DE102021209140A1 - Storage choke with modular inner cores for a DC-DC converter, DC-DC converter and vehicle - Google Patents
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Abstract
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Speicherdrossel (10) für einen mehrphasigen Gleichspannungswandler (100) zum Umwandeln einer DC-Eingangsspannung in eine DC-Ausgangsspannung zum Aufladen einer Fahrzeugbatterie in einem Elektrofahrzeug oder Hybridfahrzeug, wobei die Speicherdrossel (10) mehrere Spulen (12A-C) und einen Drosselkern (13) aufweist, über den die Spulen (12A-C) miteinander magnetisch gekoppelt sind, wobei der Drosselkern (13) mehrere innere Kerne (14) zum Anbringen der Spulen (12A-C) und zwei äußere Kerne (16) umfasst, zwischen denen die inneren Kerne (14) mit den in diesen gewickelten Spulen (12A-C) angeordnet sind, wobei die inneren Kerne (14) modular mit einem oder mehreren Kernmodulen ausgebildet und in horizontaler Richtung aneinandergereiht sind.The present invention relates to a storage choke (10) for a multi-phase DC voltage converter (100) for converting a DC input voltage into a DC output voltage for charging a vehicle battery in an electric vehicle or hybrid vehicle, the storage choke (10) having a plurality of coils (12A-C) and a choke core (13) via which the coils (12A-C) are magnetically coupled to one another, the choke core (13) having a plurality of inner cores (14) for mounting the coils (12A-C) and two outer cores (16) between which the inner cores (14) with the coils (12A-C) wound therein are arranged, the inner cores (14) being of modular design with one or more core modules and lined up in a horizontal direction.
Description
Die Erfindung betrifft eine Speicherdrossel für einen Gleichspannungswandler sowie den Gleichspannungswandler.The invention relates to a storage choke for a DC-DC converter and the DC-DC converter.
Im Stand der Technik sind reine Elektrofahrzeuge sowie Hybridfahrzeuge bekannt, welche ausschließlich bzw. unterstützend von einer oder mehreren elektrischen Maschinen als Antriebsaggregate angetrieben werden. Um die elektrischen Maschinen solcher Fahrzeuge mit elektrischer Energie zu versorgen, umfassen die Fahrzeuge elektrische Energiespeicher, insbesondere wiederaufladbare elektrische Batterien. Für hohe Antriebsleistungen sind Batterien erforderlich, die eine entsprechend hohe DC-Spannung von beispielsweise 400V oder 800V bereitstellen. Solche Leistungsbatterien sind als Hochvoltbatterien (HV-Batterien) bezeichnet.Purely electric vehicles and hybrid vehicles are known in the prior art, which are driven exclusively or in support of one or more electric machines as drive units. In order to supply the electrical machines of such vehicles with electrical energy, the vehicles include electrical energy stores, in particular rechargeable electrical batteries. Batteries are required for high drive power, which provide a correspondingly high DC voltage of, for example, 400V or 800V. Such power batteries are referred to as high-voltage batteries (HV batteries).
Das Wiederaufladen der HV-Batterien stellt derzeit eine Herausforderung dar, da hierfür eine Ladespannung von mehreren Hundertvolt, beispielsweise 800V, benötigt wird, um die HV-Batterien ohne Beeinträchtigung deren Funktionalität wirksam aufzuladen. Jedoch beträgt die Ladespannung, die übliche Ladestationen für Elektrofahrzeuge zur Verfügung stellen, regelmäßig deutlich niedriger als die gewünschte Ladespannung, etwa 800V. Um solche Ladespannungen bereitzustellen, werden Gleichspannungswandler (DC/DC-Wandler) verwendet, die zwischen einer DC-Spannungsquelle mit einer Ausgangsspannung (bspw. 400V), die niedriger als die gewünschte Ladespannung (bspw. 800V) ist, und der aufzuladenden HV-Batterie geschaltet ist.The recharging of the HV batteries is currently a challenge, as this requires a charging voltage of several hundred volts, for example 800V, in order to charge the HV batteries effectively without impairing their functionality. However, the charging voltage that conventional charging stations provide for electric vehicles is regularly significantly lower than the desired charging voltage, around 800V. In order to provide such charging voltages, direct voltage converters (DC/DC converters) are used, which are connected between a DC voltage source with an output voltage (e.g. 400V) that is lower than the desired charging voltage (e.g. 800V) and the HV battery to be charged is switched.
