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Die vorliegende Erfindung betrifft eine bordeigene Ladeelektronik gemäß den Merkmalen im Oberbegriff von Anspruch 1.
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Aus dem Stand der Technik ist es bekannt, zur Fortbewegung von Kraftfahrzeugen elektrische Energie zu verwenden. Solche Kraftfahrzeuge werden rein elektrisch als Elektrofahrzeug angetrieben. Es gibt jedoch auch Hybridvarianten, bei denen zusätzlich mit einem Verbrennungsmotor bzw. einer Brennstoffzelle Energie erzeugt wird. Beiden Fahrzeugen gemeinsam ist, dass die elektrische Energie gespeichert wird in einer Traktionsbatterie, nachfolgend auch Akku, Akkumulator bzw. Batterie genannt.
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Diese Traktionsbatterie wird im Ruhezustand des Elektrofahrzeuges aufgeladen durch Anschluss an eine externe Spannungsquelle.
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Je nach örtlicher Gegebenheit sowie auch je nach Land, in welchem das Elektrofahrzeug geladen werden soll, stehen unterschiedliche Anschlussmöglichkeiten sowie Versorgungsspannungen zum Durchführen des Ladevorganges zur Verfügung. Üblicherweise beträgt die Versorgungsspannung von 100V - 500V mit einer Frequenz von 50 - 60 Hz.
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Hierzu wird eine Leistungselektronik eingesetzt, welche die unterschiedlichen Versorgungsspannungen auf eine Ladespannung transformieren, so dass die Traktionsbatterie in dem Elektrofahrzeug geladen werden kann.
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Damit nunmehr möglichst flexibel das Elektrofahrzeug für verschiedene Versorgungsspannungen einsetzbar ist, ist eine Leistungselektronik mit Ladekommunikation in dem Kraftfahrzeug vorhanden, welche auch On-Board Charger (OBC) genannt wird. Eine solche bordeigene Ladeelektronik kann im Allgemeinen mit Ein-Phasen-Netzen (typisch PL1- und N-Leiter) oder Drei-Phasen-Netzen (PL1- PL2- PL3-Leiter, mit/ohne N-Leiter) betrieben werden. Maßgeblich transformiert der OBC die 50 Hz Sinuswechselspannung (Versorgungsspannung) in eine DC-Gleichspannung. Der OBC kann weiterhin zwischen dem Fahrzeug und dem Versorgungsnetz eine Potenzialfreiheit mit Hilfe eines integrierten Transformators herstellen.
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Damit die 50 Hz Wechselspannung (Versorgungsspannung) in eine DC-Gleichspannung (Ladespannung) umgewandelt werden kann, verwendet man im Stand der Technik Active Front Ends (AFE) oder Power Factor Correction (PFC). PFCs werden verwendet, wenn der Energiefluss nur von der Versorgungsspannung zum Verbraucher geleitet wird. Auch sind sogenannte bidirektionale PFCs bekannt. Wird im Umkehrschluss die Batterie entladen, um die Batteriespannung in das Versorgungsnetz einzuspeisen, spricht man von einem AFE, welcher auch als bidirektionaler PFC bezeichnet werden kann.
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Aus dem Stand der Technik ist es bekannt, dass eine PFC-Drossel aus einer Induktivität, mithin einer gewickelten Spule, ausgebildet ist. Eine solche Spule weist ebenfalls einen Wickelkern auf.
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Üblicherweise wird in einem solchen On-Board Charger ein Resonanztransformator als Spannungswandler eingesetzt. Der Resonanztransformator kann auch LLC Konverter genannt werden. Hierbei wird auf einer Primärseite des Transformators ein Kondensator und ein Filter in Form einer Drossel, welche bevorzugt als Induktivität ausgebildet ist, in Reihe geschaltet. Es befindet sich eine parasitäre Streuinduktivität im Bereich des Transformators. Die Drossel als Induktivität selbst ist jedoch ein zusätzliches Bauteil.
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Auf der Sekundärseite befindet sich beispielsweise eine Dioden- und/oder Transistorschaltung, welche zur Gleichrichtung einer Ladespannung genutzt wird, die dann an die Traktionsbatterie des Elektrokraftfahrzeuges weitergegeben wird.
