-
Die Erfindung betrifft eine Kondensatoranordnung für einen Gleichspannungswandler sowie den Gleichspannungswandler.
-
Im Stand der Technik sind reine Elektrofahrzeuge sowie Hybridfahrzeuge bekannt, welche ausschließlich bzw. unterstützend von einer oder mehreren elektrischen Maschinen als Antriebsaggregate angetrieben werden. Um die elektrischen Maschinen solcher Fahrzeuge mit elektrischer Energie zu versorgen, umfassen die Fahrzeuge elektrische Energiespeicher, insbesondere wiederaufladbare elektrische Batterien. Für hohe Antriebsleistungen sind Batterien erforderlich, die eine entsprechend hohe DC-Spannung von beispielsweise 400V oder 800V bereitstellen. Solche Leistungsbatterien sind als Hochvoltbatterien (HV-Batterien) bezeichnet.
-
Das Wiederaufladen der HV-Batterien stellt derzeit eine Herausforderung dar, da hierfür eine Ladespannung von mehreren Hundertvolt, beispielsweise 800V, benötigt wird, um die HV-Batterien ohne Beeinträchtigung deren Funktionalität wirksam aufzuladen. Jedoch beträgt die Ladespannung, die übliche Ladestationen für Elektrofahrzeuge zur Verfügung stellen, regelmäßig deutlich niedriger als die gewünschte Ladespannung, etwa 800V. Um solche Ladespannungen bereitzustellen, werden Gleichspannungswandler (DC/DC-Wandler) verwendet, die zwischen einer DC-Spannungsquelle mit einer Ausgangsspannung (bspw. 400V), die niedriger als die gewünschte Ladespannung (bspw. 800V) ist, und der aufzuladenden HV-Batterie geschaltet ist.
-
Bei den aus dem Stand der Technik bekannten Gleichspannungswandlern besteht der Nachteil, dass die verschiedenen im Wandler befindlichen Komponenten ungünstig zueinander angeordnet sind, sodass diese einen vergleichsweise großen Bauraum erfordern. Dies erhöht den Herstellungsaufwand und auch die Herstellungskosten.
-
Es ist eine Aufgabe der Erfindung, eine Kondensatoranordnung bereitzustellen, bei der die vorstehend genannten Nachteile zumindest teilweise überwunden sind.
-
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Kondensatoranordnung, den Gleichspannungswandler, den elektrischen Achsantrieb und das Fahrzeug gemäß den unabhängigen Patentansprüchen gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung gehen aus den abhängigen Patentansprüchen hervor.
-
Die erfindungsgemäße Kondensatoranordnung ist dazu ausgebildet, in einem mehrphasigen Gleichspannungswandler zum Umwandeln einer DC-Eingangsspannung in eine DC-Ausgangsspannung zum Aufladen einer Fahrzeugbatterie bzw. einer Fahrzeugbatterieanordnung in einem Elektrofahrzeug oder Hybridfahrzeug verwendet zu werden. Der mehrphasige Gleichspannungswandler umfasst typischerweise einen DC-Spannungseingang zum Einspeisen der DC-Eingangsspannung und einen DC-Spannungsausgang zum Abgeben der DC-Ausgangsspannung. Zwischen dem DC-Spannungseingang und dem DC-Spannungsausgang befinden sich eine Speicherdrossel und Leistungshalbleiter. Die Speicherdrossel dient zur Zwischenspeicherung von Energie in Form von magnetischen Flüssen. Hierzu kann die Speicherdrossel mehrere Wicklungen umfassen, die jeweils mit einer Halbbrücke der Leistungselektronik, insbesondere mit einem Punkt zwischen einer Highside und einer Lowside der Halbbrücke, elektrisch verbunden ist.