Im Gleichspannungswandler ist eine Speicherdrossel vorhanden, die dazu ausgebildet ist, Energie in Form magnetischer Felder zwischenzuspeichern. Eine solche Speicherdrossel ist beispielsweise aus
Auf diese Weise ist eine Speicherdrossel verwirklicht, die hinsichtlich ihrer Differential-Mode(DM)-Induktivität und Common-Mode(CM)-Induktivität optimiert ist. Insbesondere kann mit der obigen Bauweise der Stromrippel und somit auch die Blindleistung in der Speicherdrossel reduziert werden.In this way, a storage choke is realized which is optimized with regard to its differential mode (DM) inductance and common mode (CM) inductance. In particular, the current ripple and thus also the reactive power in the storage choke can be reduced with the above design.
Dennoch weist die bekannte Speicherdrossel den Nachteil auf, dass diese bauartbedingt herstellungsaufwendig ist.Nevertheless, the known storage choke has the disadvantage that it is complex to manufacture due to its design.
Es ist eine Aufgabe der Erfindung, eine Speicherdrossel bereitzustellen, bei der die vorstehend genannten Nachteile zumindest teilweise überwunden sind.It is an object of the invention to provide a storage choke in which the disadvantages mentioned above are at least partially overcome.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Speicherdrossel und den Gleichspannungswandler gemäß den unabhängigen Patentansprüchen gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung gehen aus den abhängigen Patentansprüchen hervor.According to the invention, this object is achieved by the storage inductor and the DC/DC converter according to the independent patent claims. Advantageous refinements and developments of the invention emerge from the dependent patent claims.
Die erfindungsgemäße Speicherdrossel ist dazu ausgebildet, in einem mehrphasigen Gleichspannungswandler zum Umwandeln einer DC-Eingangsspannung in eine DC-Ausgangsspannung zum Aufladen einer Fahrzeugbatterie bzw. einer Fahrzeugbatterieanordnung in einem Elektrofahrzeug oder Hybridfahrzeug verwendet zu werden. Die Speicherdrossel umfasst mehrere Spulen und einen Drosselkern. Die Spulen sind über den Drosselkern miteinander magnetisch gekoppelt. Der Drosselkern ist als Kombination aus zwei verschiedenen Kerntypen ausgebildet. Insbesondere umfasst der Drosselkern mehrere innere Kerne zum Anbringen der Spulen und zugleich zwei äußere Kerne, zwischen denen die inneren Kerne mit den in diesen gewickelten Spulen in vertikaler Richtung angeordnet sind. Erfindungsgemäß sind die inneren Kerne modular mit jeweils einem oder mehreren Kernmodulen ausgebildet und in horizontaler Richtung aneinandergereiht.The storage choke according to the invention is designed to be used in a polyphase DC-DC converter for converting a DC input voltage into a DC output voltage for charging a vehicle battery or a vehicle battery arrangement in an electric vehicle or hybrid vehicle. The storage choke includes several coils and a choke core. The coils are magnetically coupled to one another via the inductor core. The choke core is designed as a combination of two different core types. In particular, the reactor core comprises a plurality of inner cores for mounting the coils and, at the same time, two outer cores between which the inner cores with the coils wound therein are arranged in the vertical direction. According to the invention, the inner cores are of modular design, each with one or more core modules, and lined up in a horizontal direction.
Unter Verwendung von modularen inneren Kernen ist die erfindungsgemäße Speicherdrossel einfach herstellbar. Zur Montage der Speicherdrossel ist möglich, die modularen inneren Kerne mit in diesen gewickelten Spulen in den Zwischenraum zwischen beiden äußeren Kernen, die vorzugsweise als Kernplatten ausgebildet sind, hineinzubringen. Je nach Anzahl der Phasen können eine entsprechende Anzahl von inneren Kernen in der Speicherdrossel auf einfache Weise kombiniert werden, um die entsprechende Anzahl an Spulen für den mehrphasigen Gleichspannungswandler einzukoppeln. Hierdurch ist bei der erfindungsgemäßen Speicherdrossel im Gegensatz zur eingangsgenannten bekannten Speicherdrossel nicht erforderlich, eine Vielzahl von Kernen verschiedener Bauformen einzeln in der Speicherdrossel anzuordnen. Auf diese Weise ist eine Speicherdrossel verwirklicht, bei der die Montage stark vereinfacht ist, ohne dass zusätzlich Haltestrukturen erforderlich sind. Die Speicherdrossel ist daher produktionsoptimiert.The storage choke according to the invention can be produced easily using modular inner cores. To assemble the storage choke, it is possible to bring the modular inner cores with coils wound into them into the space between the two outer cores, which are preferably designed as core plates. Depending on the number of phases, a corresponding number of inner cores can be combined in the storage choke in a simple manner in order to couple in the corresponding number of coils for the polyphase DC-DC converter. As a result, with the storage choke according to the invention, in contrast to the known storage choke mentioned at the outset, it is not necessary to arrange a large number of cores of different designs individually in the storage choke. In this way, a storage choke is realized in which the assembly is greatly simplified, without additional support structure doors are required. The storage choke is therefore optimized for production.