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Wird nunmehr auf der Primärseite mittels PFC/AFE eine Gleichspannung erzeugt, entsteht zusätzlich eine Gleichtaktspannung gegenüber dem Schutzleiter PE bzw. dem Gehäuse des OBC. Dadurch entsteht ein Gleichtakt Störstrom.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ausgehend vom Stand der Technik eine Möglichkeit aufzuzeigen, bei möglichst kostengünstiger Herstellung und kleinem Bauraum eines On-Board Chargers den Gleichtakt Störstrom zu reduzieren und damit die Ladeleistung zu verbessern.
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Die zuvor genannte Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einer bordeigenen Ladevorrichtung gemäß den Merkmalen im Anspruch 1 gelöst.
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Vorteilhafte Ausgestaltungsvarianten sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Die bordeigene Ladevorrichtung ist somit für ein Elektrokraftfahrzeug bzw. auch ein Hybridfahrzeug geeignet. Sie weist ein Gehäuse auf. Das Gehäuse weist zumindest einen elektrischen Eingangsanschluss für eine externe Versorgungsspannungsquelle und zumindest einen elektrischen Ausgangsanschluss zur Kopplung mit einer Traktionsbatterie auf. Ferner ist in dem Gehäuse die Leistungselektronik der bordeigenen Ladevorrichtung angeordnet. Diese umfasst zumindest einen Spannungswandler. Optional können auf einer Primärseite des Spannungswandlers zusätzlich ein Filter, insbesondere ein EMI Filter, sowie ein Gleichrichter vorgesehen sein.
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Dem Spannungswandler ist auf der Primärseite eine Drossel als Induktivität vorgeschaltet. Der Drossel kann ferner noch ein in Reihe geschalteter Kondensator in den Primärkreis des Transformators vorgeschaltet sein.
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Erfindungsgemäß ist in einer Rückführleitung der Primärseite des Spannungswandlers eine weitere Drossel angeordnet, wobei die zwei Drosseln miteinander gekoppelt sind. Besonders bevorzugt kann auch der zweiten, mit der ersten Drossel gekoppelten Drossel ein Kondensator vorgeschaltet sein.
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Alternativ oder optional ergänzend kann auch diese gekoppelte Drossel auf der Sekundärseite angeordnet sein. Dies bedeutet, dass auf der Sekundärseite des Spannungswandlers, insbesondere in Form des Transformators, dann die Induktivität angeordnet ist. Dieser kann optional ein Kondensator zugeordnet sein. In einer Leitung der Sekundärseite, insbesondere Rückführleitung der Sekundärseite, ist dann die zweite Drossel angeordnet und mit der ersten Drossel gekoppelt. Optional kann auch hier ein zweiter Kondensator angeordnet sein. Die Anordnung der erfindungsgemäßen gekoppelten Drossel auf der Sekundärseite ist insbesondere dann vorteilig, wenn die Batteriespannung höher ist als die Versorgungsspannung, mithin die auf der Primärseite anliegende Spannung. Beträgt die Spannung auf der Primärseite beispielsweise 400 V, mithin die Versorgungsspannung 400 V und die Batteriespannung auf der Sekundärseite 1000 V, so dass auch die Ladespannung 1000 V betragen muss, so fließt bei gleicher Leistung (P=U x I) ein geringerer Strom auf der Sekundärseite. Hierdurch können auf der Sekundärseite die Leitungen dünner ausgelegt sein. Dies spart wiederum Bauraum, ist weniger fehleranfällig und leichter in Bezug auf das Eigengewicht.
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Die weitere Drossel ist ebenfalls als Induktivität ausgebildet. Im Rahmen der Erfindung bedeutet miteinander koppeln, dass die beiden Drosseln unter Eingliederung eines Luftspaltes physisch unmittelbar aneinander angeordnet sind. Hierzu ist jede Drossel aus einem Wickelkern ausgebildet, insbesondere einem E-förmigen Wickelkern. Die beiden Wickelkerne sind dann unter Eingliederung eines Luftspaltes unmittelbar nebeneinander angeordnet. Insbesondere sind die Öffnungen der jeweiligen E-Form von beiden Drosseln aufeinander zu zeigend ausgebildet.
