DE102014016076A1 - DC/DC-Wandler für ein Kraftfahrzeug - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen DC/DC-Wandler (10) für ein Kraftfahrzeug umfassend zwei Hochvoltanschlüsse (12), einen Hochvolt-DC/AC-Wandler (16) mit einem Hochvoltwandlerschalter (18), einen galvanisch getrennten Transformator (22), einen Niedervolt-AC/DC-Wandler (24), einen Zwischenstromkreis (30) mit einer Zwischenkreiskapazität (28), ein an den Zwischenstromkreis (30) angeschlossenes Wandlermodul (32) zum Umwandeln einer Zwischenkreisspannung (UZK) des Zwischenstromkreises (30) in eine Niedervoltgleichspannung (ULV), wobei das Wandlermodul (32) zwei Niedervoltanschlüsse (40) umfasst, wobei eine Ansteuervorrichtung (20) des Hochvoltwandlerschalters (18) dafür ausgelegt ist, den Hochvoltwandlerschalter (18) mit einem vorgegebenen und festen Tastverhältnis anzusteuern, sodass das über den Hochvolt-DC/AC-Wandler (16), den Transformator (22) und den Niedervolt-AC/DC-Wandler (24) realisierte Übersetzungsverhältnis ü einer Hochvoltgleichspannung (UHV) und der Zwischenkreisspannung (UZK) konstant ist. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Kraftfahrzeug mit einem solchen DC/DC-Wandler sowie ein entsprechendes Verfahren darin bestehend, dass mit einem konstanten Übersetzungsverhältnis eine Hochvoltgleichspannung (UHV) eines Kraftfahrzeugs in eine Zwischenkreisspannung (UZK) umgewandelt wird und die Zwischenkreisspannung (UZK) mit einem variierbaren Übersetzungsverhältnis in die Niedervoltgleichspannung (ULV) des Kraftfahrzeugs umgewandelt wird.

Description

  • Die Erfindung betrifft einen DC/DC-Wandler für ein Kraftfahrzeug, das einen Hochvoltstromkreis mit einer variablen Hochvoltgleichspannung und einen Niedervoltstromkreis mit einer Niedervoltgleichspannung umfasst, gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1, ein Kraftfahrzeug mit einem solchem, sowie ein entsprechendes Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 10.
  • Aus der DE 10 2010 030 133 A1 ist eine Schaltungsanordnung eines Kraftfahrzeuges bekannt, das einen Hochvoltstromkreis mit einer durch eine Hochvoltbatterie bereitgestellten und damit variablen Hochvoltgleichspannung und einem Niedervoltstromkreis bekannt, wobei beide Stromkreise über einen DC/DC-Wandler gekoppelt sind. Der Hochvoltstromkreis ist ferner über einen Zwischenstromkreis und einen Pulswechselrichter mit einer mehrphasigen elektrischen Maschine gekoppelt, wobei an einem Messpunkt Spannungsschwankungen von Leiterpotenzialen gemessen werden sollen.
  • Aus der DE 10 2009 049 761 A1 ist ein Verfahren zum Kaltstarten eines Brennstoffzellensystems eines Kraftfahrzeugs sowie ein entsprechendes System bekannt, bei dem ein Brennstoffzellenstapel und eine Batterie jeweils über einen DC/DC-Wandler mit einem Zwischenstromkreis gekoppelt sind. Dabei wird die Zwischenkreisspannung so reguliert, dass in der Aufwärmehase der Brennstoffzellenstapel mit einer möglichst niedrigen Spannung betrieben werden kann, um das Aufwärmen zu begünstigen. Ferner weist die Antriebseinheit einen DC/DC-Wandler auf, um eine Niedervoltspannung für ein Bordnetz bereitzustellen.
  • Aus der DE 10 2011 084 006 A1 ist eine Steuereinheit eines Kraftfahrzeugs mit einem DC/DC-Wandler bekannt, wobei dieser mit der Antriebseinheit über einen Zwischenstromkreis mit Zwischenkreiskapazität gekoppelt ist. Der Spannungswandler weist einen Wechselrichter und einen Transformator auf, wobei im Falle eines entsprechenden Sensorsignals, beispielsweise eines Aufprallsensors oder eines Motorhaubensensors, der Wechselrichter mit einer verringerten Arbeitsfrequenz betrieben wird. Dadurch verändert sich der Wechselstromwiderstand des Transformators, wodurch es zu einer schnellen Entladung der Zwischenkreiskapazität kommt. Dadurch soll das Risiko eines elektrischen Schlags im Falle von Wartungsarbeiten oder bei Unfällen verringert werden.
