EP3465896A1 - Bidirektionale gleichspannungswandleranordnung mit kaskade aus isoliertem resonanzwandlejr und hoch/tiefsetzsteller - Google Patents

Bidirektionale gleichspannungswandleranordnung mit kaskade aus isoliertem resonanzwandlejr und hoch/tiefsetzsteller

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EP3465896A1
EP3465896A1 EP17725264.0A EP17725264A EP3465896A1 EP 3465896 A1 EP3465896 A1 EP 3465896A1 EP 17725264 A EP17725264 A EP 17725264A EP 3465896 A1 EP3465896 A1 EP 3465896A1
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EP
European Patent Office
Prior art keywords
converter
voltage
buck
voltage level
bidirectional
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP17725264.0A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Patrick ACHTZEHN
Jens CZICHON
Jan KORTE
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Kostal Automobil Elektrik GmbH and Co KG
Original Assignee
Leopold Kostal GmbH and Co KG
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Filing date
Publication date
Application filed by Leopold Kostal GmbH and Co KG filed Critical Leopold Kostal GmbH and Co KG
Publication of EP3465896A1 publication Critical patent/EP3465896A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • Y02B70/00—Technologies for an efficient end-user side electric power management and consumption
    • Y02B70/10—Technologies improving the efficiency by using switched-mode power supplies [SMPS], i.e. efficient power electronics conversion e.g. power factor correction or reduction of losses in power supplies or efficient standby modes

Definitions

  • the invention relates to a bidirectional DC-DC converter arrangement for an electric vehicle, which has a high voltage level and a low voltage level, wherein the
  • DC-DC converter arrangement comprises a series circuit of two DC / DC converters, one of which is a DC / DC converter
  • series resonant switching converter having a transformer and of which the other DC / DC converter has a buck converter or buck / boost converter.
  • DC converter arrangement serves, in an electric or hybrid vehicle, to transform the voltage of a high-voltage battery to the level of a low-voltage battery.
  • the circuit also allows an energy flow in the opposite direction, to about the
  • the DC-DC converter arrangement described in this document has a series-resonant switching converter which is connected to the high-voltage voltage level and has a fixed clocking and which has a constant transmission ratio to the outside, and which generates a relatively low DC link voltage at its output.
  • the DC link voltage is controlled by a second
  • DC-DC converter which is designed as a buck / boost converter, with a variable voltage ratio to the fixed
  • Transfer voltage level of the low-voltage battery In addition to consumers that can not be regenerated, such as an electric heater, there are also loads such as electrical machines (motor / generator) that can be used during load changes
  • Installation space volume is approximately the size of a shoe box.
  • high-capacitance capacitors are also quite expensive.
  • the DC voltage converter arrangement according to the invention thus effectively reverses the converter topology known from DE 10 2014 016 076 A1.
  • the DC-DC converter arrangement according to the invention has the advantage that the currents in both converters can be kept as small as possible for as long as possible. Since high currents are generally associated with thermal losses, so the total power loss can be limited and thus a high efficiency can be achieved.
  • the circuit comes with a relatively small capacitive
  • DC-DC converter arrangement is used, which achieves a very high dynamics and all load changes in one
  • Vehicle electrical system can respond without major voltage dips.
  • the scheme thus makes it possible to keep the output capacitor small.
  • a particularly high dynamic when changing the direction of energy flow is additionally achieved.
  • Figure 1 is a DC-DC converter arrangement according to the invention
  • Figure 2 is a DC-DC converter arrangement according to the prior
  • FIG. 3 shows the schematic structure of a series resonant converter
  • FIG. 4 shows a sketch for constructing and controlling a buck converter
  • Figure 5 is an illustration of several waveforms.
  • the DC-DC converter arrangement 10 will first be explained their basic operation.
  • the DC-DC converter arrangement 10 has two serially arranged DC / DC converters 12, 11, each of which consists of several schematically illustrated components.
  • the DC / DC converter 12 has two
  • High-voltage terminals 13 which are electrically coupled to a high voltage level (not shown in detail), to which in particular the high-voltage battery of a motor vehicle may belong.
  • High voltage terminals 13 is the high voltage DC voltage Uhiv the
  • the high-voltage side DC / DC converter 12 forms a total of a galvanically isolating, series-resonant switching converter. The two
  • High-voltage terminals 13 are electrically coupled to the input of a high-voltage DC / AC converter 16 belonging to the DC / DC converter 12.
  • High-voltage DC / AC converter 16 meets the requirements of converting the high-voltage DC voltage UHV into an AC voltage.
  • the high-voltage DC / AC converter 16 has one or more high-voltage converter switches 18, the conversion or chopping and reversal of the high-voltage direct voltage UHV into an alternating voltage is effected by the control or opening and closing.
  • the high-Voltwandlerschalter 18 is shown here schematically as a transistor and is driven clocked by a drive device 20 by this, as shown here, sets drive signals to the gate of the transistor.