Gemäß einer Ausführungsform weisen die inneren Kerne jeweils einen Träger und einen vom Träger herauserstreckenden, vorzugsweise zylindrischen Schaft auf, um den die Spulen jeweils herumgewickelt sind. Beispielsweise umfasst der Träger einen Boden und zwei Seitenbegrenzungen, zwischen denen der Boden angeordnet ist, derart, dass ein Zwischenraum zur Aufnahme der Spule gebildet ist. Auf diese Weise können die inneren Kerne als vorgefertigte Bauteile verwendet werden, deren Geometrie vorbestimmt ist. Die Geometrie kann zwecks Optimierung der Speicherdrossel hinsichtlich der Common-Mode-Induktivität bereits vor der Montage der inneren Kerne angepasst sein, sodass eine zuverlässige Optimierung gewährleistet ist. Bei der eingangsgenannten, bekannten Speicherdrossel müssen dagegen die verschiedenen zylindrischen und dreieckigen Kerne einzeln in der Speicherdrossel gezielt angeordnet werden, um die Common-Mode-Induktivität der Speicherdrossel zu optimieren, was fehleranfällig ist.According to one embodiment, the inner cores each have a carrier and a preferably cylindrical shaft extending out from the carrier, around which the coils are respectively wound. For example, the carrier comprises a floor and two side borders between which the floor is arranged in such a way that an intermediate space is formed for accommodating the coil. In this way, the inner cores can be used as prefabricated components whose geometry is predetermined. In order to optimize the storage choke with regard to the common-mode inductance, the geometry can already be adjusted before the inner cores are installed, so that reliable optimization is ensured. In the case of the known storage choke mentioned at the outset, on the other hand, the various cylindrical and triangular cores must be specifically arranged individually in the storage choke in order to optimize the common-mode inductance of the storage choke, which is error-prone.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform weisen die inneren Kerne jeweils zwei Kernmodule auf, die derart angeordnet sind, dass deren Böden einander zugewandt und die zugehörigen Schäfte stirnseitig auf Stoß miteinander gefügt sind. Diese Maßnahme ermöglicht eine einfache Verdopplung des zur Aufnahme der Spulen vorgesehenen Zwischenraums in den inneren Kernen.According to a further embodiment, the inner cores each have two core modules which are arranged in such a way that their bases face one another and the associated shafts are butt-joined to one another at the ends. This measure enables a simple doubling of the space provided for receiving the coils in the inner cores.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform sind die Spulen in den inneren Kernen jeweils entlang einer vertikalen Achse gewickelt. Die inneren Kerne sind vorzugsweise derart angeordnet, dass sich die Schäfte in vertikaler Richtung erstrecken. Alternativ können die Spulen in den inneren Kernen jeweils entlang einer horizontalen Achse gewickelt sein. Die inneren Kerne sind vorzugsweise derart angeordnet, dass sich die Schäfte in horizontaler Richtung, vorzugsweise koaxial, erstrecken. In diesem Fall ist vorteilhaft, wenn benachbarte Spulen entgegengesetzte Wicklungsrichtungen aufweisen und/oder mit gegenläufigen Strömen beaufschlagt sind.According to another embodiment, the coils in the inner cores are each wound along a vertical axis. The inner cores are preferably arranged such that the shanks extend in the vertical direction. Alternatively, the coils in the inner cores may each be wound along a horizontal axis. The inner cores are preferably arranged such that the shanks extend in a horizontal direction, preferably coaxially. In this case, it is advantageous if adjacent coils have opposite winding directions and/or are subjected to opposite currents.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform sind die inneren Kerne aus einem ersten Material gebildet, wobei die äußeren Kerne aus einem zweiten Material gebildet sind, wobei das erste Material eine niedrigere magnetische Permeabilität und eine vergleichsweise höhere Sättigungsmagnetisierung als das zweite Material hat. Eine höhere magnetische Permeabilität (und zugleich niedrigere Sättigungsmagnetisierung) in den äußeren Kernen ermöglicht dort eine Erhöhung der Differential-Mode-Induktivität, was den Blindstrom in der Speicherdrossel reduziert. Eine höhere Sättigungsmagnetisierung und zugleich niedrigere magnetische Permeabilität in den inneren Kernen, in denen ein hoher DC-Flussanteil vorhanden ist, ermöglicht dort die Einstellung einer gewünschten Common-Mode-Induktivität zurReduzierung des Rippelstroms. Diese genannten Vorteile treten mit den sich aus der modularen Bauweise der inneren Kerne ergebenen Vorteilen in Synergie, dahingehend, dass die mittels geeigneter Geometrie der inneren Kerne erzielbare Optimierung der Speicherdrossel hinsichtlich der Differential- und