DE102022101913A1 - Circuit arrangement of a DC converter for supplying a low-voltage DC network from a high-voltage DC voltage, the relevant supply method and an electric vehicle - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung (1, 15) eines Gleichspannungswandlers zur elektrischen Versorgung eines Niedervoltgleichspannungsnetzes (22) mit einer Niedervoltgleichspannung (LV) aus einer von einer Hochvoltbatterie (21) bereitgestellten Hochvoltgleichspannung (HV, HV*), aufweisend einen Transformator (T) mit einem variabel festlegbaren Wicklungsverhältnis, eine Hochvoltumformeinheit (2) zum Umformen der Hochvoltgleichspannung (HV, HV*) in eine dem Transformator (T) zugeführte Hochvoltwechselspannung und eine Niedervoltumformeinheit (3) zum Umformen einer vom Transformator (T) abgegebenen Niedervoltwechselspannung in die Niedervoltgleichspannung (LV), wobei die Hochvoltumformeinheit (2) unter Zwischenschaltung mehrerer steuerbarer Schaltelemente (S1, S2, S3) derart an den Transformator (T) angeschlossen ist, dass abhängig von gesteuerten Schaltzuständen der jeweiligen Schaltelemente (S1, S2, S3) das für die Gleichspannungswandlung wirksame Wicklungsverhältnis des Transformators (T) veränderbar ist.Die Erfindung betrifft ferner ein diesbezügliches Versorgungsverfahren sowie ein Elektrofahrzeug (20) mit einer derartigen Schaltungsanordnung (1, 15).The invention relates to a circuit arrangement (1, 15) of a DC voltage converter for the electrical supply of a low-voltage DC voltage network (22) with a low-voltage DC voltage (LV) from a high-voltage DC voltage (HV, HV*) provided by a high-voltage battery (21), having a transformer (T). a variably definable winding ratio, a high-voltage converter unit (2) for converting the high-voltage direct current (HV, HV*) into a high-voltage alternating voltage supplied to the transformer (T), and a low-voltage converter unit (3) for converting a low-voltage alternating current output by the transformer (T) into the low-voltage direct current (LV ), wherein the high-voltage converter unit (2) is connected to the transformer (T) with the interposition of a plurality of controllable switching elements (S1, S2, S3) in such a way that, depending on the controlled switching states of the respective switching elements (S1, S2, S3), the effective one for the DC voltage conversion winding ratio of the transformer (T) can be changed. The invention also relates to a relevant supply method and an electric vehicle (20) with such a circuit arrangement (1, 15).
Description
Die Erfindung betrifft ein eine Schaltungsanordnung eines Gleichspannungswandlers zur elektrischen Versorgung eines Niedervoltgleichspannungsnetzes mit einer Niedervoltgleichspannung aus einer von einer Hochvoltbatterie bereitgestellten Hochvoltgleichspannung. Die Erfindung betrifft außerdem ein Verfahren zur elektrischen Versorgung eines Niedervoltgleichspannungsnetzes mit einer Niedervoltgleichspannung aus einer von einer Hochvoltbatterie bereitgestellten Hochvoltgleichspannung mittels einer Schaltungsanordnung eines Gleichspannungswandlers. Ferner betrifft die Erfindung ein Elektrofahrzeug mit einer derartigen Schaltungsanordnung.The invention relates to a circuit arrangement of a DC voltage converter for the electrical supply of a low-voltage DC voltage network with a low-voltage DC voltage from a high-voltage DC voltage provided by a high-voltage battery. The invention also relates to a method for the electrical supply of a low-voltage DC voltage network with a low-voltage DC voltage from a high-voltage DC voltage provided by a high-voltage battery by means of a circuit arrangement of a DC-DC converter. Furthermore, the invention relates to an electric vehicle with such a circuit arrangement.
Elektrofahrzeuge (EV) wie beispielsweise Hybrid-Elektrofahrzeuge (HEV) oder Batterie-Elektrofahrzeugs (BEV) weisen gewöhnlich eine Hochvoltbatterie (z. B. Traktionsbatterie) als Energiespeicher mit einer Nennspannung von beispielsweise 400 V oder 800 V auf. Als Hochvolt- bzw. HV-Spannung oder Hochvolt- bzw. HV-Potenzial wird vorliegend - wie auch im Automotive-Bereich üblich - eine elektrische Gleichspannung von größer als 60 V, insbesondere größer als 200 V, verstanden, z. B. 400 V oder 800 V bis etwa 1500 V. Als Niedervolt- bzw. LV-Spannung bzw. Niedervolt- bzw. LV-Potenzial wird eine elektrische Spannung kleiner oder gleich 60 V verstanden, nämlich z. B. 6 V, 12 V, 24 V, 48 V oder 60 V. Die Begriffe Hochvolt- und Niedervoltspannung werden im Zusammenhang mit der hierin offenbarten Erfindung synonym zu den Begriffen Hochvolt- bzw. Niedervoltpotenzial mit den vorstehend angegebenen Spannungsebenen bzw. Spanungsbereichen verwendet.Electric vehicles (EV) such as hybrid electric vehicles (HEV) or battery electric vehicles (BEV) usually have a high-voltage battery (e.g. traction battery) as an energy store with a nominal voltage of 400 V or 800 V, for example. In the present context, high-voltage or HV voltage or high-voltage or HV potential is understood to mean an electrical DC voltage of greater than 60 V, in particular greater than 200 V, e.g. B. 400 V or 800 V to about 1500 V. Low-voltage or LV voltage or low-voltage or LV potential is understood to mean an electrical voltage of less than or equal to 60 V, namely z. B. 6 V, 12 V, 24 V, 48 V or 60 V. In connection with the invention disclosed herein, the terms high-voltage and low-voltage are used synonymously with the terms high-voltage and low-voltage potential with the voltage levels and voltage ranges specified above.
Bei einem Ladevorgang einer Hochvoltbatterie mit einer Hochvoltgleichspannung von 800 V, insbesondere eine Traktionsbatterie eines Elektrofahrzeugs, kann es sinnvoll sein, die Hochvoltbatterie in eine Parallelschaltung aus zwei Batterieteilstacks mit jeweils 400 V-Stacks zu wandeln.When charging a high-voltage battery with a high-voltage DC voltage of 800 V, in particular a traction battery of an electric vehicle, it can make sense to convert the high-voltage battery into a parallel connection of two battery sub-stacks, each with 400 V stacks.
Um ein Niedervoltgleichspannungsnetz, z. B. ein 12 V- oder 24 V-Bordnetz eines Elektrofahrzeugs, aus einer Hochvoltgleichspannung einer Hochvoltbatterie, z. B. 400 V- oder 800 V-Batterie, zu versorgen, ist es bekannt, einen Gleichspannungswandler (hierin auch als DC/DC-Wandler bezeichnet) für die Spannungsanpassung der Hochvoltgleichspannung an die Niedervoltgleichspannung einzusetzen. Soll das Niedervoltnetz mit mehreren unterschiedlichen Hochvoltgleichspannung, deren Spannungsbereich z. B. einige wenige 100 V umfassen kann, versorgt werden können, ergibt sich für den Gleichspannungswandler, dass dieser zumindest in einigen Anwendungsfällen weit ab seines optimalen Arbeitspunktes betrieben wird, wodurch der Wirkungsgrad stark einbricht. Die elektronischen Komponenten des Gleichspannungswandlers werden durch die Verschiebung des Arbeitspunktes stark belastet und müssen größer dimensioniert werden, da die internen Ströme extrem ansteigen. Hieraus resultieren nicht zuletzt ein aufwändigeres Design für eine Kühleinrichtung zum Abführen der Verlustwärme sowie insgesamt ein größerer Bauraumbedarf, die eine kompakte Integration verschiedener elektronischer Komponenten erschwert oder sogar verhindert.To a low-voltage DC network, z. B. a 12 V or 24 V electrical system of an electric vehicle, from a high-voltage DC voltage of a high-voltage battery, z. B. 400 V or 800 V battery, it is known to use a DC voltage converter (also referred to herein as a DC / DC converter) for the voltage adjustment of the high-voltage DC voltage to the low-voltage DC voltage. If the low-voltage network with several different high-voltage DC voltage, the voltage range z. B. can include a few 100 V, can be supplied, results for the DC-DC converter that this is operated at least in some applications far from its optimal operating point, causing the efficiency drops sharply. The electronic components of the DC-DC converter are heavily loaded by the shift in the operating point and must be dimensioned larger because the internal currents increase extremely. Last but not least, this results in a more complex design for a cooling device for dissipating the heat loss and, overall, in a larger installation space requirement, which makes compact integration of various electronic components more difficult or even prevents it.