  • the drive device 20 has a fixed duty cycle. This means that the driving device 20 is adapted to a predetermined voltage for a given time intervals
  • the high-voltage DC / AC converter 16 is followed by a galvanically isolating transformer 22.
  • the AC square wave voltage becomes an AC voltage with a lower one
  • the transformer 22 is followed by a low-voltage AC / DC converter 24, which outputs the intermediate circuit voltage UZK at two intermediate circuit connections 26 as output voltage.
  • DC link 26 is a DC link capacity 28 to
  • the intermediate circuit voltage UZK is a DC voltage or at least approximately a DC voltage.
  • DC bus terminals 26 a transducer module 32 is arranged and only at this closes the low-voltage level with the for a
  • Voltage value can be up to 1 500 V, with a relatively high
  • the converter module 32 is used for accurate
  • the voltage level is also less than or equal to 60 V. Since the low-voltage DC voltage ULV is usually 1 2 V or 48 V, the ratio between the intermediate circuit voltage UZK and
  • Low voltage DC voltage ULV usually in the range of 1 to 5.
  • the converter module 32 of the low-voltage side DC / DC Transducer 1 1 therefore be designed in the form of a galvanically non-separate buck or buck converter.
  • To the converter module 32 includes a drive device 36 for
  • an output capacitance 38 Connected to the converter module 32 is an output capacitance 38, which likewise serves for voltage stabilization and voltage smoothing, so that the intended low-voltage direct voltage ULV for the operation of the low-voltage level is provided at the low-voltage terminals 40.
  • the operation direction of the DC-DC converter 10 is not limited to the forward operation; by a suitable control of the DC / DC converter 1 1, 12, a reverse operation is possible, which transfers electrical energy from the low voltage level to the high voltage level.
  • DC-DC converter 100 according to the invention largely avoided. This is preferably also provided for use in an electric vehicle, there to a bidirectional power transmission between a high voltage level and a
  • the DC-DC converter 100 also consists of two series-connected DC-DC converters 1 1 1, 1 12, which basically consists of the same or similar components as the sketched in the figure 2 known
  • DC voltage converter 10 may exist.
  • functionally comparable components in FIGS. 1 and 2 are the same.
  • a bidirectional DC / DC converter 1 1 1 connected, which converts the applied high-voltage DC voltage UHV a high-voltage battery to a constant intermediate circuit voltage UZK of about 400 V. Since the value of the high-voltage DC voltage UHV can vary, the DC / DC converter 1 1 1 has a variable transmission ratio, which can be achieved by a PWM control of its controllable switches S1, S2 with a respectively predetermined duty cycle or sampling rate.
  • the first DC / DC converter 1 1 1 can be designed as a buck converter, in particular with SiC MOSFETs as switching elements.
  • an embodiment may be provided as a buck-boost converter.
  • the DC / DC converter 1 12 connected to the low-voltage side is a high-voltage low-voltage converter which may be functionally similar to the DC / DC converter 12 illustrated in FIG. 2.
  • other types of DC / DC converters can be used.
  • the output capacitor Ca can be made very small.
  • FIGs 3 and 4 the structure of a series resonant converter 1 12 and a buck converter 1 1 1 is shown schematically.
  • the series resonant converter 1 12 shown in FIG. 3 consists of the two controllable switches S3 to S10 of two complete switching bridges, which are coupled to one another via a transformer T.
  • a capacitor Cr and an inductance L r are provided as energy storage.
  • FIG. 4 shows the construction principle of a bidirectional buck converter 11 1.
  • the switch Si which is usually implemented as a transistor, is switched on and off regularly by the control device 36; Usually, several hundred to several million switching cycles per second are performed. As a result, electrical energy from the left connected voltage source with the input voltage Uei to a right to the
  • Energy storage coil U and capacitor Cb allow the supply of the load in the phases in which the switch Si is open.
  • the inductance Lb keeps the higher input voltage Uei away from the load.
  • the magnitude of the output voltage Uai can be specified by controlling the switch-on and switch-off times of the switch Si. This control is usually performed by a driver 36 with a regulator to maintain the output voltage Uai or the output current I a i at a desired value.
  • the second switch S2 can be operated by reversing the input and output of the buck converter 1 1 1 instead of as a buck converter in the opposite direction as a boost converter.
  • the first DC / DC converter 1 1 1 is associated with a peak current control (PCC, peak current control).
  • PCC peak current control
  • an offset value I onset is added to the coil current I I detected at the inductance Lb, so that the sign of the modified
  • Coil current IL + lotfset does not change over its course. This allows a highly dynamic energy flow change, which proceeds without further measurement or query a condition.
  • the resulting in the control waveforms are shown in Figure 5.
  • a current sensor 42 detects the coil current II through the inductance Lt>.
  • An adder 44 belonging to the drive device 36 adds to this detected coil current II a pre-calculated constant offset value, and thus forms the modified coil current value IL + lottset.