  • Allgemein wird bei Kraftfahrzeugen mit Elektro- oder Hybridantrieb die elektrische Energie für den elektrischen Antrieb von einer Hochvoltbatterie bereitgestellt, wobei Hochvoltspannungen größer als 60 und kleiner als 1500 V üblich sind. Gleichzeitig weisen viele Kraftfahrzeuge elektrische Geräte auf, die konstante Niedervoltspannungen von kleiner oder gleich 60 V benötigen, insbesondere 12 V und 48 V. Dabei sind unter Hochvoltspannungen allgemein solche größer als 60 V und unter Niedervoltspannungen solche kleiner oder gleich 60 V zu verstehen.
  • Um diese Niedervoltgeräte ebenfalls mit Energie aus dem Hochvoltstromkreis zu versorgen oder auch, um die zugehörige übliche 12-V-Batterie aufzuladen, wird deshalb eine Schaltungsanordnung bzw. ein DC/DC-Wandler 100 wie in 1 dargestellt verwendet. Dieser umfasst einen Hochvolt-Gleichspannungs-/Wechselspannungs(DC/AC)-Wandler 102, einen galvanisch getrennten Transformator 104, einen Niedervolt-AC/DC-Wandler 106 sowie ein Mittelwertgleichrichtungsmodul 108. Der Hochvolt-DC/AC-Wandler 102 ist an der Hochvoltspannung UHV des Kraftfahrzeugs angeschlossen und wandelt diese in eine AC-Rechteckspannung um, damit. diese in eine AC-Spannung von niedrigerem Niveau transformiert werden kann. Der Niedervolt-AC/DC-Wandler 106 wandelt diese in eine DC-Rechteckspannung um. Diese wird über eine Drossel 110 des Mittelwertgleichrichtungsmoduls 108 in die benötigte Niedervoltspannung ULV umgewandelt.
  • Das Gesamtübersetzungsverhältnis ULV/UHV wird dabei durch die Ansteuerung eines Wandlerschalters 112 des Hochvolt-DC/AC-Wandlers 102 bestimmt, und zwar durch ein pulsweitenmoduliertes Signal, das beispielsweise an das Gate des Transistors des Wandlerschalters 112 angelegt wird. Die zeitliche Abfolge sowie die Breite der Pulse bestimmt dabei die Höhe der Rechteckimpulse der AC-Rechteckspannung und damit insgesamt das Gesamtübersetzungsverhältnis des DC/DC-Wandlers 100. Damit muss aber, falls eine zweite Niedervoltspannung auf einem anderen Niveau bereitgestellt werden soll, ein zweiter dieser DC/DC-Wandler mit einem zweiten Gesamtübersetzungsverhältnis angeordnet werden. Die Verwendung zusätzlicher Stromkreise mit verschiedenen Niedervoltspannungen ist allerdings für die Zukunft in Kraftfahrzeugen zu erwarten.
  • Ferner muss der DC/DC-Wandler und insbesondere die Verbindung zwischen den einzelnen Elementen niederinduktiv ausgelegt sein. Dies macht es erforderlich, dass Hochvolt-DC/AC-Wandler 102, Transformator 104, Niedervolt-AC/DC-Wandler 106 und Mittelwertgleichrichtungsmodul 108 räumlich nah zueinander angeordnet sind und bevorzugt in einem Gehäuse verbaut werden. Dies schränkt die Freiheit beim Entwurf des Kraftfahrzeugs und bei der Anordnung der Elemente ein, insbesondere wenn mehrere Niedervoltstromkreise vorhanden sind.
  • Weiterhin wirken die induktiv geprägten Elemente Transformator 104 und Mittelwertgleichrichtungsmodul 108 aufgrund der Wechselspannungsanteile (z. B. weist die DC-Rechteckspannung Wechselspannungsanteile auf) wie Stromquellen. Somit erfolgt die aktive Schaltung im Niedervolt-AC/DC-Wandler 106 effektiv zwischen zwei Stromquellen. Durch die aktive Schaltung der Ströme im Niedervolt-AC/DC-Wandler 106 kommt es zu hohen Überspannungen. Um diese zu reduzieren, müssen am oder im Niedervolt-AC/DC-Wandler 106 entsprechende zusätzliche Schaltungen, sogenannte Snubber-Schaltungen 114, zur Reduktion der Überspannungen angeordnet werden. Diese sind sowohl kosten- als auch bauraumintensiv.
