DE102023109216A1

DE102023109216A1 - Verfahren und Schaltung zu einem Pulswechselrichter mit integrierter DCDCWandelfunktion

Info

Publication number: DE102023109216A1
Application number: DE102023109216.2A
Authority: DE
Inventors: Robin Lehner; Darius Abidi-Ashtiany
Original assignee: Dr Ing HCF Porsche AG
Current assignee: Dr Ing HCF Porsche AG
Priority date: 2023-04-12
Filing date: 2023-04-12
Publication date: 2024-10-17

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Integration einer DCDC-Wandelfunktion in einen Pulswechselrichter, wobei der Pulswechselrichter (200) eine Mehrzahl an parallel mit einer Gleichspannungsquelle verbundenen Halbbrücken (211, 221) aufweist, wobei mit einem ersten Teil der Halbbrücken (211), welche an ihrem Mittenabgriff miteinander verbunden sind, an deren Mittenabgriff ein Anschluss (203) für eine Wechselspannungsversorgung einer ersten Last bereitgestellt wird, und wobei mit einem zweiten Teil der Halbbrücken (221) wahlweise über deren jeweilig voneinander getrennte Mittenabgriffe Anschlüsse (201, 202) für eine Gleichspannungsversorgung einer zweiten Last bereitgestellt werden oder deren jeweilig miteinander verbundene Mittenabgriffe mit dem Anschluss (203) für die Wechselspannungsversorgung einer ersten Last verbunden werden. Ferner wird eine Schaltung, welche eine DCDC-Wandelfunktion in einem Pulswechselrichter integriert, beansprucht

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Integration einer DCDC-Wandelfunktion in einen Pulswechselrichter. Ferner wird eine Schaltung, welche eine DCDC-Wandelfunktion in einem Pulswechselrichter integriert, beansprucht.
In heutigen Elektrofahrzeugen werden in aller Regel ein DC-DC-Wandler und ein Pulswechselrichter eingebaut. Beides stellen leistungselektronische Komponenten mit ähnlichem Aufbau dar, welche auch durch gleiche Komponenten, wie bspw. Kondensator, Leistungsmodule oder Schalter, gebildet werden. Unterschiedlich ist jedoch vor allem ein jeweiliger Betrieb, insbesondere eine Taktung der Komponenten, um eine Wechselspannung oder eine Gleichspannung am Ausgang zu erzeugen.
Die Druckschrift DE199 03 427 A1 offenbart einen als Starter-Generator arbeitenden Kondensatorzwischenspeicher in einem Kraftfahrzeugbordnetz, das von einem Drehstromgenerator versorgt wird. Durch eine Schaltung aus sechs Transistor-Leistungsschaltern mit zugehörigen antiparallelen Dioden wird ein Hochsetzsteller ohne zusätzliche Induktivität aufgebaut. Ein weiterer Schalter wird einerseits mit einer Phase des Drehstromnetzes und andererseits mit der positiven Elektrode des 12-Volt-Bordnetzes verbunden.
In der Druckschrift DE 10 2018 214 830 A1 wird ein Kraftfahrzeug mit einem 12-Volt-Bordnetz und einem 48-Volt-Bordnetz beschrieben. Beide Teilnetze werden von voneinander isolierten Ständerwicklungen einer fremderregten Synchronmaschine aus betrieben. Dies ersetzt einen externen Stromrichter zur Versorgung des einen Teilnetzes aus dem anderen Teilnetz.
Die Druckschrift DE 10 2013 213 589 A1 erörtert ein Kraftfahrzeug mit Drehfeld-Elektromotor, Pulswechselrichter und Bordnetz mit einer Spannung von über 30 Volt. Der Pulswechselrichter speist den Motor aus der am Eingang des Motorsteuergeräts anliegenden Gleichspannung.
Die europäische Druckschrift EP 2 541 755 A1 betrifft ein elektrisch betriebenes Fahrzeug mit Doppelsternmotor. Im normalen Fahrbetrieb speisen zwei Pulswechselrichter zwei miteinander gekoppelte Sternwicklungen. Für den Ladebetrieb werden die beiden Pulswechselrichter voneinander getrennt und die zwei Zwischenkreise in Serie geschaltet. Die Gesamtspannung des Zwischenkreises kann somit das Doppelte eines Einzelzwischenkreises betragen. Da nur eine Zwischenkreishälfte mit der Batterie verbunden ist, wird die Leistung vom anderen Zwischenkreis über den als Trafo genutzten Motor dorthin geführt.
In Hochleistungspulswechselrichtern werden gemeinhin mehrere Wechselrichterbrücken parallel betrieben, um Anforderungen einer Last an einen Maximalstrom bereitzustellen. Allerdings wird während eines Großteils des Betriebs, bspw. einer Fahrt des Elektrofahrzeugs, dieser Maximalstrom nicht abgerufen, so dass der jeweilige Hochleistungspulswechselrichter nicht ausgelastet ist.
Vor diesem Hintergrund ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Aufteilung eines Pulswechselrichter-Betriebes zur Verfügung zu stellen, bei dem ein erster Teil des Pulswechselrichters eine Hauptlast versorgt, während ein zweiter Teil wahlweise eine Nebenversorgung bereitstellt. Ferner soll eine Schaltung, mit der das Verfahren umsetzbar ist, bereitgestellt werden.
Zur Lösung der voranstehend genannten Aufgabe wird ein Verfahren zur Integration einer DCDC-Wandelfunktion in einen Pulswechselrichter vorgeschlagen, wobei der Pulswechselrichter eine Mehrzahl an parallel mit einer Gleichspannungsquelle verbundenen Halbbrücken aufweist. Mit einem ersten Teil der Halbbrücken, welche an ihrem Mittenabgriff miteinander verbunden sind, wird an deren Mittenabgriff ein Anschluss für eine Wechselspannungsversorgung einer ersten Last bereitgestellt. Mit einem zweiten Teil der Halbbrücken werden wahlweise

