WO2024068066A1 - Dc/dc converter, electric vehicle and method for operating a dc/dc converter - Google Patents

Dc/dc converter, electric vehicle and method for operating a dc/dc converter Download PDF

Info

Publication number
WO2024068066A1
WO2024068066A1 PCT/EP2023/068021 EP2023068021W WO2024068066A1 WO 2024068066 A1 WO2024068066 A1 WO 2024068066A1 EP 2023068021 W EP2023068021 W EP 2023068021W WO 2024068066 A1 WO2024068066 A1 WO 2024068066A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
voltage
voltage connection
converter
connection
bridge circuit
Prior art date
Application number
PCT/EP2023/068021
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Jian Tian
Original Assignee
Robert Bosch Gmbh
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Robert Bosch Gmbh filed Critical Robert Bosch Gmbh
Publication of WO2024068066A1 publication Critical patent/WO2024068066A1/en

Links

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M1/00—Details of apparatus for conversion
    • H02M1/0048—Circuits or arrangements for reducing losses
    • H02M1/0054—Transistor switching losses
    • H02M1/0058—Transistor switching losses by employing soft switching techniques, i.e. commutation of transistors when applied voltage is zero or when current flow is zero
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60L—PROPULSION OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; SUPPLYING ELECTRIC POWER FOR AUXILIARY EQUIPMENT OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRODYNAMIC BRAKE SYSTEMS FOR VEHICLES IN GENERAL; MAGNETIC SUSPENSION OR LEVITATION FOR VEHICLES; MONITORING OPERATING VARIABLES OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRIC SAFETY DEVICES FOR ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES
    • B60L1/00—Supplying electric power to auxiliary equipment of vehicles
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60L—PROPULSION OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; SUPPLYING ELECTRIC POWER FOR AUXILIARY EQUIPMENT OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRODYNAMIC BRAKE SYSTEMS FOR VEHICLES IN GENERAL; MAGNETIC SUSPENSION OR LEVITATION FOR VEHICLES; MONITORING OPERATING VARIABLES OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRIC SAFETY DEVICES FOR ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES
    • B60L53/00—Methods of charging batteries, specially adapted for electric vehicles; Charging stations or on-board charging equipment therefor; Exchange of energy storage elements in electric vehicles
    • B60L53/20—Methods of charging batteries, specially adapted for electric vehicles; Charging stations or on-board charging equipment therefor; Exchange of energy storage elements in electric vehicles characterised by converters located in the vehicle
    • B60L53/22—Constructional details or arrangements of charging converters specially adapted for charging electric vehicles
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60L—PROPULSION OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; SUPPLYING ELECTRIC POWER FOR AUXILIARY EQUIPMENT OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRODYNAMIC BRAKE SYSTEMS FOR VEHICLES IN GENERAL; MAGNETIC SUSPENSION OR LEVITATION FOR VEHICLES; MONITORING OPERATING VARIABLES OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRIC SAFETY DEVICES FOR ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES
    • B60L55/00—Arrangements for supplying energy stored within a vehicle to a power network, i.e. vehicle-to-grid [V2G] arrangements
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M3/00—Conversion of dc power input into dc power output
    • H02M3/01—Resonant DC/DC converters
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M3/00—Conversion of dc power input into dc power output
    • H02M3/01—Resonant DC/DC converters
    • H02M3/015—Resonant DC/DC converters with means for adaptation of resonance frequency, e.g. by modification of capacitance or inductance of resonance circuit
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M3/00—Conversion of dc power input into dc power output
    • H02M3/22—Conversion of dc power input into dc power output with intermediate conversion into ac
    • H02M3/24—Conversion of dc power input into dc power output with intermediate conversion into ac by static converters
    • H02M3/28—Conversion of dc power input into dc power output with intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode to produce the intermediate ac
    • H02M3/325—Conversion of dc power input into dc power output with intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode to produce the intermediate ac using devices of a triode or a transistor type requiring continuous application of a control signal
    • H02M3/335—Conversion of dc power input into dc power output with intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode to produce the intermediate ac using devices of a triode or a transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only
    • H02M3/33561—Conversion of dc power input into dc power output with intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode to produce the intermediate ac using devices of a triode or a transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only having more than one ouput with independent control
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M3/00—Conversion of dc power input into dc power output
    • H02M3/22—Conversion of dc power input into dc power output with intermediate conversion into ac
    • H02M3/24—Conversion of dc power input into dc power output with intermediate conversion into ac by static converters
    • H02M3/28—Conversion of dc power input into dc power output with intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode to produce the intermediate ac
    • H02M3/325—Conversion of dc power input into dc power output with intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode to produce the intermediate ac using devices of a triode or a transistor type requiring continuous application of a control signal
    • H02M3/335—Conversion of dc power input into dc power output with intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode to produce the intermediate ac using devices of a triode or a transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only
    • H02M3/33569—Conversion of dc power input into dc power output with intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode to produce the intermediate ac using devices of a triode or a transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only having several active switching elements
    • H02M3/33573—Full-bridge at primary side of an isolation transformer
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M3/00—Conversion of dc power input into dc power output
    • H02M3/22—Conversion of dc power input into dc power output with intermediate conversion into ac
    • H02M3/24—Conversion of dc power input into dc power output with intermediate conversion into ac by static converters
    • H02M3/28—Conversion of dc power input into dc power output with intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode to produce the intermediate ac
    • H02M3/325—Conversion of dc power input into dc power output with intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode to produce the intermediate ac using devices of a triode or a transistor type requiring continuous application of a control signal
    • H02M3/335—Conversion of dc power input into dc power output with intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode to produce the intermediate ac using devices of a triode or a transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only
    • H02M3/33569—Conversion of dc power input into dc power output with intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode to produce the intermediate ac using devices of a triode or a transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only having several active switching elements
    • H02M3/33576—Conversion of dc power input into dc power output with intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode to produce the intermediate ac using devices of a triode or a transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only having several active switching elements having at least one active switching element at the secondary side of an isolation transformer
    • H02M3/33584—Bidirectional converters
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60L—PROPULSION OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; SUPPLYING ELECTRIC POWER FOR AUXILIARY EQUIPMENT OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRODYNAMIC BRAKE SYSTEMS FOR VEHICLES IN GENERAL; MAGNETIC SUSPENSION OR LEVITATION FOR VEHICLES; MONITORING OPERATING VARIABLES OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRIC SAFETY DEVICES FOR ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES
    • B60L2210/00—Converter types
    • B60L2210/10—DC to DC converters
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60L—PROPULSION OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; SUPPLYING ELECTRIC POWER FOR AUXILIARY EQUIPMENT OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRODYNAMIC BRAKE SYSTEMS FOR VEHICLES IN GENERAL; MAGNETIC SUSPENSION OR LEVITATION FOR VEHICLES; MONITORING OPERATING VARIABLES OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRIC SAFETY DEVICES FOR ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES
    • B60L2210/00—Converter types
    • B60L2210/30—AC to DC converters

Landscapes

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

Abstract

The invention relates to a DC/DC converter with three DC voltage connections between which electrical energy can be exchanged. At least one resonant circuit is provided in the DC/DC converter for resonant operation of the DC/DC converter. Components for resonant operation are also preferably provided for other DC voltage connections.

