WO2014056661A2 - Vorrichtung zur spannungswandlung sowie bordnetz mit einer genannten vorrichtung - Google Patents

Vorrichtung zur spannungswandlung sowie bordnetz mit einer genannten vorrichtung Download PDF

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    • H02M1/009—Converters characterised by their input or output configuration having two or more independently controlled outputs

Definitions

  • the present invention relates to a device for
  • the invention relates to a vehicle with a said electrical system.
  • a vehicle electrical system of a hybrid or electric vehicle Such a vehicle electrical system generally comprises two or more on-board network branches, each with a vehicle electrical system voltage, the vehicle electrical system voltages of different vehicle network branches having different voltage values.
  • a first electrical system branch includes power consumers with a low consumption power, such as a navigation device, which with a 12 volts
  • Vehicle electrical system voltage are supplied.
  • This first vehicle electrical system branch is then referred to by way of example as a low-voltage vehicle electrical system branch.
  • a second electrical system branch comprises power consumers with a high consumption power, such as a
  • Electric motor which serves as a starter for the internal combustion engine or as the drive of the vehicle.
  • this second electrical system branch there is usually a comparatively high on-board supply voltage, which is at 100 volts or higher.
  • This second on-board network branch is then called by way of example as a high-voltage on-board branch.
  • Bordnetzzweigen often takes place a current flow, for example, in a sudden increase in power consumption by connecting a powerful power consumers in the second electrical system branch to protect them from a harmful voltage dip.
  • the electrical system on a device for voltage conversion which the Vehicle power supply voltage of the first electrical system branch into the other vehicle electrical system voltage of the second electrical system branch converts.
  • a vehicle's on-board network is subject to a stringent safety requirement to avoid potentially dangerous body currents occurring between two power outlets at a contact voltage greater than 60v.
  • Electricity supply To comply with this safety requirement, the device for voltage conversion of a vehicle electrical system is usually equipped with transformers that galvanically separate the electrical system branches from each other. As a result of this galvanic isolation, no current can flow between the power connections of various on-board network branches, namely between the input-side terminals and the output-side terminals of the device. Consequently, there is no voltage between the power connections of various electrical systems branches, which could exceed the maximum permitted contact voltage.
  • such devices have a disadvantage that they are expensive due to the transformers with galvanic separation function.
  • the object of the present invention is to provide an opportunity for cost-effective voltage conversion, which nevertheless provides sufficient security.
  • a device for voltage conversion which gear potential terminal, a first transformerless DC-DC converter unit having a first training for providing a first off ⁇ output voltage potential and a second transformerless DC-DC converter unit with a second réellepo- tentialan gleich for providing a second output ⁇ voltage potential includes.
  • the first and the second output potential connection are at the same time the two output side connections of the device.
  • the first and the second DC-DC converter unit have a common input-potential terminal for applying a common A ⁇ output voltage potential and a common jacketspoten- tialan gleich on for applying a common reference voltage ⁇ potentials.
  • the common input potential terminal and the common reference potential terminal are at the same time the two input-side terminals of the device.
  • the DC-DC converter unit generated from the junction potential terminal voltage applied to the input input voltage potential, a first output voltage potential at the first starting potential terminal, said first output voltage ⁇ potential relative to the reference voltage potential at the reference potential connection has a higher voltage potential value.
  • the second DC-DC converter ⁇ unit from the same input voltage potential generates a second output voltage potential at the second output potential, wherein the second output voltage potential based on the same reference potential has a lower voltage potential value.
  • the difference between the first and the second output voltage potential forms the output voltage of the device between the first and the second output potential connection or between the two output-side terminals of the device.
  • transformerless here means that the device, or the first and the second
  • a "common potential connection” means a common electrical node having the same voltage potential in a circuit topology of the device.
  • a device for voltage conversion which has no transformer, or no galvanic isolation by a transformer, and thus is inexpensive to produce.
  • the above-mentioned security requirement can be met. Characterized in that at the same time a relative to the input voltage potential and the reference tension ⁇ voltage potential higher output voltage potential and a can be produced from the input voltage potential and the reference tension ⁇ voltage potential lower output voltage potential, for example, can theoretically an output voltage of up to 120 volts are provided without the above- safety requirement with a maximum contact voltage of 60 volts.
  • DC converter unit as an up converter ⁇ forms. This has the advantage that it is simple, the first output voltage potential he can testify ⁇ with said device, which has a higher voltage potential value as the input voltage potential.
  • the second DC-DC converter unit is designed as an inverse converter.
  • This has the advantage that with said device it is easy to generate the second output voltage potential, which has a negative voltage potential value with respect to the input voltage potential and thus with respect to the first output voltage potential.
  • the two advantageous embodiments mentioned above offer the advantage that the output voltage of the device, which is a potential difference between the first and the second output voltage potential, may have a higher voltage value compared to a potential difference between the first output voltage potential and the input voltage potential or between the second Output voltage potential and the input voltage potential.
  • the device can achieve transformerless overall with simple and inexpensive means a higher voltage gain in the voltage conversion.
  • the first DC-DC converter unit between the possiblesspotenti- alan gleich and the reference potential terminal on a first coil and a first controllable switch in a series circuit. Between the input potential terminal and the first output potential terminal, the first DC voltage ⁇ converter unit, the first coil and a second controllable switch in a series circuit. Between the reference potential terminal and the first output potential terminal, the first DC-DC converter unit has the first and second controllable switches in series connection and a first capacitor in parallel with the series circuit formed by the first and second switches.
  • the second DC-DC converter unit between the input potential terminal and the reference potential terminal on a third controllable switch and a second coil in a series circuit.
  • the second DC-DC converter unit has the third controllable switch and a fourth controllable switch in a series circuit.
  • the second DC voltage ⁇ converter unit, the second coil and the fourth controllable Switch in a series circuit and a second capacitor in a parallel circuit to the series circuit formed by the second coil and the fourth controllable switch.
  • the latter two embodiments of the device offer the advantage that the device can be made of a simple circuit with inexpensive standardized components.
  • a second diode instead of the second a first diode and instead of the fourth switch, a second diode may be used.
  • the first diode is arranged between the first coil and the first output potential terminal, and in the direction from the first coil to the first output potential terminal and conductive reverse blocking.
  • the second diode is placed between the third steu ⁇ trollable switch and the second output potential connection, and in the direction from the second output potential terminal conductive with the third controllable switch, and vice versa off.
  • the device further comprises a first signal input terminal for receiving a first pulse width modulated control signal for driving the first and the second switch.
  • the first or the second switch is provided with a first control signal connection.
  • a first inverter for inverting the first control signal is provided between the first signal input terminal and the first control signal terminal.
  • the device also analogously to a second signal input terminal for receiving a second pulse width modulated control signal for driving the third and the fourth switch. In this case, the third or the fourth switch with a second
  • Control signal connection provided. Furthermore, a second inverter for inverting the second control signal is provided between the second signal input terminal and the second control signal terminal.
  • a device in which the first and the second DC-DC converter unit each have a first and a second adjustable voltage amplification factor.
  • the setting of the first and the second voltage amplification factor takes place by the change of the duty cycle of the first and the second pulse width modulated control signal.
  • the first and the second control signal are one and the same pulse width modulated control signal.
  • the four switches can be controlled simultaneously with only one control signal.
  • the first DC-DC converter unit can provide a first output voltage potential, which has a potential value which is higher than the maximum permitted contact voltage of 60 volts with respect to the input voltage potential and the reference voltage potential.
  • the first pulse width modulated control signal for example, have a duty cycle of 4/5 to set the first voltage gain to a voltage gain of 5 and thus to generate from the input voltage potential of 12 volts a first output voltage potential with a voltage potential value of 60 volts. If the reference potential terminal on Massepo ⁇ tential and is the input voltage potential relative to the ground potential 12 volts, then the first
  • first output voltage potential input voltage potential
  • 60 volts - 12 volts I 48 volts;
  • first output voltage potential - Be ⁇ zugsschreibspotential!
  • 60 volts - 0 volts I 60 volts).
  • the second DC-DC converter unit can provide a second output voltage potential, which has a potential value which is lower than the maximum permitted contact voltage of 60 volts with respect to the input voltage potential and the reference voltage potential.
  • the second pulse width modulated control signal for example, also have a duty cycle of 4/5 to set the second voltage gain factor to a factor of -4 and from the input voltage potential of 12 volts a second output voltage potential with a voltage potential value of -48 volts to produce.
  • the potential differences between the second output potential terminal and the input potential terminal and between the second output potential terminal and the reference potential terminal are also less than or equal to the maximum allowable contact voltage of 60 volts (
  • second output voltage potential - input voltage potential I
  • - 8 volts - 12 volts I 60 volts; second output voltage potential potential
  • voltage gain of -4 means that the second DC-DC converter unit amplifies the input voltage ⁇ potential to four times, and the amplified voltage potential inverted outputs to the second réellepotentialan ⁇ circuit.
  • the output voltage of the device is the potential difference between the first and second output voltage potentials
  • the difference between the first and second output voltage potentials results in an output voltage of the device at 108 volts (erstes first output voltage potential
  • a vehicle electrical system for a vehicle which comprises a first vehicle electrical system branch with a first vehicle electrical system voltage and a second vehicle electrical system branch with a second vehicle electrical system voltage as well as a device described above.