  • Ferner ist damit ein Rückwärtsbetrieb kaum oder gar nicht realisierbar. Beim Rückwärtsbetrieb würde eine im Niedervoltstromkreis erzeugte Spannung in umgekehrter Richtung über Niedervolt-AC/DC-Wandler 106, Transformator 104 und Hochvolt-DC/AC-Wandler 102 in eine Hochspannung transformiert. Dies könnte beispielsweise sinnvoll sein, um zu testen, ob die 12-V-Autobatterie noch ausreichend funktionsfähig ist, oder um die Hochvoltbatterie des Hochvoltstromkreises an einer Spannungsquelle mit niedriger Spannung aufzuladen, beispielsweise indem die 220-V-Netzspannung, die nicht direkt gleichgerichtet und in den Hochvoltstromkreis eingespeist werden kann, mit entsprechender Spannungstransformation in den Niedervoltstromkreis eingespeist wird und über den DC/DC-Wandler die Hochvoltbatterie lädt. In beiden Fällen würden aber jeweils starke Ströme fließen, noch stärkere als im üblichen Vorwärtsbetrieb, womit die Snubber-Schaltungen noch größer zu dimensionieren wären und die Verluste an diesen den Rückwärtsbetrieb energetisch zu ineffizient machen würden. Somit kann der bekannte DC/DC-Wandler aus praktischen Gründen nur sehr leistungseingeschränkt für den Rückwärtsbetrieb genutzt werden.
  • Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung einen DC/DC-Wandler für ein Kraftfahrzeug, ein Kraftfahrzeug mit einem solchem und ein Verfahren der eingangs genannten Art derart weiterzuentwickeln, dass eine flexiblere Anordnung der Elemente zueinander, eine Vermeidung von Überspannungen, ein Rückwärtsbetrieb mit geringen Verlusten sowie eine platzsparende und kostengünstigere gleichzeitige Bereitstellung von Niedervoltspannungen auf unterschiedlichem Niveau ermöglicht wird.
  • Diese Aufgabe wird durch einen DC/DC-Wandler für ein Kraftfahrzeug mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1, durch ein Kraftfahrzeug mit den Merkmalen des Patentanspruchs 8 sowie durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 10 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen und nichttrivialen Weiterbildungen der Erfindung sind in den übrigen Ansprüchen angegeben.
  • Bei dem erfindungsgemäßen DC/DC-Wandler für ein Kraftfahrzeug wird der Hochvoltwandlerschalter des Hochvolt-DC/AC-Wandlers unabhängig von dem momentanen Betrag der Hochvoltspannung mit einem vorgegebenen und festen Tastverhältnis bzw. mit einer vorgegebenen und festen Taktung angesteuert. Damit ergibt sich ein festes Übersetzungsverhältnis zwischen der Hochvoltspannung und der vom Niedervolt-AC/DC-Wandler abgegebenen und durch Spitzenwertgleichrichtung an der Zwischenkreiskapazität erzeugten Zwischenkreisspannung. Diese Zwischenkreisspannung weist jedoch beabsichtigt noch nicht unbedingt den für den Niedervoltstromkreis erforderlichen Wert auf.
  • Dadurch, dass diese Abweichung toleriert wird, kann auf das unmittelbare Anfügen eines Mittelwertgleichrichtungsmoduls oder Ähnliches verzichtet werden. So wird vermieden, dass der Niedervolt-AC/DC-Wandler zwischen zwei quasi als Stromquellen wirkenden induktiv geprägten Modulen in der Schaltungstopologie angeordnet ist. Folglich führt das Schalten des Niedervolt-AC/DC-Wandlers nicht mehr wie in dem Stand der Technik zu hohen Überspannungen und es kann auf die Snubber-Schaltungen vollkommen oder zumindest in erheblichen Umfang verzichtet werden.
  • Die Zwischenkreisspannung muss nicht unmittelbar in die benötigte Niedervoltspannung umgewandelt werden. Vielmehr kann sich ein die Zwischenkreisspannung führender Zwischenstromkreis bis nahe an entsprechende Verbraucher bzw. bis zu einem Niedervoltlastpunkt erstrecken. Der Zwischenstromkreis kann dabei in einfachster Form aus zwei an die entsprechenden Ausgänge des Niedervolt-AC/DC-Wandlers gekoppelten Leitungen bestehen, die sich entsprechend zu dem Niedervoltlastpunkt erstrecken, um dort die Zwischenkreisspannung bereitzustellen. Dort ist dann das Wandlermodul angeordnet und die Zwischenkreisspannung wird durch eine geeignete Pulsweitenmodulation des Wandlerschalters des Wandlermoduls auf die gewünschte Niedervoltspannung eingestellt.