Description

Beschreibung Description
Titel Title
Gleichspannungswandler, Elektrofahrzeug und Verfahren zum Betreiben eines Gleichspannungswandlers DC-DC converter, electric vehicle and method for operating a DC-DC converter
Technisches Gebiet Technical area
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Gleichspannungswandler sowie ein Elektrofahrzeug mit einem solchen Gleichspannungswandler. Die vorliegende Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Betreiben eines Gleichspannungswandlers. Die vorliegende Erfindung betrifft insbesondere einen Gleichspannungswandler mit drei Gleichspannungsanschlüssen. The present invention relates to a DC-DC converter and an electric vehicle with such a DC-DC converter. The present invention also relates to a method for operating a DC-DC converter. The present invention particularly relates to a DC-DC converter with three DC voltage connections.
Stand der Technik State of the art
Ein elektrisches Bordnetz eines ganz oder zumindest teilweise elektrisch angetriebenen Fahrzeugs umfasst in der Regel ein Hochvoltnetz und ein Niedervoltnetz. Das Hochvoltnetz weist in der Regel eine elektrische Gleichspannung im Bereich von einigen Hundert Volt auf. Das Niedervoltnetz weist in der Regel eine signifikant geringere elektrische Gleichspannung, beispielsweise im Bereich von 12 bis 14, 24 oder 48 Volt, auf. Üblicherweise wird ein elektrisches Antriebssystem eines solchen Fahrzeugs sowie gegebenenfalls weitere Verbraucher mit hoher Leistungsaufnahme von dem Hochvoltnetz gespeist. Das Niedervoltnetz speist in der Regel Verbraucher wie zum Beispiel Beleuchtungen, Steuergeräte, Brems- und Lenkaktuatoren oder ein Entertainmentsystem des Fahrzeugs. An electrical system of a vehicle that is fully or at least partially electrically powered usually comprises a high-voltage network and a low-voltage network. The high-voltage network usually has a direct current in the range of a few hundred volts. The low-voltage network usually has a significantly lower direct current, for example in the range of 12 to 14, 24 or 48 volts. An electric drive system of such a vehicle and possibly other consumers with high power consumption are usually powered by the high-voltage network. The low-voltage network usually supplies consumers such as lighting, control units, brake and steering actuators or an entertainment system in the vehicle.
Hochvoltnetz und Niedervoltnetz können beispielsweise mittels eines Gleichspannungswandlers miteinander gekoppelt sein. Mittels eines solchen Gleichspannungswandlers kann elektrische Energie zwischen dem Hochvoltnetz und dem Niedervoltnetz ausgetauscht werden. Auf diese Weise können zum Beispiel elektrische Verbraucher im Niedervoltnetz mittels elektrischer Energie von einer Traktionsbatterie in dem Hochvoltnetz mit elektrischer Energie versorgt werden. Die Druckschrift DE 10 2014210 283 Al beschreibt beispielsweise ein Verfahren zum Betreiben eines Fahrzeugbordnetzes mit mindestens zwei Spannungsebenen, welche unterschiedliche Nennspannungen aufweisen. The high-voltage network and the low-voltage network can be coupled to one another, for example, using a DC-DC converter. Using such a DC-DC converter, electrical energy can be exchanged between the high-voltage network and the low-voltage network. In this way, for example, electrical consumers in the low-voltage network can be supplied with electrical energy from a traction battery in the high-voltage network. The publication DE 10 2014210 283 A1, for example, describes a method for operating a vehicle electrical system with at least two voltage levels, which have different nominal voltages.
Darüber hinaus kann in einem solchen Elektrofahrzeug ein weiterer Spannungswandler vorgesehen sein, welcher eine elektrische Spannung am Ladeanschluss des Fahrzeugs in eine Gleichspannung konvertiert, die dazu geeignet ist, die Traktionsbatterie des Elektrofahrzeugs aufzuladen. In addition, a further voltage converter can be provided in such an electric vehicle, which converts an electrical voltage at the charging connection of the vehicle into a direct voltage that is suitable for charging the traction battery of the electric vehicle.
Offenbarung der Erfindung Disclosure of the invention
Die vorliegende Erfindung schafft einen Gleichspannungswandler, ein Elektrofahrzeug und ein Verfahren zum Betreiben eines Gleichspannungswandlers mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche. Weitere vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche. The present invention provides a DC-DC converter, an electric vehicle and a method for operating a DC-DC converter having the features of the independent claims. Further advantageous embodiments are the subject of the dependent claims.
Demgemäß ist vorgesehen: Accordingly, it is envisaged:
Ein Gleichspannungswandler mit einem Transformator, einer ersten H- Brückenschaltung, einer zweiten H-Brückenschaltung, einer dritten H- Brückenschaltung, einem ersten Schwingkreis und einer Induktivität. Der Transformator umfasst eine Primärwicklung, eine erste Sekundärwicklung und eine zweite Sekundärwicklung. Die erste H-Brückenschaltung ist an den Außenanschlüssen der ersten H-Brückenschaltung mit einem ersten Gleichspannungsanschluss verbunden. Ferner ist die erste H-Brückenschaltung an Mittenanschlüssen der ersten H-Brückenschaltung mit der Primärwicklung des Transformators elektrisch gekoppelt. Die zweite H-Brückenschaltung ist an Außenanschlüssen der zweiten H-Brückenschaltung mit einem zweiten Gleichspannungsanschluss verbunden. Weiterhin ist die zweite H- Brückenschaltung an Mittenanschlüssen der zweiten H-Brückenschaltung mit der ersten Sekundärwicklung des Transformators elektrisch gekoppelt. Die dritte H- Brückenschaltung ist an Außenanschlüssen der dritten H-Brückenschaltung mit einem dritten Gleichspannungsanschluss verbunden. Ferner ist die dritte H- Brückenschaltung an Mittenanschlüssen der dritten H-Brückenschaltung mit der zweiten Sekundärwicklung des Transformators elektrisch gekoppelt. Der erste Schwingkreis ist elektrisch zwischen den Mittenanschlüssen der ersten H- Brückenschaltung und der Primärwicklung des Transformators angeordnet. Die Induktivität ist elektrisch zwischen dem Mittenanschluss der dritten H- Brückenschaltung und der zweiten Sekundärwicklung des Transformators angeordnet. A DC-DC converter with a transformer, a first H-bridge circuit, a second H-bridge circuit, a third H-bridge circuit, a first resonant circuit and an inductor. The transformer includes a primary winding, a first secondary winding and a second secondary winding. The first H-bridge circuit is connected to a first DC voltage connection at the external connections of the first H-bridge circuit. Furthermore, the first H-bridge circuit is electrically coupled to the primary winding of the transformer at center connections of the first H-bridge circuit. The second H-bridge circuit is connected to a second DC voltage connection at external connections of the second H-bridge circuit. Furthermore, the second H-bridge circuit is electrically coupled to the first secondary winding of the transformer at center connections of the second H-bridge circuit. The third H-bridge circuit is connected to a third DC voltage connection at external connections of the third H-bridge circuit. Furthermore, the third H- Bridge circuit electrically coupled to the middle terminals of the third H-bridge circuit with the second secondary winding of the transformer. The first resonant circuit is electrically arranged between the center connections of the first H-bridge circuit and the primary winding of the transformer. The inductance is electrically arranged between the center connection of the third H-bridge circuit and the second secondary winding of the transformer.
Weiterhin ist vorgesehen: Furthermore it is planned:
Ein Elektrofahrzeug mit einem Hochvoltbordnetz, einem Niedervoltbordnetz und einem erfindungsgemäßen Gleichspannungswandler. Der zweite Gleichspannungsanschluss des Gleichspannungswandlers ist elektrisch mit dem Hochvoltbordnetz des Elektrofahrzeugs gekoppelt. Der dritte Gleichspannungsanschluss des Gleichspannungswandlers ist elektrisch mit dem Niedervoltbordnetz des Elektrofahrzeugs gekoppelt. An electric vehicle with a high-voltage electrical system, a low-voltage electrical system and a DC-DC converter according to the invention. The second DC voltage connection of the DC-DC converter is electrically coupled to the high-voltage electrical system of the electric vehicle. The third DC voltage connection of the DC-DC converter is electrically coupled to the low-voltage electrical system of the electric vehicle.
Schließlich ist vorgesehen: Finally it is planned:
Ein Verfahren zum Betreiben eines erfindungsgemäßen Gleichspannungswandlers. Zum Betrieb des Gleichspannungswandlers kann jeweils einer der folgenden Schritte ausgeführt werden: A method for operating a DC-DC converter according to the invention. To operate the DC-DC converter, one of the following steps can be carried out:
- Übertragen von elektrischer Energie von dem ersten Gleichspannungsanschluss an den zweiten Gleichspannungsanschluss in einem ersten Betriebsmodus; - Transmitting electrical energy from the first DC voltage connection to the second DC voltage connection in a first operating mode;
- Übertragen von elektrischer Energie von dem zweiten Gleichspannungsanschluss an den dritten Gleichspannungsanschluss in einem zweiten Betriebsmodus; - Transmitting electrical energy from the second DC voltage connection to the third DC voltage connection in a second operating mode;
- Übertragen von elektrischer Energie von dem dritten Gleichspannungsanschluss an den zweiten Gleichspannungsanschluss in einem dritten Betriebsmodus; - Transmitting electrical energy from the third DC voltage connection to the second DC voltage connection in a third operating mode;
- Übertragen von elektrischer Energie von dem zweiten Gleichspannungsanschluss an den ersten Gleichspannungsanschluss und an den dritten Gleichspannungsanschluss in einem vierten Betriebsmodus; - Übertragen von elektrischer Energie von dem zweiten Gleichspannungsanschluss an den ersten Gleichspannungsanschluss in einem fünften Betriebsmodus; oder - Transmitting electrical energy from the second DC voltage connection to the first DC voltage connection and to the third DC voltage connection in a fourth operating mode; - Transmitting electrical energy from the second DC voltage connection to the first DC voltage connection in a fifth operating mode; or
- Übertragen von elektrischer Energie von dem dritten Gleichspannungsanschluss an den ersten Gleichspannungsanschluss in einem sechsten Betriebsmodus. - Transmitting electrical energy from the third DC voltage connection to the first DC voltage connection in a sixth operating mode.
Hierbei ist die elektrische Gleichspannung an dem dritten Gleichspannungsanschluss kleiner als die elektrische Gleichspannung an dem zweiten Gleichspannungsanschluss. Here, the direct electrical voltage at the third direct voltage connection is smaller than the direct electrical voltage at the second direct voltage connection.
Vorteile der Erfindung Advantages of the invention
Der vorliegenden Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass in Elektrofahrzeugen einerseits ein Energieaustausch zwischen Hochvoltnetz und Niedervoltnetz mittels eines Gleichspannungswandlers erfolgt und darüber hinaus auch ein weiterer Spannungswandler zwischen einem Ladeanschluss und dem Fahrzeugbordnetz, insbesondere dem Hochvoltbordnetz vorgesehen ist. Die Spannungswandler ermöglichen es, das Spannungsniveau bei der Spannungswandlung anzupassen und darüber hinaus auch eine galvanische Trennung zu realisieren. Die Verwendung von mindestens zwei separaten Spannungswandlern erfordert einen großen Hardwareaufwand und somit auch entsprechend hohe Kosten. The present invention is based on the knowledge that in electric vehicles, on the one hand, energy is exchanged between the high-voltage network and the low-voltage network by means of a DC-DC converter and, in addition, a further voltage converter is also provided between a charging connection and the vehicle electrical system, in particular the high-voltage electrical system. The voltage converters make it possible to adjust the voltage level during voltage conversion and also to implement galvanic isolation. The use of at least two separate voltage converters requires a lot of hardware and therefore correspondingly high costs.