  • the first vehicle electrical system voltage of the first vehicle electrical system branch is applied between the input potential terminal and the reference potential terminal of the first and the second DC converter unit.
  • the second vehicle electrical system voltage of the second electrical system branch is between the first output potential terminal of the first
  • the electrical system between the first output potential terminal and the reference potential completion of a first energy store, and between the reference potential and the second conclusion from ⁇ gear potential terminal a second energy storage device on.
  • the first DC-DC converter unit is designed to regulate the charging voltage of the first energy store.
  • the second DC-DC converter unit is designed to regulate the charging voltage of the second energy store.
  • the first DC-DC converter unit is designed such that it, like a charge state balancer, regulates the charging voltage of the first energy store and thus protects the first energy store from overcharging Ladungszu ⁇ state equalizer, the charging voltage of the second energy storage regulates and thus the second energy storage in front of a
  • the two energy stores are used to provide electrical energy for the electrical system or for the electrical energy consumers in the electrical system.
  • the separate arrangement of the two energy stores between the first output potential terminal and the reference potential terminal and between see the reference potential termination and the second output potential terminal has the advantage that the charging voltages of the two energy storage can be controlled independently of each other DC voltage converter units.
  • a vehicle is provided with a vehicle electrical system described above.
  • the single figure shows a schematic representation of a hybrid vehicle with a vehicle electrical system having a device according to an embodiment of the invention.
  • the vehicle F comprises a vehicle electrical system BN with a first vehicle electrical system branch BZ1 and a second vehicle electrical system branch BZ2, as well as a device V for voltage conversion.
  • the first electrical system branch BZ1 has a first vehicle electrical system voltage Ue, which has a rated voltage value of 12 volts.
  • the second electrical system branch BZ2 comprises an electric motor EM as a system load and has a second vehicle electrical system voltage Ua.
  • the second vehicle electrical system voltage Ua has a rated voltage value of 100 volts, which is necessary for the operation of the electric motor EM.
  • the device V which converts the first vehicle electrical system voltage Ue of the first vehicle electrical system branch BZ1 into the second vehicle electrical system voltage Ua of the second vehicle electrical system branch BN2 and / or vice versa, is arranged between the first and second vehicle electrical system branches BZ1, BZ2.
  • the device V has a first input-side voltage terminal El and a second input-side voltage terminal E2 and is connected via these two input-side voltage terminals El and E2 to the first vehicle electrical system branch BZ1 electrically connected.
  • the device has a first output-side voltage connection AI and a second output-side voltage connection A2 and is electrically connected via these two output-side voltage connection AI and A2 to the second electrical system branch BZ2.
  • the first board voltage Ue is located between the two input-side voltage terminals El and E2 of the device V.
  • the second board voltage Ua between the two output-side voltage terminals Al and A2 of the device V.
  • the output voltage of the device V In order for the first vehicle electrical system voltage Ue which corresponds to a ⁇ output voltage of the device V and the second vehicle electrical system voltage Ua, the output voltage of the device V.
  • the device V also has a first signal input terminal SA1 and a second signal input terminal SA2 for receiving a first and a second
  • the device V also includes a first
  • DC-DC converter unit GW1 DC-DC converter unit GW1 and a second
  • DC-DC converter units GW1 and GW2 have a common input potential terminal Pe. The two
  • DC voltage converter units GW1 and GW2 also have a common reference potential terminal Pb. This reference potential terminal Pb is at ground potential.
  • the first DC-DC converter unit GW1 has a first output potential terminal Pal.
  • DC voltage converter unit GW2 has analogously to a second output potential terminal Pa2.
  • the first input-side voltage terminal El of the device V and the common input potential terminal Pe of the first and second DC-DC converter units GW1 and GW2 represent a first common node of the device V in their circuit topology according to the 1st Kirchoffoff law.
  • the second input-side voltage terminal E2 of the device V and the common reference potential terminal Pb of the first and the second DC-DC converter unit GWl and GW2 represent analogously a second common node of the device V.
  • the first output-side voltage terminal of the device AI V and the first output potential terminal Pal of the first DC-DC converter unit GWL form of a third ge ⁇ common node V of the device.
  • DC-DC converter unit GW2 form of a fourth ge ⁇ common node V of the device.
  • the first DC-DC converter unit GW1 has a first coil LI and a first controllable switch S1 in a series connection between the input potential terminal Pe and the reference potential terminal Pb. Between the input potential terminal Pe and the first output potential terminal Pal, the first DC-DC converter unit GW1 has the first coil LI and a second controllable switch S2. Between the reference potential terminal Pb and the first réellepo ⁇ tentialan gleich Pal, the first DC-DC converter unit ⁇ GWL the first and second switches Sl, S2 in a series circuit. Between the reference potential terminal Pb and the first output potential terminal Pal of the first
  • the DC converter unit GWl is also a first Kon ⁇ capacitor Cl arranged in a parallel circuit to the existing of the first and the second switch S1, S3 series connection.
  • the first DC-DC converter unit GWL is designed as an up-converter, wherein between the first coil LI and the first output potential terminal Pal advantageously ⁇ the second controllable switch S2 is arranged.
  • the first capacitor Cl includes first and second electrodes C1E1 and C1E2. Via the first electrode C1E1, the first capacitor C1 is directly electrically connected to the first output potential terminal Pal.
  • the second electrode C1E2 is the first capacitor Cl with the reference potential terminal Pb un indirectly indirectly ⁇ connected.
  • the first and second switches Sl and S2 are designed as a transistor and each have a control signal terminal AS1 or AS2.
  • the control signal terminal AS1 of the first switch S1 is directly electrically connected to the first signal input terminal SA1 of the device V.
  • the control signal terminal AS2 of the second switch S2 is electrically connected to the first signal input terminal SA1 of the device V via a first inverter INI.
  • the first inverter INI always forwards the first control signal PWM1, which is received at the first signal input terminal SA1 of the device V, to the control signal terminal AS2 of the second switch S2 inverted.
  • the two switches S1, S2 are always driven in opposite directions by the same first control signal PWM1.
  • the second DC-DC converter unit GW2 has between the input potential terminal Pe and the reference potential terminal Pb a third controllable switch S3 and a second coil L2 in a series circuit. Between the input potential terminal Pe and the second output potential terminal Pa2, the second DC voltage converter unit GW2, the third controllable switch S3 and a fourth controllable switch S4 in a series circuit. Between the reference potential terminal Pb and the second output potential terminal Pa2, the second DC-DC converter unit GW2, the second coil L2 and the fourth controllable switch S4 in a series circuit. Between the reference potential terminal Pb and the second output potential terminal Pa2, a second capacitor C2 is additionally arranged in a parallel circuit to the series circuit formed by the second coil L2 and the fourth controllable switch S4.
  • the second DC-DC converter unit GW2 is designed as an inverse converter, wherein between the third switch S3 and the second output potential terminal Pa2 advantageously ⁇ the fourth controllable switch S4 is arranged.
  • the second capacitor C2 has a first and a second electrode C2E1, C2E2. Via the first electrode C2E1, the second capacitor C2 is directly electrically connected to the first reference potential terminal Pb. Via the second electrode C2E2, the second capacitor C2 is directly electrically connected to the second output potential terminal Pa2.
  • the third and the fourth switch S3 and S4 are also designed as a transistor and each have a control signal connection AS3 or AS4.
  • the control signal terminal AS3 of the third switch S3 is directly electrically connected to the second signal input terminal SA2 of the device V.
  • the control signal terminal AS4 of the fourth switch S4 is electrically connected to the second signal input terminal SA2 of the device V via a second inverter IN2.
  • the second inverter IN2 always forwards the second control signal PWM2, which is received at the second signal input terminal SA2 of the device V, to the control signal terminal AS4 of the third switch S4 in an inverted manner.
  • the two switches S3, S4 are also always driven in opposite directions by the same second control signal PWM2.
  • the first electrical system branch BZ1 has a rated voltage of 12 volts, which at the same time also the potential difference between the input side voltage terminals El and E2 of the device V, and thus also the potential difference between the input potential terminal Pe and the reference potential terminal Pb of the first or the second DC-DC converter unit GW1, GW2. Since the clutchspo ⁇ tentialan gleich Pb is at ground potential, the input voltage potential E is thus at the input potential terminal Pe 12 volts. From this input voltage potential ⁇ , the device V provides an output voltage Ua of more than 100 volts between the first and the second output-side voltage terminals AI and A2 or between the first and the second output potential terminals Pal, Pa2.
  • the device V receives via the first and the second control terminal SA1, SA2, the first and second pulse width modulated STEU ⁇ ersignal PWML, PWM2.
  • the two control signals PWM1, PWM2 each have an equal pulse duration T and an equal duty cycle of 4/5.
  • the first switch S1 is closed in each switching cycle for a time duration t1 of 4/5 (duty cycle of the first control signal PWM1) of the pulse duration T.
  • the second switch S2 which is controlled by the inverted first control signal PWM1 is opened.
  • a first current i1 flows from the input potential terminal Pe via the first coil LI and the closed first switch S1 to the reference potential terminal Pb.
  • the input voltage Ue drops at the first coil LI and the current I1 through the coil LI increases linearly.
  • the first coil LI now stores electrical energy.
  • the first switch S1 is opened for the remaining time period of T-t1 in this switching cycle.