  • Somit kann das Wandlermodul räumlich getrennt zu den anderen Elementen des DC/DC-Wandlers angeordnet werden. Insbesondere können auch an verschiedenen Stellen des Zwischenkreises verschiedene Wandlermodule angeordnet werden, um verschiedene Niedervoltspannungen bereitzustellen. So können beispielsweise in einem Kraftfahrzeug mit 12 V- und 48 V-Komponenten zwei Wandlermodule mit unterschiedlicher Pulsweitenmodulation betrieben werden, sodass ein Wandlermodul die 12-V-Spannung und eines die 48-V-Spannung bereitstellt.
  • Dabei ist die Zahl der Wandlermodule nicht prinzipiell beschränkt, sodass auch einzelne Verbraucher durch ein eigenes Wandlermodul eine entsprechende Niedervoltspannung aus dem Zwischenstromkreis beziehen können. Damit genügt, im Gegensatz zum Stand der Technik, bei dem für jeden separaten Verbraucher oder separaten Stromkreis ein voller DC/DC-Wandler angeordnet werden muss, ein Hochvolt-DC/AC-Wandler, ein Transformator und ein Niedervolt-AC/DC-Wandler für einen erheblichen Teil oder die gesamte Fahrzeugelektronik. Es muss lediglich eine geeignete Anzahl Wandlermodule parallel geschaltet am Zwischenstromkreis angeordnet werden. Damit ergeben sich erhebliche Vorteile bezüglich des benötigten Fahrzeugbauraums, des Gewichts und der entstehenden Kosten.
  • Da für Spannungen > 60 V besondere Anforderungen bezüglich der Hochvoltsicherheit bestehen, ist es vorteilhaft, wenn die Zwischenkreisspannung immer kleiner oder gleich 60 V ist, wobei sie bevorzugt um einen gewissen Sicherheitspuffer kleiner als 60 V ist. Dies kann erreicht werden, indem die Taktung des Hochvolt-DC/AC-Wandlers in Abhängigkeit von der maximalen Hochvoltspannung so gewählt wird, dass die sich mit dem festen Übersetzungsverhältnis ergebende maximale Zwischenkreisspannung kleiner oder gleich 60 V ist. Beziehungsweise ist mit anderen Worten das Übersetzungsverhältnis der Hochvoltspannung und der Zwischenkreisspannung so gewählt, dass während des gesamten Betriebs bzw. zu jedem Betriebszeitpunkt die Zwischenkreisspannung kleiner oder gleich 60 V ist.
  • Da der Zwischenstromkreis gegebenenfalls durch erhebliche Teile des Kraftfahrzeugs geführt und an mehreren elektrischen Geräten des Kraftfahrzeugs vorbeigeführt sein kann, ist es vorteilhaft, die durch den Niedervolt-AC/DC-Wandler ausgegebene DC-Rechteckspannung möglichst in eine konstante Gleichspannung umzuwandeln. Dies erfolgt durch eine geeignete Dimensionierung der Zwischenkreiskapazität, die dadurch eine Spitzenwertgleichrichtung bewirkt.
  • Vorteilhaft ist auch, dass die Gesamtinduktivität des Wandlermoduls durch die Parallelschaltung mehrere Wandlerschalter und Drosseln auf ein geeignetes Maß reduziert werden kann.
  • Dem erfindungsgemäßen DC/DC-Wandler liegt allgemein das erfinderische Verfahren zugrunde. Wenn bei einem Kraftfahrzeug mit einem Hochvoltstromkreis und mindestens einem Niedervoltstromkreis diese gekoppelt werden sollen, sieht das erfindungsgemäße Verfahren vor, die während des Betriebs variable Hochvoltspannung mit einem festen Übersetzungsverhältnis durch Reihenschaltung eines Hochvolt-DC/AC-Wandlers, eines Transformators, eines Niedervolt-AC/DC-Wandlers und einer Zwischenkreiskapazität in eine damit während des Betriebs variable Zwischenkreisspannung umzuwandeln und erst diese mit einem variierbaren Übersetzungsverhältnis in eine während des Betriebs konstante Niedervoltspannung umzuwandeln.
  • Durch das Entkoppeln des Transformierens der Hochvoltspannung in eine ausreichend niedrige Spannung für eine Niedervoltspannung und des Ausgleichs der zeitlichen Veränderung der Hochvoltspannung kann auf eine Mittelwertgleichrichtung verzichtet werden, was das Problem von Überspannungen erheblich reduziert. Wandlermodule zum Erzielen der exakten Niedervoltspannung können flexibel im Fahrzeug angeordnet und jeweils an einen Niedervoltstromkreis angekoppelt werden. Damit ist der Aufbau flexibler, insbesondere können die Bauelemente im Kraftfahrzeug verteilt angeordnet werden, und gleichzeitig kann auf Komponenten zur Kompensierung der Überspannungen verzichtet werden.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren kann insbesondere mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung ausgeführt werden. Dabei kann das Verfahren insbesondere entsprechend der oben und der in den Ansprüchen 2 bis 7 offenbarten möglichen Merkmale des DC/DC-Wandlers für ein Kraftfahrzeug sowie entsprechend der in den Ansprüchen 8 und 9 offenbarten Merkmale für ein Kraftfahrzeug mit einem erfindungsgemäßen DC/DC-Wandler verändert werden.