Es ist daher eine Idee der vorliegenden Erfindung, dieser Erkenntnis Rechnung zu tragen und einen Gleichspannungswandler zu schaffen, welcher eine effiziente, kompakte und kostengünstige Spannungswandlung zwischen mehr als zwei Spannungsnetzen, insbesondere Gleichspannungsnetzen realisieren kann. Hierbei ist es wünschenswert, einen Gleichspannungswandler zu schaffen, welcher flexibel und effizient elektrische Energie in beliebiger Richtung zwischen den einzelnen Anschlüssen und den entsprechenden Spannungsniveaus konvertieren kann. It is therefore an idea of the present invention to take this knowledge into account and to create a DC-DC converter which can realize an efficient, compact and cost-effective voltage conversion between more than two voltage networks, in particular DC-DC networks. In this case, it is desirable to create a DC-DC converter which can flexibly and efficiently convert electrical energy in any direction between the individual connections and the corresponding voltage levels.
Erfindungsgemäß wird hierzu ein Gleichspannungswandler bereitgestellt, welcher drei Gleichspannungsanschlüsse aufweist. Der Gleichspannungswandler kann in unterschiedlichen Betriebsmodi betrieben werden. Je nach Betriebsmodus kann dabei elektrische Energie zwischen den einzelnen Gleichspannungsanschlüssen ausgetauscht werden. Der vorgeschlagene Gleichspannungswandler umfasst mindestens einen Schwingkreis. Somit kann unter Einbeziehung dieses Schwingkreises der Gleichspannungswandler in einem resonanten Betriebsmodus betrieben werden. Hierbei kann der Gleichspannungswandler intern mit einer Frequenz angeregt werden, welche auf die Resonanzfrequenz des Schwingkreises abgestimmt ist. Durch Anpassen der Anregefrequenz und/oder Einstellen einer elektrischen Phase innerhalb des Gleichspannungswandlers kann somit die Energieübertragung zwischen den einzelnen Gleichspannungsanschlüssen geregelt werden. According to the invention, a DC-DC converter is provided which has three DC voltage connections. The DC-DC converter can be operated in different operating modes. Depending on the operating mode, electrical energy can be exchanged between the individual DC voltage connections. The proposed DC voltage converter comprises at least one oscillating circuit. Thus, by including this oscillating circuit, the DC voltage converter can be operated in a resonant operating mode. The DC voltage converter can be excited internally with a frequency that is matched to the resonant frequency of the oscillating circuit. By adjusting the excitation frequency and/or setting an electrical phase within the DC voltage converter, the energy transfer between the individual DC voltage connections can be regulated.
Neben resonanten Betriebsmodi, die, wie oben bereits angeführt, auf die Resonanzfrequenz eines Schwingkreises in dem Gleichspannungswandler abgestimmt sein können, sind in dem Gleichspannungswandler auch ein oder mehrere Betriebsmodi möglich, bei denen der Gleichspannungswandler als Dual Active Bridge (DAB) Gleichspannungswandler betrieben wird. In addition to resonant operating modes, which, as already mentioned above, can be tuned to the resonance frequency of a resonant circuit in the DC-DC converter, one or more operating modes are also possible in the DC-DC converter, in which the DC-DC converter is operated as a Dual Active Bridge (DAB) DC-DC converter.
Somit kann je nach gewünschter Richtung der Energieübertragung zwischen den drei Gleichspannungsanschlüssen ein geeigneter Betriebsmodus für eine möglichst effiziente Energieübertragung gewählt werden. Das Grundprinzip eines resonanten Betriebs sowie das DAB-Betriebs wird als bekannt angesehen und daher hier nicht weiter erläutert. This means that depending on the desired direction of energy transfer between the three DC voltage connections, a suitable operating mode can be selected for the most efficient energy transfer possible. The basic principle of resonant operation and DAB operation is considered to be known and therefore will not be explained further here.
Die H-Brückenschaltungen zwischen den jeweiligen Gleichspannungsanschlüssen und den Primär- bzw. Sekundärwicklungen des Transformators umfassen jeweils zwei Halbbrücken. Jede Halbbrücke umfasst zwei in Serie geschaltete Halbleiterschaltelemente. Bei den Halbleiterschaltelementen kann es sich beispielsweise um MOSFET oder bipolare Transistoren mit einem isolierten Gate-Anschluss (IGBT) handeln. Die beiden Halbleiterschaltelemente einer Halbbrücke sind jeweils an einem Mittenanschluss elektrisch miteinander verbunden. Die jeweils anderen Anschlüsse der Halbleiterschaltelemente sind als Außenanschlüsse mit Anschlusspunkten des korrespondierenden Gleichspannungsanschlusses elektrisch verbunden. Die einzelnen Schaltelemente der H-Brückenschaltungen können über geeignete Treiberstufen von einer Steuereinrichtung angesteuert werden. Auf diese Weise kann der Energiefluss durch den Gleichspannungswandler in gewünschter Weise gesteuert werden. The H-bridge circuits between the respective DC voltage connections and the primary or secondary windings of the transformer each comprise two half-bridges. Each half-bridge comprises two semiconductor switching elements connected in series. The semiconductor switching elements can be, for example, MOSFETs or bipolar transistors with an insulated gate connection (IGBT). The two semiconductor switching elements of a half-bridge are each electrically connected to one another at a center connection. The other connections of the semiconductor switching elements are electrically connected as external connections to connection points of the corresponding DC voltage connection. The individual switching elements of the H-bridge circuits can be controlled by a control device via suitable driver stages. In this way, the energy flow through the DC-DC converter can be controlled as desired.
Gemäß einer Ausführungsform umfasst der Gleichspannungswandler ein Schaltelement. Dieses Schaltelement ist elektrisch parallel zu der Induktivität an der zweiten Sekundärwicklung des Transformators angeordnet. Somit ist das Schaltelement analog zu der Induktivität zwischen einem Mittenanschluss der dritten H-Brückenschaltung und der zweiten Sekundärwicklung des Transformators angeordnet. Durch das Schließen dieses Schaltelements kann die Induktivität kurzgeschlossen bzw. überbrückt werden. Somit können die induktiven Eigenschaften dieser Induktivität je nach Schaltzustand des Schaltelements gezielt aktiviert bzw. deaktiviert werden. According to one embodiment, the DC-DC converter comprises a switching element. This switching element is arranged electrically parallel to the inductance on the second secondary winding of the transformer. The switching element is thus arranged analogously to the inductance between a center connection of the third H-bridge circuit and the second secondary winding of the transformer. By closing this switching element, the inductance can be short-circuited or bridged. The inductive properties of this inductance can thus be specifically activated or deactivated depending on the switching state of the switching element.
Gemäß einer Ausführungsform ist die Induktivität zwischen einem der Mittenanschlüsse der dritten H-Brückenschaltung und der zweiten Sekundärwicklung des Transformators in dem Transformator integriert. Auf diese Weise kann eine besonders kompakte Bauform realisiert werden. According to one embodiment, the inductance is integrated in the transformer between one of the center terminals of the third H-bridge circuit and the second secondary winding of the transformer. In this way, a particularly compact design can be realized.
Gemäß einer Ausführungsform umfasst der Gleichspannungswandler einen zweiten Schwingkreis. Der zweite Schwingkreis kann, analog zu dem ersten Schwingkreis, einen Kondensator und eine Spule umfassen. Der zweite Schwingkreis des Gleichspannungswandlers kann elektrisch zwischen den Mittenanschlüssen der zweiten H-Brückenschaltung und der ersten Sekundärwicklung des Transformators angeordnet sein. Auf diese Weise kann auch der zweite Schwingkreis für resonante Betriebsmodi des Gleichspannungswandlers genutzt werden. According to one embodiment, the DC-DC converter comprises a second resonant circuit. The second resonant circuit can, analogous to the first resonant circuit, comprise a capacitor and a coil. The second resonant circuit of the DC-DC converter can be electrically arranged between the center connections of the second H-bridge circuit and the first secondary winding of the transformer. In this way, the second resonant circuit can also be used for resonant operating modes of the DC-DC converter.
Gemäß einer Ausführungsform umfassen die erste H-Brückenschaltung, die zweite H-Brückenschaltung und die dritte H-Brückenschaltung jeweils vier Halbleiterschaltelemente. Jede der H-Brückenschaltungen kann insbesondere aus zwei parallel angeordneten Halbbrücken realisiert werden. Somit kann jede der drei H-Brückenschaltungen aus einem ersten Halbleiterschaltelement realisiert werden, das zwischen einem ersten Außenanschluss und einem ersten Mittenanschluss angeordnet ist, einem zweiten Halbleiterschaltelement, das zwischen dem ersten Außenanschluss und einem zweiten Mittenanschluss angeordnet ist, einem dritten Halbleiterschaltelement, das zwischen einem zweiten Außenanschluss und dem ersten Mittenanschluss angeordnet ist und einem vierten Halbleiterschaltelement, das zwischen dem zweiten Außenanschluss und dem zweiten Mittenanschluss angeordnet ist. Die beiden Außenanschlüsse können ferner mit korrespondierenden Anschlusspunkten der jeweiligen Gleichspannungsanschlüsse elektrisch verbunden werden. According to one embodiment, the first H-bridge circuit, the second H-bridge circuit and the third H-bridge circuit each comprise four semiconductor switching elements. Each of the H-bridge circuits can be realized in particular from two half-bridges arranged in parallel. Thus, each of the three H-bridge circuits can be realized from a first semiconductor switching element which is arranged between a first outer terminal and a first center terminal, a second semiconductor switching element which between the first external terminal and a second center terminal, a third semiconductor switching element which is arranged between a second external terminal and the first center terminal, and a fourth semiconductor switching element which is arranged between the second external terminal and the second center terminal. The two external terminals can also be electrically connected to corresponding connection points of the respective DC voltage terminals.
Gemäß einer Ausführungsform umfasst der Gleichspannungswandler eine Steuereinrichtung. Die Steuereinrichtung ist dazu ausgelegt, die Halbleiterschaltelemente der ersten H-Brückenschaltung, der zweiten H- Brückenschaltung und der dritten H-Brückenschaltung anzusteuern. Insbesondere kann die Steuereinrichtung dazu ausgelegt sein, in einem resonanten Betrieb eine Frequenz und/oder eine Phase einer sich an der Primärwicklung und/oder einer der Sekundärwicklungen einstellenden elektrischen Wechselspannung anzupassen. Ferner kann die Steuereinrichtung dazu ausgelegt sein, für eine elektrische Energieübertragung zwischen den Gleichspannungsanschlüssen die Halbleiterschaltelemente in einem Dual Active Bridge (DAB) Modus anzusteuern. According to one embodiment, the DC-DC converter comprises a control device. The control device is designed to control the semiconductor switching elements of the first H-bridge circuit, the second H-bridge circuit and the third H-bridge circuit. In particular, the control device can be designed to adapt, in a resonant operation, a frequency and/or a phase of an electrical alternating voltage occurring at the primary winding and/or one of the secondary windings. Furthermore, the control device can be designed to control the semiconductor switching elements in a Dual Active Bridge (DAB) mode for electrical energy transfer between the DC voltage connections.
