WO2023111185A1 - Dc/dc abwärtswandler mit symmetrierter ausgangsspannung - Google Patents

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WO2023111185A1
WO2023111185A1 PCT/EP2022/086165 EP2022086165W WO2023111185A1 WO 2023111185 A1 WO2023111185 A1 WO 2023111185A1 EP 2022086165 W EP2022086165 W EP 2022086165W WO 2023111185 A1 WO2023111185 A1 WO 2023111185A1
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voltage
output
connection
input
switch
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PCT/EP2022/086165
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Vladimir Dvorak
Zbynek STEPAN
Frank Seemann
Matthias Engicht
Andre EHRSAM
Martin Mach
Gabriel Scherer
Tato Gervais Amani
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Zf Friedrichshafen Ag
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    • H—ELECTRICITY
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    • H02M3/04—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters
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    • H02M3/145—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal
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    • H02M3/158—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only with automatic control of output voltage or current, e.g. switching regulators including plural semiconductor devices as final control devices for a single load
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    • H02M1/00—Details of apparatus for conversion
    • H02M1/0067—Converter structures employing plural converter units, other than for parallel operation of the units on a single load
    • H02M1/0077—Plural converter units whose outputs are connected in series

Definitions

  • the present invention relates to a voltage converter and a method for operating a voltage converter according to the main claims.
  • Newer differential buck converters often create an unbalanced high voltage (HV) system compared to the ground system. If such an asymmetrical high-voltage system is used to supply electrical machines or devices, especially in a vehicle, for example, this can lead to undesirable mains voltage fluctuations on a supply network fed by the voltage converter or to failures of electrical machines or devices connected to such a supply network.
  • HV high voltage
  • the present invention provides an improved voltage converter and an improved method for operating a voltage converter according to the main claims.
  • Advantageous configurations result from the dependent claims and the following description.
  • a first converter circuit comprising a series circuit of a first and second switch between the first and second input terminal and further comprising a first inductance connected between a first tap point between the first and second switch and the first output terminal;
  • a second converter circuit comprising a series connection of a third and fourth switch between the first and second input terminal and further comprising a second inductor connected between a second tap point between the third and fourth switch and the second output terminal;
  • a voltage measuring device with a first voltage measuring unit and a second voltage measuring unit, the first voltage measuring unit being designed to detect a first voltage between the first output connection and the first input connection and/or between the first output connection and the second input connection, the second voltage measuring unit is designed to detect a second voltage between the second output terminal and the first input terminal and/or between the second output terminal and the second input terminal;
  • a control unit that is designed to open and / or close the first and / or second switch and open and / or close the third and / or fourth switch to control to regulate a difference between the first and second voltage, the one desired predefined output voltage between the first output terminal and the second output terminal.
  • An input connection can be understood, for example, as a connection to an energy source such as a battery or an accumulator.
  • An output connection can be understood, for example, as a connection via which energy with a voltage converted by the voltage converter (relative to the voltage present at the input connections) is delivered to a further electrical device or an electrical machine.
  • a control unit can specifically be understood to mean a unit that controls opening and/or closing of a switch as a function of a condition.
  • a very flexible voltage converter circuit can be implemented by advantageously controlling the opening and/or closing of the (at least four) switches mentioned here, converting a voltage present at the first and second input connection into a desired voltage can be modified, which is then present between the first and second output terminals.
  • This can be achieved by initially applying a first voltage between the first output terminal and the first input terminal and/or between the first output terminal and the second input connection is measured and additionally a second voltage is measured between the second output connection and the first input connection and/or between the second output connection and the second input connection.
  • the first and second voltages are each measured for a common reference potential, ie either the potential at which the first input connection is located or alternatively at the potential at which the second input connection is located.
  • a voltage conversion is now carried out in such a way that opening the first or second or the third or fourth switch for a corresponding time causes a current to flow through the first or second inductor, which after the relevant first or second switch is closed or third or fourth switch leads to a delivery of the energy in the relevant inductor to the first or second output terminal with a desired voltage, this desired voltage at the relevant output terminal being dependent on the length of time for which the respective inductor connected to the relevant inductor switches were open or closed.
  • the first voltage and the second voltage can now be set independently of one another in such a way that the result is a voltage between the first and second output connection or can be adjusted, which then corresponds to a desired, predefined output voltage.
  • This desired, predefined output voltage can, for example, be permanently programmed and read out from a memory, or it can also be set individually and then read in by an input element.
  • control unit is designed to open and/or close the first and/or second switch and open and/or close the third and/or fourth To control the switch in such a way that a voltage difference between the first input terminal and the first output terminal corresponds to a voltage difference between the second input terminal and the second output terminal within a tolerance range.
  • the tolerance range can be one tenth of the voltage at the first input connection.
  • Such an embodiment offers the advantage that a mean value of a voltage between the first and second output connection is essentially equal to a mean value of a voltage between the first and second input connection. This enables the formation of a highly balanced supply network, both on the side of the input terminals and on the side of the output terminals.
  • the voltage measuring device comprises an output voltage measuring unit which is designed to detect an output voltage between the first output connection and the second output connection, the control unit being designed to open and/or close of the first and/or second switch and opening and/or closing of the third and/or fourth switch in response to the output voltage.
  • the control unit being designed to open and/or close of the first and/or second switch and opening and/or closing of the third and/or fourth switch in response to the output voltage.
  • a reference capacitance unit which has a first capacitance connected between the first input connection and the first output connection, a second capacitance connected between the first input connection and the second output connection, a third capacitance connected between the second input connection and the first output connection switched capacitance and/or a fourth capacitance connected between the second input terminal and the second output terminal.
  • a smoothing unit which has an input capacitance connected between the first and second input connection and/or an output capacitance connected between the first and second output connection.
  • Such an embodiment also offers the advantage of reducing or completely suppressing fluctuations in the voltage between the input terminals and/or the voltage between the output terminals and thereby ensuring the most trouble-free operation of a machine or a device that is connected to the output terminals.
  • the switches of the first and second converter unit can be controlled particularly efficiently and quickly if the first, second, third and/or fourth switch is designed as a semiconductor switch, in particular as a MOSFET transistor, as a thyristor and/or as an IGBT.
  • control unit is designed to open and/or close the first and/or second switch and open and/or close the third and/or fourth switch using a PWM - to control signals.
  • Such an embodiment offers the advantage of being able to quickly and clearly actuate the relevant switch to a desired open or closed state, with the pulse width of this PWM signal being very easily selected by the control unit in accordance with the desired voltage at the first and/or second output connection or is set.
  • An embodiment of the approach proposed here as a vehicle with a voltage converter according to a variant presented here is particularly advantageous. Such an embodiment enables a particularly efficient and trouble-free operation of a vehicle, in particular an electric vehicle whose electrical rical machine can be fed by a reliably and safely working symmetrical high-voltage network.
  • An embodiment of the approach presented here is also particularly advantageous as a method for operating a voltage converter according to a variant presented here, the method having the following steps:
  • the approach presented here also creates a control unit that is designed to carry out, control or implement the steps of a variant of a method presented here in corresponding devices.
  • the object on which the invention is based can also be achieved quickly and efficiently by this embodiment variant of the invention in the form of a control unit.
  • control unit can have at least one computing unit for processing signals or data, at least one storage unit for storing signals or data, at least one interface to a sensor or an actuator for reading in sensor signals from the sensor or for outputting control signals to the actuator and/or or at least one communication interface for reading or outputting data embedded in a communication protocol.
  • the arithmetic unit can be, for example, a signal processor, a microcontroller or the like, with the memory unit being able to be a flash memory, an EEPROM or a magnetic memory unit.
  • the communication interface can be designed to read in or output data wirelessly and/or by wire, wherein a communication interface that can read in or output wire-bound data can, for example, read this data electrically or optically from a corresponding data transmission line or can output it to a corresponding data transmission line.
  • a control unit can be understood to mean an electrical device that processes sensor signals and, depending thereon, outputs control and/or data signals.
  • the control unit can have an interface that can be designed as hardware and/or software.
  • the interfaces can be part of what is known as a system ASIC, for example, which contains a wide variety of functions of the control device.
  • the interfaces it is also possible for the interfaces to be separate integrated circuits or to consist at least partially of discrete components.
  • the interfaces can be software modules which are present, for example, on a microcontroller alongside other software modules.