Vor diesem Hintergrund liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine verbesserte Schaltungsanordnung zur elektrischen Versorgung eines Niedervoltgleichspannungsnetzes aus einer Hochvoltgleichspannung, ein Verfahren zur elektrischen Versorgung eines Niedervoltgleichspannungsnetzes aus einer Hochvoltgleichspannung sowie ein Elektrofahrzeug bereitzustellen, die die Versorgung des Niedervoltgleichspannungsnetzes aus der Hochvoltgleichspannung mit einem erheblich verbesserten Wirkungsgrad leisten, wobei die eingangsseitige Hochvoltgleichspannung einen weiten Spannungsbereich umfasst. Für die Spannungstransformation verwendete elektronische Komponenten sollen weniger stark belastet werden und kompakter bauen, so dass beispielsweise ihre Kühlung mit deutlich geringerem Aufwand sichergestellt werden kann. Außerdem soll eine kompakte Integration mehrerer elektronischer Komponenten möglich sein.Against this background, the invention is based on the object of providing an improved circuit arrangement for the electrical supply of a low-voltage direct voltage network from a high-voltage direct voltage, a method for the electrical supply of a low-voltage direct voltage network from a high-voltage direct voltage and an electric vehicle, which supply the low-voltage direct voltage network from the high-voltage direct voltage with a significantly improved efficiency, the high-voltage direct voltage on the input side covering a wide voltage range. Electronic components used for voltage transformation should be less heavily loaded and more compact so that, for example, their cooling can be ensured with significantly less effort. In addition, a compact integration of several electronic components should be possible.
Diese Aufgabe wird durch eine Schaltungsanordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 1, durch ein Elektrofahrzeug mit den Merkmalen des Anspruchs 11 sowie durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 12 gelöst. Weitere, besonders vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung offenbaren die jeweiligen Unteransprüche.This object is achieved by a circuit arrangement having the features of
Es ist darauf hinzuweisen, dass die in den Ansprüchen einzeln aufgeführten Merkmale in beliebiger, technisch sinnvoller Weise miteinander kombiniert werden können (auch über Kategoriegrenzen, beispielsweise zwischen Verfahren und Vorrichtung, hinweg) und weitere Ausgestaltungen der Erfindung aufzeigen. Die Beschreibung charakterisiert und spezifiziert die Erfindung insbesondere im Zusammenhang mit den Figuren zusätzlich.It should be pointed out that the features listed individually in the claims can be combined with one another in any technically sensible way (even across category boundaries, for example between method and device) and show further refinements of the invention. The description additionally characterizes and specifies the invention, in particular in connection with the figures.
Es sei ferner angemerkt, dass eine hierin verwendete, zwischen zwei Merkmalen stehende und diese miteinander verknüpfende Konjunktion „und/oder“ stets so auszulegen ist, dass in einer ersten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Gegenstands lediglich das erste Merkmal vorhanden sein kann, in einer zweiten Ausgestaltung lediglich das zweite Merkmal vorhanden sein kann und in einer dritten Ausgestaltung sowohl das erste als auch das zweite Merkmal vorhanden sein können.It should also be noted that a conjunction "and/or" used herein, standing between two features and linking them to one another, is always to be interpreted in such a way that in a first embodiment of the subject matter according to the invention only the first feature can be present, in a second embodiment only the second feature can be present and in a third embodiment both the first and the second feature can be present.
Außerdem soll ein hierin verwendeter Begriff „etwa“ einen Toleranzbereich angeben, den der auf dem vorliegenden Gebiet tätige Fachmann als üblich ansieht. Insbesondere ist unter dem Begriff „etwa“ ein Toleranzbereich der bezogenen Größe von bis maximal +/-20 %, bevorzugt bis maximal +/-10 % zu verstehen.Also, as used herein, a term "about" is intended to indicate a range of tolerance considered normal by those skilled in the art. In particular, the term “approximately” means a tolerance range of the related size of up to a maximum of +/-20%, preferably up to a maximum of +/-10%.
Relative Begriffe bezüglich eines Merkmals, wie zum Beispiel „größer“, „kleiner“, „höher“, „niedriger“ und dergleichen, sind im Rahmen der Erfindung so auszulegen, dass herstellungs- und/oder durchführungsbedingte Größenabweichungen des betreffenden Merkmals, die innerhalb der für die jeweilige Fertigung bzw. Durchführung des betreffenden Merkmals definierten Fertigungs-/Durchführungstoleranzen liegen, nicht von dem jeweiligen relativen Begriff erfasst sind. Mit anderen Worten ist eine Größe eines Merkmals erst dann als z. B. „größer“, „kleiner“, „höher“, „niedriger“ u. dgl. anzusehen als eine Größe eines Vergleichsmerkmals, wenn sich die beiden verglichenen Größen in ihrem Wert so deutlich voneinander unterscheiden, dass dieser Größenunterschied sicher nicht in den fertigungs-/durchführungsbedingten Toleranzbereich des betreffenden Merkmals fällt, sondern das Ergebnis zielgerichteten Handelns ist.Relative terms relating to a feature, such as "larger", "smaller", "higher", "lower" and the like, are to be interpreted within the scope of the invention in such a way that manufacturing and / or implementation-related size deviations of the relevant feature, which are within the manufacturing / implementation tolerances defined for the respective production or implementation of the relevant feature, are not covered by the respective relative term. In other words, a size of a feature is only then as z. B. "larger", "smaller", "higher", "lower" and the like to be regarded as a size of a comparative feature if the two compared sizes differ so significantly in their value that this difference in size certainly does not fall within the production/performance-related tolerance range of the relevant feature, but is the result of targeted action.
Erfindungsgemäß weist eine Schaltungsanordnung eines Gleichspannungswandlers zur elektrischen Versorgung eines Niedervoltgleichspannungsnetzes (ohne Beschränkung z. B. ein Niedervoltbordnetz eines Elektrofahrzeugs) mit einer Niedervoltgleichspannung aus einer von einer Hochvoltbatterie (ohne Beschränkung z. B. eine Traktionsbatterie eines Elektrofahrzeugs) bereitgestellten Hochvoltgleichspannung einen Transformator mit einem variabel festlegbaren Wicklungsverhältnis, eine Hochvoltumformeinheit zum Umformen der Hochvoltgleichspannung in eine dem Transformator zugeführte Hochvoltwechselspannung und eine Niedervoltumformeinheit zum Umformen einer vom Transformator abgegebenen Niedervoltwechselspannung in die Niedervoltgleichspannung auf. Die Hochvoltumformeinheit ist unter Zwischenschaltung mehrerer steuerbarer Schaltelemente derart an den Transformator angeschlossen, dass abhängig von gesteuerten Schaltzuständen der jeweiligen Schaltelemente das für die Gleichspannungswandlung wirksame Wicklungsverhältnis des Transformators veränderbar ist.According to the invention, a circuit arrangement of a DC-DC converter for the electrical supply of a low-voltage DC network (without limitation, e.g. a low-voltage vehicle electrical system of an electric vehicle) with a low-voltage DC voltage from a high-voltage DC voltage provided by a high-voltage battery (without limitation, e.g. a traction battery of an electric vehicle) has a transformer with a variably definable winding ratio, a high-voltage converter unit for converting the high-voltage DC voltage into a high-voltage AC voltage supplied to the transformer, and a low-voltage converter unit Transforming a low-voltage AC voltage emitted by the transformer into the low-voltage DC voltage. The high-voltage converter unit is connected to the transformer with the interposition of a plurality of controllable switching elements in such a way that the turns ratio of the transformer that is effective for the DC voltage conversion can be changed depending on the controlled switching states of the respective switching elements.