  • a current regulator 50 outputs a value based on the output voltage Uai of the DC / DC converter 1 1 1 and a voltage command value Usoii whose value corresponds to the voltage level of the low-voltage voltage plane
  • a ramp generator 48 generates, starting from this reference current value IRet, a periodically sloping sawtooth-shaped ramp current IRamp whose profile is outlined in FIG. 5 by a dot-dash line.
  • a comparator 46 belonging to the drive device 36 compares the falling ramp current IRamp with the rising modified one
  • Coil current value IL + lotset If the value of the ramp current IRamp falls below the value of the modified coil current IL +, then the sign of the comparator output signal which is applied to the gate of the transistor Si and also to the gate of the second transistor S2 via the inverter 52 with the opposite sign changes. The transistors S1, S2 are thereby both reversed, so that the coil current II now falls as long as the
  • the components belonging to the control device 36 can be realized both by hardware and by software components. reference numeral

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Abstract

Beschrieben wird eine bidirektionale Gleichspannungswandleranordnung für ein Elektrofahrzeug, welches eine Hochvoltspannungsebene und eine Niedervoltspannungsebene aufweist, wobei die Gleichspannungswandleranordnung eine Reihenschaltung von zwei DC/DC- Wandlern aufweist, von denen der eine DC/DC-Wandler einen serienresonanten Schaltwandler mit einem Transformator aufweist und von denen der andere DC/DC-Wandler einen Buck-Konverter oder Buck-/Boost- Konverter aufweist, wobei der Buck-Konverter oder Buck-/Boost-Konverter zur Verbindung mit der Hochvoltspannungsebene und der serienresonanter Schaltwandler zur Verbindung mit der Niedervoltspannungsebene des Elektrofahrzeugs vorgesehen ist, wobei eine bidirektionale Spitzenstromregelung vorgesehen ist, die durch eine Strommessung an einer Induktivität des Buck-Konverters oder Buck-/Boost-Konverters realisiert ist, und dass die Spitzenstromregelung als Führungsgröße den mit einem Offsetwert modifizierten und dadurch vorzeichenkonstanten Spulenstromwert verwendet.

Description

BIDIREKTIONALE GLEICHSPANNUNGSWANDLERANORDNUNG MIT KASKADE AUS ISOLIERTEM RESONANZWANDLEjR UND HOCH/TIEFSETZSTELLER
Die Erfindung betrifft eine bidirektionale Gleichspannungswandleranordnung für ein Elektrofahrzeug, welches eine Hochvoltspannungsebene und eine Niedervoltspannungsebene aufweist, wobei die
Gleichspannungswandleranordnung eine Reihenschaltung von zwei DC/DC- Wandlern aufweist, von denen der eine DC/DC-Wandler einen
serienresonanten Schaltwandler mit einem Transformator aufweist und von denen der andere DC/DC-Wandler einen Buck-Konverter oder Buck-/Boost- Konverter aufweist.
Eine derartige Gleichspannungswandleranordnung ist aus der deutschen Offenlegungsschrift DE 10 2014 016 076 A1 bekannt. Die
Gleichspannungswandleranordnung dient dazu, in einem Elektro- oder Hybridfahrzeug, die Spannung einer Hochvoltbatterie auf das Niveau einer Niedervoltbatterie zu transformieren. Darüber hinaus ermöglicht die Schaltung auch einen Energiefluss in umgekehrter Richtung, um etwa die
Hochvoltbatterie aus dem Energievorrat einer Niedervoltbatterie aufzuladen. Die in diesem Dokument beschriebene Gleichspannungswandleranordnung weist einen mit der Hochvoltspannungsebene verbundenen, mit fester Taktung betriebenen serienresonanten Schaltwandler auf, der nach außen ein konstantes Übersetzungsverhältnis besitzt, und der an seinem Ausgang eine verhältnismäße geringe Zwischenkreisspannung erzeugt.
Da die Spannung der Hochvoltbatterie variieren kann, ist aufgrund des festen Übersetzungsverhältnisses damit auch die Zwischenkreisspannung variabel. Die Zwischenkreisspannung wird durch einen zweiten
Gleichspannungswandler, der etwa als ein Buck-/Boost-Konverter ausgeführt ist, mit einer variablen Spannungsübersetzung auf das festliegende
Spannungsniveau der Niedervoltbatterie übertragen. Auf der Niedervoltspannungsebene gibt es neben nicht rückspeisefähigen Verbrauchern, wie beispielsweise einer elektrischen Heizung, auch Lasten wie elektrische Maschinen (Motor/Generator), die bei Lastwechseln
rückspeisefähig sind. Wenn diese Lastwechsel dynamisch passieren, dann wird in kurzer Zeit eine große Energiemenge zurück übertragen (ΔΕ = P * At). Je größer dabei die Energiemenge ΔΕ und je kürzer die Zeit At ist, desto höher ist auch die Leistung P im Peak.