  • a computer program product with program code which can be stored on a machine-readable medium such as a semiconductor memory, a hard disk memory or an optical memory and is used to carry out the method according to one of the embodiments described above, is also advantageous if the program is on a computer or a device is performed.
  • Show it: 1 shows a schematic representation of a vehicle in which a voltage converter can be used according to an exemplary embodiment of the approach presented here;
  • FIG. 3 shows a schematic block diagram of a voltage converter according to an exemplary embodiment of the approach proposed here.
  • FIG. 4 shows a flowchart of an exemplary embodiment of a method for operating a voltage converter according to a variant presented here.
  • FIG. 1 shows a schematic representation of a vehicle 100 in which voltage converter 110 can be used according to an exemplary embodiment of the approach presented here.
  • the voltage converter 110 is designed to receive electrical energy from an energy source 125 via a first input connection 115 and a second input connection 120 .
  • the energy source 125 can be, for example, a high-voltage battery or a high-voltage accumulator of the vehicle 100 and can provide a voltage UH of, for example, 800 volts to 850 volts to the voltage converter 110 .
  • the voltage converter 110 now converts the voltage and now outputs electrical energy at a lower voltage UN to a terminal pair or a first output connection 130 and a second output connection 135 to a consumer 140 .
  • the consumer 140 can be, for example, a vehicle engine of a vehicle 100 designed as an electric vehicle. However, it is also conceivable that the consumer 140 can be another electrical device, for example an air conditioning system or the like.
  • the voltage UN can be 400 volts, for example, especially if the consumer 140 is designed as a traction motor or vehicle motor and requires a correspondingly large amount of energy to fulfill its function.
  • the high voltage UH and the lower voltage UN should be symmetrical so as not to cause uneven loads in the electrical network. This means that, if possible, a potential of the second input connection 120 and of the second output connection 135 should be avoided corresponding to the ground potential GND.
  • FIG. 2 shows a schematic representation of different voltages.
  • a high voltage UH of 850 volts is shown in a left-hand section I, which was measured at a ground potential of zero volts or GND.
  • this high voltage UH can be present between the first input connection 115 and the second input connection 120 .
  • the voltage UH is converted from 850 volts to a lower voltage UN of 400 volts by the voltage converter 110 shown in FIG UN is converted between the first output terminal 130 and the second output terminal 135 in such a way that the second output terminal 135 is also connected to the ground potential GND and the voltage at the first output terminal 130 is 400 volts with respect to the ground potential GND.
  • a voltage level is shown in section II of FIG.
  • the voltage present at the first output connection 130 is now also below an average value 200 which represents a potential in the middle between the potential present at the input connection 115 and the output connection 120 .
  • the mean value 200 would accordingly be at a voltage of 425 volts with respect to the ground potential GND.
  • the potential of the first output connection 130 is then set, for example, to a value of 625 volts with respect to the ground potential GND, so that overall the (lower) voltage UN of here 400 volts drops again between the first output connection 130 and the second output connection 135, which is necessary for the operation of the Consumer 140 is required.
  • FIG. 3 shows a schematic block diagram of a voltage converter 110 according to an exemplary embodiment of the approach proposed here.
  • the voltage converter includes the first input connection 115 and the second input connection 120, between which the high voltage UH is present.
  • the voltage converter 110 includes the first output connection 130 and the second output connection 135, between which the low voltage UN is present.
  • the electrical load 140 can be connected between the first output connection 130 and the second output connection 135 .
  • the voltage converter 110 includes a first converter circuit 300, which is embodied, for example, as a first half-bridge and which has a first switch S1 and a second switch S2 connected in series (via a resistor R1) between the first input terminal 115 and the second input terminal 120 are switched.
  • a first tapping point A1 between the first switch S1 and the second switch S2 is connected to the first output terminal 130 (via a second resistor R2) and a first inductance L1.
  • the voltage converter 110 includes a second converter circuit 310, which is designed, for example, as a second half-bridge and which has a third switch S3 and a fourth switch S4, which (via the resistor R1) between the first input terminal 115 and the second input terminal 120 in series connection are switched.
  • a second tap point A2 between the third switch S3 and the fourth switch S4 is (via a third resistor R3) and a second in- inductance L2 to the second output terminal 135 is connected.
  • the first, second, third and/or fourth switch S1, S2, S3, S4 can advantageously be designed as a semiconductor switch, in particular as a MOSFET transistor, as a thyristor and/or as an IGBT. In this way, high electrical power flows can be controlled quickly and easily.
  • the voltage converter 110 includes a reference capacitance unit 320 having a first capacitance C1, a second capacitance C2, a third capacitance C3 and a fourth capacitance C4.
  • the first capacitance C1 is connected between the first output terminal 130 (via a fourth resistor R4) and to the first input terminal 115 (via the first resistor R1).
  • the second capacitance C2 is connected between the first output terminal 130 and the second input terminal 120 (via a fifth resistor R5).
  • the third capacitance C3 is connected between the second output terminal 135 (via a sixth resistor R6) and to the first input terminal 115 (via the first resistor R1).
  • the fourth capacitance C4 is connected between the second output terminal 135 and the second input terminal 120 (via a seventh resistor R7).
  • the reference capacitance unit 320 can serve to buffer voltage fluctuations in the voltage between the first input connection 115 and the second input connection 120 and between the first output connection 130 and the second output connection 135 or also between the input connections 115, 120 and the output connections 130, 135 and/or or to balance. Furthermore, the symmetry of the high voltage UH with respect to the low voltage UN can be set or maintained very well via the reference capacitance unit 320 .
  • the voltage converter 110 includes a smoothing unit 330, which has an input capacitance CE, for example, which is connected between the first input connection 115 and the second input connection 120. Furthermore, the smoothing unit 330 may also have an output capacitance CA connected between the first output terminal 130 and the second output terminal 135 .
  • the smoothing unit 330 together with the capacitances contained therein, can also be used to avoid fluctuations in a voltage between the first Input terminal 115 and second input terminal 120 and alternatively or additionally to avoid fluctuations in a voltage between the first output terminal 130 and the second output terminal 135 are used.
  • the voltage converter 110 includes a voltage measuring device 340 which has a first voltage measuring unit 342 and a second voltage measuring unit 344 .
  • the first voltage measurement unit 342 is designed to detect a first voltage U1 between the first output connection 130 and the second input connection 120 .
  • the second voltage measuring unit 344 is designed to detect a second voltage U2 between the second output connection 135 and the second input connection 120 .
  • the first voltage measuring unit 342 can also be designed to detect the first voltage U1 between the first output connection 130 and the first input connection 115, in which case the second voltage measuring unit 344 is designed to to detect the second voltage U2 between the second output connection 135 and the first input connection 115 .
  • the voltage converter 110 comprises a control unit 350, which is designed to open and/or close the first switch S1, the second switch S2, the third switch S3 and/or the fourth switch S4 in response to the detected first voltage LJ1 and the detected to make the second voltage LJ2.
  • the control unit 350 comprises a read-in interface 352 for reading in the first voltage U1 between the first output connection 130 and the first input connection 115 and/or between the first output connection 130 and the second input connection 120 and for reading in the second voltage U2 between the second output connection 135 and the first input terminal 115 and/or between the second output terminal 135 and the second input terminal 120.
  • control unit 350 comprises a unit 354 for controlling an opening and/or closing of the first S1 and/or second S2 switch and an opening and/or Closing the third S3 and/or fourth S4 switch by a difference of the first and second voltage which corresponds to a desired predefined output voltage UA between the first output connection 130 and the second output connection 135 read from a memory 356 or a control element.
  • opening or closing the respective switches S1, S2, S3 and/S4 can cause a current to flow through the first inductance L1 or second inductance L2, so that at the first output connection 130 or at the second output connection 135 a potential is present that differs from the potentials at the first input connection 115 and at the second input connection 120 .
  • a potential difference between the first output connection 130 and the second output connection 135 can be set very flexibly, which corresponds to the low voltage UN.
  • a previously set desired output voltage UA can now be read from a memory or an input element and compared with the potential difference or voltage between the first output connection 130 and the second output connection 135. If it is determined in the control unit of 350 that the difference between the first voltage U1 and the second voltage U2 does not correspond to the desired output voltage UA, the switches S1, S2, S3 and/or S4 can be controlled appropriately, for example by means of a PWM Signal are opened and / or closed, so that the potential of the first output terminal 130 and second output terminal 135 can be changed individually in order to adjust the low voltage UN to the desired output voltage UA can.
