DE102009007737A1 - Energiewandlervorrichtung für ein Kraftfahrzeug und entsprechendes Ladegerät - Google Patents

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Abstract

Der Hardwareaufwand der elektronischen Baugruppen in einem Fahrzeug soll reduziert werden. Daher wird eine Energiewandlervorrichtung für ein Kraftfahrzeug mit einem ersten Anschluss zum Anschließen einer Energiequelle, einem zweiten Anschluss zum Betreiben einer Gleichstromeinrichtung mit einer zweiten Spannung und einem dritten Anschluss zum Betreiben einer anderen Gleichstromeinrichtung mit einer dritten Spannung vorgeschlagen. Energie ist von dem ersten zum zweiten und/oder dritten Anschluss übertragbar. Darüber hinaus ist Energie auch wahlweise von dem zweiten zum dritten oder vom dritten zum zweiten Anschluss übertragbar. Damit kann ein Ladegerät mit einer derartigen Energiewandlervorrichtung beispielsweise zum Laden von Fahrzeugbatterien als auch zur Energieübertragung von einem Bordnetz in ein anderes genutzt werden.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine Energiewandlervorrichtung für ein Kraftfahrzeug mit einem ersten Anschluss zum Anschließen einer Energiequelle, einem zweiten Anschluss zum Betreiben einer Gleichstromeinrichtung mit einer bestimmten Spannung und einem dritten Anschluss zum Betreiben einer anderen Gleichstromeinrichtung mit einer ebenfalls anderen Spannung. Darüber hinaus betrifft die vorliegende Erfindung ein entsprechendes Ladegerät mit einer derartigen Energiewandlervorrichtung sowie ein Kraftfahrzeug mit dem genannten Ladegerät.
  • Bei einem elektrischen Hybridfahrzeug wird die konventionelle Lichtmaschine durch einen DC/DC-Wandler ersetzt. Der DC/DC-Wandler ist eine Energiewandlervorrichtung und hat die Aufgabe, das 12 V-Bordnetz/-batterie aus einer HV-Batterie (high voltage; z. B. 200 V) zu speisen. Der DC/DC-Wandler wird je nach Fahrzeugkonzept als eigenständiges Steuergerät oder zusammen mit dem Traktionsumrichter in das Fahrzeug integriert. Bei Batterie- oder Plugln-Hybridfahrzeugen wird zum Laden der HV-Batterie am öffentlichen Stromnetz zusätzlich ein Ladegerät (AC/DC-Wandler) als eigenständiges Steuergerät/Baugruppe eingebaut.
  • In diesem Zusammenhang ist aus der Offenlegungsschrift DE 10 2006 000 796 A1 ein integriertes Strommodul für Hybrid- und Brennstoffzellen-Fahrzeuge bekannt. Dabei führt ein integriertes Strommodul die Aufbereitung und Verteilung elektrischer Energie von einer Hochspannungsquelle in einem Fahrzeug durch, wobei das Fahrzeug einen mit elektrischem Strom betriebenen Fahrmotor aufweist. Eine gemeinsame, primäre Gleichspannungs-Gleichspannungs-Wandlerstufe zum Anschluss an die Hochspannungsquelle erzeugt eine mittlere Gleichspannung auf einem mittleren Spannungsbus. Die primäre Gleichspannungs-Gleichspannungs-Wandlerstufe weist mehrere Phasen auf, einschließlich jeweiliger sekundärer Schaltungen, die selektiv an dem mittleren Spannungsbus angeschlossen werden. Mehrere Stromaufbereitungsvorrichtungen sind jeweils an dem mittleren Spannungsbus angeschlossen, um die mittlere Gleichspannung in jeweilige Ausgangsströme zu transformieren, wobei die Ausgangsströme einen Ausgangswechselstrom zum Antrieb des Fahrmotors umfassen.
  • Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, den Hardwareaufwand der Fahrzeugelektrik zu verringern.
  • Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gelöst durch eine Energiewandlervorrichtung für ein Kraftfahrzeug mit einem ersten Anschluss zum Anschließen einer Energiequelle, einem zweiten Anschluss zum Betreiben einer zweiten Gleichstromeinrichtung mit einer zweiten Spannung und einem dritten Anschluss zum Betreiben einer dritten Gleichstromeinrichtung mit einer dritten Spannung, wobei Energie vom ersten zum zweiten und/oder dritten Anschluss übertragbar ist, und wobei Energie wahlweise auch von dem zweiten zum dritten oder vom dritten zum zweiten Anschluss übertragbar ist.
  • In vorteilhafter Weise ist es so möglich, mit einer einzigen Energiewandlervorrichtung sowohl das Laden von Batterien durch eine externe Energiequelle zu gewährleisten, als auch zwischen Bordnetzen unterschiedlicher Spannungen Energie zu übertragen. Dabei ist es insbesondere von Vorteil, wenn die Anschlüsse galvanisch voneinander getrennt sind.