• über deren jeweilig voneinander getrennte Mittenabgriffe Anschlüsse für eine Gleichspannungsversorgung einer zweiten Last bereitgestellt, oder
• deren jeweilig miteinander verbundene Mittenabgriffe mit dem Anschluss für die Wechselspannungsversorgung der ersten Last verbunden.

Das erfindungsgemäße Verfahren übernimmt damit vorteilhaft beide Funktionen, also die eines Pulswechselrichters und die einer Gleichspannungsversorgung, mit Bauelementen einer gleichen Hardware. Bei einem Teillastbetrieb wird somit ein bereitgestellter Maximalstrom auf bspw. 50% eines maximalen Nennstroms im Volllastbetrieb reduziert, gleichzeitig jedoch eine Funktion eines DCDC-Wandlers, bspw. zur Versorgung eines 12-Volt-Bordnetzes, bereitgestellt. Der dadurch verwirklichte DCDC-Wandler findet optimale Bedingungen einer Wärmeabführung vor, da diese bereits für den Betrieb als voller Pulswechselrichter vorgesehen werden musste und bei einer vergleichsweise geringen Leistungsanforderung des DCDC-Wandlers optimale Kühlung und Effizienz liefert. Weiter vorteilhaft kann in dem Elektrofahrzeug ein separater DCDC-Wandler eingespart werden.
In einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die Gleichspannungsquelle aus folgender Liste gewählt: Hochvolt-Batterie, Kondensator.
In einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird der erste Teil der Halbbrücken als ein Pulswechselrichter ausgeführt. Der zweite Teil der Halbbrücken wird als ein Tiefsetzsteller ausgeführt.
In einer noch weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die Mehrzahl an Halbbrücken durch vier Halbbrücken gebildet. Der zweite Teil der Halbbrücken wird durch zwei Halbbrücken gebildet. Ein erster Pol der Gleichspannungsversorgung wird durch Mittenabgriff an einer ersten der zwei Halbbrücken gebildet und ein zweiter Pol der Gleichspannungsversorgung wird durch Mittenabgriff an einer zweiten der zwei Halbbrücken gebildet.
In einer fortgesetzt weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird der erste Teil an Halbbrücken samt eines ersten Teils der Gleichspannungsquelle in einer ersten Kommutierungszelle angeordnet. Der zweite Teil an Halbbrücken wird samt eines zweiten Teils der Gleichspannungsquelle in einer zweiten Kommutierungszelle angeordnet. Die Gleichspannungsquelle kann bspw. durch eine Reihe von Kondensatoren gebildet sein, so dass bspw. eine Hälfte der Kondensatoren in der einen Kommutierungszelle angeordnet werden, und die andere Hälfte der Kondensatoren in der anderen Kommutierungszelle angeordnet werden.
Ferner wird eine Schaltung zur Integration einer DCDC-Wandelfunktion in einen Pulswechselrichter beansprucht, wobei die Schaltung eine Gleichspannungsquelle, einen Pulswechselrichter mit einer Mehrzahl an parallel mit der Gleichspannungsquelle verbundenen Halbbrücken, und eine Steuereinheit aufweist. Die Steuereinheit ist dazu konfiguriert ist, Schaltzustände der Halbbrücken zu steuern. Mit einem ersten Teil der Halbbrücken, welche an ihrem Mittenabgriff miteinander verbunden sind, ist an deren Mittenabgriff ein Anschluss für eine Wechselspannungsversorgung einer ersten Last bereitgestellt. Ein jeweiliger Mittenabgriff eines zweiten Teils der Halbrücken ist über Verbindungsschalter mit dem Mittenabgriff des ersten Teils an Halbbrücken verbindbar. Mit dem zweiten Teil der Halbbrücken sind wahlweise

• bei offenen Verbindungsschalter über jeweilig voneinander getrennte Mittenabgriffe Anschlüsse für eine Gleichspannungsversorgung einer zweiten Last bereitgestellt, oder
• bei geschlossenen Verbindungsschaltern deren jeweilig miteinander verbundene Mittenabgriffe mit dem Anschluss für die Wechselspannungsversorgung der ersten Last verbunden.