-
Der mehrphasige Gleichspannungswandler umfasst außerdem die erfindungsgemäße Kondensatoranordnung. Die Kondensatoranordnung weist einen eingangsseitigen Kondensator und einen ausgangsseitigen Kondensator auf. Der eingangsseitige Kondensator ist an eine die DC-Eingangsspannung bereitstellenden DC-Eingangsspannungsquelle (etwa eine 400V-Spannungsquelle wie Batterie oder Brennstoffzelle oder Spannungsnetz) gekoppelt ist, wobei der ausgangsseitige Kondensator mit einer die DC-Ausgangsspannung annehmenden DC-Ausgangsspannungsquelle (etwa eine 800V-Batterie) verbunden ist. Der eingangsseitige Kondensator und der ausgangsseitige Kondensator umfassen jeweils mehrere Kondensatorwickel, die auch als Folienkondensatoren bekannt sind. Zusätzlich kann der eingangsseitige Kondensator und/oder der ausgangsseitige Kondensator zumindest einen Entstörkondensator umfassen, der auch als Y-Kondensator bzw. Elektrolytkondensator bekannt ist. Der eingangsseitige Kondensator und der ausgangsseitige Kondensator sind in einem Gehäuse der Kondensatoranordnung aufgenommen. Zwischen dem eingangsseitigen Kondensator und dem ausgangsseitigen Kondensator sind Leistungshalbleiter angeordnet.
-
Ein erster Kondensator aus dem eingangsseitigen Kondensator und dem ausgangsseitigen Kondensator, vorzugsweise der ausgangsseitige Kondensator, weist einen pluspoligen Stromkontakt und einen minuspoligen Stromkontakt auf. Mit dem pluspoligen Stromkontakt und dem minuspoligen Stromkontakt ist jeweils eine im Gehäuse befindliche erste Stromleitung elektrisch verbunden. Somit sind zwei erste Stromleitungen, nämlich eine pluspolige erste Stromleitung und eine minuspolige erste Stromleitung, dem ersten Kondensator, vorzugsweise dem ausgangsseitigen Kondensator, zugeordnet. Ein zweiter Kondensator aus dem eingangsseitigen Kondensator und dem ausgangsseitigen Kondensator, vorzugsweise der eingangsseitige Kondensator, weist einen pluspoligen oder minuspoligen Stromkontakt auf, mit dem eine ebenfalls im Gehäuse befindliche zweite Stromleitung elektrisch verbunden ist. Dies bedeutet, dass die zweite Stromleitung entweder plus- oder minuspolig ist, wenn der zweite Kondensator einen plus- bzw. minuspoligen Stromkontakt aufweist. Somit ist eine der beiden ersten Stromleitungen zur zweiten Stromleitung gleichpolig und die andere der beiden ersten Stromleitungen zur zweiten Stromleitung gegenpolig gestaltet. Die zur zweiten Stromleitung gegenpolige erste Stromleitung ist sowohl mit den ersten Kondensatorwickeln als auch mit den zweiten Kondensatorwickeln elektrisch verbunden. Die Stromkontakte erstrecken sich aus dem Gehäuse heraus und sind von außen kontaktierbar.
-
Die zur zweiten Stromleitung gegenpolige erste Stromleitung ist somit sowohl dem ersten Kondensator als auch dem zweiten Kondensator zugeordnet. Auf diese Weise wird für den zweiten Kondensator, vorzugsweise den eingangsseitigen Kondensator, entweder ein pluspoliger oder ein minuspoliger Stromkontakt benötigt, sodass auf eins der beiden Vorzeichen verzichtet werden kann. Beispielsweise kann auf den minuspoligen Stromkontakt verzichtet werden, wenn die minuspolige erste Stromleitung sowohl dem ersten eingangsseitigen Kondensator als auch dem ausgangsseitigen Kondensator zugeordnet, insbesondere mit sowohl den ersten Kondensatorwickeln als auch den zweiten Kondensatorwickeln elektrisch verbunden ist. In diesem Fall ist kein minuspoliger Stromkontakt zur externen Kontaktierung des zweiten Kondensators nötig. Dies begünstigt eine kompaktere Bauweise des mehrphasigen Gleichspannungswandlers. Ein andernfalls erforderlicher Stromkontakt n, zusätzlichen Bauraum in Anspruch nehmen und den Montageaufwand erhöhen. Außerdem kann dank Wegfallens eines der beiden Stromkontaktvorzeichen der verbleibende Stromkontakt großflächiger gebildet sein. Dies reduziert die Stromdichte im betroffenen Kondensator und damit einhergehend auch die aufgrund des Stromflusses erzeugte Wärme.