Gemäß einer Ausführungsform ist der Gleichspannungswandler dazu ausgelegt, in einem ersten Betriebsmodus elektrische Energie von dem ersten Gleichspannungsanschluss an den zweiten Gleichspannungsanschluss zu übertragen. Insbesondere kann die Energieübertragung hierbei in einem resonanten Betriebsmodus erfolgen. Dabei kann eine Frequenz und/oder Phase einer elektrischen Spannung in dem Gleichspannungswandler unter Berücksichtigung der Resonanzfrequenz des ersten Schwingkreises und/oder des zweiten Schwingkreises erfolgen. Insbesondere kann als Betriebs- / Anregefrequenz eine Frequenz gewählt werden, welche etwas von der Resonanzfrequenz abweicht. Vorzugsweise kann eine Frequenz gewählt werden, welche leicht über der Resonanzfrequenz des Schwingkreises liegt. Der Gleichspannungswandler kann ferner dazu ausgelegt sein, in einem zweiten Betriebsmodus elektrische Energie von dem zweiten Gleichspannungsanschluss an den dritten Gleichspannungsanschluss zu übertragen. Umfasst der Gleichspannungswandler einen zweiten Schwingkreis, so kann dies in einem resonanten Betriebsmodus erfolgen. Alternativ kann die Energieübertragung in dem zweiten Betriebsmodus auch in einem DAB-Modus erfolgen. Weiterhin kann der Gleichspannungswandler dazu ausgelegt sein, in einem dritten Betriebsmodus elektrische Energie von dem dritten Gleichspannungsanschluss an den zweiten Gleichspannungsanschluss zu übertragen. Dies kann insbesondere in einem DAB-Modus erfolgen. Ferner kann der Gleichspannungswandler dazu ausgelegt sein, in einem vierten Betriebsmodus elektrische Energie von dem zweiten Gleichspannungsanschluss an den ersten Gleichspannungsanschluss und an den dritten Gleichspannungsanschluss zu übertragen. Analog zu dem zweiten Betriebsmodus kann beim Vorhandensein eines zweiten Schwingkreises hierbei ein resonanter Betriebsmodus genutzt werden. Alternativ ist auch ein DAB-Modus für die Energieübertragung von dem zweiten Gleichspannungsanschluss zu dem ersten und dritten Gleichspannungsanschluss möglich. Darüber hinaus kann der Gleichspannungswandler dazu ausgelegt sein, in einem fünften Betriebsmodus elektrische Energie von dem zweiten Gleichspannungsanschluss an den ersten Gleichspannungsanschluss zu übertragen. Auch hierbei kann gegebenenfalls ein resonanter Betriebsmodus vorgesehen sein. Schließlich kann der Gleichspannungswandler dazu ausgelegt sein, in einem sechsten Betriebsmodus elektrische Energie von dem dritten Gleichspannungsanschluss an den ersten Gleichspannungsanschluss zu übertragen. Hierbei kann ein DAB-Modus vorgesehen sein. Die Spannungshöhe der elektrischen Gleichspannung am dritten Gleichspannungsanschluss ist hierbei in der Regel kleiner als eine elektrische Gleichspannung an dem zweiten Gleichspannungsanschluss. According to one embodiment, the DC-DC converter is designed to transmit electrical energy from the first DC voltage connection to the second DC voltage connection in a first operating mode. In particular, the energy transfer can take place in a resonant operating mode. In this case, a frequency and/or phase of an electrical voltage in the DC-DC converter can take place taking into account the resonance frequency of the first oscillating circuit and/or the second oscillating circuit. In particular, a frequency that deviates slightly from the resonance frequency can be selected as the operating/excitation frequency. Preferably, a frequency can be selected that is slightly above the resonance frequency of the oscillating circuit. The DC-DC converter can also be designed to transmit electrical energy from the second DC voltage connection to the third DC voltage connection in a second operating mode. If the DC-DC converter comprises a second oscillating circuit, this can be done in a resonant operating mode. Alternatively, the energy transfer in the second operating mode can also take place in a DAB mode. Furthermore, the DC-DC converter can be designed to transfer electrical energy from the third DC voltage connection to the second DC voltage connection in a third operating mode. This can take place in particular in a DAB mode. Furthermore, the DC-DC converter can be designed to transfer electrical energy from the second DC voltage connection to the first DC voltage connection and to the third DC voltage connection in a fourth operating mode. Analogous to the second operating mode, a resonant operating mode can be used here if a second resonant circuit is present. Alternatively, a DAB mode is also possible for the energy transfer from the second DC voltage connection to the first and third DC voltage connections. In addition, the DC-DC converter can be designed to transfer electrical energy from the second DC voltage connection to the first DC voltage connection in a fifth operating mode. A resonant operating mode can also be provided here if necessary. Finally, the DC-DC converter can be designed to transmit electrical energy from the third DC voltage connection to the first DC voltage connection in a sixth operating mode. A DAB mode can be provided here. The voltage level of the electrical DC voltage at the third DC voltage connection is generally lower than an electrical DC voltage at the second DC voltage connection.
Beispielsweise kann der zweite Gleichspannungsanschluss dazu ausgelegt sein, mit einem Hochvoltbordnetz eines Elektrofahrzeugs verbunden zu werden. Entsprechend kann der dritte Gleichspannungsanschluss dazu ausgelegt sein, mit einem Niedervoltbordnetz eines Elektrofahrzeugs verbunden zu werden. Der erste Gleichspannungsanschluss kann dabei dazu ausgelegt sein, beispielsweise mit einem Ladeanschluss eines Elektrofahrzeugs verbunden zu werden. Gegebenenfalls kann an dem Ladeanschluss eine Gleichrichterschaltung vorgesehen sein, welche eine am Ladeanschluss bereitgestellte elektrische Wechselspannung in eine Gleichspannung konvertiert. Die obigen Ausgestaltungen und Weiterbildungen lassen sich, soweit sinnvoll, beliebig miteinander kombinieren. Weitere Ausgestaltungen, Weiterbildungen und Implementierungen der Erfindung umfassen auch nicht explizit genannte Kombinationen von zuvor oder im Folgenden bezüglich den Ausführungsbeispielen beschriebenen Merkmalen der Erfindung. Insbesondere wird der Fachmann auch Einzelaspekte als Verbesserungen oder Ergänzungen zu den jeweiligen Grundformen der Erfindung hinzu-fügen. For example, the second DC voltage connection can be designed to be connected to a high-voltage electrical system of an electric vehicle. The third DC voltage connection can be designed to be connected to a low-voltage electrical system of an electric vehicle. The first DC voltage connection can be designed to be connected, for example, to a charging connection of an electric vehicle. If necessary, a rectifier circuit can be provided at the charging connection, which converts an electrical alternating voltage provided at the charging connection into a direct voltage. The above embodiments and developments can be combined with one another as desired, provided this makes sense. Further embodiments, developments and implementations of the invention also include combinations of features of the invention described above or below with regard to the exemplary embodiments that are not explicitly mentioned. In particular, the person skilled in the art will also add individual aspects as improvements or additions to the respective basic forms of the invention.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen Brief description of the drawings
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung werden nachfolgend anhand der Figuren erläutert. Dabei zeigen: Further features and advantages of the invention are explained below with reference to the figures.
Fig. 1: eine schematische Darstellung eines Prinzipschaltbildes eines Gleichrichters gemäß einer Ausführungsform; Fig. 1: a schematic representation of a basic circuit diagram of a rectifier according to an embodiment;
Fig. 2: eine schematische Darstellung eines Prinzipschaltbildes einer H- Brückenschaltung für einen Gleichrichter gemäß einer Ausführungsform; 2: a schematic representation of a basic circuit diagram of an H-bridge circuit for a rectifier according to an embodiment;
Fig. 3: eine schematische Darstellung eines Prinzipschaltbildes eines Gleichrichters gemäß einer weiteren Ausführungsform; und Fig. 3: a schematic representation of a basic circuit diagram of a rectifier according to a further embodiment; and
Fig. 4: ein Ablaufdiagramm, wie es einem Verfahren zum Betreiben eines Gleichrichters gemäß einer Ausführungsform zugrunde liegt. Fig. 4: a flow chart underlying a method for operating a rectifier according to an embodiment.
Beschreibung der Ausführungsformen Description of the embodiments
Figur 1 zeigt eine schematische Darstellung eines Prinzipschaltbildes eines Gleichrichters 1 gemäß einer Ausführungsform. Der Gleichrichter umfasst drei Gleichspannungsanschlüsse Gl, G2 und G3. Beispielsweise kann der erste Gleichspannungsanschluss Gl an einen Ladeanschluss eines Elektrofahrzeugs gekoppelt sein. Hierzu kann zwischen dem Ladeanschluss des Elektrofahrzeugs und dem Gleichspannungsanschluss Gl ein Gleichrichter 100 vorgesehen sein. Auf diese Weise kann auch eine am Ladeanschluss bereitgestellte Wechselspannung in eine Gleichspannung konvertiert werden, die am ersten Gleichspannungsanschluss Gl bereitgestellt werden kann. Alternativ kann an dem Ladeanschluss des Elektrofahrzeugs auch eine Gleichspannung bereitgestellt werden, die daraufhin gegebenenfalls über weitere Komponenten, wie einen Trennschalter oder Ähnliches, an dem ersten Gleichspannungsanschluss Gl bereitgestellt werden kann. Der zweite Gleichspannungsanschluss G2 kann beispielsweise mit einem Hochvoltnetz 200 eines Elektrofahrzeugs gekoppelt werden. Dieses Hochvoltnetz 200 kann beispielsweise eine Traktionsbatterie, ein elektrisches Antriebssystem sowie gegebenenfalls auch weitere elektrische Verbraucher umfassen. Der dritte Gleichspannungsanschluss G3 kann beispielsweise mit einem Niedervoltbordnetz 300 eines Elektrofahrzeugs verbunden werden. In diesem Niedervoltbordnetz 300 können beispielsweise elektrische Verbraucher wie Sensoren, Aktoren, Steuerungsgeräte, ein Entertainmentsystem oder beliebige weitere Komponenten, beispielsweise für Komfortfunktionen oder Ähnliches eines Fahrzeugs vorgesehen sein. Weiterhin kann auch in diesem Niedervoltbordnetz 300 eine elektrische Batterie vorgesehen sein. Figure 1 shows a schematic representation of a basic circuit diagram of a rectifier 1 according to an embodiment. The rectifier includes three DC voltage connections Gl, G2 and G3. For example, the first DC voltage connection Gl can be coupled to a charging connection of an electric vehicle. For this purpose, a rectifier 100 can be provided between the charging connection of the electric vehicle and the DC voltage connection G1. In this way, one provided at the charging port can also be used AC voltage can be converted into a DC voltage, which can be provided at the first DC voltage connection Gl. Alternatively, a DC voltage can also be provided at the charging port of the electric vehicle, which can then optionally be provided at the first DC voltage port G1 via further components, such as a circuit breaker or the like. The second DC voltage connection G2 can be coupled, for example, to a high-voltage network 200 of an electric vehicle. This high-voltage network 200 can include, for example, a traction battery, an electric drive system and, if necessary, other electrical consumers. The third DC voltage connection G3 can be connected, for example, to a low-voltage electrical system 300 of an electric vehicle. In this low-voltage electrical system 300, for example, electrical consumers such as sensors, actuators, control devices, an entertainment system or any other components, for example for comfort functions or the like of a vehicle, can be provided. Furthermore, an electric battery can also be provided in this low-voltage electrical system 300.
Das Hochvoltbordnetz 200 kann beispielsweise eine Spannung im Bereich von einigen Hundert Volt, beispielsweise 400 V oder 800 V aufweisen. Das Niedervoltbordnetz 300 kann eine deutlich geringere Spannung, beispielsweise eine Spannung im Bereich von 12 bis 14 V, 24 V oder 48 V aufweisen. The high-voltage electrical system 200 can, for example, have a voltage in the range of several hundred volts, for example 400 V or 800 V. The low-voltage electrical system 300 can have a significantly lower voltage, for example a voltage in the range of 12 to 14 V, 24 V or 48 V.
Der Gleichrichter 1 ist dazu ausgelegt, elektrische Energie zwischen den Gleichspannungsanschlüssen Gl, G2 und G3 auszutauschen. Wie im Nachfolgenden noch näher erläutert wird, kann dabei die elektrische Energie in nahezu beliebiger Konfiguration zwischen den einzelnen Gleichspannungsanschlüssen Gl bis G3 ausgetauscht werden. Hierbei ermöglicht der Gleichspannungswandler 1 einerseits eine galvanische Trennung zwischen den Gleichspannungsanschlüssen Gl, G2 und G3, und passt darüber hinaus andererseits auch die Spannungshöhe jeweils entsprechend dem Spannungsniveau an den Gleichspannungsanschlüssen Gl, G2 und G3 an. The rectifier 1 is designed to exchange electrical energy between the DC voltage connections Gl, G2 and G3. As will be explained in more detail below, the electrical energy can be exchanged in almost any configuration between the individual DC voltage connections Gl to G3. Here, the DC-DC converter 1, on the one hand, enables galvanic isolation between the DC voltage connections Gl, G2 and G3, and on the other hand also adapts the voltage level in accordance with the voltage level at the DC voltage connections Gl, G2 and G3.
Der Gleichspannungswandler 1 umfasst einen Transformator TR. DerThe DC-DC converter 1 comprises a transformer TR. The
