WO2014170059A1 - Gleichspannungswandleranordnung mit modularen komponenten zur einfachen konfigurierbarkeit - Google Patents

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WO2014170059A1
WO2014170059A1 PCT/EP2014/053830 EP2014053830W WO2014170059A1 WO 2014170059 A1 WO2014170059 A1 WO 2014170059A1 EP 2014053830 W EP2014053830 W EP 2014053830W WO 2014170059 A1 WO2014170059 A1 WO 2014170059A1
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module
output
input
coupling
voltage
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PCT/EP2014/053830
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Stefan LANGEMEYER
Johannes Reinschke
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Siemens Aktiengesellschaft
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    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M3/00—Conversion of dc power input into dc power output
    • H02M3/02—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac
    • H02M3/04—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters
    • H02M3/10—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode
    • H02M3/145—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal
    • H02M3/155—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only
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    • H02M3/325—Conversion of dc power input into dc power output with intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode to produce the intermediate ac using devices of a triode or a transistor type requiring continuous application of a control signal
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    • H02M3/003—Constructional details, e.g. physical layout, assembly, wiring or busbar connections
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    • H02M7/003—Constructional details, e.g. physical layout, assembly, wiring or busbar connections

Definitions

  • the present invention relates to a DC ⁇ transducer assembly for converting a DC input voltage into a DC output voltage.
  • the DC-DC converter arrangement comprises a coupling module, an input module for transmitting the input direct voltage to the coupling module by means of a first switching device and an output module for providing the DC output voltage from an electrical voltage applied to the coupling module.
  • the present invention relates to a method of manufacturing a DC-DC converter arrangement.
  • Bidirectional DC battery charging stations also make it possible to stabilize the energy distribution grids by absorbing energy in the event of electricity surplus and by regenerating energy in the absence of electricity.
  • Bat ⁇ criteria of electric vehicles is the need to load them to the corresponding charging stations as quickly as possible to avoid long waiting times.
  • DC-DC converter circuits which are used, for example, for battery charging and discharging, there are also technical quality requirements with regard to the current and voltage ripples.
  • the current ripple for charging and discharging lithium-ion batteries should not exceed 2 to 3% of the nominal charge or discharge current.
  • corresponding DC-DC converter arrangements are used whose central components are identical in all battery charging stations of similar power class. The electrical voltage and the current through these components in predetermined ranges are adjustable. An essential structural difference of the DC-DC converter arrangements lies in the galvanic isolation.
  • a galvanic isolation between an input module to which a DC input voltage is applied, and an output module to which a DC output ⁇ voltage of the voltage is provided, is required beispielswei ⁇ se for DC rapid charging stations for electric vehicles, but not for the coupling of photovoltaic systems with battery storage indispensable.
  • the galvanic isolation is realized by means of suitable transformers. Here, more transistors are used, which are operated with high switching frequencies up to 20 kHz. This space and weight can be saved. In addition, the use of materials can be reduced.
  • the DC-DC converter arrangement for converting a DC input voltage into a DC output voltage comprising a coupling module, an input module for Studentstra ⁇ gene of the DC input voltage to the switching module by means of a first switching means, and an output module for providing the output DC voltage from a voltage applied to the switching module electrical voltage, wherein the Input module, the output module and the coupling module are each formed as a separate module element, the input module is electrically connected to the coupling module and the coupling ⁇ module is electrically connected to the output module.
  • the DC-DC converter arrangement represents a DC-DC converter with which an input DC voltage can be converted into an output DC voltage.
  • a first DC voltage can be converted into an output DC voltage.
  • the input module may have corresponding input terminals to which the input DC voltage can be applied. Furthermore, the input module may have an input capacitance in the form of a capacitor electrically connected to the input terminals.
  • the input module has a switching device in which the input DC voltage can be connected to corresponding output terminals of the input module . With the first switching device, the input DC voltage can be switched to the output terminals at predetermined times. The input DC voltage can be applied to the output terminals of the input module pulsed, for example, with the first switching device.
  • the output terminals of the input module are connected to a coupling module or its input terminals.
  • the coupling module is in turn electrically connected to an output module which provides the DC output voltage.
  • the coupling module an electrical connection can be provided at ⁇ play, via cable, between the input module and the output module.