-
Gemäß einer Ausführungsform ist eine der beiden ersten Stromleitungen in einem ersten Randbereich des Gehäuses angeordnet, wobei sich die andere der beiden ersten Stromleitungen, vorzugsweise die zur zweiten Stromleitung gegenpolige erste Stromleitung, vom ersten Randbereich bis zu einem dem ersten Randbereich gegenüberliegenden zweiten Randbereich erstreckt. Diese räumliche Trennung der beiden ersten Stromleitungen verstärkt die Potentialtrennung zwischen ihnen und erhöht die Sicherheit des mehrphasigen Gleichspannungswandlers.
-
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist zumindest ein Entstörkondensator mit den ersten Stromleitungen und/oder der zweiten Stromleitung elektrisch verbunden. Auf diese Weise können die Stromleitungen gleichzeitig auch für die Entstörkondensatoren verwendet werden, sodass eine Bauraumeinsparung erzielt wird.
-
Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist der erste der beiden Kondensatoren mehrere pluspolige und/oder mehrere minuspolige Stromkontakte auf. Vorzugsweise sind die Stromkontakte zwischen pluspolig und minuspolig abwechselnd aneinandergereiht. Diese Maßnahme begünstigt eine gleichmäßigere Stromverteilung im Bereich des Zwischenkreiskondensators, was z.B. die EMV-Eigenschaft des mehrphasigen Gleichspannungswandlers verbessert.
-
Die Erfindung betrifft weiterhin einen Gleichspannungswandler zum Aufladen einer DC-Spannungsquelle, insbesondere einer HV-Batterie, in einem Elektrofahrzeug oder einem Hybridfahrzeug. Außerdem betrifft die Erfindung einen elektrischen Achsantrieb mit einem solchen Gleichspannungswandler. Zusätzlich betrifft die Erfindung ein Fahrzeug, insbesondere ein Elektrofahrzeug oder ein Hybridfahrzeug mit einem solchen elektrischen Achsantrieb. Daraus ergeben sich die bereits im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Kondensatoranordnung beschriebenen Vorteile auch für den erfindungsgemäßen Gleichspannungswandler, den erfindungsgemäßen elektrischen Achsantrieb sowie das erfindungsgemäße Fahrzeug.
-
Gemäß einer Ausführung umfasst der mehrphasige Gleichspannungswandler eine Speicherdrossel, die mehrere Wicklungen aufweist, und/oder eine Leistungselektronik, die durch mehrere Halbbrücken eines in einem elektrischen Achsantrieb verbauten Wechselrichters gebildet ist. Auf diese Weise kann der elektrische Achsantrieb gleichzeitig als Gleichspannungswandler eingesetzt werden. Der Wechselrichter fungiert in diesem Fall als ein sogenannter Boost Converter, indem dieser zum normalen Wechselrichterbetrieb entgegengesetzt bestromt wird. Dies ist besonders vorteilhaft, wenn die Fahrzeugbatterie mittels einer im Fahrzeug verbauten Zusatzbatterie bzw. einer Brennstoffzelle aufgeladen werden soll. Brennstoffzellen stellen typischerweise eine DC-Spannung von 400V bereit. Mittels des mehrphasigen Gleichspannungswandlers kann die 400V-Spannung in eine 800V-Spannung umgewandelt werden, um eine HV-Batterie aufzuladen.
-
Nachfolgend wird die Erfindung anhand von in den Figuren dargestellten Ausführungsformen beispielhaft erläutert.
-
Es zeigen:
- 1 ein schematisches Schaltbild eines mehrphasigen Gleichspannungswandlers;
- 2 eine schematische Darstellung einer Kondensatoranordnung gemäß einer Ausführungsform für den Gleichspannungswandler aus 1 in einer seitlichen Schnittansicht, wobei eine minuspolige Stromleitung eines ausgangsseitigen Kondensators sowohl mit mehreren Folienkondensatoren des eingangsseitigen Kondensators als auch mit mehreren Folienkondensatoren des ausgangsseitigen Kondensators elektrisch verbunden ist;
- 3 eine schematische Darstellung der Kondensatoranordnung aus 2 in einer Draufsicht;
- 4 eine schematische Darstellung der Kondensatoranordnung aus 2 in einer weiteren Schnittansicht auf der Ausgangsseite;
- 5 eine schematische Darstellung der Kondensatoranordnung aus 2 in einer weiteren Schnittansicht auf der Eingangsseite.