  • Control signal PWMl activated closed.
  • a second current il2 flows from the first coil LI via the closed second switch S2 to the first capacitor Cl.
  • the energy stored in the first coil LI is transferred to the first capacitor C1.
  • This energy charges the first capacitor Cl.
  • the voltage potential at the first electrode C1E1 of the capacitor C1 and thus also the first output voltage potential ⁇ & al at the first output potential terminal Pal increases.
  • the third switch S3 is closed by directly driving the second control signal PWM2 in each switching cycle for a time t2 of 4/5 (duty cycle of the second control PWM2) of the pulse duration T of the second control signal PWM2.
  • the fourth switch S4 which is driven by the inverted second control signal PWM2, is opened.
  • a third current i21 flows from the input potential terminal Pe via the second coil L2 and the closed second switch S2 to the reference potential terminal Pb.
  • the input voltage Ue drops at the second coil L2 and the current i21 through the coil L2 rises linearly.
  • the second coil L2 now stores electrical energy.
  • the third switch S3 is opened for the remaining time period of T-t2 in this switching cycle.
  • the fourth switch S4 is closed by the inverted second control signal PWM2.
  • a fourth current i22 flows from the second coil L2 via the closed fourth switch S4 to the second capacitor C2.
  • the energy stored in the second coil L2 is transferred to the second capacitor C2.
  • This energy charges the second capacitor C2.
  • the electric voltage between the two electrodes C2E1, C2E2 of the second capacitor C2 and thus also the potential difference between the second output voltage potential ⁇ & a2 and the reference voltage potential b increases.
  • the contact voltages between the input potential terminal Pe and the first output potential terminal Pal are at 48 volts, between the input potential terminal Pe and the second output potential terminal Pa2 at 60 volts, between the reference potential terminal Pb and the first output potential terminal Pal at 60 volts and between the reference point ⁇ potential terminal Pb and the second output potential terminal Pa2 at 48 volts.
  • all touch voltages between two electrical systems branches BZ1, BZ2 are less than or equal to 60 volts and the above-mentioned safety requirement is met.
  • the second and fourth switches S2, S4 quickly switch between a blocking state and a conducting state, thus contributing to a fast and low-loss voltage conversion compared to diodes, which, owing to the component, has a disturbing time delay in the switching phase between the blocking state and conductive switching state.
  • the device V further has a first energy store ESI between the first output potential terminal Pal and the reference potential terminal Pb, and a second energy store ES2 between the reference potential terminal Pb and the second output potential terminal Pa2, wherein the two energy sources memory ESI and ES2 each consist of a 48V battery. These two energy stores ESI and ES 2 serve to provide electrical energy for the electric motor EM.
  • the charging voltage U_ES1 of the first energy store ESI can be regulated by the first DC-DC converter unit GW1.
  • the first DC-DC converter unit GW1 protects the first energy store ESI from overcharging.
  • the second DC-DC converter unit GW2 regulates the charging voltage U_ES2 of the second energy store ES2 and thus protects it against overcharging.
  • PWM1, PWM2 Pulse width modulated control signal

Abstract

Offenbart wird eine Vorrichtung (V) zur Spannungswandlung mit einer ersten transformatorlosen Gleichspannungswandlereinheit (GW1) mit einem ersten Ausgangspotentialanschluss (Pa1), einer zweiten transformatorlosen Gleichspannungswandlereinheit (GW2) mit einem zweiten Ausgangspotentialanschluss (Pa2). Die beiden Gleichspannungswandlereinheiten (GW1, GW2) weisen einen gemeinsamen Eingangspotentialanschluss (Pe) und einen gemeinsamen Bezugspotentialanschluss (Pb) auf. Die erste Gleichspannungswandlereinheit (GW1) erzeugt aus dem Eingangsspannungspotential (Φe) ein erstes Ausgangsspannungspotential (Φa1) am ersten Ausgangspotentialanschluss (Pa1), welches bezogen auf das Bezugsspannungspotential (Φb) einen höheren Spannungspotentialwert aufweist. Die zweite Gleichspannungswandlereinheit (GW2) erzeugt aus dem Eingangsspannungspotential (Φe) ein zweites Ausgangsspannungspotential (Φa2) am zweiten Ausgangspotentialanschluss (Pa2), welches bezogen auf das Bezugsspannungspotential (Φb) einen niedrigeren Spannungspotentialwert aufweist. Die Vorrichtung ist kostengünstig herstellbar und bietet ausreichende Sicherheit.

Description

Beschreibung
Vorrichtung zur Spannungswandlung sowie Bordnetz mit einer genannten Vorrichtung
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur
Spannungswandlung sowie ein Bordnetz mit einer genannten Vorrichtung. Ferner betrifft die Erfindung ein Fahrzeug mit einem genannten Bordnetz.
Gattungsgemäße Vorrichtungen zur Spannungswandlung finden ihre Anwendungen in nahezu allen elektrischen Systemen, in denen verschiedene Systemspannungen vorliegen und funktionsbedingt eine Systemspannung in eine andere Systemspannung umgewandelt wird. Ein Beispiel für die genannten Systeme ist ein Bordnetz eines Hybrid- oder Elektrofahrzeugs . Ein derartiges Bordnetz umfasst in der Regel zwei oder mehr Bordnetzzweige mit jeweils einer Bordnetzspannung, wobei die Bordnetzspannungen verschiedener Bordnetzzweige unterschiedliche Spanungswerte aufweisen. Dabei umfasst ein erster Bordnetzzweig Stromverbraucher mit einer niedrigen Verbrauchsleistung, wie zum Beispiel ein Navigationsgerät, welche mit einer 12 Volt
Bordnetzspannung versorgt werden. Dieser erste Bordnetzzweig wird dann beispielhaft als Niederspannungsbordnetzzweig be- zeichnet. Ein zweiter Bordnetzzweig umfasst Stromverbraucher mit einer hohen Verbrauchsleistung, wie zum Beispiel einen
Elektromotor, der als Anlasser für den Verbrennungsmotor oder als Antrieb des Fahrzeugs dient. In diesem zweiten Bordnetzzweig herrscht in der Regel eine vergleichsweise hohe Bordnetz- Spannung, welche bei 100 Volt oder höher liegt. Dieser zweite Bordnetzzweig wird dann beispielhaft als Hochspannungsbord- netzzweig genannt. Zwischen diesen beiden Bordnetzzweigen findet oft ein Stromfluss statt, um beispielweise bei einem sprungartig steigenden Strombedarf durch Zuschalten eines leistungsstarken Stromverbrauchers in dem zweiten Bordnetzzweig diesen vor einem schädlichen Spannungseinbruch zu bewahren. Hierzu weist das Bordnetz eine Vorrichtung zur Spannungswandlung auf, welche die Bordnetzspannung des ersten Bordnetzzweigs in die andere Bordnetzspannung des zweiten Bordnetzzweigs umwandelt.
Wie vielen anderen elektrischen Systemen unterliegt das Bordnetz eines Fahrzeugs einer strengen Sicherheitsanforderung, gefährliche Körperströme möglichst zu vermeiden, welche zwischen zwei Stromanschlüssen bei einer Berührspannung von über 60v entstehen. Stromanschl- Zur Einhaltung dieser Sicherheitsanforderung wird die Vorrichtung zur Spannungswandlung eines Bordnetzes in der Regel mit Transformatoren ausgestattet, welche die Bordnetzzweige voneinander galvanisch trennen. Durch diese galvanische Trennung kann zwischen den Stromanschlüssen verschiedener Bordnetzzweige, nämlich zwischen den eingangssei- tigen Anschlüssen und den ausgangsseitigen Anschlüssen der Vorrichtung, kein Strom fließen. Folglich liegt zwischen den Stromanschlüssen verschiedener Bordnetzzweige auch keine Spannung, welche die maximal erlaubte Berührungsspannung überschreiten könnte. Derartige Vorrichtungen haben jedoch einen Nachteil, dass diese aufgrund der Transformatoren mit galva- nischer Trennfunktion teuer sind.
Damit besteht die Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, eine Möglichkeit zur kostengünstigen Spannungswandlung bereitzustellen, welche dennoch ausreichende Sicherheit bietet.
Diese Aufgabe wird durch die unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteran¬ sprüche . Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung wird eine Vorrichtung zur Spannungswandlung geschaffen, welche eine erste transformatorlose Gleichspannungswandlereinheit mit einem ersten Aus- gangspotentialanschluss zum Bereitstellen eines ersten Aus¬ gangsspannungspotentials, und eine zweite transformatorlose Gleichspannungswandlereinheit mit einem zweiten Ausgangspo- tentialanschluss zum Bereitstellen eines zweiten Ausgangs¬ spannungspotentials umfasst. Der erste und der zweite Aus- gangspotentialanschluss sind zugleich die beiden ausgangs- seitigen Anschlüsse der Vorrichtung. Die erste und die zweite Gleichspannungswandlereinheit weisen einen gemeinsamen Ein- gangspotentialanschluss zum Anlegen eines gemeinsamen Ein¬ gangsspannungspotentials und einen gemeinsamen Bezugspoten- tialanschluss zum Anlegen eines gemeinsamen Bezugsspannungs¬ potentials auf. Der gemeinsame Eingangspotentialanschluss und der gemeinsame Bezugspotentialanschluss sind zugleich die beiden eingangsseitigen Anschlüsse der Vorrichtung. Die erste
Gleichspannungswandlereinheit erzeugt aus dem an dem Ein- gangspotentialanschluss anliegenden Eingangsspannungspotential ein erstes Ausgangsspannungspotential an dem ersten Aus- gangspotentialanschluss , wobei das erste Ausgangsspannungs¬ potential bezogen auf das Bezugsspannungspotential an dem Bezugspotentialanschluss einen höheren Spannungspotentialwert aufweist. Analog erzeugt die zweite Gleichspannungswandler¬ einheit aus dem gleichen Eingangsspannungspotential ein zweites Ausgangsspannungspotential an dem zweiten Ausgangspotential- anschluss, wobei das zweite Ausgangsspannungspotential bezogen auf das gleiche Bezugsspannungspotential einen niedrigeren Spannungspotentialwert aufweist.