  • the coupling module may also include passive electrical filters.
  • the DC output voltage can be generated, for example, by a second switching device of the output module from the electrical voltage that is emitted by the coil element of the coupling module.
  • the DC-DC converter assembly may be configured so that the functionality of the high ⁇ boost converter or a buck converter is provided with it.
  • the input module, the output module and the coupling module are each designed as a separate module element.
  • the individual modules may be formed as a single, separately constructed from elements ⁇ .
  • the individual modules may each be ⁇ wells arranged on a separate module carrier for example.
  • the modules can each be arranged on a separate heat sink.
  • the electrical connection between the input module and the switching module and the coupling ⁇ module and the output module can be via electric Verbin ⁇ -making lines, in particular cables.
  • the input module, the output module and the coupling module can be arranged in a common housing.
  • a Be ⁇ consultancyungsgue for a DC-DC converter is provided.
  • a modular Gleichputswandleranord ⁇ tion is provided, in which the individual modules can be easily replaced.
  • the DC-DC converter arrangement can be adapted particularly effectively to the particular application.
  • the input module, the output module are off ⁇ and the coupling module respectively disposed in a separate housing overall.
  • the input module may have corresponding connection elements with which it can be connected to the Koppelmo ⁇ module.
  • the output module may have corresponding connecting elements with which it with can be connected to the coupling module.
  • These tantsele ⁇ elements can be provided for example in the form of screw or terminal contacts.
  • the coupling module comprises at least one coil, which provides a galvanic connection between the input module and the output module in a connection of the input module to the coupling module and the coupling module with the output module.
  • the coupling module can have at least one coil on ⁇ , which is electrically connected to an input terminal and an output terminal of the switching module.
  • the coupling module may also have two coils, wherein a first coil with a first input terminal and a first output terminal and the second coil with a second input terminal and ei ⁇ ner second output terminal are electrically connected.
  • a galvanic connection between the input module and the output module of the DC-DC converter arrangement is provided.
  • a DC-DC converter arrangement can be provided for applications in which a galvanic connection between the input module and the output module is not required.
  • Such an application ⁇ case may for example consist of photovoltaic systems, in which energy is stored in a battery.
  • the coupling module comprises a transformer, which provides a galvanically isolated coupling between the input module and the output module in a connection of the input module to the coupling module and a connection of the coupling module with the output module.
  • a first coil in the primary circuit of the transformer may be connected to the input terminals of the coupling module and a second coil in the secondary circuit of the transformer may be connected to the output terminals of the coupling module.
  • a DC-DC converter is provided with a galvanic isolation between the input module and the output module. provides.
  • the winding ratio can be selected so that it corresponds to the ratio between minimum DC input voltage and maximum DC output voltage.
  • Such a DC-DC converter can, for example, for
  • Fast charging stations for electric vehicles can be used.
  • the coupling module comprises at least one electrical filter element, the circle in a primary and / or is integrally ⁇ assigns a secondary circuit of the transformer.
  • the electrical filter element may be formed, for example, as a passive electrical filter element.
  • the filter element may comprise a capacitor and a coil. This can be provided in a simple manner, for example, a resonant converter.
  • the first control device preferably comprises at least one semiconductor switch.
  • the first switch means, with the DC input voltage is switched to the output terminals of the input gear module can, for example be formed by at least ⁇ a transistor or a thyristor.
  • the first switching device is formed by at least one IGBT or MOSFET.
  • the first switching device can also be designed as a half bridge or full bridge. With such a first switching device, the DC input voltage can be transmitted to the coil element of the coupling module in a particularly effective manner.
  • the output module has a second switching device for switching the voltage applied to the coupling module electrical voltage.
  • the two ⁇ th switching device comprises at least one diode and / or at least one semiconductor switch (IGBT, MOSFET).
  • IGBT IGBT
  • MOSFET semiconductor switch
  • the DC-DC converter arrangement can be used as a unidirectional DC-DC converter can be used.
  • a bidirectional DC-DC converter can be provided with the second switching device.
  • the diodes or semiconductor switches can be connected as a half-bridge or full bridge.
  • the DC-DC converter arrangement comprises a first terminal module, which is electrically connected to the input module, and / or a second terminal module, which is electrically connected to the output module, wherein the first and / or the second terminal module ⁇ an electrical Includes filter element.