Um solche Dynamikspitzen abzufangen, werden heutzutage große
Ausgangskondensatoren auf der Niedervoltspannungsebene verbaut, sogenannte Super- oder Ultracaps. Diese speichern eine Energiemenge ΔΕ = 1/2 * C * AU2 zwischen, was sich an den Klemmen des
Ausgangskondensatoren mit der Kapazität C durch einen Spannungsanstieg AU bemerkbar macht. Um dabei sowohl die
Spannungsanstiegsgeschwindigkeit als auch den Spannungshub gering zu halten, werden diese Ausgangskondensatoren mit Kapazitäten von mehreren Farad ausgeführt. Das für derartige Kondensatoren erforderliche
Bauraumvolumen entspricht ungefähr der Größe eines Schuhkartons. Darüber hinaus sind hochkapazitive Kondensatoren auch recht kostenaufwändig.
Es stellt sich die Aufgabe, auf einfache und kostengünstige Weise eine
Gleichspannungswandleranordnung zu schaffen, die einen hochdynamischen Wechsel der Energieflussrichtung sowie hochdynamische Stromänderungen ermöglicht, insbesondere um rückspeisefähige Lasten auch ohne großen Pufferkondensator betreiben zu können.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst dass der Buck-Konverter oder Buck-/Boost-Konverter zur Verbindung mit der Hochvoltspannungsebene und der serienresonanter Schaltwandler zur Verbindung mit der
Niedervoltspannungsebene des Elektrofahrzeugs vorgesehen ist und dass eine bidirektionale Spitzenstromregelung vorgesehen ist, die durch eine Strommessung an einer Induktivität des Buck-Konverters oder Buck-/Boost- Konverters realisiert ist, und dass die Spitzenstromregelung als
Führungsgröße den mit einem Offsetwert modifizierten und dadurch
vorzeichenkonstanten Spulenstromwert verwendet.
Die erfindungsgemäße Gleichspannungswandleranordnung kehrt damit die aus der DE 10 2014 016 076 A1 bekannte Wandlertopologie gewissermaßen um. Die erfindungsgemäße Gleichspannungswandleranordnung hat den Vorteil, dass die Ströme in beiden Wandlern möglichst lange klein gehalten werden können. Da hohe Ströme im Allgemeinen mit thermischen Verlusten verbunden sind, kann so die Verlustleistung insgesamt begrenzt und dadurch ein hoher Wirkungsgrad erzielt werden.
Die Schaltung kommt mit einem verhältnismäßig kleinen kapazitiven
Energiespeicher aus, da zur Ansteuerung der Schalter der
Gleichspannungswandleranordnung eine Regelung verwendet wird, die eine sehr hohe Dynamik erzielt und auf alle Laständerungen in einem
Fahrzeugbordnetz ohne größere Spannungseinbrüche reagieren kann. Die Regelung ermöglicht es so, den Ausgangskondensator klein zu halten. Bei der hier vorgeschlagenen bidirektionalen Gleichspannungswandleranordnung erreicht man zusätzlich eine besonders hohe Dynamik beim Wechsel der Energieflussrichtung.
Vorteilhaft ist auch, dass die Verwendung von Ausgangskondensatoren mit kleinen Kapazitäten neben einer Einsparung an Einbauraum im Allgemeinen auch eine deutliche Kosteneinsparung ermöglicht.
Zur Übertragung hoher elektrischer Leistung zwischen der Hochvolt- und der Niedervoltspannungsebene ist es vorteilhaft, die Halbleiterschalter der DC/DC- Wandler in Silizium-Carbid- oder Galliumnitrid-Technologie auszuführen. Im Folgenden sollen ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnung dargestellt und näher erläutert werden. Es zeigen die
Figur 1 eine erfindungsgemäße Gleichspannungswandleranordnung, Figur 2 eine Gleichspannungswandleranordnung nach dem Stand der
Technik,
Figur 3 den schematischen Aufbau eines serienresonanten Wandlers, Figur 4 eine Skizze zum Aufbau und zur Steuerung eines Buck- Wandlers,
Figur 5 eine Darstellung mehrerer Signalverläufe.