  • an output voltage measuring unit 360 can also be provided, which measures the voltage between the first output connection 130 and the second output connection 135 directly and transmits a corresponding signal to the control unit 350 via the read-in interface 352, so that the control unit 350 can also obtain direct information about the between the output terminals actually receives falling voltage, so that, for example, measurement errors of the first voltage U1 and the second voltage U2 can be compensated.
  • FIG. 4 shows a flowchart of an exemplary embodiment of a method 400 for operating a voltage converter according to a variant presented here.
  • the 400 comprises a step 410 of reading in the first voltage between the first output connection and the first input connection and/or between the first output connection and the second input connection and for reading in the second voltage between the second output connection and the first input connection and/or between the second output port and the second input port. Furthermore, the method 400 includes a step 420 of controlling an opening and/or closing of the first and/or second switch and an opening and/or closing of the third and/or fourth switch in order to regulate a difference between the first and second voltage, corresponding to a desired predefined output voltage between the first output terminal and the second output terminal.
  • a step-down converter desired by a user for generating a symmetrical output voltage can be implemented.
  • the approach presented here solves the problem of generating a symmetrical output voltage from HV voltage systems as a step-down converter.
  • a symmetrical output voltage is therefore generated with the voltage converter presented here.
  • the step-down converter topology on which the voltage converter presented here is based works bidirectionally in order to shift energy back when required. It can also be used as a step-up converter when input and output change, for example in a fuel cell system.
  • chokes or inductances can be designed in such a way that they commute with each switching cycle. This can improve the agility of the control loop behavior in the event of residual ripple and load jumps.
  • the voltage converter architecture can be connected to existing inverter designs (using two inverter legs).
  • the output capacitor can also be saved if the system is connected to a converter application (where the input capacitor is connected to the converter). This can lead to downsizing of the system.
  • the measurement/signalling circuit can be connected to HV side of primary HV system. In this way, an input voltage that is greater than or equal to the output voltage can be obtained.
  • the system can also use different switching frequencies.
  • a model-based estimation of the maximum current in the choke/inductor can also be used to limit the output current and avoid saturation of the choke/inductor (only one voltage measurement is required).
  • an embodiment includes an "and/or" link between a first feature and a second feature, this can be read in such a way that the embodiment according to one embodiment includes both the first feature and the second feature and according to a further embodiment either only the first Feature or has only the second feature.

Abstract

Der hier vorgestellte Ansatz schafft einen Spannungswandler (110) mit einem ersten Eingangsanschluss (115), einem zweiten Eingangsanschluss (120), einem ersten Ausgangsanschluss (130) und einem zweiten Ausgangsanschluss (135). Weiter um fasst der Spannungswandler (110) eine Steuereinheit (350), die ausgebildet ist, um ein Öffnen und/oder Schließen eines ersten (S1) und/oder zweiten (S2) Schalters und ein Öffnen und/oder Schließen eines dritten (S3) und/oder vierten (S4) Schalters anzusteuern, um eine Differenz der ersten (U1) und zweiten (U2) Spannung einzuregeln, die einer gewünschten vordefinierten Ausgangsspannung (UA) zwischen dem ersten Ausgangsanschluss (130) und dem zweiten Ausgangsanschluss (135) entspricht.

Description

DC/DC ABWÄRTSWANDLER MIT SYMMETRIERTER AUSGANGSSPANNUNG
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Spannungswandler und ein Verfahren zum Betreiben eines Spannungswandlers gemäß den Hauptansprüchen.
Neuere Differenzial-Abwärtswandler erzeugen oftmals ein unsymmetrisches Hoch- volt(HV)-System im Vergleich zum Erdungssystem. Wird ein solches unsymmetrisches Hochvolt-System zur Versorgung von elektrischen Maschinen oder Geräten, speziell beispielsweise in einem Fahrzeug, verwendet, kann dies zu unerwünschten Netzspannungsschwankungen auf einem von dem Spannungswandler gespeisten Versorgungsnetz oder zu Ausfällen von einem solchen Versorgungsnetz angeschlossenen elektrischen Maschinen oder Geräten führen.
Vor diesem Hintergrund schafft die vorliegende Erfindung einen verbesserten Spannungswandler und ein verbessertes Verfahren zum Betreiben eines Spannungswandlers gemäß den Hauptansprüchen. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung.
Mit dem hier vorliegenden Ansatz wird ein Spannungswandler mit folgenden Merkmalen vorgestellt:
- einem ersten Eingangsanschluss, einem zweiten Eingangsanschluss, einem ersten Ausgangsanschluss und einem zweiten Ausgangsanschluss;
- einer ersten Wandlerschaltung, die eine Serienschaltung eines ersten und zweiten Schalters zwischen dem ersten und zweiten Eingangsanschluss aufweist und die ferner eine erste Induktivität aufweist, die zwischen einen ersten Abgriffspunkt zwischen dem ersten und zweiten Schalter und dem ersten Ausgangsanschluss geschaltet ist;
- einer zweiten Wandlerschaltung, die eine Serienschaltung eines dritten und vierten Schalters zwischen dem ersten und zweiten Eingangsanschluss aufweist und die ferner eine zweite Induktivität aufweist, die zwischen einen zweiten Abgriffspunkt zwischen dem dritten und vierten Schalter und dem zweiten Ausgangsanschluss geschaltet ist; - eine Spannungsmesseinrichtung mit einer ersten Spannungsmesseinheit und einer zweiten Spannungsmesseinheit, wobei die ersten Spannungsmesseinheit ausgebildet ist, um eine erste Spannung zwischen dem ersten Ausgangsanschluss und dem ersten Eingangsanschluss und/oder zwischen dem dem ersten Ausgangsanschluss und dem zweiten Eingangsanschluss zu erfassen, wobei die zweite Spannungsmesseinheit ausgebildet ist, um eine zweite Spannung zwischen dem zweiten Ausgangsanschluss und dem ersten Eingangsanschluss und/oder zwischen dem zweiten Ausgangsanschluss und dem zweiten Eingangsanschluss zu erfassen; und
- eine Steuereinheit, die ausgebildet ist, um ein Öffnen und/oder Schließen des ersten und/oder zweiten Schalters und ein Öffnen und/oder Schließen des dritten und/oder vierten Schalters anzusteuern, um eine Differenz der ersten und zweiten Spannung einzuregeln, die einer gewünschten vordefinierten Ausgangsspannung zwischen dem ersten Ausgangsanschluss und dem zweiten Ausgangsanschluss entspricht.
Unter einem Eingangsanschluss kann beispielsweise ein Anschluss zu einer Energiequelle wie beispielsweise eine Batterie oder einen Akku verstanden werden. Unter einem Ausgangsanschluss kann beispielsweise ein Anschluss verstanden werden, über weichen Energie mit einer vom Spannungswandler gewandelten Spannung (bezüglich der an den Eingangsanschlüssen anliegenden Spannung) an ein weiteres elektrisches Gerät oder eine elektrische Maschine abgegeben wird. Unter einer Steuereinheit kann vorliegend speziell eine Einheit verstanden werden, die ein Öffnen und/oder ein Schließen eines Schalters in Abhängigkeit von einer Bedingung ansteuert.