  • the first and the second terminal module can each be arranged in a separate housing.
  • the electrical filter element in the first terminal module is used to filter Oberwel ⁇ len the electrical voltage in the input module.
  • the electrical filter element in the second terminal module is used to filter harmonics of the electrical voltage in the output module.
  • the electrical filter ⁇ elements serve for Stromrippleglättung.
  • the DC-DC converter arrangement comprises a control device for controlling the first switching device and / or the second switching device.
  • the control device the first and / or the second switching device can be controlled as a function of time.
  • the first and / or the second switching device can be operated hard switching.
  • the first and / or the second switching device can be operated according to a time offset with a so-called interleaved or phase-shifted switch control.
  • the DC-DC converter arrangement can be adapted to the particular application.
  • the DC-DC converter arrangement has a detection device for detecting a type of the input module, the coupling module and / or the Output module on. With the detection device and the first and / or the second terminal module can be detected.
  • the DC-DC converter arrangement can have a higher-level detection device with which the individual modules can be detected. Alternatively, such detection means may be vorgese ⁇ hen in each of the modules. With the detection device can be detected, for example, which switching devices are arranged in the input module and in the output module. In addition, it can be detected with the detection device whether the coupling module has at least one coil or a transformer.
  • the detection device can also be designed to detect a faulty connection between the individual modules of the DC-DC converter arrangement.
  • the first or the second switching device can be controlled with ⁇ means of the control device so that no damage to the respective modules of the DC-DC converter arrangement can take place. Thus, damage to the respective modules can be prevented and the safety in the operation of the DC-DC converter arrangement can be increased.
  • the first switching means and / or said second switching means by the control means in dependence is controlled by a detected with the detection device type of the input module, the coupling module and / or the réellemo ⁇ duls.
  • the control device may be coupled to the detection device. Depending on which type or construction of the individual modules is detected by the detection device, the switching devices can be controlled.
  • the inventive method for producing a DC-DC converter arrangement for converting a sandwichess protest- voltage into a DC output voltage comprises providing a switching module, providing an input ⁇ module for transmitting the input DC voltage to the switching module by means of a first switching device, the ready provide an output module for providing the output ⁇ DC voltage from an applied voltage to the coupling module, the respective formation of the input module, the output module and the coupling module as a separate module element, the electrical connection of the input module with the coupling module and the electrical connection of Kop ⁇ pelmoduls with the output module.
  • Embodiment wherein the DC-DC converter arrangement is designed as a unidirectional buck-boost converter without galvanic isolation;
  • Embodiment wherein the DC-DC converter arrangement is designed as a bidirectional buck-boost converter without galvanic isolation;
  • FIG. 4 shows the DC voltage converter arrangement in a further embodiment, wherein the DC voltage ⁇ converter arrangement is designed as a unidirectional phase-shift converter with galvanic isolation;
  • Figure 5 illustrates the DC-DC converter arrangement in a further embodiment in which the DC voltage wall ⁇ leranix as a unidirectional phase-shift
  • Transducer is designed with galvanic isolation
  • Figure 6 shows the DC-DC converter arrangement in a further embodiment in which the DC ⁇ transducer assembly is formed as a bi-directional phase-shift converter with galvanic isolation;
  • the DC voltage ⁇ converter assembly is designed as a bidirectional phase-shift converter with galvanic isolation and has a filter element;
  • FIG. 8 shows a coupling module for the DC-DC converter arrangement in a further embodiment.
  • the embodiments described in more detail below represent preferred embodiments of the invention.
  • the Gleichwoodswandleran- assembly 10 comprises an input module 12 to which a gear ⁇ A DC voltage Ul can be applied.
  • the DC input voltage U1 can be applied to the input terminals 22, 24 of the input module 12.
  • the DC-DC converter arrangement 10 comprises an output module 14, with which a DC output voltage U2 can be provided at the output terminals 28 and 30.
  • the DC voltage ⁇ transducer assembly 10 includes a coupling module 16, which is connected to the input module 12 and output module 14 electrically verbun ⁇ . Includes the input module 12, a not shown here presented first switching means 26 for transmitting the DC input voltage Ul to the switching module 16.