Transformator umfasst eine Primärwicklung 11, eine erste Sekundärwicklung 12 und eine zweite Sekundärwicklung 13. Weiterhin umfasst der Gleichrichter 1 eine erste Halbbrückenschaltung Hl, eine zweite Halbbrückenschaltung H2 und eine dritte Halbbrückenschaltung H3. Der detaillierte Aufbau dieser Halbbrückenschaltungen Hl bis H3 wird im Nachfolgenden noch näher erläutert. Ein erster Außenanschluss Al der ersten Halbbrückenschaltung Hl ist mit einem ersten Anschlusspunkt des ersten Gleichspannungsanschlusses Gl verbunden. Ein zweiter Außenanschluss A2 der ersten Halbbrückenschaltung Hl ist mit einem zweiten Anschlusspunkt des ersten Gleichspannungsanschlusses Gl verbunden. Die beiden Mittenanschlüsse Ml, M2 der ersten Halbbrücke Hl sind über einen ersten Schwingkreis S1 mit den Anschlüssen der Primärwicklung 11 des Transformators TR verbunden. Der Schwingkreis S1 kann beispielsweise eine erste Spule bzw. Induktivität II und einen ersten Kondensator bzw. eine erste Kapazität CI umfassen. Beispielsweise kann die erste Induktivität II zwischen dem ersten Mittenanschluss Ml der ersten Halbbrücke Hl und dem ersten Anschluss der Primärwicklung 11 vorgesehen sein, und die erste Kapazität CI des ersten Schwingkreises S1 kann zwischen dem zweiten Mittenanschluss M2 der ersten Halbbrücke Hl und dem zweiten Anschluss der ersten Wicklung 11 des Transformators TR angeordnet sein. Alternativ ist es jedoch auch möglich, dass eine Serienschaltung aus der ersten Induktivität II und der ersten Kapazität CI zwischen einem Mittenanschluss Ml oder M2 der ersten Halbbrücke Hl und dem korrespondierenden Anschluss der Primärwicklung 11 des Transformators TR angeordnet ist. Grundsätzlich sind darüber hinaus auch beliebige andere geeignete Anordnungen von Schwingkreisen zwischen der ersten Halbbrücke Hl und der Primärwicklung 11 des Transformators TR möglich. Neben einer diskreten Induktivität II ist es gegebenenfalls auch möglich, als induktive Komponente des Schwingkreises parasitäre Induktivitäten, wie zum Beispiel die parasitären induktiven Eigenschaften der Primärwicklung 11 des Transformators TR zu nutzen. Transformer includes a primary winding 11 and a first secondary winding 12 and a second secondary winding 13. Furthermore, the rectifier 1 comprises a first half-bridge circuit Hl, a second half-bridge circuit H2 and a third half-bridge circuit H3. The detailed structure of these half-bridge circuits H1 to H3 will be explained in more detail below. A first external connection Al of the first half-bridge circuit Hl is connected to a first connection point of the first DC voltage connection Gl. A second external connection A2 of the first half-bridge circuit Hl is connected to a second connection point of the first DC voltage connection Gl. The two center connections Ml, M2 of the first half bridge Hl are connected to the connections of the primary winding 11 of the transformer TR via a first resonant circuit S1. The resonant circuit S1 can, for example, comprise a first coil or inductor II and a first capacitor or a first capacitance CI. For example, the first inductance II can be provided between the first center connection Ml of the first half bridge Hl and the first connection of the primary winding 11, and the first capacitance CI of the first resonant circuit S1 can be provided between the second center connection M2 of the first half bridge Hl and the second connection of the first Winding 11 of the transformer TR may be arranged. Alternatively, however, it is also possible for a series connection consisting of the first inductance II and the first capacitance CI to be arranged between a center connection Ml or M2 of the first half bridge Hl and the corresponding connection of the primary winding 11 of the transformer TR. In principle, any other suitable arrangements of resonant circuits between the first half bridge H1 and the primary winding 11 of the transformer TR are also possible. In addition to a discrete inductance II, it is also possible to use parasitic inductances, such as the parasitic inductive properties of the primary winding 11 of the transformer TR, as an inductive component of the resonant circuit.
Ein erster Außenanschluss der zweiten H-Brücke H2 ist mit einem ersten Anschlusspunkt des zweiten Gleichspannungsanschlusses G2 verbunden. Analog ist ein zweiter Außenanschluss der zweiten H-Brücke H2 mit einem zweiten Anschlusspunkt des zweiten Gleichspannungsanschlusses G2 verbunden. Ein erster Mittenanschluss der zweiten H-Brücke H2 ist mit einem ersten Anschluss der ersten Sekundärwicklung 12 des Transformators TR verbunden, und ein zweiter Mittenanschluss der zweiten H-Brücke H2 ist mit einem zweiten Anschluss der ersten Sekundärwicklung 12 des Transformators TR verbunden. A first external connection of the second H-bridge H2 is connected to a first connection point of the second DC voltage connection G2. Similarly, a second external connection of the second H-bridge H2 is connected to a second connection point of the second DC voltage connection G2. A first center connection of the second H-bridge H2 is connected to a first connection of the first secondary winding 12 of the transformer TR and a second center terminal of the second H-bridge H2 is connected to a second terminal of the first secondary winding 12 of the transformer TR.
Ein erster Außenanschluss der dritten H-Brücke H3 ist mit einem ersten Anschluss des dritten Gleichspannungsanschlusses G3 verbunden, und ein zweiter Außenanschluss der dritten H-Brücke H3 ist mit einem zweiten Anschlusspunkt des dritten Gleichspannungsanschlusses G3 verbunden. Zwischen einem ersten Anschluss der zweiten Sekundärwicklung 13 und einem ersten Mittenanschluss der dritten H-Brücke H3 ist eine Induktivität 13 vorgesehen. Der zweite Anschluss der zweiten Sekundärwicklung 13 des Transformators TR ist mit dem zweiten Mittenanschluss der dritten H-Brücke H3 verbunden. A first external terminal of the third H-bridge H3 is connected to a first terminal of the third DC voltage terminal G3, and a second external terminal of the third H-bridge H3 is connected to a second connection point of the third DC voltage terminal G3. An inductance 13 is provided between a first terminal of the second secondary winding 13 and a first center terminal of the third H-bridge H3. The second terminal of the second secondary winding 13 of the transformer TR is connected to the second center terminal of the third H-bridge H3.
Die Schaltelemente der H-Brücken Hl, H2 und H3 können mittels einer Steuereinrichtung 20 in geeigneter Weise angesteuert werden. Auf diese Weise kann der Energiefluss zwischen den Gleichspannungsanschlüssen Gl, G2 und G3 sowie die jeweiligen Spannungshöhen der Ausgangsspannungen entsprechend gesteuert bzw. geregelt werden. Gegebenenfalls können hierzu geeignete Sensoren vorgesehen sein (nicht dargestellt), die die elektrischen Spannungen bzw. Ströme in dem Gleichspannungswandler 1 erfassen und der Steuervorrichtung 20 bereitstellen. The switching elements of the H-bridges H1, H2 and H3 can be controlled in a suitable manner by means of a control device 20. In this way, the energy flow between the DC voltage connections Gl, G2 and G3 as well as the respective voltage levels of the output voltages can be controlled or regulated accordingly. If necessary, suitable sensors can be provided for this purpose (not shown), which detect the electrical voltages or currents in the DC-DC converter 1 and provide them to the control device 20.
Figur 2 zeigt eine schematische Darstellung einer H-Brückenschaltung, beispielsweise einer ersten H-Brückenschaltung Hl gemäß einer Ausführungsform. Da die zweite und dritte H-Brückenschaltung H2 und H3 analog aufgebaut sein können, wird hierbei jedoch lediglich die erste H- Brückenschaltung Hl näher erläutert. Figure 2 shows a schematic representation of an H-bridge circuit, for example a first H-bridge circuit H1 according to an embodiment. Since the second and third H-bridge circuits H2 and H3 can be constructed analogously, only the first H-bridge circuit Hl will be explained in more detail here.
Ein erster Außenanschluss Al der ersten H-Brückenschaltung Hl ist elektrisch mit einem ersten Anschlusspunkt des ersten Gleichspannungsanschlusses Gl verbunden. Zwischen einem Mittenanschluss Ml und dem ersten Außenanschluss Al ist ein erstes Schaltelement TI angeordnet. Zwischen dem ersten Außenanschluss Al und einem zweiten Mittenanschluss M2 ist ein zweites Schaltelement T2 angeordnet. Zwischen dem ersten Mittenanschluss Ml und einem zweiten Außenanschluss A2 ist ein drittes Schaltelement T3 angeordnet. Zwischen dem zweiten Mittenanschluss M2 und dem zweiten Außenanschluss A2 ist ein viertes Schaltelement T4 angeordnet. Bei den Schaltelementen TI bis T4 kann es sich um Halbleiterschaltelemente, wie beispielsweise MOSFET oder bipolare Transistoren mit einem isolierten Gate- Anschluss (IGBT), handeln. Sofern in den Schaltelementen TI bis T4 keine integrierte Body-Diode vorgesehen ist, kann jeweils parallel zu den Schaltelementen TI bis T4 auch noch eine externe Diode vorgesehen sein. Der zweite Außenanschluss A2 ist mit einem zweiten Anschlusspunkt des Gleichspannungsanschlusses G2 verbunden. Die beiden Mittenanschlüsse Ml und M2 sind über den zuvor bereits beschriebenen Schwingkreis S1 mit den beiden Anschlüssen der Primärwicklung 11 des Transformators TR verbunden. A first external connection Al of the first H-bridge circuit Hl is electrically connected to a first connection point of the first DC voltage connection Gl. A first switching element TI is arranged between a center connection Ml and the first external connection Al. A second switching element T2 is arranged between the first external connection Al and a second center connection M2. Between the first center connection Ml and a second external connection A2, a third switching element T3 is arranged. A fourth switching element T4 is arranged between the second center connection M2 and the second external connection A2. The switching elements TI to T4 can be semiconductor switching elements, such as MOSFETs or bipolar transistors with an insulated gate connection (IGBT). If no integrated body diode is provided in the switching elements TI to T4, an external diode can also be provided in parallel to the switching elements TI to T4. The second external connection A2 is connected to a second connection point of the DC voltage connection G2. The two center connections M1 and M2 are connected to the two connections of the primary winding 11 of the transformer TR via the previously described resonant circuit S1.
Figur 3 zeigt eine schematische Darstellung eines Prinzipschaltbildes eines Gleichspannungswandlers 1 gemäß einer Ausführungsform. Die Ausführungsform gemäß Figur 3 unterscheidet sich von der zuvor beschriebenen Ausführungsform gemäß Figur 1 insbesondere dadurch, dass zwischen der ersten Sekundärwicklung 12 des Transformators TR und der zweiten H- Brückenschaltung H2 ein zweiter Schwingkreis S2 vorgesehen ist. Dieser zweite Schwingkreis S2 kann beispielsweise eine zweite Kapazität C2 zwischen einem Anschluss der ersten Sekundärwicklung 12 des Transformators TR und einem korrespondierenden Mittenanschluss der zweiten H-Brückenschaltung H2 umfassen. Ferner kann der zweite Schwingkreis S2 zwischen einem Anschluss der ersten Sekundärwicklung 12 des Transformators TR und einem Mittenanschluss der zweiten H-Brückenschaltung H2 eine zweite Induktivität 12 umfassen. Gegebenenfalls ist auch eine Serienschaltung aus einer zweiten Kapazität C2 und einer zweiten Induktivität 12 zwischen einem Anschluss der ersten Sekundärwicklung 12 des Transformators TR und einem Mittenanschluss der zweiten H-Brückenschaltung H2 möglich. Bei der zweiten Induktivität 12 kann es sich beispielsweise um eine weitere diskrete Induktivität handelt. Alternativ ist es auch möglich z.B. parasitärere induktiven Eigenschaften des Transformators TR als zweite Induktivität 12 zu nutzen. Darüber hinaus sind, soweit sinnvoll, auch beliebige andere Schaltungsanordnungen für einen Schwingkreis S2 möglich. Weiterhin kann der Gleichrichter 1 auch optional parallel zu der Induktivität 13 zwischen der zweiten Sekundärwicklung 13 und einem Mittenanschluss der dritten H-Brückenschaltung H3 ein Schaltelement R aufweisen. Durch die Parallelschaltung dieses Schaltelements R zu der Induktivität 13 kann die Induktivität 13 beim Schließen des Schaltelements R überbrückt und somit kurzgeschlossen werden. Auf diese Weise entfallen die induktiven Eigenschaften dieser Induktivität 13. Figure 3 shows a schematic representation of a basic circuit diagram of a DC-DC converter 1 according to an embodiment. The embodiment according to Figure 3 differs from the previously described embodiment according to Figure 1 in particular in that a second resonant circuit S2 is provided between the first secondary winding 12 of the transformer TR and the second H-bridge circuit H2. This second resonant circuit S2 can, for example, comprise a second capacitance C2 between a connection of the first secondary winding 12 of the transformer TR and a corresponding center connection of the second H-bridge circuit H2. Furthermore, the second resonant circuit S2 can comprise a second inductance 12 between a connection of the first secondary winding 12 of the transformer TR and a center connection of the second H-bridge circuit H2. If necessary, a series connection of a second capacitance C2 and a second inductance 12 between a connection of the first secondary winding 12 of the transformer TR and a center connection of the second H-bridge circuit H2 is also possible. The second inductance 12 can, for example, be another discrete inductance. Alternatively, it is also possible to use, for example, the more parasitic inductive properties of the transformer TR as a second inductance 12. In addition, any other circuit arrangements for an oscillating circuit S2 are also possible, provided they make sense. Furthermore, the rectifier 1 can also optionally have a switching element R parallel to the inductance 13 between the second secondary winding 13 and a center connection of the third H-bridge circuit H3. By connecting this switching element R in parallel to the inductance 13, the inductance 13 can be bridged and thus short-circuited when the switching element R is closed. In this way, the inductive properties of this inductance 13 are eliminated.