  • Die Zeichnungen zeigen in
  • 1 eine schematische Darstellung eines DC/DC-Wandlers eines Kraftfahrzeugs gemäß dem Stand der Technik; und
  • 2 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen DC/DC-Wandlers für ein Kraftfahrzeug.
  • 2 zeigt schematisch die Schaltungstopologie eines erfindungsgemäßen DC/DC-Wandlers 10 für ein Kraftfahrzeug (nicht gezeigt). In 2 sind bekannte elektrotechnische Bauelemente nur schematisch und unter schematischer Darstellung ihrer elektrisch prägenden Bauelemente dargestellt (Wandlerschalter bzw. Induktivitäten).
  • Der erfindungsgemäße DC/DC-Wandler umfasst zwei Hochvoltanschlüsse 12, die elektrisch mit einem Hochvoltstromkreis (nicht gezeigt) des Kraftfahrzeugs gekoppelt sind. Zwischen diesen beiden Hochvoltanschlüssen 12 liegt die Hochvoltspannung UHV des Hochvoltstromkreises an und es ist zwischen den Hochvoltanschlüssen 12 eine Hochvoltkapazität 14 angeordnet. Diese dient der Stabilisierung gegen kurzfristige Spannungsschwankungen bzw. der Glättung des Spannungsverlaufs.
  • Mit den zwei Hochvoltanschlüssen 12 ist ein Hochvolt-DC/AC-Wandler 16 elektrisch gekoppelt. Dieser Hochvolt-DC/AC-Wandler 16 kann ein Hochvolt-DC/AC-Wandler jedes bekannten Typs sein, der den Anforderungen der Umwandlung der Hochvoltgleichspannung UHV in eine Wechselspannung genügt. Dabei weisen alle diese ein oder mehrere Hochvoltwandlerschalter 18 auf, durch deren Ansteuern bzw. Öffnen und Schließen die Umwandlung oder auch Zerhackung und Umpolung der Hochvoltgleichspannung UHV in eine Wechselspannung bewirkt wird.
  • Dabei wird der Hochvoltwandlerschalter 18 durch eine Ansteuerung einer Ansteuerungsvorrichtung 20 geschaltet, indem beispielsweise, wie hier schematisch dargestellt, entsprechende Signale auf das Gate eines Transistors des Hochvoltwandlerschalters 18 gelegt werden.
  • Die vorliegende Ansteuerungsvorrichtung 20 weist ein festes Tastverhältnis auf. Dies bedeutet, dass die Ansteuerungsvorrichtung 20 dafür ausgebildet ist, in vorgegebenen Zeitabständen eine vorgegebene Spannung für eine vorgegebene Zeit an das Gate des Wandlerschalters 18 anzulegen. Am Ausgang des Hochvolt-DC/AC-Wandlers 16 wird so eine AC-Rechteckspannung erzeugt.
  • An den Hochvolt-DC/AC-Wandler 16 schließt sich ein galvanisch getrennter Transformator 22 an. Dieser kann ein bekannter Typ Transformator sein, beispielsweise in Form von galvanisch getrennten und benachbart zueinander angeordneten Spulen oder Drosseln. Durch den Transformator wird die AC-Rechteckspannung in eine AC-Spannung mit entsprechendem niedrigeren Betrag umgewandelt.
  • An den Transformator 22 schließt sich ein Niedervolt-AC/DC-Wandler 24 üblichen Typs an und dieser weist zwei Zwischenkreisanschlüsse 26 auf. Zwischen diesen liegt eine Zwischenkreisspannung UZK an und zwischen diesen ist eine Zwischenkreiskapazität 28 zur Stabilisierung und Spitzenwertgleichrichtung angeordnet, sodass die Zwischenkreisspannung UZK eine Gleichspannung ist oder zumindest nahezu eine Gleichspannung ist.