-
Gleiche Gegenstände, Funktionseinheiten und vergleichbare Komponenten sind figurenübergreifend mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet. Diese Gegenstände, Funktionseinheiten und vergleichbaren Komponenten sind hinsichtlich ihrer technischen Merkmale identisch ausgeführt, sofern sich aus der Beschreibung nicht explizit oder implizit etwas anderes ergibt.
-
1 zeigt ein schematisches Schaltbild eines mehrphasigen Gleichspannungswandlers 100 zum Umwandeln einer DC-Eingangsspannung, die von einer DC-Spannungsquelle 107 bereitgestellt ist, in eine DC-Ausgangsspannung, um eine wiederaufladbare Batterie 109, insbesondere eine Hochvolt(HV)-Batterie mit einer Normspannung von 800V, in einem Elektrofahrzeug oder Hybridfahrzeug aufzuladen. Die DC-Spannungsquelle 107 ist beispielsweise in einer Ladestation (etwa Ladesäule) integriert und kann eine Spannung von 400V bereitstellen, die die DC-Eingangsspannung bildet. Alternativ kann die Spannungsquelle 107 eine mobile Spannungsquelle wie eine Batterie oder eine Brennstoffzelle sein, die beispielsweise 400V bereitstellt.
-
Eine Kondensatoranordnung 10 bestehend aus einem eingangsseitigen Kondensator 12 und einem ausgangsseitigen Kondensator 14 ist im mehrphasigen Gleichspannungswandler 100 integriert. Auf die Kondensatoranordnung 10 wird weiter unten näher eingegangen. Zwischen den beiden Kondensatoren 12, 14 ist eine Speicherdrossel 21 und eine Leistungselektronik 20 angeordnet. Die Speicherdrossel 21 ist zur Zwischenspeicherung von Energie in Form von magnetischen Flüssen ausgebildet. Dazu weist die Speicherdrossel 21 mehrere, hier beispielhaft drei, Spulen 101 A-C auf. Durch Anlegen einer Spannung an den Wicklungen der Spulen 101 A-C kann ein Stromfluss und damit einhergehend ein magnetischer Fluss in den Spulen 101 A-C erzeugt werden. Die Leistungselektronik 20 umfasst mehrere, hier beispielhaft drei, Halbbrücken, wobei die Anzahl der Halbbrücken der Anzahl der Spulen 101A-C entspricht. Jede Halbbrücke umfasst eine Highside-Schalteinrichtung 102A-C und eine Lowside-Schalteinrichtung 104A-C. Die Spulen 101A-C sind jeweils auf einer von dem eingangsseitigen Kondensator 12 abgewandten Seite zwischen der jeweiligen Highside-Schalteinrichtung 102A-C und der Lowside-Schalteinrichtung 104A-C angeschlossen. Der ausgangsseitige Kondensator 14 ist auf der dem eingangsseitigen Kondensator 12 gegenüberliegenden Seite der Leistungselektronik 20 angeordnet. Zwischen der DC-Spannungsquelle 107 und dem mehrphasigen Gleichspannungswandler 100 ist ein erster Filter 103 zum Beseitigen von Störsignalen in der eingespeisten DC-Eingangsspannung verschaltet. Zusätzlich ist zwischen der ausgangsseitigen HV-Batterie 109 und dem mehrphasigen Gleichspannungswandler 100 ein zweiter Filter 105 zum Beseitigen von Störsignalen in der erzeugten DC-Ausgangsspannung verschaltet.