Darüber hinaus gelten für den Gleichrichter 1 gemäß Figur 3 sämtliche bereits zuvor in Zusammenhang mit den Figuren 1 und 2 gemachten Ausführungsformen. Es versteht sich, dass grundsätzlich auch Gleichrichter 1 möglich sind, bei welchen nur der zweite Schwingkreis S2 vorgesehen ist, jedoch das zusätzliche Schaltelement R entfällt, oder alternativ nur das zusätzliche Schaltelement R vorgesehen ist, jedoch der zweite Schwingkreis S2 entfallen kann. In addition, all of the embodiments previously made in connection with Figures 1 and 2 apply to the rectifier 1 according to FIG. It is understood that in principle rectifiers 1 are also possible in which only the second resonant circuit S2 is provided, but the additional switching element R is omitted, or alternatively only the additional switching element R is provided, but the second resonant circuit S2 can be omitted.
Durch den zuvor beschriebenen Gleichrichter 1 kann mittels geeigneter Ansteuerung der Schaltelemente in den Halbbrücken Hl, H2 und/oder H3 elektrische Energie zwischen den Gleichspannungsanschlüssen Gl, G2 und G3 ausgetauscht werden. Dabei kann auch jeweils die Spannungshöhe bei der Gleichspannungskonvertierung in geeigneter Weise geregelt werden. Durch die Verwendung des ersten Schwingkreises S1 und gegebenenfalls des zweiten Schwingkreises S2 sowie auch durch die zusätzliche Induktivität 13 zwischen der zweiten Sekundärwicklung 13 und der dritten H-Brückenschaltung H3 sind dabei neben konventionellen Ansteuerungen, wie sie beispielsweise für Dual Active Bridge (DAB) Gleichspannungswandler verwendet werden, auch resonante Betriebsmodi möglich. Bei solchen resonanten Betriebsmodi kann durch geeignetes Ansteuern der Schaltelemente in einer H-Brückenschaltung Hl, H2 oder H3 die jeweilige Wicklung 11, 12, 13 des Transformators TR mit einer Frequenz angeregt werden, die zu einer Resonanzfrequenz des jeweiligen Schwingkreises korrespondiert. Insbesondere kann als Anregefrequenz eine Frequenz gewählt werden, die von der Resonanzfrequenz des Schwingkreises leicht abweicht. Beispielsweise kann eine Anregefrequenz gewählt werden, die höher ist, als die Resonanzfrequenz des Schwingkreises. Hierdurch können z-B. die Schaltverluste verringert werden., Durch das Anpassen der Anregefrequenz sowie gegebenenfalls einer Phasenverschiebung zwischen den Wechselspannungen an der Primärwicklung 11, der ersten Sekundärwicklung 12 sowie der zweiten Sekundärwicklung 13 kann die zu übertragende Leistung und die elektrische Ausgangsspannung in geeigneter Weise eingestellt werden. Sofern parallel zu der Induktivität 13 zwischen der zweiten Sekundärwicklung 13 und der dritten H-Brückenschaltung H3 ein Schaltelement R vorgesehen ist, kann durch gezieltes Öffnen bzw. Schließen dieses Schaltelements R ebenfalls Einfluss auf das Spannungsniveau bzw. die zu übertragende Leistung genommen werden. The previously described rectifier 1 can be used to exchange electrical energy between the DC voltage connections G1, G2 and G3 by means of suitable control of the switching elements in the half bridges H1, H2 and/or H3. The voltage level during the DC voltage conversion can also be regulated in a suitable manner. Due to the use of the first resonant circuit S1 and possibly the second resonant circuit S2 as well as the additional inductance 13 between the second secondary winding 13 and the third H-bridge circuit H3, DC-DC converters are used in addition to conventional controls, such as those for Dual Active Bridge (DAB). resonant operating modes are also possible. In such resonant operating modes, by appropriately controlling the switching elements in an H-bridge circuit H1, H2 or H3, the respective winding 11, 12, 13 of the transformer TR can be excited at a frequency that corresponds to a resonance frequency of the respective resonant circuit. In particular, a frequency which deviates slightly from the resonance frequency of the resonant circuit can be selected as the excitation frequency. For example, an excitation frequency can be selected that is higher than the resonance frequency of the resonant circuit. This allows e.g. The switching losses can be reduced by adjusting the excitation frequency and, if necessary, a phase shift between the alternating voltages on the primary winding 11, the first secondary winding 12 and the second secondary winding 13, the power to be transmitted and the electrical output voltage can be adjusted in a suitable manner. If a switching element R is provided in parallel to the inductance 13 between the second secondary winding 13 and the third H-bridge circuit H3, the voltage level or the power to be transmitted can also be influenced by targeted opening or closing of this switching element R.
Je nach gewünschtem Leistungs- bzw. Energiefluss sind in dem Gleichspannungswandler 1 mindestens die nachfolgenden sechs Betriebsmodi möglich, die in Zusammenhang mit dem Verfahren zum Betreiben des Gleichspannungswandlers 1 beschrieben werden. Depending on the desired power or energy flow, at least the following six operating modes are possible in the DC-DC converter 1, which are described in connection with the method for operating the DC-DC converter 1.
Figur 4 zeigt ein Ablaufdiagramm, wie es zum Betreiben eines Gleichspannungswandlers 1 gemäß einer Ausführungsform zugrunde liegt. Das Verfahren kann insbesondere auf einen der zuvor beschriebenen Gleichspannungswandler 1 angewendet werden. Figure 4 shows a flow chart for operating a DC-DC converter 1 according to an embodiment. The method can be applied in particular to one of the DC-DC converters 1 described above.
Zum Betreiben des Gleichspannungswandlers 1 kann die Steuereinrichtung 20 die Schaltelemente in den H-Brückenschaltungen Hl, H2 und/oder H3 in geeigneter Weise ansteuern. Hierzu kann beispielsweise eine pulsbreitenmodulierte Ansteuerung vorgenommen werden, um an den jeweiligen Primär- bzw. Sekundärwicklungen 11, 12, 13 die gewünschte elektrische Spannung in Bezug auf Amplitude, Frequenz und Phase einzustellen. To operate the DC-DC converter 1, the control device 20 can control the switching elements in the H-bridge circuits H1, H2 and/or H3 in a suitable manner. For this purpose, for example, a pulse width modulated control can be carried out in order to set the desired electrical voltage in terms of amplitude, frequency and phase at the respective primary or secondary windings 11, 12, 13.
In einem ersten Betriebsmodus Bl kann elektrische Energie von dem ersten Gleichspannungsanschluss Gl zu dem zweiten Gleichspannungsanschluss G2 übertragen werden. Auf diese Weise kann beispielsweise mittels an einem Ladeanschluss eines Elektrofahrzeugs bereitgestellter elektrischer Energie eine am zweiten Gleichspannungsanschluss G2 angeschlossene Traktionsbatterie des Elektrofahrzeugs aufgeladen werden. In einem zweiten Betriebsmodus B2 kann elektrische Energie von dem zweiten Gleichspannungsanschluss G2 an den dritten Gleichspannungsanschluss G3 übertragen werden. Auf diese Weise kann beispielsweise ein am dritten Gleichspannungsanschluss G3 angeschlossenes Niedervoltbordnetz 300 eines Elektrofahrzeugs aus dem Hochvoltbordnetz 200 mit elektrischer Energie versorgt werden. In a first operating mode Bl, electrical energy can be transmitted from the first DC voltage connection Gl to the second DC voltage connection G2. In this way, for example, a traction battery of the electric vehicle connected to the second DC voltage connection G2 can be charged by means of electrical energy provided at a charging connection of an electric vehicle. In a second operating mode B2, electrical energy can be transmitted from the second DC voltage connection G2 to the third DC voltage connection G3. In this way, for example, a low-voltage electrical system 300 of an electric vehicle connected to the third DC voltage connection G3 can be supplied with electrical energy from the high-voltage electrical system 200.
In einem dritten Betriebsmodus B3 kann elektrische Energie von dem dritten Gleichspannungsanschluss G3 an den zweiten Gleichspannungsanschluss G2 übertragen werden. Auf diese Weise kann zum Beispiel ein Zwischenkreis in dem Hochvoltbordnetz 200 mittels elektrischer Energie aus dem Niedervoltbordnetz 300 aufgeladen werden, bevor ein Trennschalter zwischen dem Zwischenkreis und der Traktionsbatterie in dem Hochvoltbordnetz geschlossen wird. In a third operating mode B3, electrical energy can be transmitted from the third DC voltage connection G3 to the second DC voltage connection G2. In this way, for example, an intermediate circuit in the high-voltage vehicle electrical system 200 can be charged using electrical energy from the low-voltage vehicle electrical system 300 before a circuit breaker between the intermediate circuit and the traction battery in the high-voltage vehicle electrical system is closed.
In einem vierten Betriebsmodus B4 kann elektrische Energie von dem zweiten Gleichspannungsanschluss G2 an den ersten Gleichspannungsanschluss Gl und an den dritten Gleichspannungsanschluss G3 übertragen werden. In a fourth operating mode B4, electrical energy can be transmitted from the second DC voltage connection G2 to the first DC voltage connection G1 and to the third DC voltage connection G3.
Ferner kann in einem fünften Betriebsmodus B5 beispielsweise elektrische Energie von dem zweiten Gleichspannungsanschluss G2 an den ersten Gleichspannungsanschluss Gl übertragen werden. Somit kann beispielsweise elektrische Energie von einer Traktionsbatterie an ein am Ladeanschluss angeschlossenes Energieversorgungsnetz eingespeist werden. Furthermore, in a fifth operating mode B5, for example, electrical energy can be transmitted from the second DC voltage connection G2 to the first DC voltage connection G1. This means, for example, that electrical energy can be fed from a traction battery to a power supply network connected to the charging connection.
Schließlich kann beispielsweise in einem sechsten Betriebsmodus B6 elektrische Energie von dem dritten Gleichspannungsanschluss G3 an den ersten Gleichspannungsanschluss Gl übertragen werden. Finally, for example, in a sixth operating mode B6, electrical energy can be transmitted from the third DC voltage terminal G3 to the first DC voltage terminal Gl.
Wie zuvor bereits beschrieben, kann insbesondere wenn elektrische Energie von bzw. zu einem Gleichspannungsanschluss übertragen werden soll, an dem ein Schwingkreis S1 oder S2 vorgesehen ist, eine Frequenz eingestellt werden, die entsprechend der Resonanzfrequenz des jeweiligen Schwingkreises angepasst wird. Somit ist ein resonanter Betriebsmodus möglich. Alternativ kann zur Energieübertragung zwischen den Gleichspannungsanschlüssen Gl, G2 und G3 auch die Ansteuerung gemäß einem Dual Active Bridge Gleichspannungswandler erfolgen. As already described above, especially when electrical energy is to be transmitted from or to a direct voltage connection on which an oscillating circuit S1 or S2 is provided, a frequency can be set that is adjusted according to the resonance frequency of the respective oscillating circuit. This makes a resonant operating mode possible. Alternatively, for the energy transfer between the direct voltage connections Gl, G2 and G3 The control can also be carried out according to a Dual Active Bridge DC-DC converter.
Zusammenfassend betrifft die vorliegende Erfindung einen Gleichspannungswandler mit drei Gleichspannungsanschlüssen, zwischen denen elektrische Energie ausgetauscht werden kann. Hierbei ist in dem Gleichspannungswandler mindestens ein Schwingkreis für einen resonanten Betrieb des Gleichspannungswandlers vorgesehen. Bevorzugt sind auch für weitere Gleichspannungsanschlüsse Bauelemente für einen resonanten Betrieb vorgesehen. In summary, the present invention relates to a DC-DC converter with three DC voltage connections between which electrical energy can be exchanged. Here, at least one resonant circuit is provided in the DC-DC converter for resonant operation of the DC-DC converter. Preferably, components for resonant operation are also provided for further DC voltage connections.