Auf diese Weise lässt sich das Wicklungsverhältnis des Transformators stets so einstellen, dass sich abhängig von der eingangsseitig verfügbaren Hochvoltgleichspannung stets ein hoher bzw. optimaler Wirkungsgrad bei der Versorgung des Niedervoltgleichspannungsnetzes aus der tatsächlichen Hochvoltgleichspannung erzielen lässt. Insbesondere kann hierbei die Schaltungsanordnung des Gleichspannungswandlers stets in einem optimalen Arbeitspunkt betrieben werden, wodurch die elektrische Belastung der an der elektrischen Versorgung des Niedervoltnetzes beteiligten elektronischen Komponenten wesentlich verringert wird. Diese Komponenten, z. B. Leistungshalbleiter wie Halbleiterschalter u. ä., der Transformator, Kapazitäten etc., können nun kleiner dimensioniert werden. Sie erzeugen zudem weniger Verlustwärme. Eine kompakte Integration der Schaltungsanordnung z. B. in andere Baueinheiten ist ohne großen Aufwand realisierbar. Insgesamt lassen sich mit der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung Kosten, Gewicht, Kühlbedarf und Bauvolumen verringern.In this way, the turns ratio of the transformer can always be set such that, depending on the high-voltage DC voltage available on the input side, a high or optimal degree of efficiency can always be achieved when supplying the low-voltage DC voltage network from the actual high-voltage DC voltage. In particular, the circuit arrangement of the DC voltage converter can always be operated at an optimum operating point, as a result of which the electrical load on the electronic components involved in the electrical supply of the low-voltage network is significantly reduced. These components, e.g. B. power semiconductors such as semiconductor switches, etc., the transformer, capacitors, etc., can now be dimensioned smaller. They also generate less heat loss. A compact integration of the circuitry z. B. in other units can be implemented without much effort. Overall, with the circuit arrangement according to the invention, costs, weight, cooling requirements and construction volume can be reduced.
Die Ansteuerung der Schaltelemente kann beispielsweise von einer elektronischen Steuereinrichtung (z. B. Mikrocontroller, Mikroprozessor etc.) ausgeführt werden, wobei diese ausgebildet ist, die Schaltzustände der Schaltelemente im Sinne eines Wicklungsverhältnisses, das einen hohen bzw. optimalen Wirkungsgrad für die Versorgung des Niedervoltgleichspannungsnetzes aus der tatsächlich eingespeisten Hochvoltgleichspannung bietet, selbst wenn die Höhe der Hochvoltgleichspannung einen weiten Spannungsbereich umfasst, der ansonsten eine deutliche Verschiebung des Arbeitspunkts der Schaltungsanordnung von einem günstigen, energieeffizienten Arbeitspunkt bedeutet.The switching elements can be actuated, for example, by an electronic control device (e.g. microcontroller, microprocessor, etc.), which is designed to determine the switching states of the switching elements in terms of a turns ratio that offers a high or optimum efficiency for the supply of the low-voltage DC network from the high-voltage DC voltage that is actually fed in, even if the level of the high-voltage DC voltage covers a wide voltage range, which otherwise means a significant shift in the operating point of the circuit arrangement from a favorable, energy-efficient operating point.
In einer vorteilhaften Weiterbildung des Erfindungsgegenstands kann die Schaltungsanordnung zwei Betriebsmodi aufweisen, wobei die Hochvoltbatterie im ersten Betriebsmodus eine nominelle Hochvoltgleichspannung bereitstellt und im zweiten Betriebsmodus eine gegenüber der nominellen Hochvoltgleichspannung verringerte Hochvoltgleichspannung bereitstellt, wobei im zweiten Betriebsmodus die Schaltzustände der Schaltelemente derart gesteuert sind, dass das wirksame Wicklungsverhältnis im zweiten Betriebsmodus gegenüber dem wirksamen Wicklungsverhältnis im ersten Betriebsmodus verringert ist.In an advantageous development of the subject matter of the invention, the circuit arrangement can have two operating modes, with the high-voltage battery providing a nominal high-voltage DC voltage in the first operating mode and providing a high-voltage DC voltage that is reduced compared to the nominal high-voltage DC voltage in the second operating mode, the switching states of the switching elements being controlled in the second operating mode in such a way that the effective turns ratio in the second operating mode is reduced compared to the effective turns ratio in the first operating mode.
Der Spannungsbereich zwischen der nominellen Hochvoltgleichspannung und der verringerten Hochvoltgleichspannung kann beispielsweise zwischen 200 V und 900 V liegen. Insbesondere kann der Eingangsspannungsbereich zwischen etwa 240 V und 830 V liegen. Jedenfalls kann der Spannungsbereich der Hochvoltgleichspannung einige (wenige) 100 V umfassen, wie vorstehend beispielsweise etwa 590 V bis 700 V.The voltage range between the nominal high-voltage direct voltage and the reduced high-voltage direct voltage can be between 200 V and 900 V, for example. In particular, the input voltage range can be between about 240V and 830V. In any case, the voltage range of the high-voltage direct current can include a few (few) 100 V, as above, for example, about 590 V to 700 V.
Beispielsweise kann die Hochvoltbatterie eine nominelle Hochvoltgleichspannung von z. B. 800 V bereitstellen, während sie in bestimmten Anwendungsfällen eine verringerte Hochvoltgleichspannung von lediglich etwa der Hälfte, nämlich 400 V, bereitstellt. In diesem Fall umfasst der Eingangsspannungsbereich eine Spannbreite von etwa 400 V. Die Batterie kann die nominelle Hochvoltgleichspannung in dem vorbeschriebenen ersten Betriebsmodus bereitstellen und die verringerte Hochvoltgleichspannung im zweiten Betriebsmodus.For example, the high-voltage battery can have a nominal high-voltage direct current of z. B. provide 800 V, while in certain applications a reduced high-voltage DC voltage of only about half, namely 400 V, provides. In this case, the one includes gang voltage range a range of about 400 V. The battery can provide the nominal high-voltage DC voltage in the first operating mode described above and the reduced high-voltage DC voltage in the second operating mode.
Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist der erste Betriebsmodus ein Entlademodus der Hochvoltbatterie, das heißt, der Hochvoltbatterie wird Energie entnommen, zum Beispiel, um ein Hochvoltnetz (z. B. einen Elektroantrieb eines Elektrofahrzeugs) elektrisch zu versorgen, und der zweite Betriebsmodus ist ein Lademodus der Hochvoltbatterie, das heißt, der Hochvoltbatterie wird Ladung zugeführt, insbesondere beim Laden an einer entsprechenden Ladeeinrichtung. Zum Beispiel kann es in bestimmten Anwendungsfällen günstig sein, die Hochvoltbatterie beim Laden an einer Ladeeinrichtung, die eine geringere Ladespannung als die nominelle Hochvoltgleichspannung der Hochvoltbatterie bereitstellt, in zwei parallelgeschaltete Batterieteilstacks aufzuteilen, die dann jeweils nur die Hälfte der nominellen Hochvoltgleichspannung bereitstellen.According to a further advantageous embodiment, the first operating mode is a discharging mode of the high-voltage battery, i.e. energy is taken from the high-voltage battery, for example in order to supply electricity to a high-voltage network (e.g. an electric drive of an electric vehicle), and the second operating mode is a charging mode of the high-voltage battery, i.e. the high-voltage battery is charged, in particular when charging at a corresponding charging device. For example, in certain applications it can be beneficial to split the high-voltage battery into two battery sub-stacks connected in parallel when charging on a charging device that provides a lower charging voltage than the nominal high-voltage DC voltage of the high-voltage battery, which then each provide only half of the nominal high-voltage DC voltage.
Das aus der Hochvoltgleichspannung der Hochvoltbatterie versorgte Niedervoltgleichspannungsnetz kann eine Niedervoltgleichspannung in einem Bereich von etwa 6 V bis 50 V aufweisen, besonders bevorzugt etwa 8 V bis 14 V.The low-voltage DC network supplied from the high-voltage DC voltage of the high-voltage battery can have a low-voltage DC voltage in a range from approximately 6 V to 50 V, particularly preferably approximately 8 V to 14 V.