In einer Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Schaltung ist die Gleichspannungsquelle aus folgender Liste gewählt: Hochvolt-Batterie, Kondensator.
In einer weiteren Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Schaltung ist die Steuereinheit dazu konfiguriert, den ersten Teil als einen Pulswechselrichter auszuführen und den zweiten Teil als einen Tiefsetzsteller auszuführen.
In einer noch weiteren Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Schaltung ist die Mehrzahl an Halbbrücken durch vier Halbbrücken gebildet, wobei der zweite Teil der Halbbrücken durch zwei Halbbrücken gebildet ist. Ein erster Pol der Gleichspannungsversorgung ist durch Mittenabgriff an einer ersten der zwei Halbbrücken gebildet und ein zweiter Pol der Gleichspannungsversorgung ist durch Mittenabgriff an einer zweiten der zwei Halbbrücken gebildet.
In einer fortgesetzt noch weiteren Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Schaltung ist der erste Teil an Halbbrücken samt eines ersten Teils der Gleichspannungsquelle in einer ersten Kommutierungszelle angeordnet. Der zweite Teil an Halbbrücken ist samt eines zweiten Teils der Gleichspannungsquelle in einer zweiten Kommutierungszelle angeordnet.
Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der beiliegenden Zeichnung.
Es versteht sich, dass die voranstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.

1 zeigt eine Modifikation einer Pulswechselrichterschaltung zu einer Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Schaltung.

In 1 wird eine Modifikation einer Pulswechselrichterschaltung 100 zu einer Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Schaltung 200 gezeigt. Als Pulswechselrichter 110 verschaltet stellen vier parallel mit einem Eingangsanschluss 101, 102 verbundene Halbbrücken 111 durch zusammengeschalteten Mittenabgriff einen Anschluss 103 für eine Hauptlast bereit. Erfindungsgemäß wird die Verschaltung der Halbbrücken in der Schaltung 200 aufgeteilt in einen ersten als Pulswechselrichter betriebenen Teil 210, bei dem zwei Halbbrücken 211 durch Mittenabgriff einen Anschluss 203 für die Hauptlast bereitstellen, jedoch durch einen Verbindungsschalter 212 von den Mittenabgriffen der beiden anderen Halbbrücken 221 trennbar sind. Die beiden Mittenabgriffe der beiden anderen Halbbrücken 221 sind durch einen Verbindungsschalter 222 wahlweise miteinander verbindbar bzw. trennbar. Der zweite Teil 220 wird durch die zwei Halbbrücken 221 gebildet, wobei bei offenem Verbindungsschalter 222 und offenem Verbindungsschalter 212 ein erster Pol bzw. Anschluss 201 einer Gleichspannungsversorgung durch Mittenabgriff an einer ersten der zwei Halbbrücken 221 gebildet wird, und wobei ein zweiter Pol bzw. Anschluss 202 der Gleichspannungsversorgung durch Mittenabgriff an einer zweiten der zwei Halbbrücken 221 gebildet wird. Bei geschlossenem Verbindungsschalter 212 und geschlossenem Verbindungsschalter 222 und offenen Schaltern zu den jeweiligen Anschlüssen 201, 202 und entsprechender Ansteuerung der Halbbrücken 211, 221 kann eine volle Funktion als Pulswechselrichter, mit der Pulswechselrichterschaltung 110 als Ersatzschaltbild, erreicht werden.
Bezugszeichenliste

100: Schaltung Pulswechselrichter mit vier Halbbrücken
101: Eingangsanschluss
102: Eingangsanschluss
103: Lastanschluss
110: Pulswechselrichter
111: Vier Halbbrücken
200: Schaltung aufgeteilter Pulswechselrichter
201: Gleichspannungsanschluss
202: Gleichspannungsanschluss
203: Lastanschluss
210: Betrieb als Pulswechselrichter
211: Zwei Halbbrücken
212: Verbindungsschalter
220: Betrieb als Tiefsetzsteller
221: Zwei Halbbrücken
222: Verbindungsschalter

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 19903427 A1 [0003]
DE 102018214830 A1 [0004]
DE 102013213589 A1 [0005]
EP 2541755 A1 [0006]

