WO2017148602A1 - Voltage converter, and electric drive system comprising a voltage converter - Google Patents

Voltage converter, and electric drive system comprising a voltage converter Download PDF

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WO2017148602A1
WO2017148602A1 PCT/EP2017/050368 EP2017050368W WO2017148602A1 WO 2017148602 A1 WO2017148602 A1 WO 2017148602A1 EP 2017050368 W EP2017050368 W EP 2017050368W WO 2017148602 A1 WO2017148602 A1 WO 2017148602A1
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capacitor
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Martin Neuburger
Konstantin Spanos
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Robert Bosch Gmbh
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    • Y02T10/70—Energy storage systems for electromobility, e.g. batteries

Definitions

  • the present invention relates to a voltage converter for converting a DC input voltage into a DC output voltage.
  • the present invention relates to a voltage converter for converting a DC input voltage at an input of a with a
  • the present invention relates to an electric drive system with such a voltage converter.
  • the document DE 10 2013 225 097 AI discloses a
  • the electrical system of the motor vehicle includes a high-voltage subnet and a low-voltage subnet, which has a
  • DC-DC converter are electrically coupled together. Will in the
  • Low-voltage subnet detects an energy demand of a consumer, the DC-DC converter is driven to provide electrical energy from the high-voltage subnet in the low-voltage subnet.
  • the low-voltage vehicle electrical system (12 volt
  • the voltage in the high-voltage electrical system is usually between 250 and 450 volts.
  • an additional DC-DC converter is needed, which reduces the voltage of the high-voltage electrical system to the components of the low-voltage Supply the electrical system with electricity.
  • this DC-DC converter must have a galvanic isolation.
  • the present invention discloses a voltage converter for converting a DC input voltage into a DC output voltage having the features of patent claim 1 and an electric drive system having the features of patent claim 6.
  • Voltage converter comprises a capacitor arrangement, a transformer, a rectifier arrangement and a DC voltage converter.
  • Capacitor assembly includes a first capacitor and a second capacitor. One terminal of the first capacitor is connected to a first terminal of the input of the inverter. Another terminal of the first capacitor is connected at a node to a terminal of the second capacitor. Another connection of the second
  • Capacitor is connected to a second terminal of the input of the
  • the transformer comprises a primary side and a secondary side.
  • the transformer may also include one or more other secondary sides.
  • One terminal of the primary side of the transformer is connected to the node of the capacitor arrangement.
  • Another connection of the primary side of the transformer is with a
  • the rectifier arrangement is connected on the input side to the secondary side of the transformer.
  • the rectifier arrangement is designed to rectify a voltage applied to the secondary side of the transformer AC voltage and the rectified AC voltage at an output terminal of the
  • the DC voltage converter is the input side to the output terminal of the rectifier arrangement connected.
  • the DC-DC converter is configured to convert the voltage provided at the output terminal of the rectifier arrangement into a DC voltage having a predetermined voltage value.
  • An electric drive system with a multi-phase electric motor with a star point connection an inverter that works with the multiphase
  • Electric motor is electrically coupled, and an inventive
  • the present invention is based on the finding that between a center tap of a two-part DC link capacitor of a
  • Inverter that drives a multi-phase electric machine and a neutral point of the controlled by the inverter electric machine when driving the electric machine, an alternating voltage occurs.
  • this AC voltage as an input voltage for a transformer.
  • an inverter as required in conventional DC-DC converters, can be omitted on the input side.
  • the voltage converter according to the invention can thereby fall back on already existing components of the power stage of the inverter.
  • This power stage comprises semiconductors which have the required dielectric strength, a corresponding drive unit and an intermediate circuit capacitor.
  • the power stage of the inverter also includes the required for the operation of the filter components, as they are for a sufficient
  • Rectifier arrangement or DC voltage converter of the voltage converter according to the invention is very flexible.
  • the voltage converter can be adapted very well to the individual requirements.
  • the alternating voltage occurring between neutral point of the electric machine and the center tap of the intermediate circuit capacitor has no direct component, so that saturation effects in the
  • the DC voltage converter comprises an inverting converter, a step-up converter and / or a step-down converter.
  • the desired output voltage of the voltage converter can be achieved depending on the transmission ratio of the transformer. Lies
  • the rectified secondary voltage of the transformer always above the desired output voltage of the voltage converter, it can be provided as a DC converter, a buck converter. If the rectified voltage of the primary side of the transformer is always below the desired output voltage of the voltage converter, then a step-up converter can be provided. If the rectified voltage on the primary side of the transformer can be both above and below the desired output voltage of the voltage converter, then a combined boost converter buck converter or an inverse converter or the like is possible. Further topologies for a suitable adaptation of the rectified secondary voltage of the transformer are also possible.
  • the DC voltage converter comprises a control device.
  • the controller of the DC converter is configured to convert the voltage converter
  • Voltage converter always an output voltage with the desired voltage value can be provided.
  • boost boost
  • buck buck
  • the control device of the DC converter can be used for the control of the DC converter
  • the output voltage can be detected by means of a suitable sensor device at the output of the DC voltage converter and evaluated by the control device in order to set the predetermined DC output voltage.
  • the rectifier arrangement may comprise a plurality of diodes for rectifying the secondary voltage provided by the transformer.
  • the rectifier arrangement may comprise a plurality of diodes for rectifying the secondary voltage provided by the transformer.
  • any desired topologies for a passive rectification of the secondary voltage of the transformer are possible.
  • the rectifier arrangement comprises an active rectifier circuit.
  • the rectifier arrangement comprises an active rectifier circuit.
  • Rectifier arrangement include an active synchronous rectifier.
  • the control of the switching elements in such an active rectifier arrangement can be carried out in any suitable manner.
  • the control of the rectifier arrangement can be based on measurement signals that have been detected within the voltage converter. In particular, measuring signals are possible which have been detected between the secondary side of the transformer and the output side of the voltage converter.
  • the control of the switching elements of an active rectifier arrangement can also be based on control signals of the inverter. In this case, it may be necessary to provide a galvanic isolation between the inverter and the active rectifier arrangement.
  • the inverter and the electric motor are arranged in a common housing.
  • inverter and electric motor are spatially sealed arranged together. In this way, no long conduction paths are required.
  • the inverter comprises a multilevel inverter.
  • the inverter may include a level 3 inverter.
  • Multilevel inverters have a DC link over one
  • Capacitor assembly of a plurality of capacitors connected in series, so that here is a constant tapping at a midpoint of the capacitor assembly is available.
  • FIG. 1 shows a schematic representation of an electric drive system with a voltage converter according to an embodiment
  • FIG. 2 shows a schematic representation of a circuit arrangement for a voltage converter in an electric drive system according to an embodiment.
  • Figure 1 shows a schematic representation of an electric drive system with a voltage converter 1.
  • the drive system comprises a
  • the electric motor 3 in this case comprises a star point connection 3a, which is guided on the electric motor 3 to the outside.
  • the electric motor 3 may be an arbitrary electric motor with star point connection 3a.
  • the electric motor 3 may be a motor for driving an electric or hybrid vehicle.
  • the individual phases of the electric motor 3 are acted upon by the inverter 2 with corresponding voltage pulses in order to set the desired speed or traction on the electric motor 3.
  • the DC voltage source 4 provides a DC voltage.
  • the DC voltage source 4 can be a battery or a rechargeable battery, such as, for example, a traction battery of an electric or hybrid vehicle.
  • DC voltage source 4 provided DC voltage in the range between 250 and 450 volts. But also deviating DC voltages are also possible.
  • At the input of the inverter 2 is between the connection for the positive input voltage and the connection for the negative
  • This capacitor arrangement 10 may be, for example to act as a DC link capacitor of the inverter 2.
  • This capacitor arrangement 10 may be, for example to act as a DC link capacitor of the inverter 2.
  • an additional capacitor in addition, however, it is also possible, in addition to an existing in the inverter 2 DC link capacitor, an additional
  • Capacitor assembly 10 provide.
  • this additional capacitor arrangement 10 may be parallel to the DC link capacitor of the
  • the capacitor arrangement 10 comprises two capacitors 11 and 12 connected in series.
  • the first capacitor 10 is connected to a first input of the inverter 2.