-
Im Betrieb des mehrphasigen Gleichspannungswandlers 100 werden die in der Leistungselektronik 20 verbauten Schalteinrichtungen 102A-C, 104A-C derart geschaltet, dass an den Spulen 101A-C eine Spannung mit dem gleichen Spannungsverlauf, jedoch mit Zeitversatz zwischen den Spulen 101A-C angelegt wird. Die Spulen 101A-C können durch die in einer E-Maschine eines hier nicht gezeigten elektrischen Achsantriebs verbauten Spulen bereitgestellt sein. Alternativ oder zusätzlich kann die Leistungselektronik 20 durch einen im elektrischen Achsantrieb integrierten Wechselrichter bereitgestellt sein. Dies ist insbesondere von Vorteil, wenn die DC-Spannungsquelle 107 eine im Fahrzeug befindliche Zusatzbatterie oder Brennstoffzelle ist, da in diesem Fall der Wechselrichter als Boost-Converter einsetzbar ist, indem der Wechselrichter zu seinem Normalbetrieb, bei dem dieser zum Umwandeln einer DC-Eingangsspannung in eine AC-Ausgangsspannung verwendet wird, entgegengesetzt bestromt wird.
-
2-3 zeigen die Kondensatoranordnung 10 jeweils in einer schematischen Darstellung. 2 zeigt die Kondensatoranordnung 10 in einer seitlichen Schnittansicht auf einer der Batterie 109 zugewandten Seite. Der eingangsseitige Kondensator 12 ist in der Darstellung aus 2 links und der ausgangsseitige Kondensator 14 rechts angeordnet. Der eingangsseitige Kondensator 12 weist mehrere (hier beispielhaft zwei) Folienkondensatoren 121 (bzw. „Wickel“) und einen Elektrolytkondensator 24 (bzw. „Y-Kondensator“ oder „Entstörkondensator“) auf. Die Folienkondensatoren 121 sind in einer horizontalen Längsrichtung nebeneinander und in einer vertikalen Richtung zwischen einer pluspoligen Stromleitung 123 und einer minuspoligen Stromleitung 145 angeordnet. Dabei befinden sich die Folienkondensatoren 121 mit den beiden Stromleitungen 123, 145 in elektrischer Verbindung. Die Stromleitungen 123, 145 sind in einem Gehäuse 22 der Kondensatoranordnung 10 aufgenommen. Die pluspolige Stromleitung 123 ist an einem oberen Rand des Gehäuses 22 und die minuspolige Stromleitung 145 an einem unteren Rand des Gehäuses 22 angeordnet. Ein pluspoliger Stromkontakt 122 erstreckt sich von der pluspoligen Stromleitung 123 am oberen Rand des Gehäuses 22 nach Außen aus dem Gehäuse 22 heraus, wie in 2 und in einer weiteren stirnseitigen Schnittansicht in 4 (rechts) schematisch gezeigt. Der Elektrolytkondensator 24, der ebenfalls im Gehäuse 22 aufgenommen ist, ist einerseits mit der pluspoligen Stromleitung 123 und andererseits mit einer Erdungsleitung 28 elektrisch verbunden.
-
Der ausgangsseitige Kondensator 14 weist ebenfalls mehrere (hier beispielhaft vier) Folienkondensatoren 141 und mehrere (hier beispielshaft zwei) Elektrolytkondensatoren 26 auf. Auch hier sind die Folienkondensatoren 141 in der horizontalen Längsrichtung nebeneinander und in der vertikalen Richtung zwischen einer pluspoligen Stromleitung 143 und einer minuspoligen Stromleitung, nämlich der oben erwähnten Stromleitung 145, angeordnet. Dabei befinden sich die Folienkondensatoren 141 mit den beiden Stromleitungen 143, 145 in elektrischer Verbindung. Auf diese Weise teilen die beiden Kondensatoren 12, 14 dieselbe minuspolige Stromleitung 145 während sie über getrennte pluspolige Stromleitungen 123, 143 verfügen. Die pluspolige Stromleitung 143 des ausgangsseitigen Kondensators 14 ist am oberen Rand des Gehäuses 22 und somit der minuspoligen Stromleitung 145 zumindest abschnittweise gegenüberliegend angeordnet. Dies ist in 2 und auch in einer stirnseitigen Schnittansicht aus 4 (links) schematisch gezeigt. Die Elektrolytkondensatoren 26 sind gleichzeitig mit der pluspoligen Stromleitung 143, der minuspoligen Stromleitung 145 und einer weiteren Erdungsleitung 30 elektrisch verbunden.