Claims

Ansprüche Expectations
1. Gleichspannungswandler (1), mit: einem Transformator (TR) mit einer Primärwicklung (11), einer ersten Sekundärwicklung (12) und einer zweiten Sekundärwicklung (13); einer erste H-Brückenschaltung (Hl), die an Außenanschlüssen (Al, A2) mit einem ersten Gleichspannungsanschluss (Gl) verbunden ist und an Mittenanschlüssen (Ml, M2) mit der Primärwicklung (11) des Transformators (TR) elektrisch gekoppelt ist; einer zweite H-Brückenschaltung (H2), die an Außenanschlüssen mit einem zweiten Gleichspannungsanschluss (G2) verbunden ist und an Mittenanschlüssen mit der ersten Sekundärwicklung (12) des Transformators (TR) elektrisch gekoppelt ist; einer dritte H-Brückenschaltung (H3), die an Außenanschlüssen mit einem dritten Gleichspannungsanschluss (G3) verbunden ist und an Mittenanschlüssen mit der zweiten Sekundärwicklung (13) des Transformators (TR) elektrisch gekoppelt ist; einem ersten Schwingkreis (Sl), der elektrisch zwischen den Mittenanschlüsse (Ml, M2) der ersten H-Brückenschaltung (Hl) und der Primärwicklung (11) des Transformators (TR) angeordnet ist; und einer Induktivität (13), die elektrisch zwischen einem der Mittenanschlüsse der dritten H-Brückenschaltung (H3) und der zweiten Sekundärwicklung (13) des Transformators (TR) angeordnet ist. 1. DC-DC converter (1), comprising: a transformer (TR) with a primary winding (11), a first secondary winding (12) and a second secondary winding (13); a first H-bridge circuit (Hl) which is connected at external connections (Al, A2) to a first DC voltage connection (Gl) and at center connections (Ml, M2) is electrically coupled to the primary winding (11) of the transformer (TR); a second H-bridge circuit (H2) which is connected at external connections to a second DC voltage connection (G2) and at center connections is electrically coupled to the first secondary winding (12) of the transformer (TR); a third H-bridge circuit (H3) which is connected at external connections to a third DC voltage connection (G3) and at center connections is electrically coupled to the second secondary winding (13) of the transformer (TR); a first resonant circuit (Sl) which is electrically arranged between the center terminals (Ml, M2) of the first H-bridge circuit (Hl) and the primary winding (11) of the transformer (TR); and an inductance (13) which is electrically arranged between one of the center terminals of the third H-bridge circuit (H3) and the second secondary winding (13) of the transformer (TR).
2. Gleichspannungswandler (1) nach Anspruch 1, mit einem Schaltelement (R), das elektrisch parallel zu der Induktivität (13) zwischen einem der Mittenanschlüsse der dritten H-Brückenschaltung (H3) und der zweiten Sekundärwicklung (13) des Transformators (TR) angeordnet ist. Gleichspannungswandler (1) nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Induktivität (13) zwischen einem der Mittenanschlüsse der dritten H- Brückenschaltung (H3) und der zweiten Sekundärwicklung (13) des Transformators (TR) in dem Transformator (TR) integriert ist. Gleichspannungswandler (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, mit einem zweiten Schwingkreis (S2), der elektrisch zwischen den Mittenanschlüssen der zweiten H-Brückenschaltung (H2) und der ersten Sekundärwicklung (12) des Transformators (TR) angeordnet ist. Gleichspannungswandler (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die erste H-Brückenschaltung (Hl), die zweite H-Brückenschaltung (H2) und die dritte H-Brückenschaltung (H3) jeweils ein erstes Halbleiterschaltelement umfassen, das zwischen einem ersten Außenanschluss und einem ersten Mittenanschluss angeordnet ist, ein zweites Halbleiterschaltelement, das zwischen dem ersten Außenanschluss und einem zweiten Mittenanschluss angeordnet ist, ein drittes Halbleiterschaltelement, das zwischen einem zweiten Außenanschluss und dem ersten Mittenanschluss angeordnet ist und ein viertes Halbleiterschaltelement, das zwischen dem zweiten Außenanschluss und dem zweiten Mittenanschluss angeordnet ist. Gleichspannungswandler (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, mit einer Steuereinrichtung (20), die dazu ausgelegt ist, die Halbleiterschaltelemente der ersten H-Brückenschaltung (Hl), der zweiten H-Brückenschaltung (H2) und der dritten H-Brückenschaltung (H3) anzusteuern, wobei die Steuereinrichtung (20) dazu ausgelegt ist, in einem resonanten Betrieb eine Frequenz und/oder eine Phase einer sich an der Primärwicklung (11) und/oder einer der Sekundärwicklungen (12, 13) des Transformators (TR) einstellenden elektrischen Wechselspannung anzupassen. Gleichspannungswandler (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei der Gleichspannungswandler (1) dazu ausgelegt ist, in einem ersten Betriebsmodus elektrische Energie von dem ersten Gleichspannungsanschluss (Gl) an den zweiten2. DC-DC converter (1) according to claim 1, with a switching element (R) which is electrically parallel to the inductance (13) between one of the center connections of the third H-bridge circuit (H3) and the second secondary winding (13) of the transformer (TR). is arranged. DC-DC converter (1) according to claim 1 or 2, wherein the inductance (13) is integrated in the transformer (TR) between one of the center connections of the third H-bridge circuit (H3) and the second secondary winding (13) of the transformer (TR). DC-DC converter (1) according to one of claims 1 to 3, with a second resonant circuit (S2) which is electrically arranged between the center connections of the second H-bridge circuit (H2) and the first secondary winding (12) of the transformer (TR). DC-DC converter (1) according to one of claims 1 to 4, wherein the first H-bridge circuit (Hl), the second H-bridge circuit (H2) and the third H-bridge circuit (H3) each comprise a first semiconductor switching element which is connected between a first external connection and a first center terminal, a second semiconductor switching element disposed between the first external terminal and a second center terminal, a third semiconductor switching element disposed between a second external terminal and the first center terminal, and a fourth semiconductor switching element disposed between the second external terminal and the second center connection is arranged. DC-DC converter (1) according to one of claims 1 to 5, with a control device (20) which is designed to control the semiconductor switching elements of the first H-bridge circuit (Hl), the second H-bridge circuit (H2) and the third H-bridge circuit ( H3). adapt to electrical alternating voltage. DC-DC converter (1) according to one of claims 1 to 6, wherein the DC-DC converter (1) is designed to transfer electrical energy from the first DC voltage connection (Gl) to the second in a first operating mode
Gleichspannungsanschluss (G2) zu übertragen, in einem zweiten Betriebsmodus elektrische Energie von dem zweiten Gleichspannungsanschluss (G2) an den drittenDC voltage connection (G2) to transmit electrical energy from the second DC voltage connection (G2) to the third in a second operating mode
Gleichspannungsanschluss (G3) zu übertragen, in einem dritten Betriebsmodus elektrische Energie von dem dritten Gleichspannungsanschluss (G3) an den zweitenDC voltage connection (G3) to transmit electrical energy from the third DC voltage connection (G3) to the second in a third operating mode
Gleichspannungsanschluss (G2) zu übertragen, in einem vierten Betriebsmodus elektrische Energie von dem zweitenDC voltage connection (G2), in a fourth operating mode to transfer electrical energy from the second
Gleichspannungsanschluss (G2) an den erstenDC voltage connection (G2) to the first
Gleichspannungsanschluss (Gl) und an den drittenDC voltage connection (Gl) and to the third
Gleichspannungsanschluss (G3) zu übertragen, in einem fünften Betriebsmodus elektrische Energie von dem zweiten Gleichspannungsanschluss (G2) an den erstenDC voltage connection (G3) to transmit electrical energy from the second DC voltage connection (G2) to the first in a fifth operating mode
Gleichspannungsanschluss (Gl) zu übertragen, und in einem sechsten Betriebsmodus elektrische Energie von dem dritten Gleichspannungsanschluss (G3) an den erstenDC voltage connection (Gl), and in a sixth operating mode, electrical energy from the third DC voltage connection (G3) to the first
Gleichspannungsanschluss (Gl) zu übertragen; wobei ein Wert einer elektrische Gleichspannung an dem dritten Gleichspannungsanschluss (G3) kleiner ist als ein Wert einer elektrische Gleichspannung an dem zweiten Gleichspannungsanschluss (G2). DC voltage connection (Gl); wherein a value of an electrical DC voltage at the third DC voltage connection (G3) is smaller than a value of an electrical DC voltage at the second DC voltage connection (G2).
Elektrofahrzeug mit einem Hochvoltbordnetz (200); einem Niedervoltbordnetz (300); und einem Gleichspannungswandler (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7. wobei der zweite Gleichspannungsanschluss (G2) des Gleichspannungswandlers (1) mit dem Hochvoltbordnetz (200) des Elektrofahrzeugs elektrische gekoppelt ist, und der dritte Gleichspannungsanschluss (G3) des Gleichspannungswandlers (1) mit dem Niedervoltbordnetz (300) des Elektrofahrzeugs elektrische gekoppelt ist. Elektrofahrzeug nach Anspruch 8, mit einem Gleichrichter (100), der dazu ausgelegt ist, an einem Wechselspannungseingang mit einer ein- oder mehrphasigen Wechselspannungsquelle gekoppelt zu werden und an einem Gleichspannungsausgang mit dem ersten Gleichspannungsanschluss (Gl) des Gleichspannungswandlers (1) elektrisch gekoppelt ist. Verfahren zum Betreiben eines Gleichspannungswandlers (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei bei dem Betrieb des Gleichspannungswandlers (1) je einer der folgenden Schritte ausgeführt wird: Electric vehicle with a high-voltage electrical system (200); a low-voltage on-board network (300); and a DC-DC converter (1) according to one of claims 1 to 7, wherein the second DC voltage connection (G2) of the DC-DC converter (1) is electrically coupled to the high-voltage on-board network (200) of the electric vehicle, and the third DC voltage connection (G3) of the DC-DC converter (1) is electrically coupled to the low-voltage on-board network (300) of the electric vehicle. Electric vehicle according to claim 8, with a rectifier (100) which is designed to be coupled to a single-phase or multi-phase AC voltage source at an AC voltage input and is electrically coupled to the first DC voltage connection (Gl) of the DC-DC converter (1) at a DC voltage output. Method for operating a DC-DC converter (1) according to one of claims 1 to 6, wherein one of the following steps is carried out during operation of the DC-DC converter (1):
Übertragen (Bl) von elektrischer Energie von dem ersten Gleichspannungsanschluss (Gl) an den zweiten Gleichspannungsanschluss (G2) in einem ersten Betriebsmodus; Transferring (Bl) electrical energy from the first DC voltage terminal (Gl) to the second DC voltage terminal (G2) in a first operating mode;
Übertragen (B2) von elektrischer Energie von dem zweiten Gleichspannungsanschluss (G2) an den dritten Gleichspannungsanschluss (G3) in einem zweiten Betriebsmodus; Übertragen (B3) von elektrischer Energie von dem drittenTransmitting (B2) electrical energy from the second DC voltage connection (G2) to the third DC voltage connection (G3) in a second operating mode; Transferring (B3) electrical energy from the third
Gleichspannungsanschluss (G3) an den zweiten Gleichspannungsanschluss (G2) in einem dritten Betriebsmodus; DC voltage connection (G3) to the second DC voltage connection (G2) in a third operating mode;
Übertragen (B4) von elektrischer Energie von dem zweitenTransferring (B4) electrical energy from the second
Gleichspannungsanschluss (G2) an den ersten Gleichspannungsanschluss (Gl) und an den dritten Gleichspannungsanschluss (G3) in einem vierten Betriebsmodus; DC voltage connection (G2) to the first DC voltage connection (Gl) and to the third DC voltage connection (G3) in a fourth operating mode;
Übertragen (B5) von elektrischer Energie von dem zweiten Gleichspannungsanschluss (G2) an den ersten Gleichspannungsanschluss (Gl) in einem fünften Betriebsmodus; oder Transmitting (B5) electrical energy from the second DC voltage connection (G2) to the first DC voltage connection (Gl) in a fifth operating mode; or
Übertragen (B6) von elektrischer Energie von dem dritten Gleichspannungsanschluss (G3) an den ersten Gleichspannungsanschluss (Gl) in einem sechsten Betriebsmodus; wobei eine elektrische Gleichspannung an dem dritten Gleichspannungsanschluss (G3) kleiner ist als eine elektrische Gleichspannung an dem zweiten Gleichspannungsanschluss (G2). Transferring (B6) electrical energy from the third DC voltage connection (G3) to the first DC voltage connection (Gl) in a sixth operating mode; wherein an electrical DC voltage at the third DC voltage connection (G3) is smaller than an electrical DC voltage at the second DC voltage connection (G2).
PCT/EP2023/068021 2022-09-27 2023-06-30 Dc/dc converter, electric vehicle and method for operating a dc/dc converter WO2024068066A1 (en)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102022210189.8 2022-09-27
DE102022210189.8A DE102022210189A1 (en) 2022-09-27 2022-09-27 DC-DC converter, electric vehicle and method for operating a DC-DC converter