  • the other terminal of the first capacitor 10 is connected to a node K.
  • This node K is also connected to a port of the second
  • Condenser 12 connected.
  • the other terminal of the second capacitor 12 is connected to the second input terminal of the inverter 2.
  • the voltage converter 1 further comprises a transformer 20, a rectifier arrangement 30 and a DC voltage converter 40.
  • the transformer 20 includes a primary side 21 and a secondary side 22. A terminal of the primary side 21 of the transformer 20 is connected to the
  • Node K of the capacitor assembly 10 is connected. Another terminal of the primary side 21 of the transformer 20 is connected to the neutral point terminal 3 a of the electric motor 3. The terminals of the secondary side 22 of the transformer 20 are connected to the input terminals of
  • Rectifier assembly 30 connected.
  • the rectifier arrangement 30 directs the voltage applied to the secondary side 22 of the transformer 20
  • Rectifier arrangement 30 is any suitable active or passive
  • the rectifier assembly 30 may include a passive rectifier arrangement based on semiconductor diodes.
  • active rectifier circuits such as an active synchronous rectification are possible.
  • the control signals required for driving an active rectifier circuit can be generated based on measured values, in particular based on measured values within the voltage converter 1.
  • suitable sensors not shown here
  • measured values within the Voltage converter in particular in the range between the secondary side 22 of the transformer 20 and the output of the voltage converter 1 detect. Based on these measured values, a suitable control circuit of the rectifier arrangement 30 can then generate control signals for an active rectifier circuit of the rectifier arrangement 30.
  • control signals for an active rectifier circuit of the rectifier arrangement 30 may be generated based on control signals of the inverter 2. For safety reasons, it may be necessary for this that a galvanic separation takes place between the inverter 2 and the rectifier arrangement 30.
  • Inverter 2 are transmitted via optical signal paths to the rectifier arrangement 30.
  • a DC voltage source 4 for example, a battery or a
  • the output voltage of the voltage source 4 may vary depending on the state of charge. In dependence on the output voltage of the voltage source 4 and in dependence of the control of the
  • Electric motor 3 can be the voltage on the primary side 21 of the
  • a DC voltage converter 40 is provided.
  • This DC voltage converter 40 adjusts the secondary voltage of the transformer 20 rectified by the rectifier arrangement 30 to a constant predetermined output voltage.
  • any suitable DC voltage converter 40 can be provided as DC voltage converter 40.
  • boost converter, buck converter, combined boost converter buck converter or inverters or the like are possible.
  • the rectified secondary voltage of the transformer 20 is always above the predetermined output voltage at the output of
  • DC converter 40 is to be provided, so can as DC converter 40 may be provided a buck converter. If the rectified secondary voltage of the transformer 20 is always below the predetermined desired output voltage of the voltage converter 1, then a step-up converter can be provided as the DC voltage converter 40, for example. Can the rectified secondary voltage of the transformer 20 below or above the required target output voltage of the
  • Voltage converter 1 are located, it can be provided as a DC voltage converter 40, a combined boost-buck converter.
  • the choice of the transmission ratio of the transformer 20 is thus closely related to the topology of the DC converter 40. If a transmission ratio of the transformer 20 is selected, which leads to a rectified secondary voltages, which are below or above the desired output voltage of the voltage converter 1, so that maximum voltage change by the DC voltage converter 40 relatively low. On the other hand, a combined high-down converter required for this purpose is connected to an optionally more complex circuit topology.
  • the DC output voltage of the voltage converter 1 for example, a low-voltage electrical system of a vehicle, such as an electric or hybrid vehicle supply, so is the target DC output voltage in the range of about 13.2 volts.
  • an open-circuit voltage VT is assumed as the input voltage to the inverter 2, which can vary by up to 20%
  • the result for the case where a pure buck converter is to be used as the DC voltage converter 40 is a transmission ratio of approximately VT / 50 for the transformer To achieve a desired output voltage in the range of 13.2 volts for a low-voltage electrical system of a vehicle.
  • other transmission ratios for the transformer 20 can be chosen beyond.
  • the present invention is not limited to applications for electric or hybrid vehicles. Rather, the present invention is not limited to applications for electric or hybrid vehicles. Rather, the present invention is not limited to applications for electric or hybrid vehicles. Rather, the present invention is not limited to applications for electric or hybrid vehicles. Rather, the present invention is not limited to applications for electric or hybrid vehicles. Rather, the present invention is not limited to applications for electric or hybrid vehicles. Rather, the present invention is not limited to applications for electric or hybrid vehicles. Rather, the present
  • FIG. 2 shows a schematic representation of a block diagram of a voltage converter 1 in an electric drive system according to an embodiment.
  • a DC input voltage is provided by a battery 4.
  • the inverter 2 comprises in this embodiment, six semiconductor switching elements Sl to S6, which by a control device not shown here with
  • Control signals can be controlled.
  • the capacitor assembly 10 is arranged.
  • the capacitor assembly 10 in this embodiment also simultaneously
  • the first capacitor 11 is arranged between the positive terminal of the inverter and the node K.
  • the second capacitor is between the
  • the rectifier arrangement 30 is designed in this case as a passive rectifier arrangement with the four diodes Dl to D4. At the output of the rectifier arrangement 30, a capacitor Cl is arranged for smoothing the rectified secondary voltage of the transformer 20.
  • the rectified secondary voltage of the transformer 20 is then by means of a buck converter circuit 40 to the desired predetermined
  • the DC converter 40 includes the switching element S7, the diode D5 and the inductance LI and the capacitance C2.
  • the switching element S7 is controlled by means of a control device 41.
  • the output voltage can be detected by means of a voltage detector at the output of the DC voltage converter 40 and provided to the control device 41.
  • the control device 41 thereby fits based on the detected
  • the present invention relates to a voltage converter for converting a DC input voltage into one
  • Voltage transformer galvanic isolation takes place. For this purpose, it is provided to use a power level of an existing inverter.
  • Inverter and a neutral terminal of an electric motor connected to the inverter is fed into a transformer and the rectified secondary voltage of the transformer is set by means of a DC converter to a predetermined voltage level.
  • Such voltage transformers can be used for any electric drive systems, in particular for electric drive systems in electric or hybrid vehicles.
  • a low-voltage electrical system can be powered by the high-voltage on-board electrical system, at the same time there is a galvanic isolation between high voltage and low voltage electrical system.

Abstract

The invention relates to a voltage converter for converting a DC input voltage to a DC output voltage, the input being galvanically isolated from the output of the voltage converter. To this end, use is made of an output stage of an existing inverter. The DC input voltage of the voltage converter is supplied in the form of a voltage between a neutral point of an electric machine and a central tap of an intermediate capacitor of the inverter.

Description

Beschreibung  description
Titel title
Spannungswandler und elektrisches Antriebssystem mit einem  Voltage transformer and electric drive system with a
Spannungswandler DC converter
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Spannungswandler zur Konvertierung einer Eingangsgleichspannung in eine Ausgangsgleichspannung. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung einen Spannungswandler zur Konvertierung einer Eingangsgleichspannung, die an einem Eingang eines mit einem The present invention relates to a voltage converter for converting a DC input voltage into a DC output voltage. In particular, the present invention relates to a voltage converter for converting a DC input voltage at an input of a with a
mehrphasigen Elektromotor gekoppelten Wechselrichters anliegt, in eine konstante Ausgangsgleichspannung. Darüber hinaus betrifft die vorliegende Erfindung ein elektrisches Antriebssystem mit einem solchen Spannungswandler. multiphase electric motor coupled inverter, in a constant DC output voltage. Moreover, the present invention relates to an electric drive system with such a voltage converter.