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Ganz besonders bevorzugt sind die Wicklungen einer jeden Drossel zueinander komplementär ausgebildet, mithin weisen sie die gleiche Wicklungszahl und den gleichen Wicklungsdurchmesser auf.
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Insbesondere ist bei einem E-förmigen Wickelkern nur der innere Steg des E mit einem Wickeldraht umwickelt.
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Eine bevorzugte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass die beiden gekoppelten Drosseln unmittelbar an dem Spannungswandler in Form eines Transformators angekoppelt sind. Insbesondere sind die Drosseln an den Wickelkern bzw. dem Gehäuse des Transformators verklebt. Hierdurch kann der Bauraum reduziert werden.
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Erfindungsgemäß weisen die gekoppelten Drosseln somit zusammen zwei Funktionen auf. Zum einen bilden sie als Gleichtaktinduktivität einen zusätzlichen Filter, wodurch ein Gleichtakt Störstrom, der durch den gesamten Spannungswandler, insbesondere als Rückführleitung über das Gehäuse fließen würde, reduziert wird.
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Ein weiterer Vorteil ist, dass die zwei gekoppelten Drosseln einen Schwingkreis mit dem Kondensator und der Streuinduktivität des Transformators bilden, wodurch die Streuinduktivität des Transformators geringer ausgelegt werden kann.
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Ebenfalls kann der Bauraum der gekoppelten Drossel verringert werden, so dass die eigentliche dem Spannungswandler vorgeschaltete Drossel ebenfalls bauraumtechnisch kleiner ausgebildet sein kann.
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Die unmittelbare Anordnung der Drosseln aneinander und das optionale Koppeln mit dem Transformator selber führt zu einer höheren mechanischen Stabilität, die in einer bordeigenen Ladeelektronik eines Kraftfahrzeuges wichtig ist, da diese im Betrieb des Elektrokraftfahrzeuges Schwingungen ausgesetzt ist. Fehlfunktionen oder aber auch eine innere Beschädigung der Leistungselektronik über die Einsatzdauer eines solchen Elektrokraftfahrzeuges hinweg können somit sicher vermieden werden.
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Der jeweils zweite Kondensator hat den Vorteil, dass eine höhere Symmetrie der Schaltungsanordnung erreicht wird. Hierdurch werden zusätzlich auftretende Differenzströme vermieden bzw. vermindert, so dass es zu einer geringeren Differenzstörung kommt.
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Weitere Vorteile, Merkmale, Eigenschaften und Aspekte der vorliegenden Erfindung sind Gegenstand der nachfolgenden Beschreibung. Bevorzugte Ausgestaltungsvarianten sind in den nachfolgenden Figuren dargestellt. Diese dienen dem einfacheren Verständnis der Erfindung. Es zeigen:
- 1 ein Blockschaltbild eines On-Board Chargers in einem Elektrokraftfahrzeug,
- 2 ein Schaltbild eines Resonanztransformators,
- 3 und 4 ein Schaltbild der Leistungselektronik innerhalb eines On-Board Chargers,
- 5 das Schaltbild mit einer erfindungsgemäß gekoppelten Drossel,
- 6 die erste und zweite Drossel, physisch miteinander gekoppelt und elektrisch an den Transformator angeschlossen,
- 7 eine Ausgestaltungsvariante, bei welcher beide Drosseln unmittelbar an den Transformator gekoppelt sind.
- 8 eine Anordnung zweier gekoppelter Drosseln.
- 9 eine Schaltungsanordnung gemäß 5 mit zusätzlichem Kondensator,
- 10 eine Schaltungsanordnung analog zu 5, wobei die Drosseln auf der Sekundärseite angeordnet sind und
- 11 eine Schaltungsanordnung analog zu 10, wobei hier ein ebenfalls zweiter Kondensator angeordnet ist.
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In den Figuren werden für gleiche oder ähnliche Bauteile dieselben Bezugszeichen verwendet, auch wenn eine wiederholte Beschreibung aus Vereinfachungsgründen entfällt.