Der hier vorgestellte Ansatz basiert auf der Erkenntnis, dass eine sehr flexible Spannungswandlerschaltung dadurch realisiert werden kann, dass durch eine vorteilhafte Ansteuerung des Öffnens und/oder Schließens der hier genannten (mindestens vier) Schalter eine Spannung, die am ersten und zweiten Eingangsanschluss anliegt, in eine gewünschte Spannung abgewandelt werden kann, die dann zwischen dem ersten und zweiten Ausgangsanschluss anliegt. Dies kann dadurch erreicht werden, dass zunächst eine erste Spannung zwischen dem ersten Ausgangsanschluss und dem ersten Eingangsanschluss und/oder zwischen dem ersten Ausgangsanschluss und dem zweiten Eingangsanschluss gemessen wird und zusätzlich eine zweite Spannung zwischen dem zweiten Ausgangsanschluss und dem ersten Eingangsanschluss und/oder zwischen dem zweiten Ausgangsanschluss und dem zweiten Eingangsanschluss gemessen wird. Dabei werden die erste und zweite Spannung jeweils auf ein gemeinsames Bezugspotenzial hin gemessen, also entweder das Potenzial, auf dem der erste Eingangsanschluss liegt oder alternativ auf das Potenzial, auf dem der zweite Eingangsanschluss liegt. Es wird nun eine Spannungswandlung derart durchgeführt, dass durch ein Öffnen des ersten bzw. zweiten oder des dritten bzw. vierten Schalters für eine entsprechende Zeit ein Stromfluss durch die erste bzw. zweite Induktivität bewirkt wird, der nach einem Schließen des betreffenden ersten bzw. zweiten oder dritten bzw. vierten Schalters zu einer Abgabe der Energie in der betreffenden Induktivität an den ersten bzw. zweiten Ausgangsanschluss mit einer gewünschten Spannung führt, wobei diese gewünschte Spannung am betreffenden Ausgangsanschluss abhängig von der Zeitdauer ist, für die die jeweils mit der betreffenden Induktivität verbundenen Schalter geöffnet bzw. geschlossen waren.
Auf diese Weise lässt sich nun die erste Spannung und die zweite Spannung derart unabhängig voneinander einstellen, sodass als Ergebnis eine Spannung zwischen dem ersten und zweiten Ausgangsanschluss resultiert bzw. eingeregelt werden kann, die dann einer gewünschten, vordefinierten Ausgangsspannung entspricht. Diese gewünschten, vordefinierten Ausgangsspannung kann beispielsweise fest einprogrammiert sein und aus einem Speicher ausgelesen werden oder auch individuell eingestellt und dann von einem Eingabeelement eingelesen werden. Durch die hier vorgestellte Vorgehensweise ist es nun möglich, die erste und zweite Spannung sehr flexibel einzustellen, um die gewünschte Ausgangsspannung zu erhalten und zugleich ein symmetrisches Hochvolt-System sowohl auf der Seite der Eingangsanschlüsse als auch auf der Seite der Ausgangsanschlüsse zu erhalten. Gegenüber einem bekannten Erdungssystem kann somit ein Potenzial der niedrigen Spannung beispielsweise dem am zweiten Ausgangsanschluss anliegenden Potenzial gegenüber dem Massepotenzial angehoben sein.
Günstig ist eine Ausführungsform des hier vorgestellten Ansatzes, bei der die Steuereinheit ausgebildet ist, um das Öffnen und/oder Schließen des ersten und/oder zweiten Schalters und das Öffnen und/oder Schließen des dritten und/oder vierten Schalters derart anzusteuern, dass eine Spannungsdifferenz zwischen dem ersten Eingangsanschluss und dem ersten Ausgangsanschluss innerhalb eines Toleranzbereichs einer Spannungsdifferenz zwischen dem zweiten Eingangsanschluss und dem zweiten Ausgangsanschluss entspricht. Beispielsweise kann der Toleranzbereich ein Zehntel der Spannung am ersten Eingangsanschluss betragen. Eine derartige Ausführungsform bietet den Vorteil, dass ein Mittelwert einer Spannung zwischen dem ersten und zweiten Ausgangsanschluss im Wesentlichen gleich zu einem Mittelwert einer Spannung zwischen dem ersten und zweiten Eingangsanschluss ist. Dies ermöglicht die Bildung eines hochgradigen symmetrischen Versorgungsnetzes, sowohl auf der Seite der Eingangsanschlüsse als auch auf der Seite der Ausgangsanschlüsse.
Von Vorteil ist weiterhin eine Ausführungsform des hier vorgeschlagenen Ansatzes, bei der die Spannungsmesseinrichtung eine Ausgangspannungsmesseinheit umfasst, die ausgebildet ist, um eine Ausgangsspannung zwischen dem ersten Ausgangsanschluss und dem zweiten Ausgangsanschluss zu erfassen, wobei die Steuereinheit ausgebildet ist, um ein Öffnen und/oder Schließen des ersten und/oder zweiten Schalters und ein Öffnen und/oder Schließen des dritten und/oder vierten Schalters ansprechend auf die Ausgangsspannung anzusteuern. Eine solche Ausführungsform bietet den Vorteil, die tatsächlich mit dem Spannungswandler erhaltene Ausgangsspannung überwachen zu können und bei einer Abweichung möglichst schnell über die Steuereinheit die entsprechenden Schalter derart zu öffnen und/oder zu schließen, dass sich die gewünschte Ausgangsspannung als Spannungsdifferenz zwischen der ersten Spannung dritter zweiten Spannung wieder einstellt.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann eine Referenzkapazitätseinheit vorgesehen sein, die eine erste, zwischen den ersten Eingangsanschluss und den ersten Ausgangsanschluss geschaltete Kapazität, eine zweite, zwischen den ersten Eingangsanschluss und den zweiten Ausgangsanschluss geschaltete Kapazität, eine dritte, zwischen den zweiten Eingangsanschluss und den ersten Ausgangsanschluss geschaltete Kapazität und/oder eine vierte, zwischen den zweiten Eingangsanschluss und den zweiten Ausgangsanschluss geschaltete Kapazität aufweist. Eine solche Ausführungsform bietet den Vorteil, starke Schwankungen der Spannung zwi- sehen dem ersten und zweiten Ausgangsanschluss zu mindern oder ganz unterdrücken zu können.
Denkbar ist ferner eine Ausführungsform des hier vorgeschlagenen Ansatzes, bei der eine Glättungseinheit vorgesehen ist, die eine zwischen den ersten und zweiten Eingangsanschluss geschaltete Eingangskapazität und/oder eine zwischen den ersten und zweiten Ausgangsanschluss geschaltete Ausgangskapazität. Eine solche Ausführungsform bietet ebenfalls den Vorteil, Schwankungen der Spannung zwischen den Eingangsanschlüssen und/oder der Spannung zwischen den Ausgangsanschlüssen zu mindern oder ganz zu unterdrücken und hierdurch einen möglichst störungsfreien Betrieb einer Maschine oder eines Gerätes sicherzustellen, welches an den Ausgangsanschlüssen angeschlossen ist.
Besonders effizient und schnell angesteuert werden können die Schalter der ersten und zweiten Wandlereinheit, wenn der ersten, zweite, dritte und/oder vierte Schalter als Halbleiterschalter ausgestaltet ist, insbesondere als MOS-FET-Transistor, als Thyristor und/oder als IGBT ausgestaltet ist.
Von Vorteil ist weiterhin eine Ausführungsform des hier vorgeschlagenen Ansatzes, bei der die Steuereinheit ausgebildet ist, um ein Öffnen und/oder Schließen des ersten und/oder zweiten Schalters und ein Öffnen und/oder Schließen des dritten und/oder vierten Schalters unter Verwendung eines PWM-Signals anzusteuern. Eine solche Ausführungsform bietet den Vorteil, den jeweils betreffenden Schalter schnell und eindeutig in einen gewünschten Öffnungs- bzw. Schließzustand ansteuern zu können, wobei durch die Steuereinheit die Pulsweite dieses PWM-Signals entsprechend der gewünschten Spannung am ersten und/oder zweiten Ausgangsanschluss sehr einfach gewählt bzw. eingestellt wird.
Besonders vorteilhaft ist eine Ausführungsform des hier vorgeschlagenen Ansatzes als Fahrzeug mit einem Spannungswandler gemäß einer hier vorgestellten Variante. Eine solche Ausführungsform ermöglicht einen besonders effizienten und störungsarmen Betrieb eines Fahrzeugs, insbesondere eines Elektrofahrzeugs, dessen elekt- rische Maschine durch ein zuverlässig und sicher arbeitendes symmetrisches Hoch- volt-Netz gespeist werden kann.
Besonders vorteilhaft ist auch eine Ausführungsform des hier vorgestellten Ansatzes als Verfahren zum Betreiben eines Spannungswandlers gemäß einer hier vorgestellten Variante, wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist:
- Einlesen der ersten Spannung zwischen dem ersten Ausgangsanschluss und dem ersten Eingangsanschluss und/oder zwischen dem dem ersten Ausgangsanschluss und dem zweiten Eingangsanschluss und Einlesen der zweiten Spannung zwischen dem zweiten Ausgangsanschluss und dem ersten Eingangsanschluss und/oder zwischen dem dem zweiten Ausgangsanschluss und dem zweiten Eingangsanschluss; und
- Ansteuern eines Öffnens und/oder Schließens des ersten und/oder zweiten Schalters und eines Öffnens und/oder Schließens des dritten und/oder vierten Schalters, um eine Differenz der ersten und zweiten Spannung einzuregeln, die einer gewünschten vordefinierten Ausgangsspannung zwischen dem ersten Ausgangsanschluss und dem zweiten Ausgangsanschluss entspricht.