Stand der Technik State of the art
Die Druckschrift DE 10 2013 225 097 AI offenbart ein The document DE 10 2013 225 097 AI discloses a
Energiemanagementverfahren zum Betreiben eines elektrischen Bordnetzes eines Kraftfahrzeugs. Das elektrische Bordnetz des Kraftfahrzeugs umfasst dabei ein Hochvolt-Teilnetz und ein Niedervolt-Teilnetz, die über einen Energy management method for operating an electrical system of a motor vehicle. The electrical system of the motor vehicle includes a high-voltage subnet and a low-voltage subnet, which has a
Gleichspannungswandler elektrisch miteinander gekoppelt sind. Wird in demDC-DC converter are electrically coupled together. Will in the
Niedervolt-Teilnetz ein Energiebedarf eines Verbrauchers detektiert, so wird der Gleichspannungswandler angesteuert, um in dem Niedervolt-Teilnetz elektrische Energie aus dem Hochvolt-Teilnetz bereitzustellen. In Elektro- und Hybridfahrzeugen wird das Niederspannungs-Bordnetz (12 Volt-Low-voltage subnet detects an energy demand of a consumer, the DC-DC converter is driven to provide electrical energy from the high-voltage subnet in the low-voltage subnet. In electric and hybrid vehicles, the low-voltage vehicle electrical system (12 volt
Bordnetz) über ein Hochvolt-Bordnetz mit Energie versorgt. Die Spannung im Hochvolt-Bordnetz liegt dabei in der Regel zwischen 250 und 450 Volt. Hierzu wird ein zusätzlicher Gleichspannungswandler benötigt, der die Spannung des Hochvolt-Bordnetzes herabsetzt, um die Komponenten des Niederspannungs- Bordnetzes mit Energie zu versorgen. Aus Sicherheitsgründen muss dieser Gleichspannungswandler eine galvanische Trennung aufweisen. Vehicle electrical system) via a high-voltage electrical system supplied with energy. The voltage in the high-voltage electrical system is usually between 250 and 450 volts. For this purpose, an additional DC-DC converter is needed, which reduces the voltage of the high-voltage electrical system to the components of the low-voltage Supply the electrical system with electricity. For safety reasons, this DC-DC converter must have a galvanic isolation.
Offenbarung der Erfindung Disclosure of the invention
Die vorliegende Erfindung offenbart einen Spannungswandler zur Konvertierung einer Eingangsgleichspannung in eine Ausgangsgleichspannung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 und ein elektrisches Antriebssystem mit den Merkmalen des Patentanspruchs 6. The present invention discloses a voltage converter for converting a DC input voltage into a DC output voltage having the features of patent claim 1 and an electric drive system having the features of patent claim 6.
Demgemäß ist vorgesehen: Accordingly, it is provided:
Ein Spannungswandler zur Konvertierung einer Eingangsgleichspannung, die an einem Eingang eines mit einem mehrphasigen Elektromotor gekoppelten Wechselrichters anliegt, in eine Ausgangsgleichspannung. Der A voltage converter for converting a DC input voltage, which is applied to an input of a coupled with a polyphase electric motor inverter, in a DC output voltage. Of the
Spannungswandler umfasst eine Kondensatoranordnung, einen Transformator, eine Gleichrichteranordnung und einen Gleichspannungskonverter. Die Voltage converter comprises a capacitor arrangement, a transformer, a rectifier arrangement and a DC voltage converter. The
Kondensatoranordnung umfasst einen ersten Kondensator und einen zweiten Kondensator. Ein Anschluss des ersten Kondensators ist mit einem ersten Anschluss des Eingangs des Wechselrichters verbunden. Ein weiterer Anschluss des ersten Kondensators ist an einem Knotenpunkt mit einem Anschluss des zweiten Kondensators verbunden. Ein weiterer Anschluss des zweiten Capacitor assembly includes a first capacitor and a second capacitor. One terminal of the first capacitor is connected to a first terminal of the input of the inverter. Another terminal of the first capacitor is connected at a node to a terminal of the second capacitor. Another connection of the second
Kondensators ist mit einem zweiten Anschluss des Eingangs des Capacitor is connected to a second terminal of the input of the
Wechselrichters verbunden. Der Transformator umfasst eine Primärseite und eine Sekundärseite. Gegebenenfalls kann der Transformator auch eine oder mehrere weitere Sekundärseiten umfassen. Ein Anschluss der Primärseite des Transformators ist mit dem Knotenpunkt der Kondensatoranordnung verbunden. Ein weiterer Anschluss der Primärseite des Transformators ist mit einem Inverter connected. The transformer comprises a primary side and a secondary side. Optionally, the transformer may also include one or more other secondary sides. One terminal of the primary side of the transformer is connected to the node of the capacitor arrangement. Another connection of the primary side of the transformer is with a
Sternpunkt des Elektromotors verbunden. Die Gleichrichteranordnung ist eingangsseitig mit der Sekundärseite des Transformators verbunden. Dabei ist die Gleichrichteranordnung dazu ausgelegt, eine an der Sekundärseite des Transformators anliegende Wechselspannung gleichzurichten und die gleichgerichtete Wechselspannung an einem Ausgangsanschluss der Star point of the electric motor connected. The rectifier arrangement is connected on the input side to the secondary side of the transformer. In this case, the rectifier arrangement is designed to rectify a voltage applied to the secondary side of the transformer AC voltage and the rectified AC voltage at an output terminal of the
Gleichrichteranordnung bereitzustellen. Der Gleichspannungskonverter ist eingangsseitig mit dem Ausgangsanschluss der Gleichrichteranordnung verbunden. Der Gleichspannungskonverter ist dazu ausgelegt, die an dem Ausgangsanschluss der Gleichrichteranordnung bereitgestellte Spannung in eine Gleichspannung mit einem vorbestimmten Spannungswert zu konvertieren. To provide rectifier arrangement. The DC voltage converter is the input side to the output terminal of the rectifier arrangement connected. The DC-DC converter is configured to convert the voltage provided at the output terminal of the rectifier arrangement into a DC voltage having a predetermined voltage value.
Ferner ist vorgesehen: It is also provided:
Ein elektrisches Antriebssystem mit einem mehrphasigen Elektromotor mit einem Sternpunkanschluss; einem Wechselrichter, der mit dem mehrphasigen An electric drive system with a multi-phase electric motor with a star point connection; an inverter that works with the multiphase
Elektromotor elektrisch gekoppelt ist, und einem erfindungsgemäßen Electric motor is electrically coupled, and an inventive
Spannungswandler. DC converter.
Vorteile der Erfindung Advantages of the invention
Der vorliegenden Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass zwischen einem Mittelabgriff eines zweigeteilten Zwischenkreiskondensators von einem The present invention is based on the finding that between a center tap of a two-part DC link capacitor of a
Wechselrichter, der eine mehrphasige elektrische Maschine ansteuert und einem Sternpunkt der durch den Wechselrichter angesteuerten elektrischen Maschine beim Ansteuern der elektrischen Maschine eine Wechselspannung auftritt. Inverter that drives a multi-phase electric machine and a neutral point of the controlled by the inverter electric machine when driving the electric machine, an alternating voltage occurs.
Es ist daher eine Idee der vorliegenden Erfindung, diese Wechselspannung als Eingangsspannung für einen Transformator zu nutzen. Auf diese Weise kann ein Wechselrichter, wie er bei konventionellen Gleichspannungswandlern erforderlicher ist, auf der Eingangsseite entfallen. Der erfindungsgemäße Spannungswandler kann hierdurch auf ohnehin bereits vorhandene Bauelemente der Leistungsstufe des Wechselrichters zurückgreifen. Diese Leistungsstufe umfasst Halbleiter, welche die erforderliche Spannungsfestigkeit aufweisen, eine entsprechende Ansteuereinheit sowie einen Zwischenkreiskondensator. Ferner umfasst die Leistungsstufe des Wechselrichters auch die für den Betrieb erforderlichen Filterbauelemente, wie sie für eine ausreichende It is therefore an idea of the present invention to use this AC voltage as an input voltage for a transformer. In this way, an inverter, as required in conventional DC-DC converters, can be omitted on the input side. The voltage converter according to the invention can thereby fall back on already existing components of the power stage of the inverter. This power stage comprises semiconductors which have the required dielectric strength, a corresponding drive unit and an intermediate circuit capacitor. Furthermore, the power stage of the inverter also includes the required for the operation of the filter components, as they are for a sufficient
elektromagnetische Verträglichkeit erforderlich sind. electromagnetic compatibility are required.