In allen Figuren sind bekannte elektrotechnische Bauelemente nur
schematisch und unter schematischer Darstellung ihrer elektrisch prägenden Bauelemente (insbesondere Wandlerschalter und Induktivitäten) dargestellt. Die Figur 2 zeigt das Blockschaltbild einer Gleichspannungswandleranordnung 10 für ein Kraftfahrzeug nach dem Stand der Technik. Anhand der aus der deutschen Offenlegungsschrift DE 10 2014 016 076 A1 bekannten
Gleichspannungswandleranordnung 10 sei zunächst deren grundsätzliche Funktionsweise erläutert. Die Gleichspannungswandleranordnung 10 weist zwei seriell angeordnete DC/DC-Wandler 12, 1 1 , die jeweils aus mehreren schematisch dargestellten Komponenten bestehen. Der DC/DC-Wandler 12 weist zwei
Hochvoltanschlüsse 13 auf, die elektrisch mit einer Hochvoltspannungsebene (nicht im Detail dargestellt), zu der insbesondere die Hochvoltbatterie eines Kraftfahrzeugs gehören kann, gekoppelt sind. Zwischen den
Hochvoltanschlüssen 13 liegt die Hochvoltgleichspannung Uhiv der
Hochvoltspannungsebene an. Zwischen die Hochvoltanschlüsse 13 ist eine Hochvoltkapazität 14 geschaltet. Diese dient der Stabilisierung gegen kurzfristige Spannungsschwankungen und zur Glättung des
Eingangsspannungsverlaufs. Der hochvoltseitige DC/DC-Wandler 12 bildet insgesamt einen galvanisch trennenden, serienresonanten Schaltwandler aus. Die beiden
Hochvoltanschlüsse 13 sind mit dem Eingang eines zum DC/DC-Wandler 12 gehörenden Hochvolt-DC/AC-Wandler 16 elektrisch gekoppelt. Dieser
Hochvolt-DC/AC-Wandler 16 genügt den Anforderungen der Umwandlung der Hochvoltgleichspannung UHV in eine Wechselspannung. Der Hochvolt-DC/AC- Wandler 16 weist ein oder mehrere Hochvoltwandlerschalter 18 auf, durch deren Ansteuerung beziehungsweise Öffnen und Schließen die Umwandlung oder auch Zerhackung und Umpolung der Hochvoltgleichspannung UHV in eine Wechselspannung bewirkt wird.
Der Hochvoltwandlerschalter 18 ist hier schematisch als Transistor dargestellt und wird durch eine Ansteuerungsvorrichtung 20 getaktet angesteuert, indem diese etwa, wie hier dargestellt, Ansteuersignale auf das Gate des Transistors legt. Die 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 Hochvoltwandlerschalters 18 anzulegen. Am Ausgang des Hochvolt-DC/AC-Wandlers 16 wird dadurch eine AC- Rechteckspannung ausgegeben.
An den Hochvolt-DC/AC-Wandler 16 schließt sich ein galvanisch trennender Transformator 22 an. Durch den Transformator 22 wird die AC- Rechteckspannung in eine AC-Spannung mit einem niedrigeren
Spannungswert umgewandelt. Auf den Transformator 22 folgt ein Niedervolt- AC/DC-Wandler 24, der als Ausgangsspannung die Zwischenkreisspannung UZK an zwei Zwischenkreisanschlüssen 26 ausgibt. Mit den beiden
Zwischenkreisanschlüssen 26 ist eine Zwischenkreiskapazität 28 zur
Stabilisierung und Glättung verbunden, so dass die Zwischenkreisspannung UZK eine Gleichspannung oder zumindest angenähert eine Gleichspannung ist. Durch die Ansteuerung des Gates des Hochvoltwandlerschalters 1 8 mit einem festen Tastverhältnis beziehungsweise durch eine feste Tastrate wird in Kombination mit dem Übersetzungsverhältnis des Transformators 22 über den Hochvolt-DC/AC-Wandler 1 6, den Transformator 22 und den Niedervolt- AC/DC-Wandler 24 ein festes Übersetzungsverhältnis ü = UZK/UHV realisiert. Damit ist das Verhältnis der Zwischenkreisspannung UZK zur
Hochvoltgleichspannung UHV fix und alle Änderungen der
Hochvoltgleichspannung UHV während des Betriebs, beispielsweise durch Entladung oder durch Änderungen der Belastung der Hochvoltbatterie, führen zu einer entsprechenden Änderung der Zwischenkreisspannung UZK, die dadurch nicht zum Betrieb von elektrischen Geräten, die eine bestimmte feste Spannung benötigen, geeignet ist. Daher ist hinter den
Zwischenkreisanschlüssen 26 ein Wandlermodul 32 angeordnet und erst an dieses schließt sich die Niedervoltspannungsebene mit den für eine
Niedervoltgleichspannung ULV ausgelegten elektrischen Geräten an.
Nach dem Transformieren der Hochvoltgleichspannung UHV, deren
Spannungswert bis zu 1 500 V betragen kann, mit einem relativ hohen
Übersetzungsverhältnis auf die variable Zwischenkreisspannung UZK, die kleiner oder gleich 60 V ist, dient das Wandlermodul 32 zur genauen
Anpassung der Zwischenkreisspannung UZK an die benötigte
Niedervoltgleichspannung ULV der Niedervoltspannungsebene des
Kraftfahrzeugs, der Spannungshöhe ebenfalls kleiner oder gleich 60 V ist. Da die Niedervoltgleichspannung ULV üblicherweise 1 2 V oder 48 V beträgt, liegt das Verhältnis zwischen Zwischenkreisspannung UZK und
Niedervoltgleichspannung ULV üblicherweise im Bereich von 1 bis 5.