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1 zeigt die Anordnung einer erfindungsgemäßen bordeigenen Ladevorrichtung 1 in einem Elektrokraftfahrzeug 2. Hierzu wird das Elektrokraftfahrzeug 2 mit einer Bordsteckdose 3 an eine externe Ladesteckdose 4 mit einem Ladekabel 5 angeschlossen. Die externe Ladesteckdose 4 stellt eine Versorgungsspannung 6 bereit. Die Bordsteckdose 3 ist elektrisch mit der bordeigenen Ladevorrichtung 1 verbunden. Hierzu weist die bordeigene Ladevorrichtung 1 mindestens einen elektrischen Eingangsanschluss 7 auf. Ferner weist die bordeigene Ladevorrichtung 1 einen elektrischen Ausgangsanschluss 8 auf, welcher mit einer Traktionsbatterie 9 des Elektrokraftfahrzeuges 2 gekoppelt ist. Es können weitere elektrische Eingangsanschlüsse bzw. Ausgangsanschlüsse 10 vorhanden sein, beispielsweise ein Eingangsanschluss der Fahrzeugbatterie, insbesondere hinsichtlich einer damit verbundenen Kommunikation. Darüber hinaus kann auch ein Kommunikationsnetz des Elektrokraftfahrzeugs 2, beispielsweise ein CAN-Bus, angeschlossen sein. Auch können dies Kühlanschlüsse sein.
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In der bordeigenen Ladevorrichtung 1 ist dann insbesondere ein Netzfilter 11 angeordnet, beispielsweise ausgebildet als EMI-Filter. Diesem folgt dann eine PFC-Drossel 12, wiederum gefolgt von einem Spannungswandler in Form eines Transformators 13 insbesondere Resonanztransformator, zur Wandlung der Versorgungsspannung 6 in eine Ladespannung sowie einem optionalen Gleichrichter 14, welcher dann elektrisch gekoppelt ist mit der eigentlichen Traktionsbatterie 9.
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2 zeigt eine Schaltungsanordnung für einen Spannungswandler in einem On-Board Charger, wobei der Spannungswandler als Resonanztransformator ausgebildet ist. Auf die Bildebene bezogen gibt es somit linksseitig eine Primärseite 15 und rechtsseitig eine Sekundärseite 16 des Transformators 13. Auf der Primärseite 15 sind neben einer Spannungsquelle sowie an verschiedenen Schaltern S1 und S2 ein Kondensator C sowie eine Drossel in Form einer Induktivität L in Reihe geschaltet angeordnet. Ferner ist eine parasitäre Streuinduktivität LST im Bereich des Transformators 13 eingezeichnet, die durch den Aufbau des Transformators 13 selbst bedingt ist. Die Schalter S1 und S2 erzeugen eine Rechteckspannung mit einem Pulspausenverhältnis von ca. 50%. Die Frequenz der Rechteckspannung wird so gewählt, dass sie nahe bei der Resonanzfrequenz liegt, die durch den Kondensator C und die Induktivitäten L und LST gebildet wird. Auf der Sekundärseite 16 ist eine Dioden- und/oder Transistorkombination zur Gleichrichtung dargestellt. Damit wird dann eine Ladespannung an die Traktionsbatterie 9 abgegeben.
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3 und 4 zeigen nunmehr das Gehäuse G einer bordeigenen Ladevorrichtung 1 bzw. On-Board Charger. Innerhalb des Gehäuses G ist zusätzlich angeordnet ein Netzfilter 11, beispielsweise ausgebildet als PFC-Drossel einen Netzfilter sowie eine PFC bzw. AFE. Ferner eingezeichnet sind die Kapazitäten Ck1 und Ck2. Die Kapazität Ck1 ist die Wicklungskapazität zwischen der Primär- und Sekundärwicklung des Spannungswandlers in Form des Resonanztransformators. Die Kapazität Ck2 ist die Summenkapazität, die durch den Aufbau der Sekundärseite 16 gegenüber dem Gehäuse G und dem Ausgangsfilter entsteht. Durch die Gleichtaktspannung, die in der AFE bzw. PFC erzeugt wird, entsteht ein Störstrom, der als strichpunktierte Linie in 4 dargestellt ist. Der Störstrom fließt über den Zwischenkreis, den Transformator 13, den Gleichrichter 14, das Gehäuse G und den Y-Kondensator sowie den EMI Filter im Kreis. Dieser Störstrom führt dazu, dass sowohl im Ausgangskreis am Anschluss der Traktionsbatterie 9 sowie auf der nicht näher dargestellten Netzseite, nicht zulässige Störspannungen erzeugt werden. Es entstehen dabei zusätzliche Spannungsabfälle über CY und Ck2.