Nach einer bevorzugten Weiterbildung weist der Transformator eine erste primärseitige Wicklung mit einem ersten Wicklungsanschluss und einem zweiten Wicklungsanschluss sowie eine mit der ersten Wicklung magnetisch gekoppelte zweite primärseitige Wicklung mit einem ersten Wicklungsanschluss und einem zweiten Wicklungsanschluss auf, wobei der zweite Wicklungsanschluss der ersten Wicklung mit dem ersten Wicklungsanschluss der zweiten Wicklung als ein gemeinsamer Wicklungsanschluss ausgeführt ist, der die erste Wicklung und die zweite Wicklung in Reihe schaltet. Der erste Wicklungsanschluss der ersten Wicklung ist an einen ersten Ausgangspol der Hochvoltumformeinheit angeschlossen, und der gemeinsame Wicklungsanschluss sowie der zweite Wicklungsanschluss der zweiten Wicklung sind jeweils unter Zwischenschaltung eines der Schaltelemente an einen vom ersten Ausgangspol verschiedenen zweiten Ausgangspol der Hochvoltumformeinheit angeschlossen.According to a preferred refinement, the transformer has a first primary-side winding with a first winding connection and a second winding connection, and a second primary-side winding which is magnetically coupled to the first winding and has a first winding connection and a second winding connection, with the second winding connection of the first winding being designed as a common winding connection with the first winding connection of the second winding, which connects the first winding and the second winding in series. The first winding connection of the first winding is connected to a first output pole of the high-voltage converter unit, and the common winding connection and the second winding connection of the second winding are each connected to a second output pole of the high-voltage converter unit, which is different from the first output pole, with the interposition of one of the switching elements.
Die beiden Ausgangspole der Hochvoltumformeinrichtung sind als zwei Ausgangspunkte zu verstehen, zwischen denen während des Betriebs der Schaltungsanordnung im Allgemeinen eine elektrische Spannung anliegt, die also unterschiedliche elektrische Potenziale aufweisen.The two output poles of the high-voltage converter device are to be understood as two starting points between which an electrical voltage is generally present during operation of the circuit arrangement, which means that they have different electrical potentials.
Die vorbeschriebene Schaltungsanordnung mit zwei Schaltelementen ermöglicht es, die Reihenschaltung der beiden primärseitigen Wicklungen auf lediglich eine aktive, d. h. an der Spannungswandlung wirksam beteiligte, Wicklung umzuschalten, nämlich wahlweise den gemeinsamen Wicklungsanschluss und/oder den zweiten Wicklungsanschluss der zweiten Wicklung an den zweiten Ausgangspol der Hochvoltumformeinheit zu schalten. Abhängig von der Windungsanzahl der jeweiligen Wicklungen kann der Arbeitspunkt der Schaltungsanordnung im Sinne eines günstigen Wirkungsgrads an die tatsächlich eingespeiste Hochvoltgleichspannung angepasst werden. Zum Beispiel kann die Windungsanzahl der ersten Wicklung der Windungsanzahl der zweiten Wicklung entsprechen, wodurch das Wicklungsverhältnis des Transformators optimal an eine nominelle Hochvoltgleichspannung, z. B. 800 V, und eine etwa auf die Hälfte reduzierte, verringerte Hochvoltgleichspannung, z. B. 400 V, angepasst werden kann.The circuit arrangement with two switching elements described above makes it possible to reduce the series connection of the two primary-side windings to only one active, ie. H. to switch over the winding that is effectively involved in the voltage conversion, namely to selectively switch the common winding connection and/or the second winding connection of the second winding to the second output pole of the high-voltage converter unit. Depending on the number of turns of the respective windings, the operating point of the circuit arrangement can be adapted to the actually fed high-voltage direct current in the sense of a favorable efficiency. For example, the number of turns of the first winding can correspond to the number of turns of the second winding, whereby the turns ratio of the transformer is optimally matched to a nominal high-voltage DC voltage, e.g. B. 800 V, and reduced by about half, reduced high-voltage DC, z. B. 400 V, can be adjusted.
Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung weist der Transformator eine erste primärseitige Wicklung mit einem ersten Wicklungsanschluss und einem zweiten Wicklungsanschluss sowie eine mit der ersten Wicklung magnetisch gekoppelte zweite primärseitige Wicklung mit einem ersten Wicklungsanschluss und einem zweiten Wicklungsanschluss auf, wobei der erste Wicklungsanschluss der ersten Wicklung an einen ersten Ausgangspol der Hochvoltumformeinheit angeschlossen ist und der zweite Wicklungsanschluss der zweiten Wicklung an einen vom ersten Ausgangspol verschiedenen zweiten Ausgangspol der Hochvoltumformeinheit angeschlossen ist. Der erste Wicklungsanschluss der ersten Wicklung und der erste Wicklungsanschluss der zweiten Wicklung sind unter Zwischenschaltung eines ersten der Schaltelemente miteinander verbunden. Der zweite Wicklungsarε-schluss der ersten Wicklung ist unter Zwischenschaltung eines zweiten der Schaltelemente an den ersten Wicklungsanschluss der zweiten Wicklung angeschlossen. Der zweite Wicklungsanschluss der ersten Wicklung ist unter Zwischenschaltung eines dritten der Schaltelemente an den zweiten Ausgangspol angeschlossen.According to a further advantageous embodiment, the transformer has a first primary-side winding with a first winding terminal and a second winding terminal and a second primary-side winding magnetically coupled to the first winding with a first winding terminal and a second winding terminal, the first winding terminal of the first winding being connected to a first output pole of the high-voltage converter unit and the second winding terminal of the second winding being connected to a second output pole of the high-voltage converter unit that is different from the first output pole. The first winding connection of the first winding and the first winding connection of the second winding are connected to one another with the interposition of a first of the switching elements. The second winding short circuit of the first winding is connected to the first winding connection of the second winding with the interposition of a second of the switching elements. The second winding connection of the first winding is connected to the second output pole with the interposition of a third of the switching elements.
Die vorbeschriebene Schaltungsanordnung mit drei Schaltelementen ermöglicht es, die beiden primärseitigen Wicklungen des Transformators wahlweise gemäß einem ersten Wicklungsverhältnis in eine Reihenschaltung zu schalten oder die beiden primärseitigen Wicklungen gemäß einem zweiten Wicklungsverhältnis einzeln parallel zueinander zu schalten. In anderen Worten sind in allen Betriebszuständen beide primärseitigen Wicklungen an der Spannungswandlung wirksam beteiligt, so dass die Schaltungsanordnung im Wesentlichen stets an ihrem optimalen Arbeitspunkt betrieben und der Wirkungsgrad im Vergleich zur Verwendung lediglich einer der beiden primärseitigen Wicklungen zur Spannungswandlung nochmals gesteigert werden kann. Abhängig von der Windungsanzahl der jeweiligen Wicklungen kann der Arbeitspunkt der Schaltungsanordnung im Sinne eines günstigen Wirkungsgrads an die tatsächlich eingespeiste Hochvoltgleichspannung angepasst werden. Zum Beispiel kann die Windungsanzahl der ersten Wicklung der Windungsanzahl der zweiten Wicklung entsprechen, wodurch das Wicklungsverhältnis des Transformators optimal an eine nominelle Hochvoltgleichspannung, z. B. 800 V, und eine etwa auf die Hälfte reduzierte, verringerte Hochvoltgleichspannung, z. B. 400 V, angepasst werden kann.The above-described circuit arrangement with three switching elements makes it possible to switch the two primary-side windings of the transformer either in a series connection according to a first turns ratio or to switch the two primary-side windings individually in parallel with one another according to a second turns ratio. In other words, both primary-side windings are actively involved in the voltage conversion in all operating states, so that the circuit arrangement is essentially always operated at its optimal operating point and the efficiency is only compared to use one of the two primary-side windings for voltage conversion can be increased again. Depending on the number of turns of the respective windings, the operating point of the circuit arrangement can be adapted to the actually fed high-voltage direct current in the sense of a favorable efficiency. For example, the number of turns of the first winding can correspond to the number of turns of the second winding, whereby the turns ratio of the transformer is optimally matched to a nominal high-voltage DC voltage, e.g. B. 800 V, and reduced by about half, reduced high-voltage DC, z. B. 400 V, can be adjusted.