Zwischen der Eingangsseite des erfindungsgemäßen Spannungswandlers und der Ausgangsseite kann dabei mittels des vorgesehenen Transformators eine galvanische Trennung erreicht werden. Auf diese Weise kann auch gesteigerten Sicherheitsanforderungen Rechnung getragen werden. Für die Wahl der einzelnen Baugruppen, wie beispielsweise Between the input side of the voltage converter according to the invention and the output side can be achieved by means of the intended transformer galvanic isolation. In this way, increased security requirements can be taken into account. For the choice of individual assemblies, such as
Gleichrichteranordnung oder Gleichspannungskonverter des erfindungsgemäßen Spannungswandlers besteht dabei eine sehr große Flexibilität. Somit kann der Spannungswandler an die jeweiligen individuellen Erfordernisse sehr gut angepasst werden. Die zwischen Sternpunkt der elektrischen Maschine und dem Mittel abgriff des Zwischenkreiskondensators auftretende Wechselspannung weist dabei keinen Gleichanteil auf, so dass Sättigungseffekte in dem Rectifier arrangement or DC voltage converter of the voltage converter according to the invention is very flexible. Thus, the voltage converter can be adapted very well to the individual requirements. The alternating voltage occurring between neutral point of the electric machine and the center tap of the intermediate circuit capacitor has no direct component, so that saturation effects in the
angeschlossenen Transformator vermieden werden können. connected transformer can be avoided.
Gemäß einer Ausführungsform umfasst der Gleichspannungskonverter einen Inverswandler, einen Hochsetzsteller und/oder einen Tiefsetzsteller. Durch die Wahl eines geeigneten Spannungsstellers für den Gleichspannungskonverter kann dabei je nach Übertragungsverhältnis des Transformators die gewünschte Ausgangsspannung des Spannungswandlers erreicht werden. Liegt According to one embodiment, the DC voltage converter comprises an inverting converter, a step-up converter and / or a step-down converter. By choosing a suitable voltage regulator for the DC voltage converter, the desired output voltage of the voltage converter can be achieved depending on the transmission ratio of the transformer. Lies
beispielsweise die gleichgerichtete Sekundärspannung des Transformators stets oberhalb der gewünschten Ausgangsspannung des Spannungswandlers, so kann als Gleichspannungskonverter ein Tiefsetzsteller vorgesehen sein. Liegt die gleichgerichtete Spannung der Primärseite des Transformators stets unterhalb der gewünschten Ausgangsspannung des Spannungswandlers, so kann ein Hochsetzsteller vorgesehen sein. Kann die gleichgerichtete Spannung an der Primärseite des Transformators sowohl oberhalb, als auch unterhalb der gewünschten Ausgangsspannung des Spannungswandlers liegen, so ist ein kombinierter Hochsetz-Tiefsetzsteller bzw. ein Inverswandler oder ähnliches möglich. Weitere Topologien für eine geeignete Anpassung der gleichgerichteten Sekundärspannung des Transformators sind darüber hinaus ebenso möglich. For example, the rectified secondary voltage of the transformer always above the desired output voltage of the voltage converter, it can be provided as a DC converter, a buck converter. If the rectified voltage of the primary side of the transformer is always below the desired output voltage of the voltage converter, then a step-up converter can be provided. If the rectified voltage on the primary side of the transformer can be both above and below the desired output voltage of the voltage converter, then a combined boost converter buck converter or an inverse converter or the like is possible. Further topologies for a suitable adaptation of the rectified secondary voltage of the transformer are also possible.
Gemäß einer Ausführungsform umfasst der Gleichspannungskonverter eine Steuereinrichtung. Die Steuereinrichtung des Gleichspannungskonverters ist dazu ausgelegt, die durch den Spannungskonverter konvertierte According to one embodiment, the DC voltage converter comprises a control device. The controller of the DC converter is configured to convert the voltage converter
Ausgangsspannung der Gleichrichteranordnung mittels des Output voltage of the rectifier arrangement by means of
Gleichspannungskonverters auf einen vorbestimmten Spannungswert einzustellen. Auf diese Weise kann als Ausgangsgleichspannung des DC converter to a predetermined voltage value. In this way, can be used as the DC output voltage of
Spannungswandlers stets eine Ausgangsspannung mit dem gewünschten Spannungswert bereitgestellt werden. Insbesondere kann je nach Topologie des Gleichspannungskonverters zwischen Hochsetz- (Boost) oder Tiefsetz- (Buck) Betrieb gewählt werden. Die Steuereinrichtung des Gleichspannungskonverters kann dabei die für die Ansteuerung des Gleichspannungskonverters Voltage converter always an output voltage with the desired voltage value can be provided. In particular, depending on the topology of the DC converter between boost (boost) or buck (buck) operation can be selected. The control device of the DC converter can be used for the control of the DC converter
erforderlichen Steuersignale generieren. Insbesondere kann dabei mittels einer geeigneten Sensoreinrichtung am Ausgang des Gleichspannungskonverters die Ausgangsspannung erfasst und durch die Steuereinrichtung ausgewertet werden, um die vorbestimmte Ausgangsgleichspannung einzustellen. generate required control signals. In particular, the output voltage can be detected by means of a suitable sensor device at the output of the DC voltage converter and evaluated by the control device in order to set the predetermined DC output voltage.
Gemäß einer Ausführungsform umfasst die Gleichrichteranordnung des According to one embodiment, the rectifier arrangement of
Spannungswandlers einen passiven Gleichrichter. Die Gleichrichteranordnung kann insbesondere eine Mehrzahl von Dioden zur Gleichrichtung der durch den Transformator bereitgestellten Sekundärspannung umfassen. Dabei sind je nach Anwendungsfall beliebige Topologien für eine passive Gleichrichtung der Sekundärspannung des Transformators möglich. Voltage transformer a passive rectifier. In particular, the rectifier arrangement may comprise a plurality of diodes for rectifying the secondary voltage provided by the transformer. Depending on the application, any desired topologies for a passive rectification of the secondary voltage of the transformer are possible.
Gemäß einer alternativen Ausführungsform umfasst die Gleichrichteranordnung eine aktive Gleichrichterschaltung. Insbesondere kann die According to an alternative embodiment, the rectifier arrangement comprises an active rectifier circuit. In particular, the
Gleichrichteranordnung einen aktiven Synchrongleichrichter umfassen. Die Ansteuerung der Schaltelemente in einer solchen aktiven Gleichrichteranordnung kann dabei auf eine beliebige geeignete Weise erfolgen. Insbesondere kann die Ansteuerung der Gleichrichteranordnung basierend auf Messsignalen erfolgen, die innerhalb des Spannungswandlers erfasst worden sind. Dabei sind insbesondere Messsignale möglich, die zwischen der Sekundärseite des Transformators und der Ausgangsseite des Spannungswandlers erfasst worden sind. Darüber hinaus kann die Ansteuerung der Schaltelemente einer aktiven Gleichrichteranordnung auch basierend auf Steuersignalen des Wechselrichters erfolgen. Hierbei ist gegebenenfalls eine galvanische Trennung zwischen Wechselrichter und der aktiven Gleichrichteranordnung vorzusehen. Rectifier arrangement include an active synchronous rectifier. The control of the switching elements in such an active rectifier arrangement can be carried out in any suitable manner. In particular, the control of the rectifier arrangement can be based on measurement signals that have been detected within the voltage converter. In particular, measuring signals are possible which have been detected between the secondary side of the transformer and the output side of the voltage converter. In addition, the control of the switching elements of an active rectifier arrangement can also be based on control signals of the inverter. In this case, it may be necessary to provide a galvanic isolation between the inverter and the active rectifier arrangement.
Beispielsweise kann die galvanische Trennung mittels einer optischen For example, the galvanic isolation by means of an optical
Signalübertragung oder ähnlichem erfolgen. Signal transmission or the like.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform des elektrischen Antriebssystems sind Wechselrichter und Elektromotor in einem gemeinsamen Gehäuse angeordnet. Insbesondere sind Wechselrichter und Elektromotor dabei räumlich dicht beieinander angeordnet. Auf diese Weise sind keine weiten Leitungswege erforderlich. According to a further embodiment of the electric drive system, the inverter and the electric motor are arranged in a common housing. In particular, inverter and electric motor are spatially sealed arranged together. In this way, no long conduction paths are required.