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Hier setzt die vorliegende Erfindung gemäß 5 an. Analog zu der Darstellung aus 4 ist jedoch der Induktivität L eine zweite Induktivität in Form einer gekoppelten Drossel 17 angeordnet, welche elektrisch auf der Primärseite in Reihe mit der Primärwicklung geschaltet ist. Physisch sind somit die Drossel L sowie die gekoppelte Drossel 17 miteinander unter Eingliederung eines Luftspaltes 19 gekoppelt. Somit ist in der rückführenden Leitung der Primärseite 15 eine zweite Drossel 17 eingesetzt. Diese zweite Drossel 17 hat die Funktion, dass die Gleichtakt Induktivität einen zusätzlichen Filter bildet, wodurch der Gleichtaktstörstrom reduziert wird. Zum anderen bildet sie eine zusätzliche Induktivität für den nötigen Schwingkreis zusammen mit dem Kondensator C und der parasitären Streuinduktivität LST.
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Die gekoppelte Drossel 17 kann auch entgegengesetzt als sogenannte Gleichtaktdrossel verwendet werden. Es ändert sich dann die Differenz und Gleichtaktinduktivität, was bei der Auslegung der Schwingkreisfrequenz und des Transformators 13 beachtet werden muss.
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6 zeigt den schematischen Aufbau der gekoppelten Drossel 17 sowie elektrisch angeschlossen an den Spannungswandler in Form eines Transformators.
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Die erste Drossel L und die zweite damit gekoppelte Drossel 17 sind somit als ein Bauteil ausgebildet. Sie weisen jeweils einen Wickelkern 18 auf, welcher hier in Form eines E-förmigen Wickelkerns ausgebildet ist. Die jeweiligen Öffnungen des E sind aufeinander zu gerichtet angeordnet. Zwischen den beiden Wickelkernen 18 ist ein Luftspalt 19 ausgebildet, so dass diese physisch unter Eingliederung des Luftspaltes 19 als Einbauteil miteinander gekoppelt sind. Hier kann auch beispielsweise ein nicht näher dargestellter Isolierwerkstoff angeordnet sein. Sowohl die Drossel L als auch die gekoppelte Drossel 17 weisen jeweils Wicklungen 20 auf. Die Wicklungen 20 sind zueinander gegenläufig ausgebildet, wenn die beiden Drosseln L und 17 aufeinander zu zeigend angeordnet sind, wie in 6 dargestellt.
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Alternativ ist es auch denkbar, dass die Wicklungen 20 gleichläufig ausgebildet sind. Die beiden gekoppelten Drosseln zusammen haben eine Gleichtaktfilterwirkung und gleichzeitig auch eine Gegentaktfilterwirkung, jeweils jedoch in unterschiedlicher Parameterhöhe. Die Einheit hierfür ist Henry. Dies bedeutet die Gleichtaktfilterwirkung, jedoch auch die Gegentaktfilterwirkung kann durch die Orientierung der Wicklung (gegenläufig bzw. gleichläufig) der zwei Drosseln L und 17 eingestellt werden. Abhängig ist dies von der gewünschten Filterleistung, insbesondere abhängig von dem eingesetzten Spannungswandler bzw. Transformator.
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Elektrisch verbunden ist dann auf der Primärseite die Drossel L und die gekoppelte Drossel 17 mit dem Transformator 13. Über eine jeweilige Leitung 22 sind auch die Wicklungen 20 des Transformators 13 gekoppelt, so dass die gekoppelte Drossel 17 in die elektrische Rückführleitung 21 auf der Primärseite 15 integriert ist.