Common-Mode-Induktivitäten auf zuverlässigere und genauere Weise reproduzierbar ist.According to a further embodiment, the inner cores are formed from a first material, with the outer cores being formed from a second material, the first material having a lower magnetic permeability and a comparatively higher saturation magnetization than the second material. A higher magnetic permeability (and at the same time lower saturation magnetization) in the outer cores enables an increase in the differential mode inductance there, which reduces the reactive current in the storage choke. A higher saturation magnetization and at the same time lower magnetic permeability in the inner cores, in which there is a high proportion of DC flux, makes it possible to set a desired common-mode inductance there in order to reduce the ripple current. These advantages mentioned synergize with the advantages resulting from the modular design of the inner cores, to the effect that the optimization of the storage choke that can be achieved by means of a suitable geometry of the inner cores with regard to the differential and common-mode inductances can be reproduced more reliably and more precisely .
Die Erfindung betrifft weiterhin einen Gleichspannungswandler zum Aufladen einer DC-Spannungsquelle, insbesondere einer HV-Batterie, in einem Elektrofahrzeug oder einem Hybridfahrzeug. Daraus ergeben sich die bereits im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Speicherdrossel beschriebenen Vorteile auch für den erfindungsgemäßen Gleichspannungswandler.The invention also relates to a DC voltage converter for charging a DC voltage source, in particular a HV battery, in an electric vehicle or a hybrid vehicle. The advantages already described in connection with the storage choke according to the invention also result for the DC-DC converter according to the invention.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand von in den Figuren dargestellten Ausführungsformen beispielhaft erläutert.The invention is explained below by way of example using the embodiments shown in the figures.
Es zeigen:
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1 ein schematisches Schaltbild eines mehrphasigen Gleichspannungswandlers; -
2 eine schematische Darstellung einer Speicherdrossel gemäß einer Ausführungsform für den Gleichspannungswandler aus1 , wobei mehrere Spulen jeweils um eine separate vertikale Achse in einem inneren Kern umfassend zwei Kernmodule gewickelt sind; -
3 eine schematische Darstellung eines inneren Kerns der Speicherdrossel aus2 ; -
4 eine schematische Darstellung einer Speicherdrossel gemäß einer weiteren Ausführungsform für den Gleichspannungswandler aus1 , wobei die Spulen jeweils um eine separate vertikale Achse in einem inneren Kern umfassend ein Kernmodul gewickelt sind; -
5 eine schematische Darstellung einer Speicherdrossel gemäß einer weiteren Ausführungsform für den Gleichspannungswandler aus1 , wobei die Spulen jeweils um eine separate horizontale Achse in einem inneren Kern gewickelt sind; -
6 eine schematische Darstellung einer Speicherdrossel gemäß einer weiteren Ausführungsform für den Gleichspannungswandler aus1 , wobei die Spulen jeweils um eine gemeinsame horizontale Achse in der Speicherdrossel gewickelt sind.
-
1 a schematic circuit diagram of a polyphase DC-DC converter; -
2 a schematic representation of a storage choke according to an embodiment for the DC-DC converter1 wherein a plurality of coils are each wound about a separate vertical axis in an inner core comprising two core modules; -
3 a schematic representation of an inner core of the storage inductor2 ; -
4 a schematic representation of a storage choke according to a further embodiment for the DC-DC converter1 wherein the coils are each wound about a separate vertical axis in an inner core comprising a core module; -
5 a schematic representation of a storage choke according to a further embodiment for the DC-DC converter1 , the coils each being wound about a separate horizontal axis in an inner core; -
6 a schematic representation of a storage choke according to a further embodiment for the DC-DC converter1 , wherein the coils are each wound around a common horizontal axis in the storage inductor.
Gleiche Gegenstände, Funktionseinheiten und vergleichbare Komponenten sind figurenübergreifend mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet. Diese Gegenstände, Funktionseinheiten und vergleichbaren Komponenten sind hinsichtlich ihrer technischen Merkmale identisch ausgeführt, sofern sich aus der Beschreibung nicht explizit oder implizit etwas anderes ergibt.Identical objects, functional units and comparable components are denoted by the same reference symbols across the figures. These objects, functional units and comparable components are designed to be identical in terms of their technical features, unless the description explicitly or implicitly states otherwise.