Die Differenz zwischen dem ersten und dem zweiten Ausgangsspannungspotential bildet dabei die Ausgangsspannung der Vorrichtung zwischen dem ersten und dem zweiten Ausgangspo- tentialanschluss beziehungsweise zwischen den beiden aus- gangsseitigen Anschlüssen der Vorrichtung.
Der Begriff „transformatorlos" bedeutet hierbei, dass die Vorrichtung, beziehungsweise die erste und die zweite
Gleichspannungswandlereinheit Vorrichtung, keinen Transfor¬ mator, beziehungsweise keine galvanische Trennung
• zwischen dem Eingangspotentialanschluss und dem ersten Ausgangspotentialanschluss ,
• zwischen dem Eingangspotentialanschluss und dem zweiten Ausgangspotentialanschluss ,
• zwischen dem Bezugspotentialanschluss und dem ersten
Ausgangspotentialanschluss , und/oder • zwischen dem Bezugspotentialanschluss und dem zweiten Ausgangspotentialanschluss ,
durch einen Transformator, aufweist. Ein „gemeinsamer Potentialanschluss" bedeutet einen gemeinsamen elektrischen Knotenpunkt mit demselben Spannungspotential in einer Schaltungstopologie der Vorrichtung.
Damit ist eine Vorrichtung zur Spannungswandlung geschaffen, welche keinen Transformator, beziehungsweise keine galvanische Trennung durch einen Transformator, aufweist und somit kostengünstig herstellbar ist. Zudem wird ermöglicht, dass bei entsprechender Ausgestaltung die oben genannte Sicherheitsanforderung erfüllt werden kann. Dadurch, dass zeitgleich ein gegenüber dem Eingangsspannungspotential und dem Bezugsspan¬ nungspotential höheres Ausgangsspannungspotential und ein gegenüber dem Eingangsspannungspotential und dem Bezugsspan¬ nungspotential niedrigeres Ausgangsspannungspotential erzeugt werden können, kann beispielsweise theoretisch eine Aus- gangsspannung von bis zu 120 Volt bereitgestellt werden, ohne dabei die oben genannte Sicherheitsanforderung mit einer maximalen Berührungsspannung von 60 Volt zu verletzen.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung ist die erste
Gleichspannungswandlereinheit als ein Aufwärtswandler ausge¬ bildet. Dies hat den Vorteil, dass man mit der genannten Vorrichtung einfach das erste Ausgangsspannungspotential er¬ zeugen kann, welches einen höheren Spannungspotentialwert aufweist als das Eingangsspannungspotential.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Vorrichtung ist die zweite Gleichspannungswandlereinheit als ein Invers- wandler ausgebildet. Dies hat den Vorteil, dass man mit der genannten Vorrichtung einfach das zweite Ausgangsspannungs- potential erzeugen kann, welches gegenüber dem Eingangsspannungspotential und somit gegenüber dem ersten Ausgangsspannungspotential einen negativen Spannungspotentialwert aufweist. Zusammen bieten die beiden oben genannten vorteilhaften Ausgestaltungen den Vorteil, dass die Ausgangsspannung der Vorrichtung, welche eine Potentialdifferenz zwischen dem ersten und dem zweiten Ausgangsspannungspotential ist, einen höheren Spannungswert aufweisen kann im Vergleich zu einer Potentialdifferenz zwischen dem ersten Ausgangsspannungspotential und dem Eingangsspannungspotential oder zwischen dem zweiten Ausgangsspannungspotential und dem Eingangsspannungspotential. Damit kann die Vorrichtung transformatorlos mit einfachen und kostengünstigen Mitteln insgesamt eine höhere Spannungsverstärkung bei der Spannungswandlung erzielen.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung weist die erste Gleichspannungswandlereinheit zwischen dem Eingangspotenti- alanschluss und dem Bezugspotentialanschluss eine erste Spule und einen ersten steuerbaren Schalter in einer Reihenschaltung auf. Zwischen dem Eingangspotentialanschluss und dem ersten Ausgangspotentialanschluss weist die erste Gleichspannungs¬ wandlereinheit die erste Spule und einen zweiten steuerbaren Schalter in einer Reihenschaltung auf. Zwischen dem Bezugspotentialanschluss und dem ersten Ausgangspotentialanschluss weist die erste Gleichspannungswandlereinheit den ersten und den zweiten steuerbaren Schalter in einer Reihenschaltung sowie einen ersten Kondensator in einer Parallelschaltung zu der von dem ersten und dem zweiten Schalter gebildeten Reihenschaltung auf .
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung weist die zweite Gleichspannungswandlereinheit zwischen dem Eingangs- potentialanschluss und dem Bezugspotentialanschluss einen dritten steuerbaren Schalter und eine zweite Spule in einer Reihenschaltung auf. Zwischen dem Eingangspotentialanschluss und dem zweiten Ausgangspotentialanschluss weist die zweite Gleichspannungswandlereinheit den dritten steuerbaren Schalter und einen vierten steuerbaren Schalter in einer Reihenschaltung auf. Zwischen dem Bezugspotentialanschluss und dem zweiten Ausgangspotentialanschluss weist die zweite Gleichspannungs¬ wandlereinheit die zweite Spule und den vierten steuerbaren Schalter in einer Reihenschaltung sowie einen zweiten Kondensator in einer Parallelschaltung zu der von der zweiten Spule und dem vierten steuerbaren Schalter gebildeten Reihenschaltung auf .
Die zuletzt genannten beiden Ausgestaltungen der Vorrichtung bieten den Vorteil, dass die Vorrichtung aus einer einfachen Schaltung mit kostengünstigen standardisierten Bauelementen hergestellt werden kann.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann anstelle des zweiten eine erste Diode und anstelle des vierten Schalters eine zweite Diode verwendet werden. Dabei wird die erste Diode zwischen der ersten Spule und dem ersten Ausgangspotential- anschluss, und in Richtung von der ersten Spule zu dem ersten Ausgangspotentialanschluss hin leitend und umgekehrt sperrend angeordnet. Die zweite Diode wird zwischen dem dritten steu¬ erbaren Schalter und dem zweiten Ausgangspotentialanschluss, und in Richtung von dem zweiten Ausgangspotentialanschluss zu dem dritten steuerbaren Schalter hin leitend und umgekehrt sperrend angeordnet .
Die Anwendung des zweiten und des vierten Schalters bietet gegenüber der Anwendung von der ersten und der zweiten Diode den Vorteil, dass Stromflüsse von der ersten Spule zu dem ersten Kondensator beziehungsweise von der zweiten Spule zu dem zweiten Kondensator schneller hergestellt und unterbrochen werden können . Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung weist die Vorrichtung ferner einen ersten Signaleingangsanschluss zum Empfangen eines ersten pulsweitenmodulierten Steuersignals zum Ansteuern des ersten und des zweiten Schalters auf. Dabei ist der erste oder der zweite Schalter mit einem ersten Steuersig- nalanschluss versehen. Ferner ist zwischen dem ersten Signaleingangsanschluss und dem ersten Steuersignalanschluss ein erster Inverter zum Invertieren des ersten Steuersignals vorgesehen . Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung weist die Vorrichtung ferner analog einen zweiten Signaleingangsanschluss zum Empfangen eines zweiten pulsweitenmodulierten Steuersignals zum Ansteuern des dritten und des vierten Schalters auf. Dabei ist der dritte oder der vierte Schalter mit einem zweiten
Steuersignalanschluss versehen. Ferner ist zwischen dem zweiten Signaleingangsanschluss und dem zweiten Steuersignalanschluss ein zweiter Inverter zum Invertieren des zweiten Steuersignals vorgesehen .
Durch die beiden zuletzt genannten vorteilhaften Ausgestaltungen ist eine Vorrichtung geschaffen, bei der die erste und die zweite Gleichspannungswandlereinheit jeweils einen ersten und einen zweiten einstellbaren Spannungsverstärkungsfaktor aufweisen. Die Einstellung des ersten und des zweiten Spannungsverstärkungsfaktors erfolgt dabei durch die Änderung des Tastgrades des ersten beziehungsweise des zweiten, pulsweitenmodulierten Steuersignals . Die beiden zuletzt genannten vorteilhaften Ausgestaltungen bieten somit den Vorteil, dass die Ausgangsspannungspotentiale bei einem gleichbleibenden Eingangsspannungspotential und bei Bedarf jederzeit durch eine einfache Änderung der Tastgrade der pulsweitenmodulierten Steuersignale geändert werden können.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung sind das erste und das zweite Steuersignal ein und dasselbe pulsweiten- modulierte Steuersignal. Damit können die vier Schalter zeitgleich mit nur einem Steuersignal angesteuert werden.
