DE102022101913A1

DE102022101913A1 - Schaltungsanordnung eines Gleichspannungswandlers zur Versorgung eines Niedervoltgleichspannungsnetzes aus einer Hochvoltgleichspannung, diesbezügliches Versorgungsverfahren sowie Elektrofahrzeug

Info

Publication number: DE102022101913A1
Application number: DE102022101913.6A
Authority: DE
Inventors: Marc Neitz
Original assignee: Preh GmbH
Current assignee: Preh GmbH
Priority date: 2022-01-27
Filing date: 2022-01-27
Publication date: 2023-07-27

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).

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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
Die Hochvoltumformeinheit kann vorzugsweise als eine Vollbrücke mit vier elektronisch steuerbaren Halbleiterschaltern ausgebildet sein.
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.
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.
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.
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).
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.

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.
1 stellt ein Schaltungsdiagramm eines ersten Ausführungsbeispiels einer Schaltungsanordnung 1 gemäß der Erfindung dar. Die dargestellte Schaltungsanordnung 1 realisiert im Wesentlichen einen Gleichspannungswandler zur elektrischen Versorgung eines Niedervoltgleichspannungsnetzes (nicht dargestellt) mit einer Niedervoltgleichspannung LV aus einer von einer Hochvoltbatterie (in 1 nicht dargestellt) bereitgestellten Hochvoltgleichspannung HV, HV*. Die Schaltungsanordnung 1 weist einen Transformator T mit einem variabel festlegbaren Wicklungsverhältnis, eine Hochvoltumformeinheit 2 zum Umformen der Hochvoltgleichspannung HV in eine dem Transformator T zugeführte Hochvoltwechselspannung und eine Niedervoltumformeinheit 3 zum Umformen einer vom Transformator T abgegebenen Niedervoltwechselspannung in die Niedervoltgleichspannung LV auf. Wie 1 zu entnehmen ist, ist die Hochvoltumformeinheit 2 unter Zwischenschaltung mehrerer steuerbarer Schaltelemente, vorliegend zwei Schaltelemente S1 und S2, derart an den Transformator T angeschlossen, dass abhängig von gesteuerten Schaltzuständen der jeweiligen Schaltelemente S1 und S2 das für die Gleichspannungswandlung wirksame Wicklungsverhältnis des Transformators T veränderbar ist.
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 1 konkret dargestellten Ausführungsbeispiele der Hochvolt- und Niedervoltumformeinheit 2 bzw. 3 beschränkt ist.
Der bevorzugte Spannungsbereich zwischen einer nominellen Hochvoltgleichspannung HV und einer verringerten Hochvoltgleichspannung HV* liegt bei dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel der Schaltungsanordnung 1 zwischen etwa 200 V und 900 V, insbesondere zwischen etwa 240 V und 830 V, ohne jedoch zwingend auf diese Spannungsbereiche beschränkt zu sein.
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.
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.
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).
Die Niedervoltgleichspannung LV liegt bei dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel in einem Bereich von etwa 8 V bis 14 V. Es ist zu verstehen, dass die Niedervoltgleichspannung in anderen Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung hiervon abweichen kann und zum Beispiel aus einem Bereich von etwa 6 V bis etwa 50 V gewählt sein kann.
Die Schaltelemente S1, S2 sind bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel als bidirektionale Trennschalter ausgebildet. Mögliche bevorzugte Ausführungen derartiger bidirektionaler Trennschalter zeigt beispielhaft 3 in Form von antiseriell geschalteten N-FETs 4, PhotoMOS-Relais 5, Triacs 6 und elektromechanischen Relais 7.
Die Frequenz der von der Hochvoltumformeinheit 2 ausgegebenen Hochvoltwechselspannung liegt bei wenigstens 50 kHz, bevorzugt wenigstens 100 kHz.