Auch durch eine solche Ausführungsform des hier vorgestellten Ansatzes als Verfahren lassen sich die vorstehend genannten Vorteile schnell und effizient umsetzen.
Der hier vorgestellte Ansatz schafft ferner eine Steuereinheit, das ausgebildet ist, um die Schritte einer Variante eines hier vorgestellten Verfahrens in entsprechenden Einrichtungen durchzuführen, anzusteuern bzw. umzusetzen. Auch durch diese Ausführungsvariante der Erfindung in Form einer Steuereinheit kann die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe schnell und effizient gelöst werden.
Hierzu kann die Steuereinheit zumindest eine Recheneinheit zum Verarbeiten von Signalen oder Daten, zumindest eine Speichereinheit zum Speichern von Signalen oder Daten, zumindest eine Schnittstelle zu einem Sensor oder einem Aktor zum Einlesen von Sensorsignalen von dem Sensor oder zum Ausgeben von Steuersignalen an den Aktor und/oder zumindest eine Kommunikationsschnittstelle zum Einlesen oder Ausgeben von Daten aufweisen, die in ein Kommunikationsprotokoll eingebettet sind. Die Recheneinheit kann beispielsweise ein Signalprozessor, ein Mikrocontroller oder dergleichen sein, wobei die Speichereinheit ein Flash-Speicher, ein EEPROM oder eine magnetische Speichereinheit sein kann. Die Kommunikationsschnittstelle kann ausgebildet sein, um Daten drahtlos und/oder leitungsgebunden einzulesen oder auszugeben, wobei eine Kommunikationsschnittstelle, die leitungsgebundene Daten einlesen oder ausgeben kann, diese Daten beispielsweise elektrisch oder optisch aus einer entsprechenden Datenübertragungsleitung einlesen oder in eine entsprechende Datenübertragungsleitung ausgeben kann.
Unter einer Steuereinheit kann vorliegend ein elektrisches Gerät verstanden werden, das Sensorsignale verarbeitet und in Abhängigkeit davon Steuer- und/oder Datensignale ausgibt. Die Steuereinheit kann eine Schnittstelle aufweisen, die hard- und/oder softwaremäßig ausgebildet sein kann. Bei einer hardwaremäßigen Ausbildung können die Schnittstellen beispielsweise Teil eines sogenannten System-ASICs sein, der verschiedenste Funktionen des Steuergeräts beinhaltet. Es ist jedoch auch möglich, dass die Schnittstellen eigene, integrierte Schaltkreise sind oder zumindest teilweise aus diskreten Bauelementen bestehen. Bei einer softwaremäßigen Ausbildung können die Schnittstellen Softwaremodule sein, die beispielsweise auf einem Mikrocontroller neben anderen Softwaremodulen vorhanden sind.
Von Vorteil ist auch ein Computerprogrammprodukt mit Programmcode, der auf einem maschinenlesbaren Träger wie einem Halbleiterspeicher, einem Festplattenspeicher oder einem optischen Speicher gespeichert sein kann und zur Durchführung des Verfahrens nach einer der vorstehend beschriebenen Ausführungsformen verwendet wird, wenn das Programm auf einem Computer oder einer Vorrichtung ausgeführt wird.
Die Erfindung wird anhand der beigefügten Zeichnungen beispielhaft näher erläutert.
Es zeigen: Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Fahrzeugs, in der Spannungswandler gemäß einem Ausführungsbeispiel des hier vorgestellten Ansatzes eingesetzt werden kann;
Fig. 2 eine schematische Darstellung von unterschiedlichen Spannungen;
Fig. 3 ein schematisches Blockschaltbild eines Spannungswandler gemäß einem Ausführungsbeispiel des hier vorgeschlagenen Ansatzes; und
Fig. 4 ein Ablaufdiagramm eines Ausführungsbeispiels eines Verfahrens zum Betreiben eines Spannungswandlers gemäß einer hier vorgestellten Variante.
In der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden für die in den verschiedenen Figuren dargestellten und ähnlich wirkenden Elemente gleiche oder ähnliche Bezugszeichen verwendet, wobei auf eine wiederholte Beschreibung dieser Elemente verzichtet wird.
Figur 1 zeigt eine schematische Darstellung eines Fahrzeugs 100, in der Spannungswandler 110 gemäß einem Ausführungsbeispiel des hier vorgestellten Ansatzes eingesetzt werden kann. Der Spannungswandler 110 ist hierbei ausgebildet, um elektrische Energie über einen ersten Eingangsanschluss 115 und einen zweiten Eingangsanschluss 120 von einer Energiequelle 125 aufzunehmen. Die Energiequelle 125 kann beispielsweise eine Hochvoltbatterie bzw. ein Hochvolt-Akku des Fahrzeugs 100 sein und eine Spannung UH von beispielsweise 800 Volt bis 850 Volt an den Spannungswandler 110 bereitstellen. Der Spannungswandler 110 wandelt nun die Spannung und gibt nun elektrische Energie mit einer niedrigeren Spannung UN an einem Klemmenpaar bzw. einen ersten Ausgangsanschluss 130 und einen zweiten Ausgangsanschluss 135 an einen Verbraucher 140 aus. Der Verbraucher 140 kann beispielsweise ein Fahrzeugmotor eines als Elektro-Fahrzeug ausgestalteten Fahrzeugs 100 sein. Denkbar ist jedoch auch, dass der Verbraucher 140 ein anderes elektrisches Gerät, beispielsweise eine Klimaanlage oder dergleichen sein kann. Die Spannung UN kann beispielsweise 400 Volt betragen, speziell wenn der Verbraucher 140 als Traktionsmotor oder Fahrzeugmotor ausgestaltet ist und eine entsprechend große Energiemenge zur Erfüllung seiner Funktion benötigt. Um nun eine möglichst störungsfreie Funktion des oder der elektrischen Verbraucher 140 zu gewährleisten, sollten die hohe Spannung UH und die niedrigere Spannung UN symmetrisch sein, um keine ungleichmäßigen Belastungen im elektrischen Netz zu verursachen. Dies bedeutet, dass möglichst vermieden sollte, dass ein Potenzial des zweiten Eingangsanschluss ist 120 und des zweiten Ausgangsanschlusses 135 dem Massepotenzial GND entspricht.
Figur 2 zeigt eine schematische Darstellung von unterschiedlichen Spannungen. Hierbei ist in einem linken Abschnitt I eine hohe Spannung UH von 850 Volt dargestellt, die auf ein Massepotenzial von null Volt bzw. GND gemessen wurde. Beispielsweise kann diese hohe Spannung UH zwischen dem ersten Eingangsanschluss 115 und dem zweiten Eingangsanschluss 120 anliegen.