Damit ist eine Vorrichtung geschaffen, welche gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung in der Lage ist, aus einer Eingangsspannung von zum Beispiel 12 Volt eine Ausgangsspannung von über 100 Volt zwischen dem ersten und dem zweiten Ausgangs- potentialanschluss zu erzeugen, ohne dabei die oben genannte Sicherheitsanforderung zu verletzen. Dabei kann die erste Gleichspannungswandlereinheit ein erstes Ausgangsspannungspotential bereitstellen, welches gegenüber dem Eingangsspannungspotential und dem Bezugsspannungspotential um einen gegenüber der maximal erlaubten Berührungsspannung von 60 Volt höheren Potentialwert aufweist. Hierzu kann das erste pulsweitenmodulierte Steuersignal beispielsweise einen Tastgrad von 4/5 aufweisen, um den ersten Spannungsverstärkungsfaktor auf eine Spannungsverstärkung von 5 einzustellen und somit aus dem Eingangsspannungspotential von 12 Volt ein erstes Ausgangs- spannungspotential mit einem Spannungspotentialwert von 60 Volt zu erzeugen. Liegt der Bezugspotentialanschluss auf Massepo¬ tential und beträgt das Eingangsspannungspotential 12 Volt bezogen auf das Massepotential, so kann die erste
Gleichspannungswandlereinheit aus dem Eingangsspannungspo- tential und mit einem ersten, über das erste Steuersignal einstellbaren Spannungsverstärkungsfaktor von 5 ein erstes Ausgangsspannungspotential von 60 Volt bereitstellen (erstes Ausgangsspannungspotential = Eingangsspannungspotential χ erster Spannungsverstärkungsfaktor = 12 Volt χ 5 = 60 Volt) . Dabei liegen die Potentialdifferenzen zwischen dem ersten Aus- gangspotentialanschluss und dem Eingangspotentialanschluss und zwischen dem ersten Ausgangspotentialanschluss und dem Be¬ zugspotentialanschluss unter beziehungsweise gleich der maximal erlaubten Berührungsspannung von 60 Volt ( | erstes Ausgangs- spannungspotential - Eingangsspannungspotential | = | 60 Volt - 12 Volt I = 48 Volt; | erstes Ausgangsspannungspotential - Be¬ zugsspannungspotential! = |60 Volt - 0 Volt I = 60 Volt).
Analog kann die zweite Gleichspannungswandlereinheit ein zweites Ausgangsspannungspotential bereitstellen, welches gegenüber dem Eingangsspannungspotential und dem Bezugsspannungspotential um einen gegenüber der maximal erlaubten Berührungsspannung von 60 Volt niedrigeren Potentialwert aufweist. Hierzu kann das zweite pulsweitenmodulierte Steuersignal beispielsweise ebenfalls einen Tastgrad von 4/5 aufweisen, um den zweiten Spannungsverstärkungsfaktor auf einen Faktorwert von -4 einzustellen und aus dem Eingangsspannungspotential von 12 Volt ein zweites Ausgangsspannungspotential mit einem Spannungspotentialwert von -48 Volt zu erzeugen. Bei dem Bezugsspannungspotential von 0 Volt und dem Eingangsspannungspotential von 12 Volt kann die zweite Gleichspannungswandlereinheit aus dem Eingangsspannungspo¬ tential und mit einem zweiten, über das zweite Steuersignal einstellbaren Spannungsverstärkungsfaktor von -4 ein zweites Ausgangsspannungspotential von -48 Volt bereitstellen (zweites Ausgangsspannungspotential = Eingangsspannungspotential χ zweiter Spannungsverstärkungsfaktor = 12 Volt χ -4 = -48 Volt) . Dabei liegen die Potentialdifferenzen zwischen dem zweiten Ausgangspotentialanschluss und dem Eingangspotentialanschluss und zwischen dem zweiten Ausgangspotentialanschluss und dem Bezugspotentialanschluss ebenfalls unter beziehungsweise gleich der maximal erlaubten Berührungsspannung von 60 Volt ( | zweites Ausgangsspannungspotential - Eingangsspannungspotential I = |— 8 Volt - 12 Volt I = 60 Volt; | zweites Ausgangsspannungspotential
- Bezugsspannungspotential I = |— 8 Volt - 0 Volt | = 48 Volt) . Dabei bedeutet Spannungsverstärkungsfaktor von -4, dass die zweite Gleichspannungswandlereinheit den Eingangsspannungs¬ potential um vierfach verstärkt und das verstärkte Span- nungspotential invertiert an das zweite Ausgangspotentialan¬ schluss ausgibt.
Da die Ausgangsspannung der Vorrichtung die Potentialdifferenz zwischen dem ersten und dem zweiten Ausgangsspannungspotential ist, ergibt sich somit aus der Differenz zwischen dem ersten und dem zweiten Ausgangsspannungspotential eine Ausgangsspannung der Vorrichtung mit 108 Volt ( | erstes Ausgangsspannungspotential
- zweites Ausgangsspannungspotential | = | 60 Volt - (-48 Volt) | = 108 Volt) . Zugleich ist die oben genannte Sicherheitsan- forderung erfüllt, da die Potentialdifferenzen zwischen dem Eingangspotentialanschluss und dem ersten Ausgangspotential¬ anschluss, zwischen dem Eingangspotentialanschluss und dem zweiten Ausgangspotentialanschluss, zwischen dem Bezugspo¬ tentialanschluss und dem ersten Ausgangspotentialanschluss und zwischen dem Bezugspotentialanschluss und dem zweiten Aus¬ gangspotentialanschluss die maximal erlaubte Berührungsspannung von 60 Volt nicht überschreiten. 1
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Bordnetz für ein Fahrzeug bereitgestellt, das einen ersten Bordnetzzweig mit einer ersten Bordnetzspannung und einen zweiten Bordnetzzweig mit einer zweiten Bordnetzspannung sowie eine oben beschriebene Vorrichtung umfasst. Dabei wird die erste Bordnetzspannung des ersten Bordnetzzweigs zwischen dem Ein- gangspotentialanschluss und dem Bezugspotentialanschluss der ersten bzw. der zweiten Gleichspannungswandlereinheit angelegt. Die zweite Bordnetzspannung des zweiten Bordnetzzweigs wird zwischen dem ersten Ausgangspotentialanschluss der ersten
Gleichspannungswandlereinheit und dem zweiten Ausgangspoten¬ tialanschluss der zweiten Gleichspannungswandlereinheit an¬ gelegt .
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung weist das Bordnetz zwischen dem ersten Ausgangspotentialanschluss und dem Be- zugspotentialabschluss einen ersten Energiespeicher, und zwischen dem Bezugspotentialabschluss und dem zweiten Aus¬ gangspotentialanschluss einen zweiten Energiespeicher, auf. Dabei ist die erste Gleichspannungswandlereinheit zur Regelung der Ladespannung des ersten Energiespeichers ausgebildet. Analog ist die zweite Gleichspannungswandlereinheit zur Regelung der Ladespannung des zweiten Energiespeichers ausgebildet. Also die erste Gleichspannungswandlereinheit ist derart ausgebildet, dass diese so wie ein Ladungszustandsausgleicher (auf Englisch „Balancer") die Ladespannung des ersten Energiespeichers regelt und somit den ersten Energiespeichers vor einer Überladung schützt. Analog ist die zweite Gleichspannungswandlereinheit derart ausgebildet, dass diese ebenfalls wie ein Ladungszu¬ standsausgleicher die Ladespannung des zweiten Energiespeichers regelt und somit den zweiten Energiespeichers vor einer
Überladung schützt.
Die beiden Energiespeicher dienen zum Bereitstellen elektrischer Energie für das Bordnetz beziehungsweise für die elektrischen Energieverbraucher in dem Bordnetz. Die getrennte Anordnung der beiden Energiespeicher jeweils zwischen dem ersten Ausgangspotentialanschluss und dem Bezugspotentialabschluss und zwi- sehen dem Bezugspotentialabschluss und dem zweiten Ausgangs- potentialanschluss hat den Vorteil, dass die Ladespannungen der beiden Energiespeicher voneinander unabhängig von den jeweiligen Gleichspannungswandlereinheiten geregelt werden können.
Gemäß einem dritten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Fahrzeug mit einem oben beschriebenen Bordnetz bereitgestellt.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der oben beschriebenen Vorrichtung sind soweit im Übrigen auf das oben genannte Bordnetz oder das oben genannte Fahrzeug übertragbar, auch als vorteilhafte Ausgestaltungen des Bordnetzes bzw. des Fahrzeugs anzusehen.
Im Folgenden soll nun eine beispielhafte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung bezugnehmend auf die beiliegende
Zeichnung näher erläutert werden. Dabei zeigt die einzige Figur in einer schematischen Darstellung ein Hybridfahrzeug mit einem Bordnetz, das eine Vorrichtung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung aufweist.