Bei der in 1 dargestellten beispielhaften Schaltungsanordnung 1 weist der Transformator T 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 zweite Wicklungsanschluss 9 der ersten Wicklung L1 ist vorliegend mit dem ersten Wicklungsanschluss 10 der zweiten Wicklung L2 als ein gemeinsamer Wicklungsanschluss 9, 10 ausgeführt, der die erste Wicklung L1 und die zweite Wicklung L2 in Reihe schaltet. Wie in 1 dargestellt ist, ist der erste Wicklungsanschluss 8 der ersten Wicklung L1 an einen ersten Ausgangspol 12 der Hochvoltumformeinheit 2 angeschlossen. Der gemeinsame Wicklungsanschluss 9, 10 sowie der zweite Wicklungsanschluss 11 der zweiten Wicklung L2 sind jeweils unter Zwischenschaltung eines der Schaltelemente S1 bzw. S2 an einen vom ersten Ausgangspol 12 verschiedenen zweiten Ausgangspol 13 der Hochvoltumformeinheit 2 angeschlossen.
Ferner ist 1 zu entnehmen, dass der Transformator T sekundärseitig weitere Wicklungen L3 und L4 aufweist, die magnetisch miteinander gekoppelt sind und an denen der Gleichrichter REC angeschlossen ist.
Die Wicklungen L1, L2, L3 und L4 des Transformators T der in 1 gezeigten Schaltungsanordnung 1 weisen beispielhaft ein Verhältnis von 11:11:1:1 auf, ohne jedoch zwingend auf diese konkreten Werte beschränkt zu sein.
Die in 1 dargestellte Schaltungsanordnung 1 mit den zwei Schaltelementen S1 und S2 ermöglicht es, die Reihenschaltung der beiden primärseitigen Wicklungen L1 und L2 auf eine aktive, d. h. an der Spannungswandlung wirksam beteiligte, Wicklung L1 umzuschalten, nämlich wahlweise den gemeinsamen Wicklungsanschluss 9, 10 und/oder den zweiten Wicklungsanschluss 11 der zweiten Wicklung L2 an den zweiten Ausgangspol 13 der Hochvoltumformeinheit 2 zu schalten.
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 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.
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.
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.
2 stellt ein Schaltungsdiagramm eines zweiten Ausführungsbeispiels einer Schaltungsanordnung 15 gemäß der Erfindung dar. Der wesentliche Unterschied der Schaltungsanordnung 15 zur Schaltungsanordnung 1 aus 1 ist in der Art der Verschaltung der primärseitigen Wicklungen L1 und L2 sowie der Anschaltung dieser an die Hochvoltumformeinheit 2 zu sehen.
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.
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 1 nochmals gesteigert ist. Die Serienschaltung der Wicklungen L1 und L2 erfolgt bevorzugt im ersten Betriebsmodus der Schaltungsanordnung 15, z. B. bei Einspeisung einer nominellen Hochvoltgleichspannung HV von 800 V. Die Parallelschaltung der Wicklungen L1 und L2 erfolgt bevorzugt im zweiten Betriebsmodus der Schaltungsanordnung 15, z. B. bei Einspeisung einer verringerten Hochvoltgleichspannung HV* von 400 V.
4 stellt schematisch ein Ausführungsbeispiel eines Elektrofahrzeugs 20 gemäß der Erfindung dar. Das Elektrofahrzeug 20 weist eine Hochvoltbatterie 21, zum Beispiel eine Traktionsbatterie mit einer nominellen Hochvoltgleichspannung HV von 800 V, und ein Niedervoltbordnetz 22, in dem Niedervoltverbraucher des Elektrofahrzeugs 20 versorgt sind, auf. Weiterhin weist das Elektrofahrzeug 20 eine Schaltungsanordnung, zum Beispiel die Schaltungsanordnung 1 aus 1 oder die Schaltungsanordnung 2 aus 2 oder eine noch andere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung, auf. In 4 ist das Elektrofahrzeug 20 beispielhaft mit der Schaltungsanordnung 15 aus 2 ausgestattet. Die Schaltungsanordnung 15 wandelt die von der Hochvoltbatterie 21 bereitgestellte Hochvoltgleichspannung HV in eine dem Niedervoltbordnetz zur Verfügung gestellte Niedervoltgleichspannung LV. Weitere elektrische Komponenten des Fahrzeugs 20, insbesondere beispielsweise ein Elektroantrieb, der ebenfalls aus der Hochvoltbatterie 21 gespeist ist, sind in 4 nicht dargestellt, da sie für die Ausführung der hierin offenbarten Erfindung nicht wesentlich sind.
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.
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.
Bezugszeichenliste