Claims

Verfahren zur Integration einer DCDC-Wandelfunktion in einen Pulswechselrichter, wobei der Pulswechselrichter (200) eine Mehrzahl an parallel mit einer Gleichspannungsquelle verbundenen Halbbrücken (211, 221) aufweist, wobei mit einem ersten Teil der Halbbrücken (211), welche an ihrem Mittenabgriff miteinander verbunden sind, an deren Mittenabgriff ein Anschluss (203) für eine Wechselspannungsversorgung einer ersten Last bereitgestellt wird, und wobei mit einem zweiten Teil der Halbbrücken (221) wahlweise • über deren jeweilig voneinander getrennte Mittenabgriffe Anschlüsse (201, 202) für eine Gleichspannungsversorgung einer zweiten Last bereitgestellt werden, oder • deren jeweilig miteinander verbundene Mittenabgriffe mit dem Anschluss (203) für die Wechselspannungsversorgung der ersten Last verbunden werden.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Gleichspannungsquelle aus folgender Liste gewählt wird: Hochvolt-Batterie, Kondensator.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, wobei der erste Teil (210) als ein Pulswechselrichter ausgeführt wird, und wobei der zweite Teil (220) als ein Tiefsetzsteller ausgeführt wird.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, wobei die Mehrzahl an Halbbrücken durch vier Halbbrücken (111) gebildet wird, wobei der zweite Teil (220) der Halbbrücken durch zwei Halbbrücken (221) gebildet wird, wobei ein erster Pol (201) der Gleichspannungsversorgung durch Mittenabgriff an einer ersten der zwei Halbbrücken (221) gebildet wird, und wobei ein zweiter Pol (202) der Gleichspannungsversorgung durch Mittenabgriff an einer zweiten der zwei Halbbrücken (221) gebildet wird.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, wobei der erste Teil (210) an Halbbrücken samt eines ersten Teils der Gleichspannungsquelle in einer ersten Kommutierungszelle angeordnet wird, und wobei der zweite Teil an Halbbrücken samt eines zweiten Teils der Gleichspannungsquelle in einer zweiten Kommutierungszelle angeordnet wird.
Schaltung zur Integration einer DCDC-Wandelfunktion in einen Pulswechselrichter, wobei die Schaltung eine Gleichspannungsquelle, einen Pulswechselrichter (110, 210) mit einer Mehrzahl an parallel mit der Gleichspannungsquelle verbundenen Halbbrücken (111, 211, 221), und eine Steuereinheit aufweist, wobei die Steuereinheit dazu konfiguriert ist, Schaltzustände der Halbbrücken zu steuern, wobei mit einem ersten Teil der Halbbrücken (211), welche an ihrem Mittenabgriff miteinander verbunden sind, an deren Mittenabgriff ein Anschluss (203) für eine Wechselspannungsversorgung einer ersten Last bereitgestellt ist, wobei ein jeweiliger Mittenabgriff eines zweiten Teils der Halbrücken (221) über Verbindungsschalter mit dem Mittenabgriff des ersten Teils an Halbbrücken (211) verbindbar ist, und wobei mit dem zweiten Teil der Halbbrücken (221) wahlweise • bei offenen Verbindungsschalter über jeweilig voneinander getrennte Mittenabgriffe Anschlüsse (201, 202) für eine Gleichspannungsversorgung einer zweiten Last bereitgestellt sind, oder • bei geschlossenen Verbindungsschaltern deren jeweilig miteinander verbundene Mittenabgriffe mit dem Anschluss (203) für die Wechselspannungsversorgung der ersten Last verbunden sind.
Schaltung nach Anspruch 6, wobei die Gleichspannungsquelle aus folgender Liste gewählt ist: Hochvolt-Batterie, Kondensator.
Schaltung nach einem der Ansprüche 6 oder 7, wobei die Steuereinheit dazu konfiguriert ist, den ersten Teil (210) als einen Pulswechselrichter auszuführen und den zweiten Teil (220) als einen Tiefsetzsteller auszuführen.
Schaltung nach einem der Ansprüche 6 bis 8, wobei die Mehrzahl an Halbbrücken durch vier Halbbrücken (111) gebildet ist, wobei der zweite Teil (220) der Halbbrücken durch zwei Halbbrücken (221) gebildet ist, wobei ein erster Pol (201) der Gleichspannungsversorgung durch Mittenabgriff an einer ersten der zwei Halbbrücken (221) gebildet ist, und wobei ein zweiter Pol (202) der Gleichspannungsversorgung durch Mittenabgriff an einer zweiten der zwei Halbbrücken (221) gebildet ist.
Schaltung nach einem der Ansprüche 6 bis 9, wobei der erste Teil (210) an Halbbrücken samt eines ersten Teils der Gleichspannungsquelle in einer ersten Kommutierungszelle angeordnet ist, und wobei der zweite Teil (220) an Halbbrücken samt eines zweiten Teils der Gleichspannungsquelle in einer zweiten Kommutierungszelle angeordnet ist.