Gemäß der Figur umfasst das Fahrzeug F ein Bordnetz BN mit einem ersten Bordnetzzweig BZ1 und einem zweiten Bordnetzzweig BZ2, sowie einer Vorrichtung V zur Spannungswandlung. Der erste Bordnetzzweig BZ1 weist eine erste Bordnetzspannung Ue auf, welche einen Nennspannungswert von 12 Volt aufweist. Der zweite Bordnetzzweig BZ2 umfasst einen Elektromotor EM als Systemlast und weist eine zweite Bordnetzspannung Ua auf. Die zweite Bordnetzspannung Ua weist einen Nennspannungswert von 100 Volt auf, der zum Betrieb des Elektromotors EM erforderlich ist. Zwischen dem ersten und dem zweiten Bordnetzzweig BZ1, BZ2 ist die Vorrichtung V angeordnet, die die erste Bordnetzspannung Ue des ersten Bordnetzzweigs BZ1 in die zweite Bordnetzspannung Ua des zweiten Bordnetzzweigs BN2 und/oder umgekehrt umwandelt. Die Vorrichtung V weist einen ersten eingangsseitigen Span- nungsanschluss El und einen zweiten eingangsseitigen Span- nungsanschluss E2 auf und ist über diese zwei eingangsseitigen Spannungsanschlüsse El und E2 mit dem ersten Bordnetzzweig BZ1 elektrisch verbunden. Ferner weist die Vorrichtung einen ersten ausgangsseitigen Spannungsanschluss AI und einen zweiten ausgangsseitigen Spannungsanschluss A2 auf und ist über diese zwei ausgangsseitigen Spannungsanschluss AI und A2 mit dem zweiten Bordnetzzweig BZ2 elektrisch verbunden.
Die erste Bordnetzspannung Ue liegt somit zwischen den zwei eingangsseitigen Spannungsanschlüssen El und E2 der Vorrichtung V. Analog liegt die zweite Bordnetzspannung Ua zwischen den zwei ausgangsseitigen Spannungsanschlüssen AI und A2 der Vorrichtung V. Damit entspricht die erste Bordnetzspannung Ue die Ein¬ gangsspannung der Vorrichtung V und die zweite Bordnetzspannung Ua die Ausgangsspannung der Vorrichtung V. Die Vorrichtung V weist außerdem einen ersten Signalein- gangsanschluss SA1 und einen zweiten Signaleingangsanschluss SA2 zum Empfangen eines ersten und eines zweiten
pulsweitenmodulierten Steuersignals PWM1 und PWM2 auf. Die Vorrichtung V umfasst zudem eine erste
Gleichspannungswandlereinheit GW1 und eine zweite
Gleichspannungswandlereinheit GW2. Die beiden
Gleichspannungswandlereinheiten GW1 und GW2 weisen einen gemeinsamen Eingangspotentialanschluss Pe auf. Die beiden
Gleichspannungswandlereinheiten GW1 und GW2 weisen zudem einen gemeinsamen Bezugspotentialanschluss Pb auf. Dieser Bezugs- potentialanschluss Pb liegt auf Massepotential. Die erste Gleichspannungswandlereinheit GW1 weist einen ersten Aus- gangspotentialanschluss Pal auf. Die zweite
Gleichspannungswandlereinheit GW2 weist analog einen zweiten Ausgangspotentialanschluss Pa2 auf.
Dabei stellen der erste eingangsseitige Spannungsanschluss El der Vorrichtung V und der gemeinsame Eingangspotentialanschluss Pe der ersten und der zweiten Gleichspannungswandlereinheit GW1 und GW2 ein erster gemeinsamer Knotenpunkt der Vorrichtung V in deren Schaltungstopologie nach dem 1. Kirchhoffsehen Gesetz dar. Der zweite eingangsseitige Spannungsanschluss E2 der Vorrichtung V und der gemeinsame Bezugspotentialanschluss Pb der ersten und der zweiten Gleichspannungswandlereinheit GWl und GW2 stellen analog ein zweiter gemeinsamer Knotenpunkt der Vorrichtung V dar . Der erste ausgangsseitige Spannungsanschluss AI der Vorrichtung V und der erste Ausgangspotentialanschluss Pal der ersten Gleichspannungswandlereinheit GWl bilden einen dritten ge¬ meinsamen Knotenpunkt der Vorrichtung V aus. Der zweite ausgangsseitige Spannungsanschluss A2 der Vorrichtung V und der zweite Ausgangspotentialanschluss Pa2 der zweiten
Gleichspannungswandlereinheit GW2 bilden einen vierten ge¬ meinsamen Knotenpunkt der Vorrichtung V aus.
Die erste Gleichspannungswandlereinheit GWl weist zwischen dem Eingangspotentialanschluss Pe und dem Bezugspotentialanschluss Pb eine erste Spule LI und einen ersten steuerbaren Schalter Sl in einer Reihenschaltung auf. Zwischen dem Eingangspotentialanschluss Pe und dem ersten Ausgangspotentialanschluss Pal weist die erste Gleichspannungswandlereinheit GWl die erste Spule LI und einen zweiten steuerbaren Schalter S2 auf. Zwischen dem Bezugspotentialanschluss Pb und dem ersten Ausgangspo¬ tentialanschluss Pal weist die erste Gleichspannungswandler¬ einheit GWl den ersten und den zweiten Schalter Sl, S2 in einer Reihenschaltung. Zwischen dem Bezugspotentialanschluss Pb und dem ersten Ausgangspotentialanschluss Pal der ersten
Gleichspannungswandlereinheit GWl ist zudem ein erster Kon¬ densator Cl in einer Parallelschaltung zu der aus dem ersten und dem zweiten Schalter Sl, S3 bestehenden Reihenschaltung angeordnet . Damit ist die erste Gleichspannungswandlereinheit GWl als ein Aufwärtswandler ausgeführt, wobei zwischen der ersten Spule LI und dem ersten Ausgangspotentialanschluss Pal vorteilhafter¬ weise der zweite steuerbare Schalter S2 angeordnet ist. Der erste Kondensator Cl umfasst eine erste und eine zweite Elektrode C1E1 und C1E2. Über die erste Elektrode C1E1 ist der erste Kondensator Cl mit dem ersten Ausgangspotentialanschluss Pal unmittelbar elektrisch verbunden. Über die zweite Elektrode C1E2 ist der erste Kondensator Cl mit dem Bezugspotentialanschluss Pb un¬ mittelbar elektrisch verbunden.
Der erste und der zweite Schalter Sl und S2 sind als Transistor ausgeführt und weisen jeweils einen Steuersignalanschluss AS1 beziehungsweise AS2 auf. Der Steuersignalanschluss AS1 des ersten Schalters Sl ist mit dem ersten Signaleingangsanschluss SAl der Vorrichtung V unmittelbar elektrisch verbunden. Der Steuersignalanschluss AS2 des zweiten Schalters S2 ist dagegen über einen ersten Inverter INI mit dem ersten Signaleingangsanschluss SAl der Vorrichtung V elektrisch verbunden. Der erste Inverter INI leitet das erste Steuersignal PWM1, das am ersten Signaleingangsanschluss SAl der Vorrichtung V empfangen wird, stets invertiert an den Steuersignalanschluss AS2 des zweiten Schalters S2 weiter. Dadurch werden die beiden Schalter Sl, S2 von demselben ersten Steuersignal PWM1 stets gegensinnig angesteuert .
Die zweite Gleichspannungswandlereinheit GW2 weist zwischen dem Eingangspotentialanschluss Pe und dem Bezugspotentialanschluss Pb einen dritten steuerbaren Schalter S3 und eine zweite Spule L2 in einer Reihenschaltung auf. Zwischen dem Eingangspotentialanschluss Pe und dem zweiten Ausgangspotentialanschluss Pa2 weist die zweite Gleichspannungswandlereinheit GW2 den dritten steuerbaren Schalter S3 und einen vierten steuerbaren Schalter S4 in einer Reihenschaltung auf. Zwischen dem Bezugspotentialanschluss Pb und dem zweiten Ausgangspotentialanschluss Pa2 weist die zweite Gleichspannungswandlereinheit GW2 die zweite Spule L2 und den vierten steuerbaren Schalter S4 in einer Reihenschaltung auf. Zwischen dem Bezugspotentialanschluss Pb und dem zweiten Ausgangspotentialanschluss Pa2 ist zudem ein zweiter Kondensator C2 in einer Parallelschaltung zu der von der zweiten Spule L2 und dem vierten steuerbaren Schalter S4 gebildeten Reihenschaltung angeordnet.
Damit ist die zweite Gleichspannungswandlereinheit GW2 als ein Inverswandler ausgeführt, wobei zwischen dem dritten Schalter S3 und dem zweiten Ausgangspotentialanschluss Pa2 vorteilhaft¬ erweise der vierte steuerbare Schalter S4 angeordnet ist.
Der zweite Kondensator C2 weist eine erste und eine zweite Elektrode C2E1, C2E2 auf. Über die erste Elektrode C2E1 ist der zweite Kondensator C2 mit dem ersten Bezugspotentialanschluss Pb unmittelbar elektrisch verbunden. Über die zweite Elektrode C2E2 ist der zweite Kondensator C2 mit dem zweiten Ausgangspotentialanschluss Pa2 unmittelbar elektrisch verbunden.