  • Durch das an dem Gate des Hochvoltwandlerschalters 18 anliegende feste Tastverhältnis bzw. durch die feste Tastrate wird in Kombination mit dem Übersetzungsverhältnis des Transformators 22 über Hochvolt-DC/AC-Wandler 18, Transformator 22 und Niedervolt-AC/DC-Wandler 24 ein festes Übersetzungsverhältnis ü = UZK/UHV realisiert. Damit ist die Zwischenkreisspannung UZK im Verhältnis zur Hochvoltgleichspannung UHV fix und alle Änderungen der Hochvoltgleichspannung UHV während des Betriebs, beispielsweise durch Entladung der Hochvoltbatterie oder Änderungen der Belastung der Hochvoltbatterie, führen zu einer entsprechenden Änderung der Zwischenkreisspannung UZK, die dadurch nicht zum Betrieb von elektrischen Geräten, die eine bestimmte Spannung benötigen, geeignet ist.
  • Deshalb ist nur ein Zwischenstromkreis 30 mit den Zwischenkreisanschlüssen 26 direkt verbunden und erst hinter dem Zwischenstromkreis 30 ist ein Wandlermodul 32 angeordnet und erst an dieses schließt sich der Niedervoltstromkreis mit den elektrischen Geräten an. Hierbei soll der gepunktete Bereich des Zwischenstromkreises 30 symbolisieren, dass die Gesamtlänge des Zwischenstromkreises 30 erheblich größer sein kann als durch die Proportionen in der schematischen Darstellung nahegelegt. Insbesondere kann sich der Zwischenstromkreis 30 über das ganze Kraftfahrzeug erstrecken, sodass die bisher aufgeführten Komponenten vor dem Zwischenstromkreis 30 an ganz anderer Stelle des Kraftfahrzeugs angeordnet sein können, als die Komponenten nach dem Zwischenstromkreis 30. Hierbei sind vor und nach im Sinne einer Betrachtung ausgehend vom Hochvoltstromkreis zu verstehen. Die Betriebsrichtung des DC/DC-Wandlers 10 ist aber nicht auf diese, den Vorwärtsbetrieb beschränkt, sondern ein Rückwärtsbetrieb des DC/DC-Wandlers 10 ist ebenso möglich.
  • Nach dem Transformieren der Hochvoltgleichspannung UHV, die bis zu 1500 V sein kann, mit einem erheblichen Übersetzungsverhältnis auf die Zwischenkreisspannung UZK, die kleiner oder gleich 60 V ist, dient das Wandlermodul 32 der genauen Anpassung der Zwischenkreisspannung UZK an die Niedervoltgleichspannung ULV eines Niedervoltstromkreises des Kraftfahrzeugs, die ebenfalls kleiner oder gleich 60 V ist.
  • Da die Niedervoltgleichspannung UHV üblicherweise mindestens 12 V beträgt, ist das Verhältnis zwischen Zwischenkreisspannung UZK und Niedervoltgleichspannung ULV relativ nahe bei 1, insbesondere im Bereich von 1 bis 5. Aufgrund dieses geringen erforderlichen Übersetzungsverhältnisses und der geringen Leistung kann auf die Verwendung eines galvanisch getrennten Transformators verzichtet werden. Stattdessen kann das Wandlermodul 32 in Form einer der Vielzahl bekannten galvanisch nicht getrennten Gleichspannungswandler ausgebildet sein, die Drosseln bzw. Induktivitäten und Wandlerschalter nutzen, beispielsweise Abwärtswandler- oder Aufwärtswandler (Steg-Up/Down-Konverter), Synchronwandler, Inverswandler, SEPIC-Wandler, Cuk-Wandler, Zeta-Wandler, Doppelinverter, Split-Pi-Wandler, Kaskadierter Ab-Aufwärtswandler, usw.
  • Dabei ist eine Ansteuerungsvorrichtung 36 zum Ansteuern eines Niedervoltwandlerschalters 34 des Wandlermoduls 32 angeordnet, die ein pulsweitenmoduliertes Signal erzeugt. Damit kann die Zwischenkreisspannung UZK exakt in die benötige Niedervoltgleichspannung ULV umgewandelt werden, denn Pulslängen und -abstände bestimmen das Übersetzungsverhältnis des Wandlermoduls 32.
  • An das Wandlermodul 32 schließt sich eine Niedervoltkapazität 38 an, die ebenfalls der Spannungsstabilisierung und -glättung dient, sodass an den Niedervoltanschlüssen 40 die benötigte Niedervoltgleichspannung ULV für den Betrieb des Niedervoltstromkreises bereitgestellt wird.
  • Entscheidend ist hierbei, dass die Änderungen der Hochvoltgleichspannung UHV zwar zu Änderungen der Zwischenkreisspannung UZK führen, aber dass aufgrund des durch Pulsweitenmodulation während des Betriebs wählbaren Übersetzungsverhältnisses des Wandlermoduls 32, jederzeit die richtige Niedervoltgleichspannung ULV bereitgestellt wird, in den meisten Anwendungen 12 V oder 48 V.
