschaltung können die Gleichstromsteller verschiedener Größe auch ausgangsseitig in Reihe verschaltet werden. In diesem Fall kann beispielsweise eine Energiequelle, beispielsweise eine Batterie, in verschieden große Module aufgeteilt werden, wobei die Anzahl der Zellen pro Modul abhängig von der jeweiligen Leistungsfähigkeit des jeweiligen Gleichstromstellers sein kann.
Fig. 8 zeigt eine derartige Energiebereitstellungsanordnung mit einer Mehrzahl von in Reihe schaltbaren Gleichstromstellern 801 , 803 und 805. Dem Gleichstromsteller 801 ist ein Batteriemodul 807, dem Gleichstromsteller 803 ist ein Batteriemodul 809 und dem Gleichstromsteller 805 ist ein Batteriemodul 81 1 zu- geordnet. Jeder Wandler 801 , 803 und 805 kann beispielsweise mittels einer
Schaltanordnung mit jeweils zwei Schalttransistoren 813 und 815 zu- oder abgeschaltet werden. Darüber hinaus ist jedem der Gleichstromsteller 801 , 803 und 805 eine Ausgangskapazität 817 zugeordnet. Die Ausgangskapazitäten 817 können jeweils gleich große oder unterschiedlich große Kapazitäten aufweisen. Beispielsweise kann der Gleichstromsteller 801 für eine Nennleistung von 1 kW ausgelegt sein. In diesem Fall ist das diesem Gleichstromsteller zugeordnete Batteriemodul 807 beispielsweise für 1 kW ausgelegt. In Analogie hierzu kann ein weiterer Gleichstromsteller, beispielsweise der Gleichstromsteller 803, für 3 kW oder für 10 kW ausgelegt sein. In diesem Falle kann das diesem Gleichstromsteller zugeordnete Energiemodul 809 ebenfalls für 3 kW oder für 10 kW ausgelegt sein. Darüber hinaus kann der Gleichstromsteller 805 für eine Nennleistung von 46 kW ausgelegt sein. Daher kann das diesem Gleichstromsteller zugeordnete Energiemodul 811 beispielsweise ebenfalls für 46 kW ausgelegt sein. Die in Fig. 8 dargestellte Anordnung kann ferner eine beliebige Anzahl von
Gleichstromstellern aufweisen, welche in der in Fig. 8 dargestellten Art und Weise zu- oder abschaltbar sind, um eine Anpassung der Anordnung an den jeweiligen Lastbetrieb zu bewirken. Die erfindungsgemäßen Gleichstromsteller oder die Gleichstromstelleranordnung kann beispielsweise als eine Hardwareschaltung, welche per Steuerungssoftware steuerbar sein kann, implementiert werden. Das der Steuerungssoftware zugrunde liegende Programm kann beispielsweise zur Wirkungsgradoptimierung herangezogen werden, um beispielsweise für den jeweiligen Lastbetrieb diejeni- ge Kombination der Gleichstromsteller zu bestimmen, welche hinsichtlich des zu erzielenden Wirkungsgrades optimal ist.

Claims

Ansprüche
1. Gleichstromstelleranordnung, mit: einem ersten Gleichstromsteller (101 ) mit einer ersten Nennleistung; und einen zweiten Gleichstromsteller (103) mit einer zweiten Nennleistung, die sich von der ersten Nennleistung unterscheidet; wobei der erste Gleichstromsteller (101 ) und der zweite Gleichstromsteller (103) in Abhängigkeit von einem Leistungsbedarf zusammenschaltbar oder vonein- ander trennbar sind.
2. Gleichstromstelleranordnung gemäß Anspruch 1 , die ein Eingangstor (109) und ein Ausgangstor (1 11 ) aufweist, wobei der erste Gleichstromsteller (101 ) und der zweite Gleichstromsteller (103) mit dem Eingangstor und mit dem Ausgangstor (1 11 ) koppelbar sind.
3. Gleichstromstelleranordnung gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, wobei ein Verhältnis oder eine Differenz zwischen der ersten Nennleistung und der zweiten Nennleistung vorbestimmt ist oder wobei die erste Nennleis- tung und die zweite Nennleistung vorbestimmt sind.
4. Gleichstromstelleranordnung gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der erste Gleichstromsteller (101 ) und der zweite Gleichstromsteller (103) in Reihe oder parallel zusammenschaltbar sind.
5. Gleichstromstelleranordnung gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, mit einer Mehrzahl von zusammenschaltbaren Gleichstromstellern (101 , 103, 105, 107) unterschiedlicher Nennleistung.
6. Gleichstromstelleranordnung gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, wobei zumindest ein oder jeder Gleichstromsteller (101 , 103) mittels einer Schaltanordnung, insbesondere mittels einer Schaltanordnung mit einem oder zwei Schalttransistoren (813, 815), zu- oder abschaltbar ist.
7. Gleichstromstelleranordnung gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, wobei eine Steuerungseinrichtung zum Trennen zumindest eines der Gleichstromsteller (101 , 103) im Teillastbetrieb der Gleichstromstelleranordnung vorgesehen ist, um den verbleibenden Gleichstromsteller (101 , 103) mit höherer Leistung zu betreiben.
8. Energiebereitstellungsanordnung, mit: zumindest einem Energiespeicher (807, 809, 81 1 ); und der Gleichstromstelleranordnung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7.
9. Energiebereitstellungsanordnung gemäß Anspruch 8, wobei der Energiespeicher (807, 809, 811 ) eine Mehrzahl von Energiespeichermodulen aufweist, und wobei jedes Energiespeichermodul einem, insbesondere genau einem, Gleichstromsteller (801 , 803, 805) der Gleichstromstelleranordnung zugeordnet ist.
10. Gleichstromstellerverfahren unter Verwendung der Gleichstromstelleranordnung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, mit: Zusammenschalten des ersten Gleichstromstellers und des zweiten Gleichstromstellers, um eine höhere Leistung bereitzustellen; oder
Trennen zumindest eines der Gleichstromsteller im Teillastbetrieb, um den verbleibenden Gleichstromsteller mit höherer Leistung zu belasten.
1 1. Verwendung der Gleichstromstelleranordnung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7 in Elektroantrieben oder in Hybridantrieben von Fahrzeugen.
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