-
Mehrere pluspolige Stromkontakte 142 erstrecken sich am oberen Rand des Gehäuses 22 von der pluspoligen Stromleitung 143 aus dem Gehäuse 22 heraus. Gleichzeitig erstrecken sich mehrere minuspolige Stromkontakte 144 am oberen Rand des Gehäuses 22 von der minuspoligen Stromleitung 145 aus dem Gehäuse 22 heraus, wie in 2 und 4 gezeigt.
-
3 zeigt die Kondensatoranordnung 10 in einer schematischen Draufsicht. An zwei bzgl. einer horizontalen Querrichtung gegenüberliegenden Rändern sind jeweils der pluspolige Stromkontakt 126 zum Verbinden mit der Speicherdrossel 21 und ein weiterer pluspoliger Stromkontakt 122 zum Verbinden mit der DC-Spannungsquelle 107 angebracht. Wie in 3 ersichtlich ist kein minuspoliger Stromkontakt am eingangsseitigen Kondensator 12 angeordnet. Im Gegensatz hierzu sind sowohl pluspolige Stromkontakte 142, 146 als auch minuspolige Stromkontakte 144, 148 am ausgangsseitigen Kondensator 14 ausgebildet. Die oben bereits beschriebenen Stromkontakte 142, 144 sind zum Verbinden mit der aufzuladenden Batterie 109 ausgebildet, wobei diese Stromkontakte 142, 144 zwischen pluspolig und minuspolig abwechselnd aneinandergereiht sind. Die anderen beiden Stromkontakte 146, 148 sind zum Verbinden mit der Leistungselektronik 20 ausgebildet und erstrecken sich vorzugsweise durchgehend über die Breite der Halbbrücken der Leistungselektronik 20.
-
Der Verzicht auf minuspolige Stromkontakte am eingangsseitigen Kondensator 12 ist dadurch ermöglicht, dass beide Kondensatoren 12, 14 dieselbe minuspolige Stromleitung 145 teilen. Somit dient die minuspolige Stromleitung 145 zur minuspoligen Kontaktierung der Folienkondensatoren 141 sowohl des ausgangsseitigen als auch des eingangsseitigen Kondensators 12. Durch Wegfall des minuspoligen Stromkontakts am eingangsseitigen Kondensator 12 steht den außerhalb des Gehäuses 22 befindlichen pluspoligen Stromkontakten 122, 126 mehr Bauraum zur Verfügung, sodass diese großflächig ausgebildet werden können. Dies reduziert die Stromdichte am eingangsseitigen Kondensator 12, sodass weniger Wärme durch den von den Stromkontakten 122, 126 und Stromleitungen 123, 145 getragenen Strom verursacht wird. Außerdem kann der mehrphasige Gleichspannungswandler 100 insgesamt kompakter gebildet und mit reduziertem Montageaufwand hergestellt werden.
-
Das Gehäuse 22 ist vorzugsweise zumindest teilumfänglich mit einem Spritzgussmaterial vergossen, um die im Gehäuse 22 verbauten Bauteile vor Umwelteinflüssen zu schützen. Die Folienkondensatoren 121, 141 sowie Elektrolytkondensatoren 26, 28 der beiden Kondensatoren 12, 14 sind im Gehäuse 22 aufgenommen. Auf diese Weise ist eine kombinierte Kondensatoranordnung 10 für den Spannungseingang und den Spannungsausgang realisiert, die eine zusätzlich Bauraumeinsparung erzielt.
-
Bezugszeichenliste
-
- 10
- Kondensatoranordnung
- 12
- eingangsseitiger Kondensator
- 14
- ausgangsseitiger Kondensator
- 20
- Leistungselektronik
- 21
- Speicherdrossel
- 22
- Gehäuse
- 24, 26
- Elektrolytkondensator
- 28,30
- Erdungsleitungen
- 100
- mehrphasiger Gleichspannungswandler
- 101 A-C
- Spulen
- 102A-C
- Highside-Schalteinrichtungen
- 103
- erster Filter
- 104A-C
- Lowside-Schalteinrichtungen
- 105
- zweiter Filter
- 107
- DC-Spannungsquelle
- 109
- Batterie
- 121, 141
- Folienkondensatoren
- 122, 126, 142, 146
- pluspolige Stromkontakte
- 144, 148
- minuspolige Stromkontakte
- 123, 143
- pluspolige Stromleitungen
- 145
- minuspolige Stromleitung