Aufgrund dieses geringen Übersetzungsverhältnisses kann hier auf die Verwendung eines galvanisch trennenden Transformators verzichtet werden. Beispielsweise kann das Wandlermodul 32 des niedervoltseitigen DC/DC- Wandlers 1 1 daher in Form eines galvanisch nicht getrennten Abwärts- oder Buck-Wandler ausgeführt sein.
Zum Wandlermodul 32 gehört eine Ansteuerungsvorrichtung 36 zum
Ansteuern mindestens eines Niedervoltwandlerschalters 34, die ein
pulsweitenmoduliertes Signal PWM erzeugt. Damit wird die variable
Zwischenkreisspannung UZK in eine konstante Niedervoltgleichspannung ULV umgewandelt, indem die Ansteuerungsvorrichtung 36 die Pulslängen und Pulsabstände für ein passendes Übersetzungsverhältnis des Wandlermoduls 32 vorgibt.
An das Wandlermodul 32 schließt sich eine Ausgangskapazität 38 an, die ebenfalls der Spannungsstabilisierung und Spannungsglättung dient, so dass an den Niedervoltanschlüssen 40 die vorgesehene Niedervoltgleichspannung ULV für den Betrieb der Niedervoltspannungsebene bereitgestellt wird.
Die Betriebsrichtung der Gleichspannungswandleranordnung 10 ist nicht auf den Vorwärtsbetrieb beschränkt; durch eine geeignete Ansteuerung der DC/DC-Wandler 1 1 , 12 ist auch ein Rückwärtsbetrieb möglich, der elektrische Energie von der Niedervoltspannungsebene auf die Hochvoltspannungsebene überträgt.
Wie bereits eingangs erläutert, erfordert eine solche
Gleichspannungswandleranordnung 10, zum Abfangen dynamischer
Lastwechsel eine relativ große Ausgangskapazität 38, die einen erheblichen Bauraumbedarf aufweisen kann und auch kostenaufwändig ist.
Diese Nachteile werden durch die in der Figur 1 dargestellte
erfindungsgemäße Gleichspannungswandleranordnung 100 weitgehend vermieden. Diese ist vorzugsweise ebenfalls für eine Anwendung in einem Elektrofahrzeug vorgesehen, um dort eine bidirektionale Leistungsübertragung zwischen einer Hochvoltspannungsebene und einer
Niedervoltspannungsebene zu ermöglichen. Sie erreicht ihre Vorteile
gegenüber der zuvor beschriebenen Gleichspannungswandleranordnung 10 vor allem durch eine deutlich abweichende Schaltungstopologie.
Die Gleichspannungswandleranordnung 100 besteht ebenfalls aus zwei in Serie geschalteten DC-DC-Wandlern 1 1 1 , 1 12, welche grundsätzlich aus gleichen oder ähnlichen Komponenten wie die in die Figur 2 skizzierte bekannte
Gleichspannungswandleranordnung 10 bestehen kann. Für die Möglichkeit eines einfachen Vergleiches mit der vorbekannten Ausführung sind funktionell vergleichbare Komponenten in den Figuren 1 und 2 mit den gleichen
Bezugszeichen versehen worden. Die Bezugszeichen einiger weiterer
Komponenten der Figur 1 nehmen Bezug auf die schematischen Darstellungen der DC/DC-Wandler 1 12, 1 1 1 in den Figuren 3 und 4, wie auch umgekehrt einige Schaltungsteile in den Figuren 3 und 4 mit Bezugszeichen aus den Figuren 1 und 2 bezeichnet sind.
In der Figur 1 ist mit der Hochvoltgleichspannung UHV einer
Hochvoltspannungsebene ein bidirektionaler DC/DC-Wandler 1 1 1 verbunden, der die anliegende Hochvoltgleichspannung UHV einer Hochvoltbatterie auf eine konstante Zwischenkreisspannung UZK von etwa 400 V wandelt. Da der Wert der Hochvoltgleichspannung UHV variieren kann, weist der DC/DC-Wandler 1 1 1 ein variables Übersetzungsverhältnis auf, was durch eine PWM-Ansteuerung seiner steuerbaren Schalter S1 , S2 mit einem jeweils passend vorgegebenen Tastverhältnis beziehungsweise Tastrate erreichbar ist.
Besonders vorteilhaft kann der erste DC/DC-Wandler 1 1 1 als ein Buck- Konverter, insbesondere mit SiC-Mosfets als Schaltelementen ausgeführt sein. Alternativ kann auch eine Ausführung als Buck-Boost- Wandler vorgesehen werden. Der mit der Niedervoltseite verbundene DC/DC-Wandler 1 12 ist ein Hochvolt- Niedervoltwandler, der funktionell ähnlich wie der in Figur 2 dargestellte DC/DC- Wandler 12 ausgeführt sein kann. Zur Erzielung einer hohen Dynamik ist es vorteilhaft, als DC/DC-Wandler 1 12 einen LLC-Konverter vorzusehen, da dieser Wandlertyp von sich aus ohne Änderung der Taktung bidirektional verwendbar ist. Alternativ können aber auch andere Typen von DC/DC-Wandlern eingesetzt werden.