Im Betrieb des mehrphasigen Gleichspannungswandlers 100 werden die Halbbrücken derart geschaltet, dass an den Spulen 12A-C eine Spannung mit dem gleichen Spannungsverlauf, jedoch mit Zeitversatz zwischen den Spulen 12A-C angelegt wird. Auf diese Weise liegen zu bestimmten gegebenen Zeitpunkten zumindest teilweise unterschiedliche Spannungen an den Spulen 12A-C an, während zu anderen Zeitpunkten die gleiche Spannung an den Spulen 12A-C anliegen kann. Aufgrund dieser zeitlich variierenden Spannungsbeaufschlagung der Spulen 12A-C kommt es zu einer Überlagerung eines von der HV-Batterie 109 über die Speicherdrossel 10 und schließlich zur HV-Batterie 109 zurückfließenden ersten Stroms (auch Blindstrom genannt) mit einem von der DC-Spannungsquelle 107 zur HV-Batterie 109 fließenden zweiten Strom mit zeitlich variierenden Anteilen. Der erste Strom bzw. Blindstrom ist auf die Differential-Mode-Induktivität (DM-Induktivität) der Speicherdrossel 10 zurückzuführen, die dem Grad des Anstiegs (bzw. der ersten zeitlichen Ableitung) des Blindstroms entspricht. Der zweite Strom ist auf die Common-Mode-Induktivität (CM-Induktivität) der Speicherdrossel 10 zurückzuführen, die sich dadurch ergibt, dass sich die Dimension der Speicherdrossel 10 nicht beliebig vergrößern lässt. Aufgrund der CM-Induktivität kommt es zu Rippelströmen, die Leistungsverluste verursachen. Sowohl der Blindstrom als auch die Rippelströme sollen möglichst reduziert werden, um die Spannungsumwandlung zu optimieren.During operation of the multi-phase DC-
Die inneren Kerne 14 sind modular ausgebildet und können jeweils prinzipiell ein oder mehrere Kernmodule aufweisen, deren Aufbau in
In der in
In der in
Zwecks Optimierung der DM-Induktivität und CM-Induktivität der Speicherdrossel 10 können zwei verschiedene Materialien für die beiden Bestandteile des Drosselkerns 13, die inneren Kerne 14 und die äußeren Kerne 16, verwendet werden. In den inneren Kernen 14 ist ein hoher DC-Flussanteil vorhanden. Hier ist ein Material mit hoher Sättigungsmagnetisierung (z.B. Pulverkern) geeignet, was gleichzeitig eine niedrige magnetische Permeabilität aufweist. In den äußeren Kernen 16 kompensieren sich die DC-Flussanteile der Spulen 12A-C, sodass hier effektiv kein DC-Flussanteil vorhanden ist. Für die äußeren Kerne 16 kann daher ein Material mit niedriger Sättigungsmagnetisierung eingesetzt werden. Dies ermöglicht den Einsatz von Materialien mit einer hohen magnetischen Permeabilität (z.B. Ferrit). Die DM-Induktivität nimmt mit der magnetischen Permeabilität zu. Außerdem kann der Blindstrom reduziert werden, indem die DM-Induktivität erhöht wird.In order to optimize the DM inductance and CM inductance of the
BezugszeichenlisteReference List
- 10, 10', 10'', 10'''10, 10', 10'', 10'''
- Speicherdrosselstorage choke
- 12A-C12A-C
- SpulenWash
- 1313
- Drosselkernchoke core
- 1414
- innerer Kerninner core
- 1515
- Trägercarrier
- 1616
- Kernplattecore plate
- 1717
- Deckelplattecover plate
- 1818
- BodenFloor
- 2020
- Schaftshaft
- 2222
- Seitenbegrenzungpage limit
- 2424
- Zwischenraumspace
- 100100
- mehrphasiger Gleichspannungswandlerpolyphase DC-DC converter
- 101101
- erster Kondensatorfirst capacitor
- 102A-C102A-C
- Highside-Einrichtunghighside facility
- 103103
- erster Filterfirst filter
- 104A-C104A-C
- Lowside-Einrichtunglowside setup
- 105105
- zweiter Filtersecond filter
- 106106
- zweiter Kondensatorsecond condenser
- 107107
- DC-SpannungsquelleDC voltage source
- 109109
- Hochvolt-Batteriehigh-voltage battery
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN DESCRIPTION
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