  • Darüber hinaus ergeben sich besondere Vorteile, wenn die Energiewandlervorrichtung einen Transformator aufweist, wobei der erste Anschluss mit der Primärseite verbunden ist, und der zweite sowie der dritte Anschluss jeweils mit einer Sekundärseite des Transformators verbunden sind. Dies bedeutet, dass ein einziger Transformator für sämtliche Wandleraufgaben zwischen dem internen Bordnetzen sowie einem externen Versorgungsnetz genügt.
  • Speziell kann erfindungsgemäß auch ein Ladegerät mit der geschilderten Energiewandlervorrichtung bereitgestellt werden, wobei an dem ersten Anschluss eine Netzspannung, an dem zweiten Anschluss ein Hochspannungszwischenkreis und an dem dritten Anschluss ein 12 V-Bordnetz anschließbar ist. Schließlich wird auch ein Kraftfahrzeug mit einem derartigen Ladegerät vorgeschlagen.
  • Die vorliegende Erfindung wird nun anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert, in denen zeigen:
  • 1 ein Schaltungsdiagramm eines erfindungsgemäßen Ladegeräts;
  • 2 eine Skizze des Energieflusses in einem ersten Betriebsmodus;
  • 3 eine Skizze des Energieflusses in einem zweiten Betriebsmodus und
  • 4 eine Skizze eines Energieflusses in einem dritten Betriebsmodus.
  • Die nachfolgend näher geschilderten Ausführungsformen stellen bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung dar.
  • 1 zeigt schematisch ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Ladegeräts mit integriertem DC/DC-Wandler. Die Eingangsstufe des Ladegeräts weist einen Gleichrichter 1 auf, welcher beispielsweise von einer Netzspannung mit 110 V bzw. 240 V Wechselspannung gespeist wird. Dem Gleichrichter 1 ist eine PFC-Einheit 2 (Power Factor Correction) nachgeschaltet, um durch Leistungsfaktorkorrektur die Verlustleistung bei der Stromentnahme zu reduzieren. Anschließend wird der Gleichstrom einer DC/DC-Wandlereinheit mit galvanischer Trennung zugeführt. In dem gewählten Beispiel weist der DC/DC-Wandler einen Transformator 3 auf, dessen primärseitige Spule 4 N1 Wicklungen besitzt. Außerdem besitzt der Trafo 3 zwei oder mehr sekundärseitige Spulen 5 und 6 jeweils mit den Wicklungszahlen N2 und N3 bis Nn. Sämtliche Spulen 4, 5 und 6 sind hier galvanisch voneinander getrennt.
  • An der primärseitigen Spule 4 ist ein DC/AC-Wandler 7 angeschlossen, der den Gleichstrom von der PFC-Einheit 2 in einen Wechselstrom für die Spule 4 wandelt.
  • An die eine sekundärseitige Spule 5 ist ein AC/DC-Wandler 8 angeschlossen, der die Wechselspannung der Spule 5 in eine Gleichspannung für einen HV-Zwischenkreis bereitstellt. Parallel hierzu, aber galvanisch getrennt, ist an die andere sekundärseitige Spule 6 ebenfalls ein AC/DC-Wandler 9 angeschlossen, der die Wechselspannung der Spule 6 in eine Gleichspannung für ein 12 V-Bordnetz wandelt.
  • Der in 1 dargestellte Schaltungsaufbau symbolisiert primär eine Energiewandlervorrichtung mit drei Anschlüssen, nämlich einem ersten Anschluss zum Anschließen einer Energiequelle (1- oder 3-phasiges Versorgungsnetz), einem zweiten Anschluss zum Betreiben einer (zweiten) Gleichstromeinrichtung (HV-Zwischenkreis) mit einer zweiten Spannung (Hochspannung) und einem dritten Anschluss zum Betreiben einer (dritten) Gleichstromeinrichtung (12 V-Bordnetz) mit einer dritten Spannung (z. B. 12 V). Energie kann von dem ersten zum zweiten und/oder dritten Anschluss übertragen werden. Darüber hinaus kann Energie wahlweise auch von dem zweiten zum dritten oder vom dritten zum zweiten Anschluss übertragen werden. Dies bedeutet, dass die Energiewandlervorrichtung, die in ein Ladegerät integriert sein kann, in drei Betriebsmodi eingesetzt werden kann. Diese drei Betriebsmodi sind im Zusammenhang mit den 2 bis 4 näher erläutert.
  • In dem ersten Betriebsmodus gemäß 2 ist das Ladegerät beispielsweise an einem öffentlichen Stromnetz bzw. Versorgungsnetz angeschlossen, und eine Fahrzeugbatterie wird geladen. Es erfolgt somit ein Energiefluss über die Wicklung 4 zu der Wicklung 5 und/oder Wicklung 6. Dieser Energiefluss 10 ist in 2 mit einem Pfeil eingezeichnet, der hinsichtlich der Verwendung des Trafos für das Laden von der Primärseite zur Sekundärseite weist. Es findet damit ein Energiefluss hier beispielsweise vom öffentlichen Stromnetz zum HV-Zwischenkreis oder einer HV-Batterie bzw. zum 12 V-Bordnetz statt.