Der dritte und der vierte Schalter S3 und S4 sind ebenfalls als Transistor ausgeführt und weisen jeweils einen Steuersignal- anschluss AS3 beziehungsweise AS4 auf. Der Steuersignalanschluss AS3 des dritten Schalters S3 ist mit dem zweiten Signalein- gangsanschluss SA2 der Vorrichtung V unmittelbar elektrisch verbunden. Der Steuersignalanschluss AS4 des vierten Schalters S4 ist über einen zweiten Inverter IN2 mit dem zweiten Sig- naleingangsanschluss SA2 der Vorrichtung V elektrisch verbunden. Der zweite Inverter IN2 leitet das zweite Steuersignal PWM2, das am zweiten Signaleingangsanschluss SA2 der Vorrichtung V empfangen wird, stets invertiert an den Steuersignalanschluss AS4 des dritten Schalters S4 weiter. Dadurch werden die beiden Schalter S3, S4 von demselben zweiten Steuersignal PWM2 ebenfalls stets gegensinnig angesteuert.
Nachdem die Vorrichtung V ausführlich dargestellt wurde, wird nun die Funktionsweise dieser Vorrichtung V näher beschrieben.
Es wird angenommen, dass der erste Bordnetzzweig BZ1 eine Nennspannung von 12 Volt aufweist, welche zugleich auch die Potentialdifferenz zwischen den eingangsseitigen Spannungsanschlüssen El und E2 der Vorrichtung V, und somit auch die Potentialdifferenz zwischen dem Eingangspotentialanschluss Pe und dem Bezugspotentialanschluss Pb der ersten bzw. der zweiten Gleichspannungswandlereinheit GW1, GW2 ist. Da der Bezugspo¬ tentialanschluss Pb auf Massepotential liegt, beträgt das Eingangsspannungspotential e am Eingangspotentialanschluss Pe somit 12 Volt. Aus diesem Eingangsspannungspotential Φθ stellt die Vorrichtung V zwischen dem ersten und dem zweiten ausgangsseitigen Span- nungsanschluss AI und A2 beziehungsweise zwischen dem ersten und dem zweiten Ausgangspotentialanschluss Pal, Pa2 eine Aus- gangsspannung Ua von über 100 Volt bereit. Hierzu empfängt die Vorrichtung V über den ersten und den zweiten Steueranschluss SA1, SA2 das erste und das zweite pulsweitenmodulierte Steu¬ ersignal PWMl, PWM2. Die beiden Steuersignale PWMl, PWM2 weisen jeweils eine gleiche Pulsdauer T und einen gleichen Tastgrad von 4/5 auf.
Von dem ersten Steuersignal PWMl unmittelbar angesteuert wird der erste Schalter Sl in jedem Schaltzyklus für eine Zeitdauer tl von 4/5 (Tastgrad des ersten Steuersignals PWMl) der Pulsdauer T geschlossen. Während dieser Einschaltphase des ersten Schalters Sl wird der zweite Schalter S2, der von dem invertierten ersten Steuersignal PWMl angesteuert wird, geöffnet. So fließt ein erster Strom ill von dem Eingangspotentialanschluss Pe über die erste Spule LI und den geschlossenen ersten Schalter Sl zu dem Bezugspotentialanschluss Pb . Dabei fällt die Eingangsspannung Ue an der ersten Spule LI ab und der Strom ill durch die Spule LI steigt linear an. Die erste Spule LI speichert nun elektrische Energie. Nach Ablauf der Zeitdauer tl wird der erste Schalter Sl für die restliche Zeitdauer von T-tl in diesem Schaltzyklus geöffnet. Während dieser Ausschaltphase des ersten Schalters Sl wird der zweite Schalter S2 von dem invertierten ersten
Steuersignal PWMl angesteuert geschlossen. Nun fließt ein zweiter Strom il2 von der ersten Spule LI über den geschlossenen zweiten Schalter S2 zu dem ersten Kondensator Cl . Dabei wird die in der ersten Spule LI abgespeicherte Energie auf den ersten Kondensator Cl übertragen. Diese Energie lädt den ersten Kondensator Cl auf. Das Spannungspotential an der ersten Elektrode C1E1 des Kondensators Cl und somit auch der erste Ausgangsspannungspotential <&al an dem ersten Ausgangspoten- tialanschluss Pal steigt. Bei jedem nachfolgenden Schaltzyklus wiederholt sich dieser Aufladevorgang beim ersten Kondensator Cl . Da die zweite Elektrode C1E2 des Kondensators Cl mit dem Bezugspotentialanschluss Pb unmittelbar elektrisch verbunden ist und somit auf Massepotential liegt, steigt der erste Ausgangsspannungspotential <&al basierend auf folgende Gleichung bis auf 60 Volt: bei Ob = 0 Volt; e = 12 Volt; tl
Analog wird der dritte Schalter S3 durch unmittelbare Ansteuerung des zweiten Steuersignals PWM2 in jedem Schaltzyklus für eine Zeitdauer t2 von 4/5 (Tastgrad des zweiten Steuers PWM2) der Pulsdauer T des zweiten Steuersignals PWM2 geschlossen. Während dieser Einschaltphase des dritten Schalters S3 wird der vierte Schalter S4, der von dem invertierten zweiten Steuersignal PWM2 angesteuert wird, geöffnet. So fließt ein dritter Strom i21 von dem Eingangspotentialanschluss Pe über die zweite Spule L2 und den geschlossenen zweiten Schalter S2 zu dem Bezugspotenti- alanschluss Pb . Dabei fällt die Eingangsspannung Ue an der zweiten Spule L2 ab und der Strom i21 durch die Spule L2 steigt linear an. Die zweite Spule L2 speichert nun elektrische Energie. Nach Ablauf der Zeitdauer t2 wird der dritte Schalter S3 für die restliche Zeitdauer von T-t2 in diesem Schaltzyklus geöffnet. Während dieser Ausschaltphase des dritten Schalters S3 wird der vierte Schalter S4 von dem invertierten zweiten Steuersignal PWM2 angesteuert geschlossen. Nun fließt ein vierter Strom i22 von der zweiten Spule L2 über den geschlossenen vierten Schalter S4 zu dem zweiten Kondensator C2. Die in der zweiten Spule L2 abgespeicherte Energie wird auf den zweiten Kondensator C2 übertragen. Diese Energie lädt den zweiten Kondensator C2 auf. Als Folge steigt die elektrische Spannung zwischen den beiden Elektroden C2E1, C2E2 des zweiten Kondensators C2 und somit auch die Potentialdifferenz wischen dem zweiten Ausgangsspannungspotential <&a2 und dem Bezugsspannungspotential b an. Da die erste Elektrode C2E1 des zweiten Kondensators C2, die mit dem Bezugspotentialanschluss Pb unmittelbar elektrisch verbunden ist, von dem Strom i22 positiv aufgeladen wird und die zweite Elektrode C2E2 des zweiten Kondensators C2, die mit dem zweiten Ausgangspotentialanschluss Pa2 unmittelbar elektrisch verbunden ist, von dem Strom i22 negativ aufgeladen wird, sinkt das zweite Ausgangsspannungspotential <§a2 gegenüber dem Bezugsspannungspotential b basierend auf folgende Gleichung bis auf Volt: t2 4
Oa2 = x Oc, bei Ob = 0 Volt; Φε = 12 Volt; t2 = - x T
T - t2 5
Da die Ausgangsspannung Ua der Vorrichtung V eine Potentialdifferenz zwischen dem ersten und dem zweiten Ausgangsspannungspotentials <&al , <&a2 ist, beträgt diese 108 Volt (Ua = <&al - <S>a2 = 60 Volt - (-48 Volt) = 108 Volt) . Damit ist eine Bordnetzspannung für den zweiten Bordnetzzweig BZ2 geschaffen, welche den Betrieb der Stromverbraucher in diesem Bordnetzzweig BZ2 sicherstellen kann. Dabei liegen die Berührungsspannungen zwischen dem Eingangs- potentialanschluss Pe und dem ersten Ausgangspotentialanschluss Pal bei 48 Volt, zwischen dem Eingangspotentialanschluss Pe und dem zweiten Ausgangspotentialanschluss Pa2 bei 60 Volt, zwischen dem Bezugspotentialanschluss Pb und dem ersten Ausgangspo- tentialanschluss Pal bei 60 Volt und zwischen dem Bezugspo¬ tentialanschluss Pb und dem zweiten Ausgangspotentialanschluss Pa2 bei 48 Volt. Damit liegen sämtliche Berührungsspannungen zwischen zwei Bordnetzzweigen BZ1, BZ2 unter bzw. gleich 60 Volt und die oben genannte Sicherheitsanforderung ist erfüllt.
Der zweite und der vierte Schalter S2, S4 schalten zwischen einem sperrenden und einem leitenden Zustand schnell um, und tragen so zu einer schnellen und verlustarmen Spannungswandlung bei im Vergleich zu Dioden, welche bauteilbedingt eine Transitzeit also eine störende zeitliche Verzögerung in der Schaltphase zwischen dem sperrenden und leitenden Schaltzustand aufweisen.