  • Dadurch lassen sich auch durch die Parallelschaltung mehrerer Wandlermodule 32 mehrere unterschiedliche Niedervoltgleichspannung ULV bereitstellen, insbesondere von unterschiedlichem Betrag und an unterschiedlichen Stellen des Zwischenstromkreises 30, und damit, da sich der Zwischenstromkreis 30 über das gesamte Kraftfahrzeug erstrecken kann, an unterschiedlichen Stellen des Fahrzeuges.
  • Ferner kann auf die Anordnung eines Mittelwertgleichrichtungsmoduls direkt benachbart zu dem Niedervolt-AC/DC-Wandler 24 verzichtet werden, womit aufgrund der Anordnung der Zwischenkreiskapazität 28 direkt benachbart zu dem Niedervolt-AC/DC-Wandler 24 Überspannungen in diesem erheblich reduziert oder ganz vermieden werden. Damit kann auf Snubber-Schaltungen verzichtet werden beziehungsweise diese können erheblich kleiner dimensioniert werden.
  • Diese Vermeidung von Überspannungen lässt damit insbesondere auch den Rückwärtsbetrieb zu. Denn im Gegensatz zum Rückwärtsbetrieb im Stand der Technik, der aufgrund der Verluste an und des zusätzlichen Bauraums für eine bedingt durch die großen Ströme des Rückwärtsbetriebs noch umfangreichere Snubber-Schaltungen nicht sinnvoll ist, entstehen mangels Überspannungen im Rückwärtsbetrieb keine zusätzlichen Verluste oder Notwendigkeiten für größere Snubber-Schaltungen. Damit ist beispielsweise die Diagnose einer 12-V-Batterie des Niedervoltstromkreises technisch einfach realisierbar, indem deren Ausgabe in den Hochvoltstromkreis transformiert wird und sich daran dann der Zustand der 12-V-Batterie ablesen lässt. Ferner ist ein Aufladen der Hochvoltbatterien grundsätzlich durch eine geeignete Einspeisung in den Niedervoltstromkreis oder durch Anordnen eines gesonderten Wandlermoduls 32 an dem Zwischenstromkreis 30, das direkt an eine entsprechende externe Quelle koppelbar ist, möglich.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Claims (10)

  1. DC/DC-Wandler (10) für ein Kraftfahrzeug, das einen Hochvoltstromkreis mit einer variablen Hochvoltgleichspannung (UHV) und mindestens einen Niedervoltstromkreis mit einer Niedervoltgleichspannung (ULV) umfasst, wobei der DC/DC-Wandler (10) umfasst: – zwei Hochvoltanschlüsse (12) zur elektrischen Kopplung mit dem Hochvoltstromkreis des Kraftfahrzeugs; – einen mit den zwei Hochvoltanschlüssen (12) elektrisch gekoppelten Hochvolt-DC/AC-Wandler (16) mit einem Hochvoltwandlerschalter (18), der von einer Ansteuervorrichtung (20) mit einem Rechtecksignal ansteuerbar ist; – einen mit dem Hochvolt-DC/AC-Wandler (16) elektrisch gekoppelten, galvanisch getrennten Transformator (22); und – einen mit dem Transformator (22) elektrisch gekoppelten Niedervolt-AC/DC-Wandler (24), wobei Hochvoltanschlüsse (12), Hochvolt-DC/AC-Wandler (16), Transformator (22) und Niedervolt-AC/DC-Wandler in Reihenschaltung angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass der DC/DC-Wandler (10) ferner umfasst: – zwei mit dem Niedervolt-AC/DC-Wandler (24) elektrisch gekoppelte Zwischenkreisanschlüsse (26), – eine zwischen den Zwischenkreisanschlüssen (26) elektrisch gekoppelte Zwischenkreiskapazität (28); und – mindestens ein mit den Zwischenkreisanschlüssen (26) elektrisch gekoppeltes Wandlermodul (32) zum Umwandeln einer an den Zwischenkreisanschlüssen (26) bereitgestellten Zwischenkreisspannung (UZK) in eine Niedervoltgleichspannung (ULV), wobei das mindestens eine Wandlermodul (32) zum Umwandeln der Zwischenkreisspannung (UZK) in die Niedervoltgleichspannung (UZK) mindestens einen Niedervoltwandlerschalter (34) und mindestens eine Drossel umfasst, wobei das mindestens eine Wandlermodul (32) zwei Niedervoltanschlüsse (40) zur elektrischen Kopplung an den mindestens einen Niedervoltstromkreis des Kraftfahrzeugs umfasst, wobei die Ansteuervorrichtung (20) des Hochvoltwandlerschalters (18) dafür ausgelegt ist, den Hochvoltwandlerschalter (18) mit einem vorgegebenen und konstanten Tastverhältnis anzusteuern, sodass ein über den Hochvolt-DC/AC-Wandler (16), den galvanisch getrennten Transformator (22) und den Niedervolt-AC/DC-Wandler (24) realisiertes Übersetzungsverhältnis ü = UZK/UHV der Hochvoltgleichspannung (UHV) und der Zwischenkreisspannung (UZK) konstant ist.