In besonders bevorzugter Ausgestaltung sind die Schaltelemente als bidirektionale Trennschalter in Form von antiseriell geschaltete N-FETs, PhotoMOS-Relais, Triacs, elektromechanische Relais oder einer Kombination hiervon ausgebildet. Die Schaltelemente können über ein entsprechend zugeführtes (z. B. von einer Steuereinrichtung ausgegebenes) Schaltsignal in einen geöffneten Schaltzustand geschaltet werden, in dem ein Stromfluss in beiden Stromrichtungen verhindert ist, und in einen geschlossenen Schaltzustand, in welchem ein Stromfluss in beiden Stromrichtungen zugelassen ist.In a particularly preferred embodiment, the switching elements are in the form of bidirectional isolating switches in the form of N-FETs connected back-to-back in series, photoMOS relays, triacs, electromechanical relays or a combination thereof. The switching elements can be switched via a correspondingly supplied switching signal (e.g. output by a control device) into an open switching state, in which a current flow in both current directions is prevented, and into a closed switching state, in which a current flow in both current directions is permitted.
Zur weiteren Sicherstellung eines hohen Wirkungsgrads der Schaltungsanordnung bei eingangsseitig unterschiedlich hohen Hochvoltgleichspannungen sieht eine noch weitere Ausgestaltung des Erfindungsgegenstands vor, dass die Frequenz der Hochvoltwechselspannung wenigstens 50 kHz beträgt, bevorzugt wenigstens 100 kHz. In anderen Worten erzeugt die Hochvoltumformeinheit aus der eingespeisten Hochvoltgleichspannung die dem Transformator primärseitig zugeführte Hochvoltwechselspannung mit der vorbeschriebenen Frequenz.To further ensure high efficiency of the circuit arrangement with high-voltage direct voltages of different magnitudes on the input side, another embodiment of the subject invention provides that the frequency of the high-voltage alternating voltage is at least 50 kHz, preferably at least 100 kHz. In other words, the high-voltage converter unit uses the fed-in high-voltage direct voltage to generate the high-voltage alternating voltage fed to the transformer on the primary side at the frequency described above.
Die Hochvoltumformeinheit kann vorzugsweise als eine Vollbrücke mit vier elektronisch steuerbaren Halbleiterschaltern ausgebildet sein.The high-voltage converter unit can preferably be designed as a full bridge with four electronically controllable semiconductor switches.
Des Weiteren kann die Niedervoltumformeinrichtung einen Gleichrichter aufweisen, der die vom Transformator ausgegebene Niedervoltwechselspannung in die Niedervoltgleichspannung zur Versorgung des Niedervoltgleichspannungsnetzes wandelt. Zusätzlich können weitere elektronische Komponenten vorgesehen sein, beispielsweise eine Sicherheitsschalteinheit, die in einem Stör-/Fehlerfall (z. B. Kurzschluss) der Schaltungsanordnung die Einspeisung der Niedervoltgleichspannung in das Niedervoltnetz unterbricht und/oder eine Strombegrenzung zum Schutz der im Niedervoltnetz versorgten elektrischen Verbraucher gewährleistet. Furthermore, the low-voltage converter device can have a rectifier, which converts the low-voltage AC voltage output by the transformer into the low-voltage DC voltage for supplying the low-voltage DC voltage network. In addition, further electronic components can be provided, for example a safety switching unit, which interrupts the feeding of the low-voltage DC voltage into the low-voltage network in the event of a fault/fault (e.g. short circuit) in the circuit arrangement and/or ensures current limitation to protect the electrical consumers supplied in the low-voltage network.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung weist ein Elektrofahrzeug eine Hochvoltbatterie, z. B. 800 V-Traktionsbatterie, ein Niedervoltbordnetz (z. B. 12 V-Netz) zur Niedervoltversorgung elektrischer Verbraucher im Fahrzeug sowie eine Schaltungsanordnung eines Gleichspannungswandlers zur elektrischen Versorgung des Niedervoltbordnetzes mit einer Niedervoltgleichspannung aus einer von der Hochvoltbatterie bereitgestellten Hochvoltgleichspannung auf. Insbesondere kann die Schaltungsanordnung nach einer der hierin offenbarten Ausgestaltungen ausgebildet sein, das heißt das in diesem Zusammenhang erwähnte Niedervoltgleichspannungsnetz entspricht dem Niedervoltbordnetz des Fahrzeugs.According to a further aspect of the invention, an electric vehicle has a high-voltage battery, e.g. B. 800 V traction battery, a low-voltage vehicle electrical system (e.g. 12 V network) for the low-voltage supply of electrical consumers in the vehicle and a circuit arrangement of a DC voltage converter for the electrical supply of the low-voltage vehicle electrical system with a low-voltage DC voltage from a high-voltage DC voltage provided by the high-voltage battery. In particular, the circuit arrangement can be designed according to one of the configurations disclosed herein, that is to say the low-voltage DC voltage network mentioned in this context corresponds to the low-voltage on-board network of the vehicle.
Es sei darauf hingewiesen, dass bezüglich fahrzeugbezogener Begriffsdefinitionen sowie der Wirkungen und Vorteile fahrzeuggemäßer Merkmale vollumfänglich auf die Offenbarung sinngemäßer Definitionen, Wirkungen und Vorteile der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung zurückgegriffen werden kann und umgekehrt. Insofern wird auf eine Wiederholung von Erläuterungen sinngemäß gleicher Merkmale, deren Wirkungen und Vorteile zugunsten einer kompakteren Beschreibung weitgehend verzichtet, ohne dass derartige Auslassungen als Einschränkung für den jeweiligen Erfindungsgegenstand auszulegen wären.It should be pointed out that with regard to vehicle-related definitions of terms and the effects and advantages of vehicle-specific features, reference can be made in full to the disclosure of analogous definitions, effects and advantages of the circuit arrangement according to the invention and vice versa. In this respect, explanations of the same features, their effects and advantages are largely dispensed with in favor of a more compact description, without such omissions having to be interpreted as a restriction for the respective subject matter of the invention.
Die Hochvoltbatterie kann ohne zwingende Beschränkung hierauf beispielsweise vorgesehen sein, ein Hochvoltbordnetz des Fahrzeugs zu versorgen, beispielsweise einen Elektroantrieb des Elektrofahrzeugs, wie beispielsweise Hybrid-Elektrofahrzeug (HEV) oder Batterie-Elektrofahrzeug (BEV).The high-voltage battery can, for example, be provided, without any mandatory restriction, to supply a high-voltage electrical system of the vehicle, for example an electric drive of the electric vehicle, such as a hybrid electric vehicle (HEV) or battery electric vehicle (BEV).
Mit den bereits aus der Erläuterung der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung bekannten Vorteilen lässt sich die Schaltungsanordnung im Elektrofahrzeug mit hohem Wirkungsgrad bei unterschiedlichen Hochvoltgleichspannungen betreiben, indem der Arbeitspunkt der Schaltungsanordnung abhängig von der tatsächlich speisenden Hochvoltgleichspannung durch entsprechendes Schalten der Schaltelemente zur Festlegung eines geeigneten Wicklungsverhältnisses des Transformators angepasst wird.With the advantages already known from the explanation of the circuit arrangement according to the invention, the circuit arrangement in the electric vehicle can be operated with high efficiency at different high-voltage DC voltages by the operating point of the circuit arrangement being adapted depending on the actually feeding high-voltage DC voltage by appropriate switching of the switching elements to determine a suitable winding ratio of the transformer.