Wird nun, wie in herkömmlichen Systemen, durch den in der Figur 1 dargestellten Spannungswandler 110 die Spannung UH von 850 Volt auf eine niedrigere Spannung UN von 400 Volt gewandelt, was beispielsweise für den Betrieb des Verbrauchers 140 erforderlich ist, wird oftmals lediglich die niedrigere Spannung UN zwischen dem ersten Ausgangsanschluss 130 und dem zweiten Ausgangsanschluss 135 derart gewandelt, dass der zweite Ausgangsanschluss 135 ebenfalls auf die Massepotenzial GND liegt und die Spannung am ersten Ausgangsanschluss 130 bezüglich dem Massepotenzial GND 400 Volt beträgt. In Abschnitt II der Figur 2 ist eine solche Spannungslage dargestellt. Wie in diesem Abschnitt II zu erkennen ist, liegt nun auch die am ersten Ausgangsanschluss 130 anliegende Spannung unterhalb eines Mittelwertes 200, der ein Potenzial in der Mitte zwischen dem am Eingangsanschluss 115 und dem Ausgangsanschluss 120 anliegenden Potenzial repräsentiert. Der Mittelwert 200 würde dagegen dementsprechend bei einer Spannung von 425 Volt bezüglich des Massepotenzials GND liegen. Wird nun der in der Figur 1 dargestellte Verbraucher 140 in einem solchen Spannungsszenario betrieben, können durch eine solche unsymmetrische Auslegung der an den Ausgangsanschlüssen 130 bzw. 135 anliegenden Spannung ungewünschte Schwankungen bzw. Störungen auftreten, die möglichst vermindert oder ganz unterdrückt werden sollen. Um ein solches Problem zu lösen, wird gemäß dem hier vorgestellten Ansatz vorgeschlagen, die niedrige Spannung UN zwischen dem ersten Ausgangsanschluss 130 und dem zweiten Ausgangsanschluss 135 symmetrisch um den Mittelwert 200 auszulegen, sodass speziell das Potenzial auf dem niedrigen zweiten Ausgangsanschluss 135 vom Massepotenzial GND gelöst und beispielsweise auf einen Wert von 225 Volt in Bezug auf das Massepotenzial GND gesetzt wird. Abschnitt II aus Figur 2 zeigt ein solches Spannungsszenario. Das Potenzial des ersten Ausgangsanschlusses 130 wird dann beispielsweise auf einen Wert von 625 Volt bezüglich des Massepotenzial GND gesetzt, sodass insgesamt zwischen dem ersten Ausgangsanschluss 130 dem zweiten Ausgangsanschluss 135 wieder die (niedrigere) Spannung UN von hier 400 Volt abfällt, die für den Betrieb des Verbrauchers 140 benötigt wird.
Figur 3 zeigt ein schematisches Blockschaltbild eines Spannungswandler 110 gemäß einem Ausführungsbeispiel des hier vorgeschlagenen Ansatzes. Der Spannungswandler umfasst den ersten Eingangsanschluss 115 und den zweiten Eingangsanschluss 120, zwischen denen die hohe Spannung UH anliegt. Ferner umfasst der Spannungswandler 110 den ersten Ausgangsanschluss 130 und den zweiten Ausgangsanschluss 135, zwischen denen die niedrige Spannung UN anliegt. Zwischen dem ersten Ausgangsanschluss 130 und dem zweiten Ausgangsanschluss 135 kann beispielsweise der elektrische Verbraucher 140 verbunden sein. Weiterhin umfasst der Spannungswandler 110 eine erste Wandlerschaltung 300, die beispielsweise als eine erste Halbbrücke ausgebildet ist und die einen ersten Schalter S1 und einen zweiten Schalter S2 aufweist, die (über einen Widerstand R1 ) zwischen den ersten Eingangsanschluss 115 und den zweiten Eingangsanschluss 120 in Serienschaltung geschaltet sind. Ein erster Abgriffspunkt A1 zwischen dem ersten Schalter S1 und dem zweiten Schalter S2 ist (über einen zweiten Widerstand R2) und eine erste Induktivität L1 mit dem ersten Ausgangsanschluss 130 verbunden. Ferner umfasst der Spannungswandler 110 eine zweite Wandlerschaltung 310, die beispielsweise als eine zweite Halbbrücke ausgestaltet ist und die einen dritten Schalter S3 und einen vierten Schalter S4 aufweist, die (über den Widerstand R1 ) zwischen den ersten Eingangsanschluss 115 und den zweiten Eingangsanschluss 120 in Serienschaltung geschaltet sind. Ein zweiter Abgriffspunkt A2 zwischen dem dritten Schalter S3 und dem vierten Schalter S4 ist (über einen dritten Widerstand R3) und eine zweite In- duktivität L2 mit dem zweiten Ausgangsanschluss 135 verbunden. Der erste, zweite, dritte und/oder vierte Schalter S1 , S2, S3, S4 können günstigerweise als Halbleiterschalter ausgestaltet sein, insbesondere als MOS-FET-Transistor, als Thyristor und/oder als IGBT ausgestaltet sein. Auf diese Weise können hohe elektrische Leistungsflüsse einfach und schnell gesteuert werden.
Weiterhin umfasst der Spannungswandler 110 eine Referenzkapazitätseinheit 320 die eine erste Kapazität C1 , eine zweite Kapazität C2, eine dritte Kapazität C3 und eine vierte Kapazität C4 aufweist. Die erste Kapazität C1 ist (über einen vierten Widerstand R4) zwischen den ersten Ausgangsanschluss 130 und (über den ersten Widerstand R1 ) mit dem ersten Eingangsanschluss 115 geschaltet. Die zweite Kapazität C2 ist (über einen fünften Widerstand R5) zwischen den ersten Ausgangsanschluss 130 und den zweiten Eingangsanschluss 120 geschaltet. Die dritte Kapazität C3 ist (über einen sechsten Widerstand R6) zwischen den zweiten Ausgangsanschluss 135 und (über den ersten Widerstand R1 ) mit dem ersten Eingangsanschluss 115 geschaltet. Die vierte Kapazität C4 ist (über einen siebten Widerstand R7) zwischen den zweiten Ausgangsanschluss 135 und den zweiten Eingangsanschluss 120 geschaltet. Im Betrieb des Spannungswandlers 110 kann die Referenzkapazitätseinheit 320 dazu dienen, Spannungsschwankungen der Spannung zwischen dem ersten Eingangsanschluss 115 und dem zweiten Eingangsanschluss 120 sowie zwischen dem ersten Ausgangsanschluss 130 und dem zweiten Ausgangsanschluss 135 oder auch zwischen den Eingangsanschlüssen 115,120 und den Ausgangsanschlüssen 130,135 zu puffern und/oder auszugleichen. Ferner kann über die Referenzkapazitätseinheit 320 sehr gut die Symmetrie der hohen Spannung UH bezüglich der niedrigen Spannung UN eingestellt oder gehalten werden.
Weiterhin umfasst der Spannungswandler 110 eine Glättungseinheit 330, die beispielsweise eine Eingangskapazität CE aufweist, welche zwischen den ersten Eingangsanschluss 115 und zweiten Eingangsanschluss 120 geschaltet ist. Die Glättungseinheit 330 kann ferner auch eine Ausgangskapazität CA aufweisen, die zwischen dem ersten Ausgangsanschluss 130 und zweiten Ausgangsanschluss 135 geschaltet ist. Auch die Glättungseinheit 330 samt den darin umfassten Kapazitäten kann zur Vermeidung von Schwankungen einer Spannung zwischen dem ersten Eingangsanschluss 115 und zweiten Eingangsanschluss 120 und alternativ oder zusätzlich zu Vermeidung von Schwankungen einer Spannung zwischen dem ersten Ausgangsanschluss 130 und dem zweiten Ausgangsanschluss 135 verwendet werden.
Schließlich umfasst der Spannungswandler 110 eine Spannungsmesseinrichtung 340, die eine erste Spannungsmesseinheit 342 und eine zweite Spannungsmesseinheit 344 aufweist. Die erste Spannungsmesseinheit 342 ist ausgebildet, um eine erste Spannung U1 zwischen dem ersten Ausgangsanschluss 130 und dem zweiten Eingangsanschluss 120 zu erfassen. Die zweite Spannungsmesseinheit 344 ist ausgebildet, um eine zweite Spannung U2 zwischen dem zweiten Ausgangsanschluss 135 und den zweiten Eingangsanschluss 120 zu erfassen. Alternativ (wie es in der Figur 3 nicht explizit dargestellt ist) kann auch die erste Spannungsmesseinheit 342 ausgebildet sein, um die erste Spannung U1 zwischen dem ersten Ausgangsanschluss 130 und dem ersten Eingangsanschluss 115 zu erfassen, wobei dann die zweite Spannungsmesseinheit 344 ausgebildet ist, um die zweite Spannung U2 zwischen dem zweiten Ausgangsanschluss 135 und dem ersten Eingangsanschluss 115 zu erfassen.