1: Schaltungsanordnung
2: Hochvoltumformeinheit
3: Niedervoltumformeinheit
4: Antiseriell geschaltete N-FETs
5: PhotoMOS-Relais
6: Triac
7: Elektromechanisches Relais
8: Erster Wicklungsanschluss
9: Zweiter Wicklungsanschluss
10: Erster Wicklungsanschluss
11: Zweiter Wicklungsanschluss
12: Erster Ausgangspol
13: Zweiter Ausgangspol
15: Schaltungsanordnung
20: Elektrofahrzeug
21: Hochvoltbatterie
22: Niedervoltnetz
HV: Nominelle Hochvoltgleichspannung
HV*: Verringerte Hochvoltgleichspannung
HV+: Positives Hochvoltpotenzial
HV-: Negatives Hochvoltpotenzial
LV: Niedervoltgleichspannung
LV+: Positives Niedervoltpotenzial
LV-: Negatives Niedervoltpotenzial
L1, L2: Primärseitige Transformatorwicklung
L3, L4: Sekundärseitige Transformatorwicklung
Q1-Q4: Brückenschalter
REC: Gleichrichter
S1-S3: Steuerbares Schaltelement
SX: Sicherheitsschalteinheit
T: Transformator

Claims

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.
Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch zwei Betriebsmodi, wobei die Hochvoltbatterie (21) im ersten Betriebsmodus eine nominelle Hochvoltgleichspannung (HV) bereitstellt und im zweiten Betriebsmodus eine gegenüber der nominellen Hochvoltgleichspannung (HV) verringerte Hochvoltgleichspannung (HV*) bereitstellt, bei der die Schaltzustände der Schaltelemente (S1, S2, S3) derart gesteuert sind, dass das wirksame Wicklungsverhältnis im zweiten Betriebsmodus gegenüber dem wirksamen Wicklungsverhältnis im ersten Betriebsmodus verringert ist.
Schaltungsanordnung nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass der Spannungsbereich zwischen der nominellen Hochvoltgleichspannung (HV) und der verringerten Hochvoltgleichspannung (HV*) zwischen 200 V und 900 V liegt.
Schaltungsanordnung nach einem der beiden vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die verringerte Hochvoltgleichspannung (HV*) die Hälfte der nominellen Hochvoltgleichspannung (HV) beträgt.
Schaltungsanordnung nach einem der drei vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Betriebsmodus ein Entlademodus während eines Entladens der Hochvoltbatterie (21) und der zweite Betriebsmodus ein Lademodus während eines Ladens der Hochvoltbatterie (21) ist.
Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Niedervoltgleichspannung (LV) in einem Bereich von 6 V bis 50 V liegt, besonders bevorzugt von 8 V bis 14 V.
Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Transformator (T) 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) aufweist, wobei der zweite Wicklungsanschluss (9) der ersten Wicklung (L1) mit dem ersten Wicklungsanschluss (10) der zweiten Wicklung (L2) als ein gemeinsamer Wicklungsanschluss (9, 10) ausgeführt ist, der die erste Wicklung (L1) und die zweite Wicklung (L2) in Reihe schaltet, wobei der erste Wicklungsanschluss (8) der ersten Wicklung (L1) an einen ersten Ausgangspol (12) der Hochvoltumformeinheit (2) angeschlossen ist und der gemeinsame Wicklungsanschluss (9, 10) sowie der zweite Wicklungsanschluss (12) der zweiten Wicklung (L2) jeweils unter Zwischenschaltung eines der Schaltelemente (S1, S2) an einen vom ersten Ausgangspol (12) verschiedenen zweiten Ausgangspol (13) der Hochvoltumformeinheit (2) angeschlossen sind.
Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Transformator (T) 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) aufweist, wobei der erste Wicklungsanschluss (8) der ersten Wicklung (L1) an einen ersten Ausgangspol (12) der Hochvoltumformeinheit (2) angeschlossen ist und der zweite Wicklungsanschluss (11) der zweiten Wicklung (L2) an einen vom ersten Ausgangspol (12) verschiedenen zweiten Ausgangspol (13) der Hochvoltumformeinheit (2) angeschlossen ist, wobei der erste Wicklungsanschluss (8) der ersten Wicklung (L1) und der erste Wicklungsanschluss (10) der zweiten Wicklung (L2) unter Zwischenschaltung eines ersten (51) der Schaltelemente (S1, S2, S3) miteinander verbunden sind, der zweite Wicklungsanschluss (9) der ersten Wicklung (L1) unter Zwischenschaltung eines zweiten (S2) der Schaltelemente (S1, S2, S3) an den ersten Wicklungsanschluss (10) der zweiten Wicklung (L2) angeschlossen ist und der zweite Wicklungsanschluss (9) der ersten Wicklung (L1) unter Zwischenschaltung eines dritten (53) der Schaltelemente (S1, S2, S3) an den zweiten Ausgangspol (13) angeschlossen ist.
Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltelemente (S1, S2, S3) als bidirektionale Trennschalter in Form von antiseriell geschaltete N-FETs (4), PhotoMOS-Relais (5), Triacs (6), elektromechanische Relais (7) oder einer Kombination hiervon ausgebildet sind.
Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Frequenz der Hochvoltwechselspannung wenigstens 50 kHz, bevorzugt wenigstens 100 kHz, beträgt.
Elektrofahrzeug (20) aufweisend eine Hochvoltbatterie (21), insbesondere Traktionsbatterie, und ein Niedervoltbordnetz (22), gekennzeichnet durch eine Schaltungsanordnung (1, 15), insbesondere Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, eines Gleichspannungswandlers zur elektrischen Versorgung des Niedervoltbordnetzes (22) mit einer Niedervoltgleichspannung (LV) aus einer von der Hochvoltbatterie (21) bereitgestellten Hochvoltgleichspannung (HV, HV*).
Verfahren zur elektrischen Versorgung eines Niedervoltgleichspannungsnetzes (LV) mit einer Niedervoltgleichspannung (LV) aus einer von einer Hochvoltbatterie (21) bereitgestellten Hochvoltgleichspannung (HV, HV*) mittels einer Schaltungsanordnung (1, 15) eines Gleichspannungswandlers, die 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) aufweist, wobei die Hochvoltumformeinheit (2) unter Zwischenschaltung mehrerer steuerbarer Schaltelemente (S1, S2, S3) an den Transformator (T) angeschlossen wird und das für die Gleichspannungswandlung wirksame Wicklungsverhältnis des Transformators (T) durch Steuern von Schaltzuständen der jeweiligen Schaltelemente (S1, S2, S3) gesteuert wird.
Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass eine nominelle Hochvoltgleichspannung (HV) von der Hochvoltbatterie (21) in einem ersten Betriebsmodus bereitgestellt wird und eine gegenüber der nominellen Hochvoltgleichspannung (HV) verringerte Hochvoltgleichspannung (HV*) von der Hochvoltbatterie (21) in einem zweiten Betriebsmodus bereitgestellt wird und die Schaltzustände der Schaltelemente (S1, S2, S3) derart gesteuert werden, dass das wirksame Wicklungsverhältnis im zweiten Betriebsmodus gegenüber dem wirksamen Wicklungsverhältnis im ersten Betriebsmodus verringert ist.
Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die verringerte Hochvoltgleichspannung (HV*) auf die Hälfte der nominellen Hochvoltgleichspannung (HV) verringert wird.
Verfahren nach einem der drei vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Hochvoltbatterie (21) während des ersten Betriebsmodus entladen wird und während des zweiten Betriebsmodus geladen wird.