Als besonders vorteilhaft erweist sich das die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung aufweisende Elektrofahrzeug bei Ladevorgängen der Hochvoltbatterie (z. B. an fahrzeugexternen Ladeeinrichtungen), wenn die Hochvoltbatterie (z. B. 800 V-Batterie) hierbei in zwei parallelgeschaltete Batterieteilstacks aufgeteilt wird, die jeweils nur die Hälfte (d. h. 400 V) einer nominellen Hochvoltgleichspannung der Hochvoltbatterie bereitstellen. In diesen Anwendungsfällen (d. h. während Ladevorgängen) kann der Arbeitspunkt der Schaltungsanordnung trotz eines breiten Eingangsspannungsbereichs von mehreren 100 V abhängig von der tatsächlichen Höhe der Eingangsspannung in einen optimalen Bereich zurückgeführt werden und das Niedervoltbordnetz weiterhin mit hohem Wirkungsgrad aus der Hochvoltgleichspannung versorgt werden.The electric vehicle having the circuit arrangement according to the invention proves to be particularly advantageous during charging processes of the high-voltage battery (e.g. on vehicle-external charging devices) if the high-voltage battery (e.g. 800 V battery) is divided into two battery sub-stacks connected in parallel, each of which only provides half (ie 400 V) of a nominal high-voltage DC voltage of the high-voltage battery. In these applications (ie during charging), the working point of the circuit arrangement can despite a wide input voltage range of several 100 V depending on the actual level of the input voltage in an optimal range and the low-voltage vehicle electrical system can continue to be supplied with high efficiency from the high-voltage DC voltage.
Des Weiteren ermöglicht der kompakte Aufbau der Schaltungsanordnung, die Schaltungsanordnung in einem so genannten „Power Modul“ des Elektrofahrzeugs zu integrieren, das heißt den Gleichspannungswandler einschließlich der Hochvoltumformeinheit, die vorzugsweise als eine Vollbrücke ausgebildet ist, der Niedervoltumformeinheit mit einem Gleichrichter, der Schalteinheit und des Transformators in eine kompakt bauende Komponente zusammenzuführen.Furthermore, the compact design of the circuit arrangement makes it possible to integrate the circuit arrangement in a so-called "power module" of the electric vehicle, i.e. to combine the DC-DC converter including the high-voltage converter unit, which is preferably designed as a full bridge, the low-voltage converter unit with a rectifier, the switching unit and the transformer in one compact component.
Nach einem noch weiteren Aspekt der Erfindung wird bei einem Verfahren zur elektrischen Versorgung eines Niedervoltgleichspannungsnetzes (z. B. Niedervoltbordnetz eines Elektrofahrzeugs) mit einer Niedervoltgleichspannung aus einer von einer Hochvoltbatterie (z. B. Traktionsbatterie eines Elektrofahrzeugs) bereitgestellten Hochvoltgleichspannung mittels einer Schaltungsanordnung eines Gleichspannungswandlers, die einen Transformator mit einem variabel festlegbaren Wicklungsverhältnis, eine Hochvoltumformeinheit zum Umformen der Hochvoltgleichspannung in eine dem Transformator zugeführte Hochvoltwechselspannung und eine Niedervoltumformeinheit zum Umformen einer vom Transformator abgegebenen Niedervoltwechselspannung in die Niedervoltgleichspannung aufweist, die Hochvoltumformeinheit unter Zwischenschaltung mehrerer steuerbarer Schaltelemente an den Transformator angeschlossen und das für die Gleichspannungswandlung wirksame Wicklungsverhältnis des Transformators durch Steuern von Schaltzuständen der jeweiligen Schaltelemente gesteuert.According to yet another aspect of the invention, in a method for electrically supplying a low-voltage DC network (e.g. low-voltage vehicle electrical system of an electric vehicle) with a low-voltage DC voltage from a high-voltage DC voltage provided by a high-voltage battery (e.g. traction battery of an electric vehicle) by means of a circuit arrangement of a DC-DC converter, which has a transformer with a variably definable winding ratio, a high-voltage converter unit for converting the high-voltage DC voltage into a high-voltage AC voltage supplied to the transformer and a low voltage converter unit for converting a low-voltage AC voltage output by the transformer into low-voltage DC voltage, the high-voltage converter unit is connected to the transformer with the interposition of a plurality of controllable switching elements and the turns ratio of the transformer that is effective for the DC voltage conversion is controlled by controlling the switching states of the respective switching elements.
Auch bezüglich verfahrensbezogener Begriffsdefinitionen sowie der Wirkungen und Vorteile verfahrensgemäßer Merkmale kann vollumfänglich auf die Offenbarung sinngemäßer Definitionen, Wirkungen und Vorteile der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung zurückgegriffen werden und umgekehrt. Erneut wird auf eine Wiederholung von Erläuterungen sinngemäß gleicher Merkmale, deren Wirkungen und Vorteile zugunsten einer kompakteren Beschreibung weitgehend verzichtet, ohne dass derartige Auslassungen als Einschränkung für den jeweiligen Erfindungsgegenstand auszulegen wären.With regard to process-related definitions of terms and the effects and advantages of process-related features, reference can also be made in full to the disclosure of analogous definitions, effects and advantages of the circuit arrangement according to the invention, and vice versa. Once again, explanations of the same features, their effects and advantages are largely omitted in favor of a more compact description, without such omissions having to be interpreted as a restriction for the respective subject matter of the invention.
Nach einer bevorzugten Weiterbildung des Erfindungsgegenstands wird eine nominelle Hochvoltgleichspannung von der Hochvoltbatterie in einem ersten Betriebsmodus (z. B. einem Fahrbetrieb eines Elektrofahrzeugs) bereitgestellt und eine gegenüber der nominellen Hochvoltgleichspannung verringerte Hochvoltgleichspannung von der Hochvoltbatterie in einem zweiten Betriebsmodus (z. B. einem Ladezustand eines Elektrofahrzeugs) bereitgestellt. Die Schaltzustände der Schaltelemente werden derart gesteuert, dass das wirksame Wicklungsverhältnis im zweiten Betriebsmodus gegenüber dem wirksamen Wicklungsverhältnis im ersten Betriebsmodus verringert ist. Hierdurch kann der Arbeitspunkt der Schaltungsanordnung im Sinne eines optimalen Wirkungsgrads der Spannungstransformation von der Hochvoltspannungsebene auf die Niedervoltspannungsebene durch Änderung des Transformatorwicklungsverhältnisses an die augenblicklich eingespeiste Hochvoltgleichspannung angepasst werden.According to a preferred development of the subject matter of the invention, a nominal high-voltage DC voltage is provided by the high-voltage battery in a first operating mode (e.g. driving an electric vehicle) and a high-voltage DC voltage which is reduced compared to the nominal high-voltage DC voltage is provided by the high-voltage battery in a second operating mode (e.g. a state of charge of an electric vehicle). The switching states of the switching elements are controlled in such a way that the effective turns ratio in the second operating mode is reduced compared to the effective turns ratio in the first operating mode. As a result, the working point of the circuit arrangement can be adapted to the high-voltage direct current fed in at the moment in terms of optimum efficiency of the voltage transformation from the high-voltage level to the low-voltage level by changing the transformer winding ratio.
In einer besonders bevorzugten Weiterbildung des Erfindungsgegenstands wird die verringerte Hochvoltgleichspannung auf die Hälfte der nominellen Hochvoltgleichspannung verringert, wie dies - wie hierin erläutert - beispielsweise beim Laden einer 800 V-Hochvoltbatterie an einer 400 V-Ladeeinrichtung von Vorteil sein kann.In a particularly preferred development of the subject matter of the invention, the reduced high-voltage direct current is reduced to half the nominal high-voltage direct current, as this—as explained herein—can be advantageous, for example, when charging an 800 V high-voltage battery on a 400 V charging device.
Die Hochvoltbatterie kann während des ersten Betriebsmodus entladen werden, indem sie elektrische Verbraucher wie zum Beispiel einen Elektroantrieb eines Elektrofahrzeugs mit Energie versorgt, und während des zweiten Betriebsmodus geladen werden, insbesondere an einer Ladeeinrichtung wie z. B. eine Ladesäule für ein Elektrofahrzeug.The high-voltage battery can be discharged during the first operating mode by supplying electrical consumers such as an electric drive of an electric vehicle with energy, and charged during the second operating mode, in particular at a charging device such. B. a charging station for an electric vehicle.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung nicht einschränkend zu verstehender Ausführungsbeispiele der Erfindung, die im Folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert wird. In dieser Zeichnung zeigen schematisch:
-
1 ein Schaltungsdiagramm eines ersten Ausführungsbeispiefs einer Schaltungsanordnung gemäß der Erfindung, -
2 ein Schaltungsdiagramm eines zweiten Ausführungsbeispiels einer Schaltungsanordnung gemäß der Erfindung, -
3 Schaltungsdiagramme mehrerer bevorzugter Schaltelemente zur Verwendung in Ausführungsformen einer Schaltungsanordnung gemäß der Erfindung und -
4 ein Blockdiagramm eines Ausführungsbeispiel eines Elektrofahrzeugs gemäß der Erfindung.