Gemäß einer Ausführungsform umfasst der Wechselrichter einen Multilevel- Inverter. Insbesondere kann der Wechselrichter einen Level-3-lnverter umfassen. Multilevel-Inverter verfügen über in Zwischenkreis über eine According to one embodiment, the inverter comprises a multilevel inverter. In particular, the inverter may include a level 3 inverter. Multilevel inverters have a DC link over one
Kondensatoranordnung aus mehreren in Serie geschalteten Kondensatoren, so dass hier stetes ein Abgriff an einem Mittelpunkt der Kondensatoranordnung verfügbar ist. Aber auch Wechselrichter mit einer selbstgeführten Capacitor assembly of a plurality of capacitors connected in series, so that here is a constant tapping at a midpoint of the capacitor assembly is available. But also inverters with a self-commutated
Drehstrombrückenschaltung (B6-Brücke) oder weitere Three-phase bridge circuit (B6 bridge) or more
Wechselrichterkonfigurationen sind möglich. Inverter configurations are possible.
Die obigen Ausgestaltungen und Weiterbildungen lassen sich, soweit sinnvoll, beliebig miteinander kombinieren. Weitere Ausgestaltungen, Weiterbildungen und Implementierungen der Erfindung umfassen auch nicht explizit genannte Kombinationen von zuvor oder im Folgenden bezüglich den The above embodiments and developments can, as far as appropriate, combine arbitrarily. Further refinements, further developments and implementations of the invention also include combinations of previously or below that are not explicitly mentioned with respect to FIG
Ausführungsbeispielen beschriebenen Merkmalen der Erfindung. Insbesondere wird der Fachmann dabei auch Einzelaspekte als Verbesserungen oder Embodiments described features of the invention. In particular, the person skilled in the art will also consider individual aspects as improvements or
Ergänzungen zu den jeweiligen Grundformen der Erfindung hinzufügen. Add supplements to the respective basic forms of the invention.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen Brief description of the drawings
Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend anhand der in den schematischen Figuren der Zeichnungen angegebenen Ausführungsbeispiele näher erläutert. Dabei zeigen: The present invention will be explained in more detail with reference to the exemplary embodiments indicated in the schematic figures of the drawings. Showing:
Figur 1: eine schematische Darstellung eines elektrischen Antriebssystems mit einem Spannungswandler gemäß einer Ausführungsform; und 1 shows a schematic representation of an electric drive system with a voltage converter according to an embodiment; and
Figur 2: eine schematische Darstellung einer Schaltungsanordnung für einen Spannungswandler in einem elektrischen Antriebssystem gemäß einer Ausführungsform. 2 shows a schematic representation of a circuit arrangement for a voltage converter in an electric drive system according to an embodiment.
Ausführungsformen der Erfindung In allen Figuren sind gleiche bzw. funktionsgleiche Elemente und Vorrichtungen, soweit nicht anders angegeben, mit gleichen Bezugszeichen versehen. Embodiments of the invention In all figures, identical or functionally identical elements and devices, unless otherwise stated, provided with the same reference numerals.
Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend beispielhaft anhand einer selbstgeführten Drehstrombrückenschaltung beschrieben. Darüber hinaus sind jedoch auch beliebige geeignete weitere Wechselrichter, wie zum Beispiel sogenannte Multilevel-Inverter (3-Level-lnverter) möglich. Insbesondere verfügen Multilevel-Inverter bereits über einen Zwischenkreis mit geteilten The present invention will be described below by way of example with reference to a self-commutated three-phase bridge circuit. In addition, however, any suitable further inverters, such as, for example, so-called multilevel inverters (3-level inverters), are also possible. In particular, multilevel inverters already have an intermediate circuit with shared
Zwischenkreiskondensatoren, so dass hierbei ohnehin ein Mittelabgriff der Zwischenkreisanordnung verfügbar ist. DC link capacitors, so that in this case a center tap of the DC link arrangement is available anyway.
Figur 1 zeigt eine schematische Darstellung eines elektrischen Antriebssystems mit einem Spannungswandler 1. Das Antriebssystem umfasst einen Figure 1 shows a schematic representation of an electric drive system with a voltage converter 1. The drive system comprises a
mehrphasigen Elektromotor 3, sowie einen Wechselrichter 2, der mit dem mehrphasigen Elektromotor 3 elektrisch gekoppelt ist. Der Elektromotor 3 umfasst dabei einen Sternpunktanschluss 3a, der an dem Elektromotor 3 nach außen geführt ist. Bei dem Elektromotor 3 kann es sich dabei um einen beliebigen Elektromotor mit Sternpunktanschluss 3a handeln. Beispielsweise kann es sich bei dem Elektromotor 3 um einen Motor zum Antrieb eines Elektro- oder Hybridfahrzeuges handeln. Die einzelnen Phasen des Elektromotors 3 werden dabei von dem Wechselrichter 2 mit entsprechenden Spannungspulsen beaufschlagt, um an dem Elektromotor 3 die gewünschte Drehzahl bzw. Traktion einzustellen. multi-phase electric motor 3, and an inverter 2, which is electrically coupled to the polyphase electric motor 3. The electric motor 3 in this case comprises a star point connection 3a, which is guided on the electric motor 3 to the outside. The electric motor 3 may be an arbitrary electric motor with star point connection 3a. For example, the electric motor 3 may be a motor for driving an electric or hybrid vehicle. The individual phases of the electric motor 3 are acted upon by the inverter 2 with corresponding voltage pulses in order to set the desired speed or traction on the electric motor 3.
An einem Eingang des Wechselrichters 2 wird hierzu von einer At an input of the inverter 2 is this purpose of a
Gleichspannungsquelle 4 eine Gleichspannung bereitgestellt. Beispielsweise kann es sich bei der Gleichspannungsquelle 4 um eine Batterie bzw. einen Akkumulator, wie zum Beispiel eine Traktionsbatterie eines Elektro- oder Hybridfahrzeuges, handeln. Beispielsweise kann die von der DC voltage source 4 provides a DC voltage. By way of example, the DC voltage source 4 can be a battery or a rechargeable battery, such as, for example, a traction battery of an electric or hybrid vehicle. For example, the of the
Gleichspannungsquelle 4 bereitgestellte Gleichspannung im Bereich zwischen 250 und 450 Volt liegen. Aber auch davon abweichende Gleichspannungen sind ebenso möglich. Am Eingang des Wechselrichters 2 ist zwischen dem Anschluss für die positive Eingangsspannung und dem Anschluss für die negative DC voltage source 4 provided DC voltage in the range between 250 and 450 volts. But also deviating DC voltages are also possible. At the input of the inverter 2 is between the connection for the positive input voltage and the connection for the negative
Eingangsspannung eine Kondensatoranordnung 10 des Spannungswandlers 1 angeordnet. Bei dieser Kondensatoranordnung 10 kann es sich beispielsweise um einen Zwischenkreiskondensator des Wechselrichters 2 handeln. Darüber hinaus ist es jedoch ebenso möglich, zusätzlich zu einem in dem Wechselrichter 2 vorhandenen Zwischenkreiskondensator eine zusätzliche Input voltage arranged a capacitor arrangement 10 of the voltage converter 1. This capacitor arrangement 10 may be, for example to act as a DC link capacitor of the inverter 2. In addition, however, it is also possible, in addition to an existing in the inverter 2 DC link capacitor, an additional
Kondensatoranordnung 10 vorzusehen. Beispielsweise kann diese zusätzliche Kondensatoranordnung 10 parallel zu dem Zwischenkreiskondensator desCapacitor assembly 10 provide. For example, this additional capacitor arrangement 10 may be parallel to the DC link capacitor of the
Wechselrichters angeordnet sein. Die Kondensatoranordnung 10 umfasst dabei zwei in Serie geschaltete Kondensatoren 11 und 12. Der erste Kondensator 10 ist dabei mit einem ersten Eingang des Wechselrichters 2 verbunden. Der andere Anschluss des ersten Kondensators 10 ist mit einem Knotenpunkt K verbunden. Dieser Knotenpunkt K ist ebenfalls mit einem Anschluss des zweiten Inverter can be arranged. In this case, the capacitor arrangement 10 comprises two capacitors 11 and 12 connected in series. The first capacitor 10 is connected to a first input of the inverter 2. The other terminal of the first capacitor 10 is connected to a node K. This node K is also connected to a port of the second
Kondensators 12 verbunden. Der andere Anschluss des zweiten Kondensators 12 ist mit dem zweiten Eingangsanschluss des Wechselrichters 2 verbunden.  Condenser 12 connected. The other terminal of the second capacitor 12 is connected to the second input terminal of the inverter 2.