Weiterhin umfasst der Spannungswandler 110 eine Steuereinheit 350, die ausgebildet ist, ein Öffnen und/oder Schließen des ersten Schalters S1 , des zweiten Schalters S2, des dritten Schalters S3 und/oder des vierten Schalters S4 ansprechend auf die erfasste erste Spannung LJ1 und die erfasste zweite Spannung LJ2 vorzunehmen. Hierfür umfasst die Steuereinheit 350 eine Einleseschnittstelle 352 zum Einlesen der ersten Spannung U1 zwischen dem ersten Ausgangsanschluss 130 und dem ersten Eingangsanschluss 115 und/oder zwischen dem dem ersten Ausgangsanschluss 130 und dem zweiten Eingangsanschluss 120 und zum Einlesen der zweiten Spannung U2 zwischen dem zweiten Ausgangsanschluss 135 und dem ersten Eingangsanschluss 115 und/oder zwischen dem zweiten Ausgangsanschluss 135 und dem zweiten Eingangsanschluss 120. Ferner umfasst die Steuereinheit 350 eine Einheit 354 zum Ansteuern eines Öffnens und/oder Schließens des ersten S1 und/oder zweiten S2 Schalters und eines Öffnens und/oder Schließens des dritten S3 und/oder vierten S4 Schalters, um eine Differenz der ersten und zweiten Spannung einzuregeln, die einer gewünschten vordefinierten, aus einem Speicher 356 oder einem Bedienelement eingelesenen Ausgangsspannung UA zwischen dem ersten Ausgangsanschluss 130 und dem zweiten Ausgangsanschluss 135 entspricht.
Wie vorstehend beschrieben wurde, kann durch die Öffnung oder das Schließen der jeweiligen Schalter S1 , S2, S3 und/S4 ein Stromfluss durch die erste Induktivität L1 bzw. zweite Induktivität L2 bewirkt werden, so dass am ersten Ausgangsanschluss 130 bzw. an zweiten Ausgangsanschluss 135 ein Potenzial an liegt, dass sich von den Potenzialen an ersten Eingangsanschluss 1 15 und am zweiten Eingangsanschluss 120 unterscheidet. Auf diese Weise kann durch die freie Einstellung oder Festlegung des Potenzials des ersten Ausgangsanschlusses 130 und des zweiten Ausgangsanschlusses 135 somit sehr flexibel eine Potenzialdifferenz zwischen dem ersten Ausgangsanschluss 130 und zweiten Ausgangsanschluss 135 eingestellt werden, die der niedrigen Spannung UN entspricht. In der Steuereinheit 135 kann nun beispielsweise eine vorab eingestellte gewünschte Ausgangsspannung UA aus einem Speicher oder einem Eingabeelement eingelesen werden und mit der Potenzialdifferenz bzw. Spannung zwischen dem ersten Ausgangsanschluss 130 und dem zweiten Ausgangsanschluss 135 verglichen werden. Wird in der Steuereinheit der 350 festgestellt, dass die Differenz zwischen der ersten Spannung U1 und der zweiten Spannung U2 nicht der gewünschten Ausgangsspannung UA entspricht, kann durch eine entsprechende Ansteuerung der Schalter S1 , S2, S3 und/oder S4, beispielsweise mittels eines PWM-Signals geöffnet und/oder geschlossen werden, so dass das Potenzial des ersten Ausgangsanschlusses 130 bzw. zweiten Ausgangsanschlusses 135 individuell verändert werden kann, um die niedrige Spannung UN auf die gewünschte Ausgangsspannung UA einstellen zu können. Schließlich kann auch noch eine Ausgangsspannungsmesseinheit 360 vorgesehen sein, welche die Spannung zwischen dem ersten Ausgangsanschluss 130 und zweiten Ausgangsanschluss 135 direkten ist und ein entsprechendes Signal über die Einleseschnittstelle 352 an die Steuereinheit 350 übersendet, so dass die Steuereinheit 350 auch eine direkte Information über die zwischen den Ausgangsanschlüssen tatsächlich abfallende Spannung erhält, so dass beispielsweise Messfehler der ersten Spannung U1 und der zweiten Spannung U2 kompensiert werden können. Figur 4 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Ausführungsbeispiels eines Verfahrens 400 zum Betreiben eines Spannungswandlers gemäß einer hier vorgestellten Variante. Das 400 umfasst einen Schritt 410 des Einlesens der ersten Spannung zwischen dem ersten Ausgangsanschluss und dem ersten Eingangsanschluss und/oder zwischen dem dem ersten Ausgangsanschluss und dem zweiten Eingangsanschluss zu erfassen und zum Einlesen der zweiten Spannung zwischen dem zweiten Ausgangsanschluss und dem ersten Eingangsanschluss und/oder zwischen dem dem zweiten Ausgangsanschluss und dem zweiten Eingangsanschluss. Ferner umfasst das Verfahren 400 einen Schritt 420 des Ansteuerns eines Öffnens und/oder Schlie- ßens des ersten und/oder zweiten Schalters und eines Öffnens und/oder Schließens des dritten und/oder vierten Schalters, um eine Differenz der ersten und zweiten Spannung einzuregeln, die einer gewünschten vordefinierten Ausgangsspannung zwischen dem ersten Ausgangsanschluss und dem zweiten Ausgangsanschluss entspricht.
Zusammenfassend ist auszuführen, dass mit dem hier vorgestellten Ansatz ein von einem Nutzer gewünschter Abwärtskonverter zur Erzeugung einer symmetrischen Ausgangsspannung realisiert werden kann. Der hier vorgestellte Ansatz löst das Problem der Erzeugung einer symmetrischen Ausgangsspannung von HV- Spannungssystemen als Abwärtswandler. Es wird daher mit dem hier vorgestellten Spannungswandler eine symmetrische Ausgangsspannung erzeugt. Die dem hier vorgestellten Spannungswandler zugrunde liegende Step-Down-Converter-Topologie arbeitet bidirektional, um bei Bedarf Energie zurückzuschieben. Sie kann auch als Step-Up Wandler verwendet werden, wenn sich Eingang und Ausgang ändern, zum Beispiel bei einem Brennstoffzellensystem. Ferner können Drosseln bzw. Induktivitäten können so ausgelegt werden, dass sie bei jedem Schaltzyklus pendeln. Dies kann die Agilität des Regelkreisverhaltens bei Restwelligkeit und Lastsprüngen verbessern. Auch kann die Architektur des Spannungswandlers an bestehende Wechselrichterdesigns angeschlossen werden (unter Verwendung von zwei Wechselrichterschenkeln). Zusätzlich kann auch der Ausgangskondensator eingespart werden, wenn das System an eine Umrichteranwendung angeschlossen wird (bei der der Eingangskondensator an den Umrichter angeschlossen ist). Dies kann zu einer Verkleinerung des Systems führen. Auch kann die Mess-/Signalisierungsschaltung kann an HV-Seite des primären HV-Systems angeschlossen werden. Hierdurch kann eine Eingangsspannung erhalten werden, die größer oder gleich der Ausgangsspannung ist. Das System kann ferner auch unterschiedliche Schaltfrequenzen verwenden. Eine modellbasierte Abschätzung des maximalen Stroms in der Drossel bzw. Induktivität kann ebenfalls verwendet werden, um den Ausgangsstrom zu begrenzen und eine Sättigung der Drossel bzw. Induktivität zu vermeiden (es ist nur eine Spannungsmessung erforderlich).
Die beschriebenen und in den Figuren gezeigten Ausführungsbeispiele sind nur beispielhaft gewählt. Unterschiedliche Ausführungsbeispiele können vollständig oder in Bezug auf einzelne Merkmale miteinander kombiniert werden. Auch kann ein Ausführungsbeispiel durch Merkmale eines weiteren Ausführungsbeispiels ergänzt werden.
Ferner können erfindungsgemäße Verfahrensschritte wiederholt sowie in einer anderen als in der beschriebenen Reihenfolge ausgeführt werden.
Umfasst ein Ausführungsbeispiel eine „und/oder“ Verknüpfung zwischen einem ersten Merkmal und einem zweiten Merkmal, so kann dies so gelesen werden, dass das Ausführungsbeispiel gemäß einer Ausführungsform sowohl das erste Merkmal als auch das zweite Merkmal und gemäß einer weiteren Ausführungsform entweder nur das erste Merkmal oder nur das zweite Merkmal aufweist.