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1 a circuit diagram of a first exemplary embodiment of a circuit arrangement according to the invention, -
2 a circuit diagram of a second embodiment of a circuit arrangement according to the invention, -
3 Circuit diagrams of several preferred switching elements for use in embodiments of a circuit arrangement according to the invention and -
4 12 is a block diagram of an embodiment of an electric vehicle according to the invention.
In den unterschiedlichen Figuren sind hinsichtlich ihrer Funktion gleichwertige Teile stets mit denselben Bezugszeichen versehen, so dass diese in der Regel auch nur einmal beschrieben werden.In the different figures, parts that are equivalent in terms of their function are always provided with the same reference symbols, so that they are usually only described once.
Die Hochvoltumformeinheit 2 ist vorliegend als an sich bekannte Vollbrücke mit vier Brückenschaltern Q1, Q2, Q3 und Q4 ausgebildet. Die Niedervoltumformeinheit weist einen Gleichrichter REC sowie optional eine Sicherheitsschalteinheit SX auf. Der Gleichrichter REC wandelt die vom Transformator ausgegebene Niedervoltwechselspannung in die Niedervoltgleichspannung LV. Die Sicherheitsschalteinheit SX dient vorliegend der Strombegrenzung und Stromunterbrechung in einem Fehlerzustand der Schaltungsanordnung 1. Es ist zu verstehen, dass sowohl die Hochvoltumformeinheit 2 als auch die Niedervoltumformeinheit 3 weitere oder alternative Komponenten aufweisen können und die Erfindung nicht zwingend auf die in
Der bevorzugte Spannungsbereich zwischen einer nominellen Hochvoltgleichspannung HV und einer verringerten Hochvoltgleichspannung HV* liegt bei dem in
Beispielsweise kann die verringerte Hochvoltgleichspannung HV* etwa die Hälfte der nominellen Hochvoltgleichspannung HV betragen, ohne zwingend auf dieses Verhältnis beschränkt zu sein, auch wenn dieses Verhältnis eine besonders bevorzugte Ausführungsform darstellt, da zum Beispiel eine Hochvoltbatterie mit einer nominellen Hochvoltgleichspannung HV von 800 V, z. B. eine Traktionsbatterie eines Elektrofahrzeugs, in eine Parallelschaltung aus zwei Batterieteilstacks mit einer auf die Hälfte (z. B. 400 V) verringerten Hochvoltgleichspannung HV* geschaltet werden kann, beispielsweise während eines Ladevorgangs der Hochvoltbatterie.For example, the reduced high-voltage DC voltage HV* can be approximately half the nominal high-voltage DC voltage HV, without being necessarily limited to this ratio, even if this ratio represents a particularly preferred embodiment, since, for example, a high-voltage battery with a nominal high-voltage DC voltage HV of 800 V, e.g. B. a traction battery of an electric vehicle, in a parallel circuit of two partial battery stacks with a half (z. B. 400 V) reduced high-voltage DC voltage HV * can be connected, for example during a charging process of the high-voltage battery.
Dementsprechend ist es bevorzugt, dass die Schaltungsanordnung 1 zwei Betriebsmodi aufweist, wobei die Hochvoltbatterie im ersten Betriebsmodus die nominelle Hochvoltgleichspannung HV bereitstellt und im zweiten Betriebsmodus eine gegenüber der nominellen Hochvoltgleichspannung HV verringerte Hochvoltgleichspannung HV* bereitstellt, wobei die Schaltzustände der Schaltelemente S1 und S2 derart gesteuert sind, dass das wirksame Wicklungsverhältnis im zweiten Betriebsmodus gegenüber dem wirksamen Wicklungsverhältnis im ersten Betriebsmodus verringert ist.Accordingly, it is preferred that the
So kann der erste Betriebsmodus zum Beispiel ein Entlademodus (z. B. Fahrbetrieb eines Elektrofahrzeugs oder allgemein ein Versorgungsbetrieb von Hochvoltverbrauchern) während eines Entladens der Hochvoltbatterie sein und der zweite Betriebsmodus ein Lademodus während eines Ladevorgangs der Hochvoltbatterie (z. B. Laden an einer Ladeeinrichtung).For example, the first operating mode can be a discharging mode (e.g. driving an electric vehicle or generally supplying power to high-voltage consumers) while the high-voltage battery is being discharged, and the second operating mode can be a charging mode while the high-voltage battery is being charged (e.g. charging at a charging device).
Die Niedervoltgleichspannung LV liegt bei dem in
Die Schaltelemente S1, S2 sind bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel als bidirektionale Trennschalter ausgebildet. Mögliche bevorzugte Ausführungen derartiger bidirektionaler Trennschalter zeigt beispielhaft
Die Frequenz der von der Hochvoltumformeinheit 2 ausgegebenen Hochvoltwechselspannung liegt bei wenigstens 50 kHz, bevorzugt wenigstens 100 kHz.The frequency of the high-voltage alternating voltage output by the high-
Bei der in
Ferner ist
Die Wicklungen L1, L2, L3 und L4 des Transformators T der in
Die in
In dem ersten Betriebsmodus der Schaltungsanordnung 1 beträgt die nominelle Hochvoltgleichspannung HV vorliegend etwa 800 V und liegt vorzugsweise jedenfalls in einem Bereich zwischen etwa 600 V und 830 V. In diesem Betriebsmodus stellt die Schaltungsanordnung 1 auf der Niedervoltseite eine Niedervoltgleichspannung LV von etwa 8 V bis 14 V bereit und vermag hierbei einen Strom von etwa 265 A zu liefern.In the first operating mode of the
In dem zweiten Betriebsmodus der Schaltungsanordnung 1 beträgt die verringerte Hochvoltgleichspannung HV* vorliegend etwa 400 V und liegt vorzugsweise jedenfalls in einem Bereich zwischen etwa 240 V und 430 V. In diesem Betriebsmodus stellt die Schaltungsanordnung 1 auf der Niedervoltseite eine Niedervoltgleichspannung LV von ebenfalls etwa 8 V bis 14 V bereit und vermag hierbei einen Strom von etwa 133 A zu liefern.In the second operating mode of the
Durch gezieltes Festlegen der Schaltzustände der Schalter S1 und S2 in Abhängigkeit von der eingespeisten Hochvoltgleichspannung HV, HV*, d. h. beispielsweise 800 V oder 400 V, wird das für die Gleichspannungswandlung wirksame Wicklungsverhältnis des Transformators T im Sinne eines hohen Wirkungsgrads verändert. Auf diese Weise kann das Niedervoltgleichspannungsnetz trotz des großen Eingangsspannungsbereichs zwischen beispielsweise 240 V und 830 V stets mit hohem Wirkungsgrad aus der Hochvoltgleichspannung HV, HV* versorgt werden.By specifically setting the switching states of the switches S1 and S2 as a function of the fed-in high-voltage direct current HV, HV*, i. H. for example 800 V or 400 V, the turns ratio of the transformer T effective for the DC voltage conversion is changed in the sense of a high degree of efficiency. In this way, the low-voltage direct voltage network can always be supplied with high efficiency from the high-voltage direct voltage HV, HV* despite the large input voltage range between, for example, 240 V and 830 V.