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7 zeigt eine erfindungsgemäße Weiterbildung. Hierbei wird die Drossel L sowie die damit gekoppelte Drossel 17, mithin die zwei gekoppelten Induktivitäten physisch unter Eingliederung des Luftspaltes 19, miteinander angeordnet. Diese werden sodann physisch mit dem Transformator 13 selbst gekoppelt, beispielsweise auf den Transformator 13 aufgeklebt. Schematisch angedeutet können somit die Wicklungen 20 sowohl durch Transformator 13 als auch die beiden miteinander gekoppelten Drosseln L, 17 geführt werden, so dass sich insgesamt ein geringerer Bauraum neben den zuvor beschriebenen Vorteilen der elektronischen Schaltung ergeben.
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8 zeigt die gekoppelten Drosseln L und 17 in einer bevorzugten Ausführungsvariante. Hierbei ist die Drossel L sowie die damit gekoppelte Drossel 17 dargestellt, welche an den Enden der äußeren Stege 23 der Wickelkerne 18 unmittelbar aneinander anliegen. Die mittleren Stege 24 sind hingegen derart verkürzt bzw. voneinander beabstandet, dass sich ein Luftspalt 19 ergibt. Bevorzugt weist der Luftspalt eine Größe von 100 µm bis 3 mm auf. Insbesondere können die Enden der Stege 23 miteinander verklebt sein. Die Wicklungen 20 erfolgen elektrisch isoliert von dem jeweiligen Wickelkern 18 selber. Durch den Wickelkern 18 fließt dann ein magnetisches Feld. An den Enden der äußeren Stege 23 gibt es jedoch keinen elektrischen Kurzschluss. Die Wicklungen 20 sind nur schematisch eingezeichnet.
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9 zeigt eine Schaltungsanordnung analog zu 5. In der Rückführleitung 21 auf der Primärseite 15 ist ein zweiter Kondensator C2 angeordnet. Die Schaltung ist in diesem Schaltungskreis hinsichtlich Kodensator erste Spule L, zweite damit gekoppelte Spule 17 und zweiter Kondensator C2 somit „symmetrischer“ aufgebaut. Zusätzlich auftretende Differenzströme werden hierdurch verringert.
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10 zeigt einen Aufbau, analog zu 5. Hier ist jedoch als deutlicher Unterschied zu sehen, dass auf der Sekundärseite 16 des Transformators 13 die Drossel L und die damit gekoppelte Drossel 17 sowie der Kondensator C angeordnet ist. Diese Schaltungsanordnung ist insbesondere dann vorteilig, wenn auf der Sekundärseite 16 zu der Traktionsbatterie 9 eine deutlich höhere Spannung als Ladespannung anliegt, als auf der Primärseite und somit als hauseigene Versorgungsspannung anliegend ist.
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11 zeigt einen analogen Aufbau, wobei auch hier ein zweiter Kondensator C2 in einer Leitung 25, insbesondere Rückführleitung, auf der Sekundärseite angeordnet ist.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- bordeigene Ladevorrichtung
- 2
- Elektrokraftfahrzeug
- 3
- Bordsteckdose
- 4
- externe Ladesteckdose
- 5
- Ladekabel
- 6
- Versorgungsspannung
- 7
- elektrischer Eingangsanschluss
- 8
- elektrischer Ausgangsanschluss
- 9
- Traktionsbatterie
- 10
- weitere elektrische Eingangsanschlüsse bzw. Ausgangsanschlüsse
- 11
- Netzfilter
- 12
- PFC-Drossel
- 13
- Transformator
- 14
- Gleichrichter
- 15
- Primärseite
- 16
- Sekundärseite
- 17
- gekoppelte Drossel
- 18
- Wickelkern
- 19
- Luftspalt
- 20
- Wicklung
- 21
- Rückführleitung
- 22
- Leitung
- 23
- äußere Stege
- 24
- innere Stege
- 25
- Leitung
- C
- Kondensator
- C2
- Kondensator
- Ck1
- Kapazität
- Ck2
- Kapazität
- G
- Gehäuse
- L
- Induktivität/Drossel
- LST
- Streuinduktivität
- S1
- Schalter
- S2
- Schalter