Der Vorteil der in der Figur 1 dargestellten seriellen Anordnung der DC/DC- Wandler 1 1 1 und 1 12 besteht darin, dass der Strom in fast der gesamten Gleichspannungswandleranordnung 100 klein gehalten und erst auf der
Niedervoltebene durch die Übersetzung durch den Transformator 22 und den AC/DC-Wandler 24 vergrößert wird. Durch kleine Ströme entstehen nur geringe thermische Verluste, was zum Erreichen eines hohen Wirkungsgrads beträgt.
Durch den Regler, der die Lastwechsel mit Energierichtungswechsel nicht identifizieren muss, kann der Ausgangskondensator Ca sehr klein ausgeführt werden. In den Figuren 3 und 4 ist der Aufbau eines serienresonanten Wandlers 1 12 und eines Buck-Wandlers 1 1 1 schematisch dargestellt.
Der in der Figur 3 dargestellte serienresonante Wandler 1 12 besteht durch die steuerbaren Schalter S3 bis S10 aus zwei vollständigen Schaltbrücken, die über einen Transformator T miteinander gekoppelt sind. Als Energiespeicher sind ein Kondensator Cr und eine Induktivität Lr vorgesehen. Durch eine fest
vorgegebene Taktung der Schalter S3 bis S10 ist zwischen der
Eingangsspannung Ue2 und der Ausgangsspannung Ua2 ein festes
Übersetzungsverhältnis ü = Ua2/Ue2 realisiert, welches bei der in der Figur 1 dargestellten erfindungsgemäßen Gleichspannungswandleranordnung deutlich kleiner als 1 ist. Die Figur 4 zeigt das Aufbauprinzip eines bidirektionalen Buck-Wandlers 1 1 1 . Der Schalter S-i , der üblicherweise als Transistor ausgeführt ist, wird von Ansteuerungsvornchtung 36 regelmäßig ein- und ausgeschaltet; üblicherweise werden einige hundert bis mehreren Millionen Schaltzyklen je Sekunde durchgeführt. Dadurch wird elektrische Energie von der links angeschlossenen Spannungsquelle mit der Eingangsspannung Uei zu einer rechts an die
Ausgangsspannung Uai anzuschließenden Last transferiert. Die beiden
Energiespeicher Spule U und Kondensator Cb ermöglichen die Versorgung der Last in den Phasen, in denen der Schalter Si geöffnet ist. Die Induktivität Lb hält die höhere Eingangsspannung Uei von der Last fern. Die Größe der Ausgangsspannung Uai kann durch Steuerung der Ein- und Ausschaltzeiten des Schalters Si vorgegeben werden. Diese Steuerung erfolgt üblicherweise durch eine Ansteuerungsvornchtung 36 mit einem Regler, um die Ausgangsspannung Uai oder den Ausgangsstrom lai auf einem gewünschten Wert zu halten. Durch den zweiten Schalter S2 kann durch Vertauschen des Ein- und Ausgangs der Buck-Wandler 1 1 1 statt als Abwärtswandler auch in Gegenrichtung als Aufwärtswandler betrieben werden.
Um ein möglichst dynamisches Verhalten der
Gleichspannungswandleranordnung 100 in beiden Energieflussrichtungen und besonders während einer Änderung der Energieflussrichtung zu erreichen, ist dem ersten DC/DC-Wandler 1 1 1 eine Spitzenstromregelung (PCC, peak current control) zugeordnet. Um diese Spitzenstromregelung bidirektional zu verwenden, wird zu dem an der Induktivität Lb erfassten Spulenstrom I I ein Offsetwert I onset addiert, so dass sich das Vorzeichen des modifizierten
Spulenstroms I L + lotfset über dessen Verlauf nicht ändert. Hierdurch wird ein hochdynamischer Energieflusswechsel ermöglicht, der ohne weitere Messung oder Abfrage einer Bedingung vonstattengeht. Die sich bei der Regelung ergebenden Signalverläufe sind in der Figur 5 dargestellt. Bei dem in der Figur 4 dargestellten DC/DC-Wandler 1 1 1 erfasst ein Stromsensor 42 den Spulenstrom II durch die Induktivität Lt>. Ein zur Ansteuervorrichtung 36 gehörender Addierer 44 addiert zu diesem erfassten Spulenstrom II einen vorberechneten konstanten Offsetwert lottset und bildet so den modifizierten Spulenstromwert IL + lottset. Durch den Vergleich des modifizierten Spulenstromes IL + lottset mit einem, von einer überlagerten Regelung zur Verfügung gestellten Referenzstromwert iRet wird die
Einschaltdauer des DC/DC-Wandlers 1 1 1 geregelt und damit der
Ausgangsstrom lai dynamisch angepasst.