Hierbei werden die Wicklungen L1 und L2 des Transformators T primärseitig mittels der Schaltelemente S1, S2, die als aktive bidirektionale Trennschalter - vorzugsweise ausgeführt als antiserielle N-FETs, PhotoMOS-Relais, Triacs, Relais etc. - umgeschaltet. Die primärseitig magnetisch gekoppelten Wicklungen L1 und L2 werden von einer Serienschaltung von zwei Wicklungen (vorliegend im ersten Betriebsmodus mit 800 V nomineller Hochvoltgleichspannung HV) auf eine Wicklung (vorliegend im zweiten Betriebsmodus mit auf 400 V verringerter Hochvoltgleichspannung HV*) umgeschaltet. Dies reduziert u. a. die am Transformator T sekundär auftretende Spannung im 800 V-Modus, was das Einsetzen verlustärmerer Gleichrichterbauelemente im Gleichrichter REC ermöglicht. Des Weiteren werden hohe Spitzenströme aufgrund einer geringeren Bandbreite der Pulsweite zur Ansteuerung der Halbleiterelemente im Grenzbereich reduziert, welches die Effizienz in diesen Bereichen steigert.In this case, the windings L1 and L2 of the transformer T are switched on the primary side by means of the switching elements S1, S2, which are active bidirectional isolating switches—preferably designed as anti-serial N-FETs, PhotoMOS relays, triacs, relays, etc. The primary-side magnetically coupled windings L1 and L2 are switched from a series connection of two windings (present in the first operating mode with 800 V nominal high-voltage direct current HV) to one winding (present in the second operating mode with high-voltage direct current HV* reduced to 400 V). This reduces i.a. the secondary voltage occurring at the transformer T in 800 V mode, which allows the use of low-loss rectifier components in the rectifier REC. Furthermore, high peak currents are reduced due to a lower bandwidth of the pulse width for driving the semiconductor elements in the border area, which increases the efficiency in these areas.
Insbesondere der Transformator T der Schaltungsanordnung 2 ebenfalls eine erste primärseitige Wicklung L1 mit einem ersten Wicklungsanschluss 8 und einem zweiten Wicklungsanschluss 9 sowie eine mit der ersten Wicklung L1 magnetisch gekoppelte zweite primärseitige Wicklung L2 mit einem ersten Wicklungsanschluss 10 und einem zweiten Wicklungsanschluss 11 auf. Der erste Wicklungsanschluss 8 der ersten Wicklung L1 ist an den ersten Ausgangspol 12 der Hochvoltumformeinheit 2 angeschlossen. Der zweite Wicklungsanschluss 11 der zweiten Wicklung L2 ist an den vom ersten Ausgangspol 12 verschiedenen zweiten Ausgangspol 13 der Hochvoltumformeinheit 2 angeschlossen. Der erste Wicklungsanschluss 8 der ersten Wicklung L1 und der erste Wicklungsanschluss 10 der zweiten Wicklung L2 sind unter Zwischenschaltung eines ersten Schaltelements S1 von drei Schaltelementen S1, S2 und S3 miteinander verbunden. Der zweite Wicklungsanschluss 9 der ersten Wicklung L1 ist unter Zwischenschaltung des zweiten Schaltelements S2 der Schaltelemente S1, S2, S3 an den ersten Wicklungsanschluss 10 der zweiten Wicklung L2 angeschlossen. Der zweite Wicklungsanschluss 9 der ersten Wicklung L1 ist unter Zwischenschaltung des dritten Schaltelements S3 der Schaltelemente S1, S2, S3 an den zweiten Ausgangspol 13 angeschlossen.In particular, the transformer T of the
Die vorbeschriebene Schaltungsanordnung 15 mit den drei Schaltelementen S1, S2, S3 ermöglicht es, die beiden primärseitigen Wicklungen L1 und L2 des Transformators T wahlweise gemäß einem ersten Wicklungsverhältnis in eine Reihenschaltung zu schalten (d. h. S1 und S3 geöffnet, S2 geschlossen) oder die beiden primärseitigen Wicklungen L1, L2 gemäß einem zweiten Wicklungsverhältnis einzeln parallel zueinander zu schalten (d. h. S1 und S3 geschlossen, S2 geöffnet). In allen Betriebszuständen sind damit beide primärseitigen Wicklungen L1, L2 an der Spannungswandlung wirksam beteiligt, so dass der Wirkungsgrad der Schaltungsanordnung 15 gegenüber der Schaltungsanordnung 1 aus
Die hierin offenbarte erfindungsgemäße Schaltungsanordnung, das Elektrofahrzeug und das erfindungsmäße Verfahren sind nicht auf die hierin jeweils beschriebenen konkreten Ausführungsformen beschränkt, sondern umfassen auch gleich wirkende weitere Ausführungsformen, die sich aus technisch sinnvollen weiteren Kombinationen der hierin beschriebenen Merkmale aller Erfindungsgegenstände ergeben. Insbesondere sind die vorstehend in der allgemeinen Beschreibung und der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren allein gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen nicht nur in den jeweils hierin explizit angegebenen Kombinationen, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.The circuit arrangement according to the invention disclosed herein, the electric vehicle and the method according to the invention are not limited to the concrete embodiments described in each case, but also include other embodiments which have the same effect and which result from technically meaningful further combinations of the features of all the subjects of the invention described herein. In particular, the features and feature combinations mentioned above in the general description and the description of the figures and/or shown alone in the figures can be used not only in the combinations explicitly stated herein, but also in other combinations or on their own, without departing from the scope of the present invention.
In besonders bevorzugter Ausgestaltung wird die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung zur elektrischen Versorgung eines Niedervoltbordnetzes (z. B. 12 V-, 24 V- oder 48 V-Bordnetz, eines Elektrofahrzeugs aus einer Hochvoltgleichspannung (z, B. 800 V) einer Hochvoltbatterie, insbesondere Traktionsbatterie, des Elektrofahrzeugs verwendet.In a particularly preferred embodiment, the circuit arrangement according to the invention is used for the electrical supply of a low-voltage vehicle electrical system (e.g. 12 V, 24 V or 48 V vehicle electrical system, of an electric vehicle from a high-voltage DC voltage (e.g. 800 V) of a high-voltage battery, in particular a traction battery, of the electric vehicle.
BezugszeichenlisteReference List
- 11
- Schaltungsanordnungcircuit arrangement
- 22
- Hochvoltumformeinheithigh-voltage conversion unit
- 33
- Niedervoltumformeinheitlow voltage conversion unit
- 44
- Antiseriell geschaltete N-FETsBack-to-back N-FETs
- 55
- PhotoMOS-RelaisPhotoMOS relay
- 66
- Triactriac
- 77
- Elektromechanisches RelaisElectromechanical relay
- 88th
- Erster WicklungsanschlussFirst winding connection
- 99
- Zweiter WicklungsanschlussSecond winding connection
- 1010
- Erster WicklungsanschlussFirst winding connection
- 1111
- Zweiter WicklungsanschlussSecond winding connection
- 1212
- Erster AusgangspolFirst output pole
- 1313
- Zweiter AusgangspolSecond output pole
- 1515
- Schaltungsanordnungcircuit arrangement
- 2020
- Elektrofahrzeugelectric vehicle
- 2121
- Hochvoltbatteriehigh-voltage battery
- 2222
- Niedervoltnetz low-voltage network
- HVHV
- Nominelle HochvoltgleichspannungNominal high-voltage direct current
- HV*HV*
- Verringerte HochvoltgleichspannungReduced high-voltage direct current
- HV+HV+
- Positives HochvoltpotenzialPositive high-voltage potential
- HV-HV
- Negatives HochvoltpotenzialNegative high-voltage potential
- LVLV
- Niedervoltgleichspannunglow-voltage direct current
- LV+LV+
- Positives NiedervoltpotenzialPositive low-voltage potential
- LV-LV
- Negatives NiedervoltpotenzialNegative low-voltage potential
- L1, L2L1, L2
- Primärseitige TransformatorwicklungPrimary-side transformer winding
- L3, L4L3, L4
- Sekundärseitige TransformatorwicklungSecondary side transformer winding
- Q1-Q4Q1-Q4
- Brückenschalterbridge switch
- RECREC
- Gleichrichterrectifier
- S1-S3S1-S3
- Steuerbares SchaltelementControllable switching element
- SXSX
- Sicherheitsschalteinheitsafety switching unit
- TT
- Transformatortransformer
Claims (15)
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---|---|
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Citations (4)
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US20190199225A1 (en) | 2017-12-21 | 2019-06-27 | Hamilton Sundstrand Corporation | Multi-purpose power conversion module |
CN111726007A (en) | 2020-06-13 | 2020-09-29 | 青岛鼎信通讯股份有限公司 | High-frequency transformer winding switching strategy applied to bidirectional power module |
-
2022
- 2022-01-27 DE DE102022101913.6A patent/DE102022101913A1/en active Pending
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