Bezuqszeichen
100 Fahrzeug
110 Spannungswandler
115 erster Eingangsanschluss
120 zweiter Eingangsanschluss
125 Energiequelle, Fahrzeugbatterie, Akku
130 erster Ausgangsanschluss
135 zweiter Ausgangsanschluss
140 Verbraucher, Fahrzeugmotor
UH hohe Spannung
UN niedrige Spannung
GND Massepotenzial
200 Mittelwert
300 erste Wandlerschaltung
310 zweite Wandlerschaltung
320 Referenzkapazitätseinheit
330 Glättungseinheit
340 Spannungsmesseinrichtung
342 erste Spannungsmesseinheit
344 zweite Spannungsmesseinheit
350 Steuereinheit
352 Einleseschnittstelle
352 Einheit zum Ansteuern
356 Speicher
UA gewünschte vordefinierte Ausgangsspannung
360 Ausgangsspannungsmesseinheit
S1 erster Schalter
S2 zweiter Schalter
S3 dritter Schalter S4 vierter Schalter
R1 , R2, R3, R4, R5, R6, R7 Widerstände
L1 erste Induktivität
L2 zweite Induktivität
CE Eingangskapazität
CA Ausgangskapazität
C1 erste Kapazität
C2 zweite Kapazität
C3 dritte Kapazität
C4 vierte Kapazität
400 Verfahren zum Betreiben eines Spannungswandlers
410 Schritt des Einlesens
420 Schritt des Ansteuerns

Claims

Patentansprüche
1. Spannungswandler (110) mit folgenden Merkmalen:
- einem ersten Eingangsanschluss (115), einem zweiten Eingangsanschluss (120), einem ersten Ausgangsanschluss (130) und einem zweiten Ausgangsanschluss (135);
- eine erste Wandlerschaltung (300), die eine Serienschaltung eines ersten (S1 ) und zweiten (S2) Schalters zwischen dem ersten (115) und zweiten Eingangsanschluss (120) aufweist und die ferner eine erste Induktivität (L1 ) aufweist, die zwischen einem ersten Abgriffspunkt (A1 ) zwischen dem ersten (S1 ) und zweiten (S2) Schalter und dem ersten Ausgangsanschluss (130) geschaltet ist;
- eine zweite Wandlerschaltung (310), die eine Serienschaltung eines dritten (S3) und vierten (S4) Schalters zwischen dem ersten (115) und zweiten Eingangsanschluss (120) aufweist und die ferner eine zweite Induktivität (L2) aufweist, die zwischen einem zweiten Abgriffspunkt (A2) zwischen dem dritten (S3) und vierten (S4) Schalter und dem zweiten Ausgangsanschluss (135) geschaltet ist;
- eine Spannungsmesseinrichtung (340) mit einer ersten Spannungsmesseinheit (342) und einer zweiten (344) Spannungsmesseinheit, wobei die ersten Spannungsmesseinheit (342) ausgebildet ist, um eine erste Spannung (U1 ) zwischen dem ersten Ausgangsanschluss (130) und dem ersten Eingangsanschluss (115) und/oder zwischen dem dem ersten Ausgangsanschluss (130) und dem zweiten Eingangsanschluss (120) zu erfassen, wobei die zweite Spannungsmesseinheit (344) ausgebildet ist, um eine zweite Spannung (U2) zwischen dem zweiten Ausgangsanschluss (135) und dem ersten Eingangsanschluss (115) und/oder zwischen dem dem zweiten Ausgangsanschluss (130) und dem zweiten Eingangsanschluss (115) zu erfassen; und
- eine Steuereinheit (350), die ausgebildet ist, um ein Öffnen und/oder Schließen des ersten (S1 ) und/oder zweiten (S2) Schalters und ein Öffnen und/oder Schließen des dritten (S3) und/oder vierten (S4) Schalters anzusteuern, um eine Differenz der ersten (U1 ) und zweiten (U2) Spannung einzuregeln, die einer gewünschten vordefinierten Ausgangsspannung (UA) zwischen dem ersten Ausgangsanschluss (130) und dem zweiten Ausgangsanschluss (135) entspricht.
2. Spannungswandler (110) gemäß Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (350) ausgebildet ist, um das Öffnen und/oder Schließen des ersten (S1 ) und/oder zweiten (S2) Schalters und das Öffnen und/oder Schließen des dritten (S3) und/oder vierten (S4) Schalters derart anzusteuern, dass eine Spannung zwischen dem ersten Eingangsanschluss (115) und dem ersten Ausgangsanschluss (130) innerhalb eines Toleranzbereichs einer Spannung zwischen dem zweiten Eingangsanschluss (120) und dem zweiten Ausgangsanschluss (135) entspricht.
3. Spannungswandler (110) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Spannungsmesseinrichtung (340) eine Ausgangspannungsmesseinheit (360) umfasst, die ausgebildet ist, um eine Ausgangsspannung (UN) zwischen dem ersten Ausgangsanschluss (130) und dem zweiten Ausgangsanschluss (135) zu erfassen, wobei die Steuereinheit (350) ausgebildet ist, um ein Öffnen und/oder Schließen des ersten (S1 ) und/oder zweiten (S2) Schalters und ein Öffnen und/oder Schließen des dritten (S3) und/oder vierten (S4) Schalters ansprechend auf die erfasste Ausgangsspannung (UN) anzusteuern.
4. Spannungswandler (110) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Referenzkapazitätseinheit (320), die eine erste (C1 ), zwischen den ersten Eingangsanschluss (115) und den ersten Ausgangsanschluss (130) geschaltete Kapazität, eine zweite (C2), zwischen den ersten Eingangsanschluss (115) und den zweiten Ausgangsanschluss (135) geschaltete Kapazität, eine dritte (C3), zwischen den zweiten Eingangsanschluss (120) und den ersten Ausgangsanschluss (130) geschaltete Kapazität und/oder eine vierte (C4), zwischen den zweiten Eingangsanschluss (120) und den zweiten Ausgangsanschluss (135) geschaltete Kapazität aufweist.
5. Spannungswandler (110) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Glättungseinheit (330), die eine zwischen den ersten (115) und zweiten Eingangsanschluss (120) geschaltete Eingangskapazität und/oder eine zwischen den ersten (130) und zweiten Ausgangsanschluss (135) geschaltete Ausgangskapazität aufweist.
6. Spannungswandler (110) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der ersten (S1 ), zweite (S2), dritte (S3) und/oder vierte (S4) Schalter als Halbleiterschalter ausgestaltet ist, insbesondere als MOS-FET- Transistor, als Thyristor und/oder als IGBT ausgestaltet ist.
7. Spannungswandler (110) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (350) ausgebildet ist, um ein Öffnen und/oder Schließen des ersten (S1 ) und/oder zweiten (S2) Schalters und ein Öffnen und/oder Schließen des dritten (S3) und/oder vierten (S4) Schalters unter Verwendung eines PWM-Signals anzusteuern.
8. Fahrzeug (100) mit einem Spannungswandler (110) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche.
9. Verfahren (400) zum Betreiben eines Spannungswandlers (110) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei das Verfahren (400) die folgenden Schritte aufweist:
- Einlesen (410) der ersten Spannung (U1 ) zwischen dem ersten Ausgangsanschluss (130) und dem ersten Eingangsanschluss (115) und/oder zwischen dem dem ersten Ausgangsanschluss (130) und dem zweiten Eingangsanschluss (120) und Einlesen der zweiten Spannung (U2) zwischen dem zweiten Ausgangsanschluss (135) und dem ersten Eingangsanschluss (115) und/oder zwischen dem zweiten Ausgangsanschluss (135) und dem zweiten Eingangsanschluss (120); und
- Ansteuern (420) eines Öffnens und/oder Schließens des ersten (S1 ) und/oder zweiten (S2) Schalters und eines Öffnens und/oder Schließens des dritten (S3) und/oder vierten (S4) Schalters, um eine Differenz der ersten (U1 ) und zweiten (U2) Spannung einzuregeln, die einer gewünschten vordefinierten Ausgangsspannung (UA) zwischen dem ersten Ausgangsanschluss (130) und dem zweiten Ausgangsanschluss (135) entspricht.
10. Steuereinheit (350), die eingerichtet ist, um die Schritte (410, 420) des Verfahrens (400) gemäß Anspruch 9 in entsprechenden Einheiten (352, 354) auszuführen und/oder anzusteuern.
11 . Computerprogramm, das dazu eingerichtet ist, die Schritte (410, 420) des Verfahrens (400) gemäß Anspruch 9 auszuführen und/oder anzusteuern.
12. Maschinenlesbares Speichermedium, auf dem das Computerprogramm nach Anspruch 11 gespeichert ist.
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