Die Vorrichtung V weist ferner einen ersten Energiespeicher ESI zwischen dem ersten Ausgangspotentialanschluss Pal und dem Bezugspotentialabschluss Pb, und einen zweiten Energiespeicher ES2 zwischen dem Bezugspotentialabschluss Pb und dem zweiten Ausgangspotentialanschluss Pa2 auf, wobei die beiden Ener- giespeicher ESI und ES2 aus jeweils einer 48V-Batterie bestehen. Diese beiden Energiespeicher ESI und ES 2 dienen zum Bereitstellen elektrischer Energie für den Elektromotor EM. Die Ladespannung U_ES1 des ersten Energiespeichers ESI kann dabei von der ersten Gleichspannungswandlereinheit GWl geregelt werden. Zugleich schützt die erste Gleichspannungswandlereinheit GWl den ersten Energiespeicher ESI vor einer Überladung. Analog regelt die zweite Gleichspannungswandlereinheit GW2 die Ladespannung U_ES2 des zweiten Energiespeichers ES2 und schützt so diesen vor einer Überladung.
Bezugs zeichenliste
F Fahrzeug
BN Bordnetz
BZ1, BZ2 Bordnetz zweig
V Vorrichtung
Pe Eingangspotentialanschluss
Pb Bezugspotentialanschluss
Pal, Pa2 Ausgangspotentialanschluss
Ue EingangsSpannung
Φθ Eingangsspannungspotential
0>b Bezugsspannungspotential
Ua AusgangsSpannung
El, E2 Eingangsseitige Spannungsanschluss AI, A2 Ausgangsseitige Spannungsanschluss i>al, i>a2 Ausgangsspannungspotential
SA1, SA2 Signaleingangsanschluss
GW1 , GW2 Gleichspannungs andlereinheit LI, L2 Spule
Sl, S2, S2, S4 Steuerbarer Schalter
AS1, AS2, AS3, AS4 Steuersignalanschluss am Schalter
Cl, C2 Kondensator
C1E1, C1E2 Elektrode der Kondensatoren
INI, IN2 Inverter
PWM1 , PWM2 Pulsweitenmoduliertes Steuersignal
T Pulsdauer

Claims

Patentansprüche
Vorrichtung (V) zur Spannungswandlung, die folgende
Merkmale aufweist:
o eine erste transformatorlose
Gleichspannungswandlereinheit (GWl) mit einem ersten Ausgangspotentialanschluss (Pal) zum Bereitstellen eines ersten Ausgangsspannungspotentials (<&al) , o eine zweite transformatorlose
Gleichspannungswandlereinheit (GW2) mit einem zweiten Ausgangspotentialanschluss (Pa2) zum Bereitstellen eines zweiten Ausgangsspannungspotentials (<&a2) ; wobei
o die erste (GWl) und die zweite (GW2)
Gleichspannungswandlereinheit
■ einen gemeinsamen Eingangspotentialanschluss (Pe) zum Anlegen eines Eingangsspannungspo¬ tentials (Φθ) , und
■ einen gemeinsamen Bezugspotentialanschluss (Pb) zum Anlegen eines Bezugsspannungspotentials (Ob) aufweisen;
o die erste Gleichspannungswandlereinheit (GWl) aus dem Eingangsspannungspotential (Φθ) ein erstes Aus¬ gangsspannungspotential (<&al) am ersten Ausgangs¬ potentialanschluss (Pal) erzeugt, wobei das erste Ausgangsspannungspotential (<&al) bezogen auf das Bezugsspannungspotential (<&b) einen höheren Span¬ nungspotentialwert aufweist;
o die zweite Gleichspannungswandlereinheit (GW2) aus dem Eingangsspannungspotential (Φθ) ein zweites Ausgangsspannungspotential (<&a2) am zweiten Aus¬ gangspotentialanschluss (Pa2) erzeugt, wobei das zweite Ausgangsspannungspotential (<&a2) bezogen auf das Bezugsspannungspotential ^b) einen niedrigeren Spannungspotentialwert aufweist. Vorrichtung (V) nach Anspruch 1, bei der die erste
Gleichspannungswandlereinheit (GWl) einen Aufwärtswandler umfasst .
Vorrichtung (V) nach Anspruch 1 oder 2, bei der die zweite Gleichspannungswandlereinheit (GW2) einen Inverswandler umfasst .
Vorrichtung (V) nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei der die erste Gleichspannungswandlereinheit (GWl) o zwischen dem Eingangspotentialanschluss (Pe) und dem Bezugspotentialanschluss (Pb) eine erste Spule (LI) und einen ersten steuerbaren Schalter (Sl) in einer Reihenschaltung,
o zwischen dem Eingangspotentialanschluss (Pe) und dem ersten Ausgangspotentialanschluss (Pal) die erste Spule (LI) und einen zweiten steuerbaren Schalter (S2) in einer Reihenschaltung,
o zwischen dem Bezugspotentialanschluss (Pb) und dem ersten Ausgangspotentialanschluss (Pal) den ersten steuerbaren Schalter (Sl) und den zweiten steuerbaren Schalter (S2) in einer Reihenschaltung sowie einen ersten Kondensator (Cl) in einer Parallelschaltung zu der von dem ersten (Sl) und dem zweiten (S2) Schalter gebildeten Reihenschaltung,
aufweist .
Vorrichtung (V) nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei der die zweite Gleichspannungswandlereinheit (GW2) o zwischen dem Eingangspotentialanschluss (Pe) und dem Bezugspotentialanschluss (Pb) einen dritten steu¬ erbaren Schalter (S3) und eine zweite Spule (L2) in einer Reihenschaltung,
o zwischen dem Eingangspotentialanschluss (Pe) und dem zweiten Ausgangspotentialanschluss (Pa2) den dritten steuerbaren Schalter (S3) und einen vierten steuerbaren Schalter (S4) in einer Reihenschaltung, o zwischen dem Bezugspotentialanschluss (Pb) und dem zweiten Ausgangspotentialanschluss (Pa2) die zweite Spule (L2) und den vierten steuerbaren Schalter (S4) in einer Reihenschaltung sowie einen zweiten Kondensator (C2) in einer Parallelschaltung zu der von der zweiten Spule (L2) und dem vierten steuerbaren Schalter (S4) gebildeten Reihenschaltung,
aufweist .
Vorrichtung (V) nach Anspruch 4 oder 5, mit einem ersten Signaleingangsanschluss (SA1) zum Empfangen eines ersten pulsweitenmodulierten Steuersignals (PWMl) zum Ansteuern des ersten (Sl) und des zweiten (S2) Schalters.
Vorrichtung (V) nach Anspruch 6, wobei
o der erste (Sl) oder der zweite (S2) Schalter einen ersten Steuersignalanschluss (AS2) aufweist, und o die Vorrichtung (V) zwischen dem ersten Signaleingangsanschluss (SA1) und dem ersten Steuersignal¬ anschluss (AS2) einen ersten Inverter (INI) zum Invertieren des ersten Steuersignals (PWMl) aufweist.
Vorrichtung (V) nach einem der Ansprüche 4 bis 7, mit einem zweiten Signaleingangsanschluss (SA2) zum Empfangen eines zweiten pulsweitenmodulierten Steuersignals (PWM2) zum Ansteuern des dritten (S3) und des vierten (S4) Schalters.
Vorrichtung (V) nach Anspruch 8, wobei
o der dritte (S3) oder der vierte (S4) Schalter einen zweiten Steuersignalanschluss (AS4) aufweist, und o die Vorrichtung (V) zwischen dem zweiten Signaleingangsanschluss (SA2) und dem zweiten Steuersig¬ nalanschluss (AS4) einen zweiten Inverter (IN2) zum Invertieren des zweiten Steuersignals (PWM2) aufweist.
Bordnetz (BZ) für ein Fahrzeug (F) , wobei das Bordnetz folgende Merkmale aufweist: o einen ersten Bordnetzzweig (BZ1) mit einer ersten
Bordnetzspannung (Ue) ,
o einen zweiten Bordnetzzweig (BZ2) mit einer zweiten
Bordnetzspannung (Ua) ,
o eine Vorrichtung (V) nach einem der vorangehenden
Ansprüche zum Umwandeln der ersten Bordnetzspannung
(Ue) in die zweite Bordnetzspannung (Ua) und/oder umgekehrt, wobei
o die erste Bordnetzspannung (Ue) zwischen dem Ein- gangspotentialanschluss (Pe) und dem Bezugspoten- tialabschluss (Pb) anliegt, und
o die zweite Bordnetzspannung (Ua) zwischen dem ersten
Ausgangspotentialanschluss (Pal) und dem zweiten
Ausgangspotentialanschluss (Pa2) anliegt.
Bordnetz (BZ) nach Anspruch 10, wobei das Bordnetz (BZ) ferner folgende Merkmale aufweist:
o einen ersten Energiespeicher (ESI) zwischen dem ersten Ausgangspotentialanschluss (Pal) und dem Bezugspo- tentialabschluss (Pb) ,
o einen zweiten Energiespeicher (ES2) zwischen dem
Bezugspotentialabschluss (Pb) und dem zweiten Aus¬ gangspotentialanschluss (Pa2),
o wobei die erste Gleichspannungswandlereinheit (GW1) zur Regelung der Ladespannung (U_ES1) des ersten Energiespeichers (ESI) ausgebildet ist, und
o die zweite Gleichspannungswandlereinheit (GW2) zur Regelung der Ladespannung (U_ES2) des zweiten
Energiespeichers (ES2) ausgebildet ist.
Fahrzeug (F) mit einem Bordnetz (BZ) nach Anspruch 10 oder 11.
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