Der Spannungswandler 1 umfasst darüber hinaus einen Transformator 20, eine Gleichrichteranordnung 30 und einen Gleichspannungskonverter 40. The voltage converter 1 further comprises a transformer 20, a rectifier arrangement 30 and a DC voltage converter 40.
Der Transformator 20 umfasst eine Primärseite 21 und eine Sekundärseite 22. Ein Anschluss der Primärseite 21 des Transformators 20 ist mit dem The transformer 20 includes a primary side 21 and a secondary side 22. A terminal of the primary side 21 of the transformer 20 is connected to the
Knotenpunkt K der Kondensatoranordnung 10 verbunden. Ein anderer Anschluss der Primärseite 21 des Transformators 20 ist mit dem Sternpunktanschluss 3a des Elektromotors 3 verbunden. Die Anschlüsse der Sekundärseite 22 des Transformators 20 sind mit den Eingangsanschlüssen der Node K of the capacitor assembly 10 is connected. Another terminal of the primary side 21 of the transformer 20 is connected to the neutral point terminal 3 a of the electric motor 3. The terminals of the secondary side 22 of the transformer 20 are connected to the input terminals of
Gleichrichteranordnung 30 verbunden. Die Gleichrichteranordnung 30 richtet dabei die an der Sekundärseite 22 des Transformators 20 anliegende Rectifier assembly 30 connected. In this case, the rectifier arrangement 30 directs the voltage applied to the secondary side 22 of the transformer 20
Wechselspannung gleich und stellt die gleichgerichtete Spannung an denAC voltage equal and sets the rectified voltage to the
Ausgangsanschlüssen der Gleichrichteranordnung 30 bereit. Als Output terminals of the rectifier assembly 30 ready. When
Gleichrichteranordnung 30 ist dabei jede geeignete aktive oder passive Rectifier arrangement 30 is any suitable active or passive
Gleichrichteranordnung möglich. Beispielsweise kann die Gleichrichteranordnung 30 eine passive Gleichrichteranordnung auf Basis von Halbleiterdioden umfassen. Darüber hinaus sind jedoch auch aktive Gleichrichterschaltungen, wie zum Beispiel eine aktive Synchrongleichrichtung möglich. Die zur Ansteuerung einer aktiven Gleichrichterschaltung erforderlichen Steuersignale können dabei basierend auf Messwerten, insbesondere basierend auf Messwerten innerhalb des Spannungswandlers 1 generiert werden. Hierzu können gegebenenfalls geeignete Sensoren (hier nicht dargestellt) Messwerte innerhalb des Spannungswandlers, insbesondere im Bereich zwischen der Sekundärseite 22 des Transformators 20 und dem Ausgang des Spannungswandlers 1 erfassen. Basierend auf diesen erfassten Messwerten kann daraufhin eine geeignete Steuerschaltung der Gleichrichteranordnung 30 Steuersignale für eine aktive Gleichrichterschaltung der Gleichrichteranordnung 30 generieren. Ebenso ist es auch möglich, dass die Steuersignale für eine aktive Gleichrichterschaltung der Gleichrichteranordnung 30 basierend auf Steuersignalen des Wechselrichters 2 erzeugt werden. Hierzu kann es aus Sicherheitsgründen erforderlich sein, dass zwischen Wechselrichter 2 und Gleichrichteranordnung 30 eine galvanische Trennung erfolgt. Beispielsweise können hierzu die Steuersignale des Rectifier arrangement possible. For example, the rectifier assembly 30 may include a passive rectifier arrangement based on semiconductor diodes. In addition, however, active rectifier circuits, such as an active synchronous rectification are possible. The control signals required for driving an active rectifier circuit can be generated based on measured values, in particular based on measured values within the voltage converter 1. For this purpose, if appropriate, suitable sensors (not shown here) measured values within the Voltage converter, in particular in the range between the secondary side 22 of the transformer 20 and the output of the voltage converter 1 detect. Based on these measured values, a suitable control circuit of the rectifier arrangement 30 can then generate control signals for an active rectifier circuit of the rectifier arrangement 30. Likewise, it is also possible for the control signals for an active rectifier circuit of the rectifier arrangement 30 to be generated based on control signals of the inverter 2. For safety reasons, it may be necessary for this that a galvanic separation takes place between the inverter 2 and the rectifier arrangement 30. For example, the control signals of the
Wechselrichters 2 über optische Signalwege zu der Gleichrichteranordnung 30 übertragen werden. Inverter 2 are transmitted via optical signal paths to the rectifier arrangement 30.
Wird als Gleichspannungsquelle 4 beispielsweise eine Batterie bzw. ein As a DC voltage source 4, for example, a battery or a
Akkumulator verwendet, so kann je nach Ladezustand die Ausgangsspannung der Spannungsquelle 4 variieren. In Abhängigkeit von der Ausgangsspannung der Spannungsquelle 4 sowie in Abhängigkeit der Ansteuerung des Accumulator used, the output voltage of the voltage source 4 may vary depending on the state of charge. In dependence on the output voltage of the voltage source 4 and in dependence of the control of the
Elektromotors 3 kann dabei die Spannung an der Primärseite 21 des Electric motor 3 can be the voltage on the primary side 21 of the
Transformators 20 variieren. Aufgrund des konstanten Transformers 20 vary. Because of the constant
Übertragungsverhältnisses des Transformators 20 variiert somit auch die Transmission ratio of the transformer 20 thus also varies
Spannung an der Sekundärseite 22 des Transformators 20 und weiterhin auch die gleichgerichtete Spannung am Ausgang der Gleichrichteranordnung 30. Um am Ausgang des Spannungswandlers 1 eine konstante Voltage on the secondary side 22 of the transformer 20 and further also the rectified voltage at the output of the rectifier arrangement 30. To the output of the voltage converter 1 is a constant
Ausgangsgleichspannung bereitstellen zu können, ist daher in dem To be able to provide output DC voltage is therefore in the
Spannungswandler 1 ein Gleichspannungskonverter 40 vorgesehen. Dieser Gleichspannungskonverter 40 passt dabei die von der Gleichrichteranordnung 30 gleichgerichtete Sekundärspannung des Transformators 20 auf eine konstante vorgegebene Ausgangsspannung an. Hierzu kann als Gleichspannungskonverter 40 ein beliebiger geeigneter Gleichspannungskonverter 40 vorgesehen sein. Insbesondere sind beispielsweise Hochsetzsteller, Tiefsetzsteller, kombinierte Hochsetz-Tiefsetzsteller bzw. Inverswandler oder ähnliches möglich. Liegt beispielsweise aufgrund des Übertragungsverhältnisses des Transformators 20 die gleichgerichtete Sekundärspannung des Transformators 20 stets oberhalb der vorgegebenen Ausgangsspannung, die am Ausgang des Voltage converter 1 a DC voltage converter 40 is provided. This DC voltage converter 40 adjusts the secondary voltage of the transformer 20 rectified by the rectifier arrangement 30 to a constant predetermined output voltage. For this purpose, any suitable DC voltage converter 40 can be provided as DC voltage converter 40. In particular, for example, boost converter, buck converter, combined boost converter buck converter or inverters or the like are possible. For example, due to the transmission ratio of the transformer 20, the rectified secondary voltage of the transformer 20 is always above the predetermined output voltage at the output of
Gleichspannungskonverters 40 bereitgestellt werden soll, so kann als Gleichspannungskonverter 40 ein Tiefsetzsteller vorgesehen sein. Liegt die gleichgerichtete Sekundärspannung des Transformators 20 stets unterhalb der vorgegebenen Soll-Ausgangsspannung des Spannungswandlers 1, so kann als Gleichspannungskonverter 40 beispielsweise ein Hochsetzsteller vorgesehen sein. Kann die gleichgerichtete Sekundärspannung des Transformators 20 unterhalb oder oberhalb der geforderten Soll-Ausgangsspannung des DC converter 40 is to be provided, so can as DC converter 40 may be provided a buck converter. If the rectified secondary voltage of the transformer 20 is always below the predetermined desired output voltage of the voltage converter 1, then a step-up converter can be provided as the DC voltage converter 40, for example. Can the rectified secondary voltage of the transformer 20 below or above the required target output voltage of the
Spannungswandlers 1 liegen, so kann als Gleichspannungskonverter 40 ein kombinierter Hochsetz-Tiefsetzsteller vorgesehen sein. Voltage converter 1 are located, it can be provided as a DC voltage converter 40, a combined boost-buck converter.