Hierzu gibt ein Stromregler 50 auf der Grundlage der Ausgangsspannung Uai des DC/DC-Wandlers 1 1 1 und eines Spannungssollwerts Usoii, dessen Wert der Spannungshöhe der Niedervoltspannungsebene entspricht, einen
Referenzstromwert IRet vor.
Ein Rampengenerator 48 erzeugt, ausgehend von diesem Referenzstromwert IRet einen periodisch abfallenden sägezahnförmigen Rampenstrom IRamp, dessen Verlauf in der Figur 5 durch eine strichpunktierte Linie skizziert ist. Ein zur Ansteuervorrichtung 36 gehörender Komparator 46 vergleicht den fallenden Rampenstrom IRamp mit dem ansteigenden modifizierten
Spulenstromwert IL + lottset. Fällt der Wert des Rampenstroms IRamp unter den Wert des modifizierten Spulenstroms IL + lottset, so ändert sich das Vorzeichen des Komparatorausgangssignals, welches am Gate des Transistors Si und über den Inverter 52 mit umgekehrtem Vorzeichen auch am Gate des zweiten Transistors S2 anliegt. Die Transistoren S1 , S2 werden dadurch beide umgesteuert, so dass der Spulenstrom II nun solange abfällt bis das
Rampenstromsignal IRamp wieder ansteigt. Die zur Ansteuerungsvornchtung 36 gehörenden Komponenten können dabei sowohl durch Hardware- als auch durch Softwarekomponenten realisiert sein. Bezugszeichen
10, 100 Gleichspannungswandleranordnung
1 1 , 1 1 1 DC/DC-Wandler (Buck-Konverter)
12, 1 12 DC/DC-Wandler (serienresonanter Wandler)
13 Hochvoltanschlüsse
14 Hochvoltkapazität
16 Hochvolt-DC/AC-Wandler
18 Hochvoltwandlerschalter
20 Ansteuerungsvorrichtung
22 Transformator
24 Niedervolt-AC/DC-Wandler
26 Zwischenkreisanschlüsse
28 Zwischenkreiskapazität
30 Zwischenstromkreis
32 Wandlermodul
34 Niedervoltwandlerschalter
36 Ansteuerungsvorrichtung
38 Ausgangskapazität
40 Niedervoltanschlüsse
42 Stromsensor
44 Addierer
46 Komparator
48 Rampengenerator
50 Stromregler
52 Inverter
(16, 22, 24) serienresonanter Wandler
Ausgangskondensator
Kondensatoren (Cb auch Zwischenkreiskapazität) Spulenstrom Ia1 , Ia2 Ausgangsströme
Ie1 , Ιθ2 Eingangsströme
I Offset Offsetwert
IL + I Offset modifizierter Spulenstrom(wert) i Ramp Rampenstrom(signal) i Ref Referenzstromwert
Lb, Lr Induktivitäten
UHV Hochvoltgleichspannung
ULV Niedervoltgleichspannung
Usoll Spannungssollwert
UZK Zwischenkreisspannung
Ua1 , Ua2 Ausgangsspannungen
Ue1 , Ue2 Eingangsspannungen
PWM pulsweitenmoduliertes Signal
Si - S10 Schalter (Transistoren)
T Transformator

Claims

Patentansprüche
Bidirektionale Gleichspannungswandleranordnung (1 0, 1 00) für ein
Elektrofahrzeug, welches eine Hochvoltspannungsebene und eine
Niedervoltspannungsebene aufweist, wobei die Gleichspannungswandleranordnung (1 0, 1 00) eine
Reihenschaltung von zwei DC/DC-Wandlern (1 1 , 1 2 ; 1 1 1 , 1 1 2) aufweist, von denen der eine DC/DC-Wandler (1 2, 1 1 2) einen serienresonanten Schaltwandler (1 6, 22, 24) mit einem Transformator (22) aufweist und von denen der andere DC/DC-Wandler (1 1 , 1 1 1 ) einen Buck-Konverter (1 2, 32) oder Buck-/Boost-Konverter aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass der Buck-Konverter (32) oder Buck-/Boost-Konverter zur Verbindung mit der Hochvoltspannungsebene und der serienresonanter Schaltwandler (1 6, 22, 24) zur Verbindung mit der Niedervoltspannungsebene des
Elektrofahrzeugs vorgesehen ist und dass eine bidirektionale Spitzenstromregelung vorgesehen ist, die durch eine Strommessung an einer Induktivität (Lt>) des Buck-Konverters (32) oder Buck-/Boost-Konverters realisiert ist, und dass die
Spitzenstromregelung als Führungsgröße den mit einem Offsetwert (I onset) modifizierten und dadurch vorzeichenkonstanten Spulenstromwert (I L + I offset) verwendet.
Bidirektionale Gleichspannungswandleranordnung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Schalter (Si bis S10) der DC/DC- Wandler (111, 112) in Silizium-Carbid- oder Galliumnitrid-Technologie ausgeführte Halbleiterschalter sind.
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