  2. DC/DC-Wandler (10) für ein Kraftfahrzeug nach Anspruch 1, wobei das Übersetzungsverhältnis ü der Hochvoltgleichspannung (UHV) und der Zwischenkreisspannung (UZK) in Abhängigkeit von der maximal bereitstellbaren Hochvoltgleichspannung (UHV) so ausgelegt ist, dass die Zwischenkreisspannung (UZK) immer kleiner oder gleich 60 V ist.
  3. DC/DC-Wandler (10) für ein Kraftfahrzeug nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Zwischenkreiskapazität (28) so ausgelegt ist, dass eine vom Niedervolt-AC/DC-Wandler (24) ausgegebene Rechteckspannung durch Spitzenwertgleichrichtung geglättet wird.
  4. DC/DC-Wandler (10) für ein Kraftfahrzeug nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das mindestens eine Wandlermodul (32) ferner eine Ansteuervorrichtung (36) umfasst, die darauf ausgelegt ist, den mindestens einen Niedervoltwandlerschalter (34) des Wandlermoduls (32) mit einem pulsweitenmodulierten Signal anzusteuern, sodass ein gewünschtes Niveau der Niedervoltgleichspannung (ULV) einstellbar ist.
  5. DC/DC-Wandler (10) für ein Kraftfahrzeug nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das mindestens eine Wandlermodul (32) mehrere parallel geschaltete Niedervoltwandlerschalter (34) und Drosseln umfasst, wobei die Drosseln darauf ausgelegt sind, eine Mittelwertgleichrichtung zu bewirken.
  6. DC/DC-Wandler (10) für ein Kraftfahrzeug nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das mindestens eine Wandlermodul (32) ein galvanisch nicht getrennter Gleichspannungswandler ist.
  7. DC/DC-Wandler (10) für ein Kraftfahrzeug nach einem der vorhergehenden Ansprüche, der mehrere parallel geschaltete Wandlermodule (32) umfasst, wobei die Zwischenkreisanschlüsse (26) über jeweils ein Wandlermodul (32) mit jeweils einem Niedervoltstromkreis (ULV) koppelbar sind, sodass für jeden Niedervoltstromkreis jeweils eine eigene Niedervoltgleichspannung (ULV) bereitstellbar ist, und/oder wobei ein Wandlermodul (32) zur Kopplung an eine externe Quelle ausgelegt ist.
  8. Kraftfahrzeug, das einen Hochvoltstromkreis mit einer variablen Hochvoltgleichspannung (UHV) und einen Niedervoltstromkreis mit einer Niedervoltgleichspannung (ULV) umfasst, wobei ein DC/DC-Wandler (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 7 den Hochvoltstromkreis und den Niedervoltstromkreis koppelt.
  9. Kraftfahrzeug nach Anspruch 8 mit mehreren Niedervoltstromkreisen, wobei der DC/DC-Wandler (10) für jeden Niedervoltstromkreis ein Wandlermodul (32) umfasst und jedes Wandlermodul (32) je einen Niedervoltstromkreis mit den Zwischenkreisanschlüssen (28) elektrisch koppelt oder zur Kopplung an eine externe Quelle ausgelegt ist.
  10. Verfahren zur Umwandlung einer variablen Hochvoltgleichspannung (UHV) eines Hochvoltstromkreises eines Kraftfahrzeugs in mindestens eine Niedervoltgleichspannung (ULV) von mindestens einem Niedervoltstromkreis des Kraftfahrzeugs, dadurch gekennzeichnet, dass mit einem konstanten Übersetzungsverhältnis die Hochvoltgleichspannung (UHV) durch Reihenschaltung eines Hochvolt-DC/AC-Wandlers (16), eines Transformators (22), eines Niedervolt-AC/DC-Wandlers (24) und einer Zwischenkreiskapazität (28) in eine Zwischenkreisspannung (UZK) umgewandelt wird und die Zwischenkreisspannung (UZK) mit einem variierbaren Übersetzungsverhältnis in die mindestens eine Niedervoltgleichspannung (ULV) umgewandelt wird.
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