  • In einem zweiten Betriebsmodus gemäß 3 findet kein Ladebetrieb statt. Vielmehr wird das 12 V-Bordnetz aus dem HV-Zwischenkreis gespeist. Demnach findet ein Energiefluss 11 von dem HV-Zwischenkreis/HV-Batterie zum 12 V-Bordnetz statt. Insbesondere fließt die Energie von dem HV-Zwischenkreis über den hier zur DC/AC-Wandlung genutzten Wandler 8, die Wicklung 5, galvanisch davon getrennt weiter über die Wicklung 6 und den AC/DC-Wandler 9 zum 12 V-Bordnetz. Der im Ladebetrieb (2) genutzte primärseitige Teil des Ladegeräts bzw. der Energiewandlervorrichtung wird hier im zweiten Betriebsmodus nicht genutzt, weshalb er in 3 nicht eingezeichnet ist. In diesem zweiten Betriebsmodus stellt die Spule 5 die Primärseite und die Spule 6 die Sekundärseite des Transformators 3 dar. Die Nomenklatur „Primärseite” und „Sekundärseite” wird hier und im Weiteren jedoch auf den Ladebetrieb bezogen, weshalb die beiden Spulen 5 und 6 als Sekundärspulen bezeichnet werden.
  • In einem dritten Betriebsmodus gemäß 4 erfolgt ebenfalls kein Laden einer Fahrzeugbatterie. Daher ist auch hier der primärseitige Teil des Ladegeräts nicht dargestellt. In dem dritten Betriebsmodus erfolgt eine Versorgung des HV-Zwischenkreises aus dem 12 V-Bordnetz. Daher ergibt sich ein Energiefluss 12 von dem 12 V-Bordnetz zu dem HV-Zwischenkreis/HV-Batterie. Dieser Energiefluss 12 erfolgt über den Wandler 9, der hier als DC/AC-Wandler genutzt wird, die Spule 6, die Spule 5 und den AC/DC-Wandler 8. Auch hier ist die für den Ladebetrieb notwendige Spule 4 nicht betroffen.
  • Das Ladegerät bzw. die Energiewandlervorrichtung wird somit zum Laden, aber auch zum Energietransport von einem Bordnetz in ein anderes Bordnetz genutzt. Für sämtliche Betriebsmodi ist eine galvanische Trennung notwendig. Für die galvanische Trennung wird üblicherweise ein Transformator eingesetzt, der die Baugröße, das Gewicht und die Kosten der jeweiligen Baugruppe signifikant mitbestimmt. Deshalb ist hier in das Ladegerät ein DC/DC-Wandler integriert, mit dem ein Energiefluss zwischen zwei Gleichspannungs-Bordnetzen ermöglicht wird. Insbesondere wird hier für das Ladgerät und den DC/DC-Wandler ein gemeinsamer Transformator genutzt. Speziell ergeben sich somit Vorteile hinsichtlich der Einsparung von Hardware. Speziell kann auf einen eigenen Transformator, Stecker, und eventuell ein separates Gehäuse verzichtet werden. Außerdem lässt sich der Bauraum bzw. das Bauvolumen reduzieren.
    • 1
    Gleichrichter
    2
    PFC-Einheit
    3
    Transformator
    4, 5, 6
    Spulen
    7
    DC/AC-Wandler
    8, 9
    AC/DC-Wandler
    10, 11, 12
    Energieflüsse
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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  • Zitierte Patentliteratur
    • - DE 102006000796 A1 [0003]

Claims (5)

  1. Energiewandlervorrichtung für ein Kraftfahrzeug mit – einem ersten Anschluss zum Anschließen einer Energiequelle, – einem zweiten Anschluss zum Betreiben einer zweiten Gleichstromeinrichtung mit einer zweiten Spannung und – einem dritten Anschluss zum Betreiben einer dritten Gleichstromeinrichtung mit einer dritten Spannung, wobei – Energie vom ersten zum zweiten und/oder dritten Anschluss übertragbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass – Energie wahlweise auch von dem zweiten zum dritten oder vom dritten zum zweiten Anschluss übertragbar ist.
  2. Energiewandlervorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Anschlüsse galvanisch voneinander getrennt sind.
  3. Energiewandlervorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch einen Transformator (3), wobei der erste Anschluss mit der Primärseite (4) des Transformators (3) verbunden ist, und der zweite sowie der dritte Anschluss jeweils mit einer Sekundärseite (5, 6) des Transformators verbunden sind.
  4. Ladegerät mit einer Energiewandlervorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass am ersten Anschluss eine Netzspannung anlegbar ist und am zweiten Anschluss ein Hochspannungs-Zwischenkreis sowie am dritten Anschluss ein 12 V-Bordnetz anschließbar sind.
  5. Kraftfahrzeug mit einem Ladegerät gemäß Anspruch 4, gekennzeichnet durch einen Hochspannungs-Zwischenkreis, an dem der zweite Anschluss der Energiewandlervorrichtung angeschlossen ist, und einem 12 V-Bordnetz, an dem der dritte Anschluss der Energiewandlervorrichtung angeschlossen ist.
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