Die Wahl des Übersetzungsverhältnisses des Transformators 20 steht somit in engem Zusammenhang mit der Topologie des Gleichspannungskonverters 40. Wird ein Übersetzungsverhältnis des Transformators 20 gewählt, das zu einer gleichgerichteten Sekundärspannungen führt, welche unterhalb oder oberhalb der Soll-Ausgangsspannung des Spannungswandlers 1 liegen, so ist die maximale Spannungsänderung durch den Gleichspannungskonverter 40 relativ gering. Andererseits ist ein hierzu erforderlicher kombinierter Hoch-Tiefsetzsteller mit einer gegebenenfalls komplexeren Schaltungstopologie verbunden. The choice of the transmission ratio of the transformer 20 is thus closely related to the topology of the DC converter 40. If a transmission ratio of the transformer 20 is selected, which leads to a rectified secondary voltages, which are below or above the desired output voltage of the voltage converter 1, so that maximum voltage change by the DC voltage converter 40 relatively low. On the other hand, a combined high-down converter required for this purpose is connected to an optionally more complex circuit topology.
Übersetzungsverhältnisse des Transformators 20, die nur einen einfachen Hochsetzsteller oder Tiefsetzsteller erfordern, können dagegen eine größere maximale Spannungsänderung durch den Gleichspannungskonverter 40 erforderlich machen. Gear ratios of the transformer 20, which require only a simple boost converter or step-down converter, however, may require a larger maximum voltage change by the DC voltage converter 40.
Soll die Ausgangsgleichspannung des Spannungswandlers 1 beispielsweise ein Niederspannungs-Bordnetz eines Fahrzeugs, beispielsweise eines Elektro- oder Hybridfahrzeuges, versorgen, so liegt die Soll-Ausgangsgleichspannung im Bereich von ca. 13,2 Volt. If the DC output voltage of the voltage converter 1, for example, a low-voltage electrical system of a vehicle, such as an electric or hybrid vehicle supply, so is the target DC output voltage in the range of about 13.2 volts.
Wird als Eingangsspannung an dem Wechselrichter 2 beispielsweise eine Leerlaufspannung VT angenommen, die um bis zu 20 % variieren kann, so ergibt sich für den Fall, dass als Gleichspannungskonverter 40 ein reiner Tiefsetzsteller eingesetzt werden soll, ein Übertragungsverhältnis von etwa VT/50 für den Transformator, um eine gewünschte Ausgangsspannung im Bereich von 13,2 Volt für ein Niederspannungs-Bordnetz eines Fahrzeuges zu erzielen. Je nach zu erwartender Variation der Eingangsgleichspannung und eingesetzter Topologie für den Gleichspannungskonverter 40 können darüber hinaus auch andere Übertragungsverhältnisse für den Transformator 20 gewählt werden. If, for example, an open-circuit voltage VT is assumed as the input voltage to the inverter 2, which can vary by up to 20%, the result for the case where a pure buck converter is to be used as the DC voltage converter 40 is a transmission ratio of approximately VT / 50 for the transformer To achieve a desired output voltage in the range of 13.2 volts for a low-voltage electrical system of a vehicle. Depending on the expected variation of the DC input voltage and the topology used For the DC voltage converter 40, other transmission ratios for the transformer 20 can be chosen beyond.
Darüber hinaus ist die vorliegende Erfindung auch nicht auf Anwendungen für Elektro- oder Hybridfahrzeuge begrenzt. Vielmehr kann die vorliegende Moreover, the present invention is not limited to applications for electric or hybrid vehicles. Rather, the present
Erfindung mit einem erfindungsgemäßen Spannungswandler 1 auch für beliebige weitere Anwendungen eingesetzt werden, bei der eine von der Invention with a voltage converter 1 according to the invention are also used for any other applications in which one of the
Eingangsspannung galvanisch getrennte Ausgangsgleichspannung bereitgestellt werden soll. Input voltage to be provided galvanically isolated DC output voltage.
Figur 2 zeigt eine schematische Darstellung eines Prinzipschaltbilds eines Spannungswandlers 1 in einem elektrischen Antriebssystem gemäß einer Ausführungsform. An der Eingangsseite des Wechselrichters 2 wird dabei von einer Batterie 4 eine Eingangsgleichspannung bereitgestellt. Der Wechselrichter 2 umfasst dabei in diesem Ausführungsbeispiel sechs Halbleiterschaltelemente Sl bis S6, die von einer hier nicht dargestellten Steuereinrichtung mit FIG. 2 shows a schematic representation of a block diagram of a voltage converter 1 in an electric drive system according to an embodiment. At the input side of the inverter 2, a DC input voltage is provided by a battery 4. The inverter 2 comprises in this embodiment, six semiconductor switching elements Sl to S6, which by a control device not shown here with
Steuersignalen angesteuert werden können. Am Eingang des Wechselrichters 2 ist die Kondensatoranordnung 10 angeordnet. Die Kondensatoranordnung 10 stellt in diesem Ausführungsbeispiel auch gleichzeitig den Control signals can be controlled. At the input of the inverter 2, the capacitor assembly 10 is arranged. The capacitor assembly 10 in this embodiment also simultaneously
Zwischenkreiskondensator des Wechselrichters 2 dar. Der erste Kondensator 11 ist dabei zwischen dem positiven Anschluss des Wechselrichters und dem Knotenpunkt K angeordnet. Der zweite Kondensator ist zwischen dem DC link capacitor of the inverter 2. The first capacitor 11 is arranged between the positive terminal of the inverter and the node K. The second capacitor is between the
Knotenpunkt K und dem negativen Anschluss des Wechselrichters 2 angeordnet. Die drei Ausgänge des Wechselrichters 2 sind mit dem Elektromotor 3 gekoppelt. Die Primärseite 21 des Transformators 20 ist mit dem Sternpunkt 3a der elektrischen Maschine 3 sowie dem Knotenpunkt K der Kondensatoranordnung 10 elektrisch verbunden. Die Sekundärseite 22 des Transformators 20 speist die Gleichrichteranordnung 20. Die Gleichrichteranordnung 30 ist in diesem Fall als passive Gleichrichteranordnung mit den vier Dioden Dl bis D4 ausgeführt. Am Ausgang der Gleichrichteranordnung 30 ist zur Glättung der gleichgerichteten Sekundärspannung des Transformators 20 ein Kondensator Cl angeordnet. Die gleichgerichtete Sekundärspannung des Transformators 20 wird daraufhin mittels einer Tiefsetzstellerschaltung 40 auf die gewünschte vorgegebene Node K and the negative terminal of the inverter 2 arranged. The three outputs of the inverter 2 are coupled to the electric motor 3. The primary side 21 of the transformer 20 is electrically connected to the star point 3 a of the electric machine 3 and the node K of the capacitor arrangement 10. The secondary side 22 of the transformer 20 feeds the rectifier arrangement 20. The rectifier arrangement 30 is designed in this case as a passive rectifier arrangement with the four diodes Dl to D4. At the output of the rectifier arrangement 30, a capacitor Cl is arranged for smoothing the rectified secondary voltage of the transformer 20. The rectified secondary voltage of the transformer 20 is then by means of a buck converter circuit 40 to the desired predetermined
Ausgangsspannung eingestellt. Die Tiefsetzstellerschaltung des Output voltage adjusted. The buck converter circuit of
Gleichspannungskonverters 40 umfasst dabei das Schaltelement S7, die Diode D5 sowie die Induktivität LI und die Kapazität C2. Das Schaltelement S7 wird dabei mittels einer Steuereinrichtung 41 angesteuert. Hierzu kann beispielsweise am Ausgang des Gleichspannungskonverters 40 die Ausgangsspannung mittels eines Spannungsdetektors erfasst und der Steuereinrichtung 41 bereitgestellt werden. Die Steuereinrichtung 41 passt dabei basierend auf der erfasstenDC converter 40 includes the switching element S7, the diode D5 and the inductance LI and the capacitance C2. The switching element S7 is controlled by means of a control device 41. For this purpose, for example, the output voltage can be detected by means of a voltage detector at the output of the DC voltage converter 40 and provided to the control device 41. The control device 41 thereby fits based on the detected
Ausgangsspannung die Ansteuerung des Schaltelements S7 an. Output voltage to the control of the switching element S7.