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2024068066A1 true WO2024068066A1 (en) 2024-04-04

Family

ID=87155647

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/EP2023/068021 WO2024068066A1 (en) 2022-09-27 2023-06-30 Dc/dc converter, electric vehicle and method for operating a dc/dc converter

Country Status (2)

Country Link
DE (1) DE102022210189A1 (en)
WO (1) WO2024068066A1 (en)

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102014210283A1 (en) 2014-05-30 2015-12-03 Robert Bosch Gmbh Method for operating a vehicle electrical system and vehicle electrical system
US20180222333A1 (en) * 2014-06-13 2018-08-09 University Of Maryland Integrated dual-output grid-to-vehicle (g2v) and vehicle-to-grid (v2g) onboard charger for plug-in electric vehicles
US20200366215A1 (en) * 2018-01-29 2020-11-19 Queen's University At Kingston Resonant Power Converters and Control Methods for Wide Input and Output Voltage Ranges
EP3754830A1 (en) * 2019-06-19 2020-12-23 ACER Incorporated Power supply device
US20210155100A1 (en) * 2018-04-10 2021-05-27 University Of Maryland, College Park Vehicle on-board charger for bi-directional charging of low/high voltage batteries
WO2021210850A1 (en) * 2020-04-14 2021-10-21 엘지이노텍 주식회사 Zero voltage switching circuit and converter comprising same

Patent Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102014210283A1 (en) 2014-05-30 2015-12-03 Robert Bosch Gmbh Method for operating a vehicle electrical system and vehicle electrical system
US20180222333A1 (en) * 2014-06-13 2018-08-09 University Of Maryland Integrated dual-output grid-to-vehicle (g2v) and vehicle-to-grid (v2g) onboard charger for plug-in electric vehicles
US20200366215A1 (en) * 2018-01-29 2020-11-19 Queen's University At Kingston Resonant Power Converters and Control Methods for Wide Input and Output Voltage Ranges
US20210155100A1 (en) * 2018-04-10 2021-05-27 University Of Maryland, College Park Vehicle on-board charger for bi-directional charging of low/high voltage batteries
EP3754830A1 (en) * 2019-06-19 2020-12-23 ACER Incorporated Power supply device
WO2021210850A1 (en) * 2020-04-14 2021-10-21 엘지이노텍 주식회사 Zero voltage switching circuit and converter comprising same
EP4138291A1 (en) * 2020-04-14 2023-02-22 LG Innotek Co., Ltd. Zero voltage switching circuit and converter comprising same

Also Published As

Publication number Publication date
DE102022210189A1 (en) 2024-03-28

Similar Documents

Publication Publication Date Title
DE60220560T2 (en) Medium frequency power supply for a rail vehicle
DE102021101845A1 (en) MAGNETIC INTEGRATION OF MULTIPLE SOURCES USING A POWER SOURCE SUPPLIED TRANSFORMER STRUCTURE WITH DISCONNECTED SECONDARY DEVELOPMENTS
EP3840980B1 (en) Charging apparatus with controllable intermediate circuit neutral point voltage and drive system with such charging apparatus
EP2623363B1 (en) Apparatus and method for charging a traction battery of an electric vehicle
DE102018006409A1 (en) Energy converter for energy technology coupling a DC electrical system with an AC or DC power source
WO2018109001A1 (en) Dc-dc converter, vehicle electrical system having a dc-dc converter
DE102013203734B4 (en) Modular high frequency inverter
EP2586646A2 (en) Electrical power supply assembly for drive units, for operating a rail vehicle on electrical supply networks
WO2020064432A1 (en) Charging circuit for a vehicle-side stored electrical energy source
EP3721542B1 (en) Three-port voltage converter with transformer
WO2021037433A1 (en) Control method for a dc-dc converter and dc-dc voltage converter
DE102018221519B4 (en) Vehicle-side loading device
DE102012206801A1 (en) Circuit for direct current charging station for charging battery of e.g. electric car, has power converter circuitry that performs voltage switching between direct voltages that rest against respective voltage terminals
WO2020114649A1 (en) Bidirectional dc/dc converter and method for operating the dc/dc converter
WO2024068066A1 (en) Dc/dc converter, electric vehicle and method for operating a dc/dc converter
DE102004040228B4 (en) Electric vehicle
WO2024068075A1 (en) Dc voltage converter, electric vehicle and method for operating a dc voltage converter
EP4010973A1 (en) Dc voltage converter and method for operating a dc voltage converter
DE102015224437B4 (en) Vehicle electrical system voltage converter, vehicle on-board network with a vehicle electrical system voltage converter
DE102022209013B3 (en) Cost-optimized vehicle charging circuit with single-phase feedback function
WO2019091686A1 (en) Converter apparatus, electric drive system and method for operating an electric machine
DE102019213671A1 (en) Vehicle electrical system and use of a smoothing capacitor and a switching unit of a DC voltage converter within the vehicle electrical system
EP2605361B1 (en) Assembly and method for operating an assembly for inductive energy transmission to an electrical consumer
DE102017216388B4 (en) Traction network of a motor vehicle
DE102020203143A1 (en) Galvanically coupling DC voltage converter and vehicle electrical system