Zusammenfassend betrifft die vorliegende Erfindung einen Spannungswandler zur Konvertierung einer Eingangsgleichspannung in eine In summary, the present invention relates to a voltage converter for converting a DC input voltage into one
Ausgangsgleichspannung, wobei zwischen Eingang und Ausgang des DC output voltage, wherein between input and output of the
Spannungswandlers eine galvanische Trennung erfolgt. Hierzu ist vorgesehen, eine Leistungsstufe eines vorhandenen Wechselrichters zu nutzen.  Voltage transformer galvanic isolation takes place. For this purpose, it is provided to use a power level of an existing inverter.
Eine Wechselspannung zwischen einem Zwischenkreiskondensator des An AC voltage between a DC link capacitor of
Wechselrichters und einem Sternpunktanschluss eines an den Wechselrichter angeschlossenen Elektromotors wird in einen Transformator eingespeist und die gleichgerichtete Sekundärspannung des Transformators wird mittels eines Gleichspannungskonverters auf ein vorbestimmtes Spannungsniveau eingestellt. Derartige Spannungswandler können für beliebige elektrische Antriebssysteme, insbesondere für elektrische Antriebssysteme in Elektro- oder Hybridfahrzeugen eingesetzt werden. Hier kann beispielsweise ein Niederspannungsbordnetz von dem Hochspannungsbordnetz gespeist werden, wobei gleichzeitig eine galvanische Trennung zwischen Hochspannungs- und Niederspannungsbordnetz erfolgt. Inverter and a neutral terminal of an electric motor connected to the inverter is fed into a transformer and the rectified secondary voltage of the transformer is set by means of a DC converter to a predetermined voltage level. Such voltage transformers can be used for any electric drive systems, in particular for electric drive systems in electric or hybrid vehicles. Here, for example, a low-voltage electrical system can be powered by the high-voltage on-board electrical system, at the same time there is a galvanic isolation between high voltage and low voltage electrical system.

Claims

Ansprüche claims
1. Spannungswandler (1) zur Konvertierung einer 1. Voltage transformer (1) for converting a
Eingangsgleichspannung, die an einem Eingang eines mit einem mehrphasigen Elektromotor (3) gekoppelten Wechselrichters (2) anliegt, in eine Ausgangsgleichspannung, mit: einer Kondensatoranordnung (10), mit einem ersten Kondensator (11) und einem zweiten Kondensator (12), wobei ein Anschluss des ersten Kondensators (11) mit einem ersten Anschluss eines Eingangs des Wechselrichters (2) verbunden ist, ein weiterer Anschluss des ersten Kondensators (11) an einem Knotenpunkt (K) mit einem Anschluss des zweiten Kondensators (12) verbunden ist und ein weiterer Anschluss des zweiten Kondensator (12) mit einem zweiten Anschluss des Eingangs des Wechselrichters (2) verbunden ist; einem Transformator (20), mit einer Primärseite (21) und einer  DC input voltage applied to an input of an inverter (2) coupled to a polyphase electric motor (3), to a DC output voltage, comprising: a capacitor assembly (10) having a first capacitor (11) and a second capacitor (12); Connection of the first capacitor (11) to a first terminal of an input of the inverter (2) is connected, a further terminal of the first capacitor (11) at a node (K) to a terminal of the second capacitor (12) is connected and another Connecting the second capacitor (12) to a second terminal of the input of the inverter (2); a transformer (20) having a primary side (21) and a
Sekundärseite (22), wobei ein Anschluss der Primärseite (21) mit dem Knotenpunkt (K) der Kondensatoranordnung (10) verbunden ist und ein weiterer Anschluss der Primärseite (21) mit einem Sternpunkt (3a) des Elektromotors (3) verbunden ist; einer Gleichrichteranordnung (30), die eingangsseitig mit der  Secondary side (22), wherein one terminal of the primary side (21) to the node (K) of the capacitor assembly (10) is connected and another terminal of the primary side (21) to a neutral point (3a) of the electric motor (3) is connected; a rectifier arrangement (30), the input side with the
Sekundärseite (21) des Transformators (20) verbunden ist, und die dazu ausgelegt ist, eine an der Sekundärseite (22) des Transformators (20) anliegende Wechselspannung gleichzurichten und die gleichgerichtete Spannung an einem Ausgangsanschluss der Gleichrichteranordnung (30) bereitzustellen; einem Gleichspannungskonverter (40), der eingangsseitig mit dem Ausgangsanschluss der Gleichrichteranordnung (30) verbunden ist, und der dazu ausgelegt ist, die an dem Ausgangsanschluss der Secondary side (21) of the transformer (20) is connected, and which is adapted to rectify an AC voltage applied to the secondary side (22) of the transformer (20) and to provide the rectified voltage at an output terminal of the rectifier assembly (30); a DC voltage converter (40), which is connected on the input side to the output terminal of the rectifier arrangement (30), and which is designed to be connected to the output terminal of the
Gleichrichteranordnung (30) bereitgestellte Spannung in eine  Rectifier assembly (30) provided voltage in a
Gleichspannung mit einem vorbestimmten Spannungswert zu konvertieren.  DC voltage with a predetermined voltage value to convert.
2. Spannungswandler (1) nach Anspruch 1, wobei der 2. Voltage converter (1) according to claim 1, wherein the
Gleichspannungskonverter (40) einen Inverswandler, einen  DC converter (40) an inverting converter, a
Hochsetzsteller und/oder einen Tiefsetzsteller umfasst.  Up-converter and / or a buck converter comprises.
3. Spannungswandler (1) nach Anspruch 1 oder 2, wobei der 3. Voltage converter (1) according to claim 1 or 2, wherein the
Gleichspannungskonverter (40) eine Steuereinrichtung (41) umfasst, die dazu ausgelegt ist, an dem Ausgangsanschluss der  DC converter (40) comprises a control device (41) which is designed to be connected to the output terminal of the
Gleichrichteranordnung (30) den vorbestimmten Spannungswert einzustellen.  Rectifier arrangement (30) to set the predetermined voltage value.
4. Spannungswandler nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die 4. Voltage converter according to one of claims 1 to 3, wherein the
Gleichrichteranordnung (30) einen passiven Gleichrichter umfasst.  Rectifier assembly (30) comprises a passive rectifier.
5. Spannungswandler nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die 5. Voltage converter according to one of claims 1 to 3, wherein the
Gleichrichteranordnung (30) einen aktiven Synchrongleichrichter umfasst.  Rectifier arrangement (30) comprises an active synchronous rectifier.
6. Elektrisches Antriebssystem, mit: einem mehrphasigen Elektromotor (3) mit einem Sternpunkt-Anschluss (3a); einem Wechselrichter (2), der mit dem mehrphasigen Elektromotor (3) elektrisch gekoppelt ist; und einem Spannungswandler (1) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5. An electric drive system comprising: a polyphase electric motor (3) having a neutral point terminal (3a); an inverter (2) electrically coupled to the polyphase electric motor (3); and a voltage converter (1) according to one of claims 1 to 5.
7. Elektrisches Antriebssystem nach Anspruch 6, wobei der Wechselrichter (2) und der Elektromotor (3) in einem gemeinsamen Gehäuse angeordnet sind. 7. Electric drive system according to claim 6, wherein the inverter (2) and the electric motor (3) are arranged in a common housing.
8. Elektrisches Antriebssystem nach Anspruch 6, wobei der Wechselrichter (2) einen Multilevel-Inverter umfasst. 8. An electric drive system according to claim 6, wherein the inverter (2) comprises a multilevel inverter.
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