  • a second switching means 32 may be angeord ⁇ net, with the voltage dropped across the switching module 16 elekt ⁇ generic voltage the output terminals 28 and 30 is transmitted.
  • the DC-DC converter 10 includes a first terminal module assembly 18 and a second termi ⁇ nalmodul 20.
  • the terminal module 18 is connected to the input module 12 electrically connected and the second terminal module 20 is electrically connected to the output module.
  • the DC-DC converter arrangement 10 comprises a control device 46.
  • the control device 46 is connected to the input module 12, the output module 14, the coupling module 16 and the terminal modules 18 and 20. This is illustrated by the dashed lines.
  • the control device 46 can receive a respective identifier or an ID from the input module 12, the output module 14, the coupling module 16 and the terminal modules 18 and 20, or interrogate them from the modules 12, 14, 16, 18, 20.
  • a detection device not shown here can be used. From the respective identifier, the control means 46 can determine the type 18 and 20 of the input module 12, the Kirmo ⁇ duls 14, the coupling module 16 and the terminal modules.
  • a respective control signal to the first switching input device 26 of the input module 12 and / or the second switching ⁇ device 32 of the output module 14 can be transmitted to the control device 46 ,
  • an electrical connection between the individual modules 12, 14, 16, 18, 20 can be determined.
  • a signal can be output, depending on which the first and second switching means 26, 32 can be controlled.
  • the individual modules 12, 14, 16, 18, 20 of the DC-DC converter arrangement 10 can be equipped with sensors and communication technology such that an impermissible combination of the modules 12, 14, 16, 18, 20 leads to a blockage of the control units of the active components Ql, Q2, Q3, Q4 of the first switching device 26 and / or the active components Qsl, Qs2, Qs3 and Qs4 of the second switching device 32, so that the DC-DC converter 10 can not be operated in such an improper combination.
  • 2 shows the DC-DC converter arrangement 10 in a first embodiment.
  • the input module 12 includes an input capacitance C1 that is electrically connected to the input terminals 22 and 24 of the input module 12. Furthermore, the input module 12 comprises a first switching device 26, which in the present embodiment is formed by the IGBTs Q1, Q2, Q3 and Q4. IGBTs Q1, Q2, Q3 and Q4 are in the present case connected to a full bridge. In addition, the output module 14 comprises an output capacitance C2, which is electrically connected to the output terminals 28 and 30. Furthermore, the output module 14 comprises a second switching device 32 which is formed by four diodes Dl, D2, D3 and D4, which are connected in a full bridge.
  • the coupling module 16 comprises a coil element 34, which is formed by the two coils LI and L2.
  • the first coil LI or throttle is connected between a first input terminal VI and a first output terminal V3 of the coupling module.
  • the second coil L2 and the throttle is connected V4 of the coupling module 14 between a second ⁇ A ⁇ through terminal V2 and a second output terminal.
  • ⁇ to the first terminal module 18 combines an electrical conductor 36, which serves as the electrical connection of the circuit in the input module 12th
  • the second terminal module 20 comprises ei ⁇ NEN electrical conductor 38, which serves the electrical connection of the circuit in the output module 14.
  • the DC-DC converter assembly 10 illustrates a unidirectional buck-boost converters without galvanic isolation is.
  • the input module 12 and the off ⁇ output module 14 by means of the two coils LI and L2 of the coupling ⁇ module electrically connected 16 with each other.
  • the input module 12, the output module 14, the coupling module 16, the first terminal module 18 and the second terminal module 20 are each arranged in a separate housing.
  • the housings of the input module 12, the output module 14, the coupling module 16 and the terminal modules 18, 20 are all designated 40 in the present case.
  • the electrical see contacts between the modules 12, 14, 16, 18, 20 can be provided for example by screw or clamp connections.
  • 3 shows the DC-DC converter arrangement 10 in a further embodiment.
  • the input module 12 which Kop ⁇ pelmodul 14, the terminal modules are made up 18 and 20 on the DC clamping voltage ⁇ transducer assembly 10 of FIG. 2
  • the output module 14 of the DC-DC converter arrangement 10 according to FIG. 3 has four IGBTs Qsl, Qs2, Qs3 and Qs4, which are connected in a full bridge.
  • a bidirectional buck-boost converter can be provided without galvanic isolation with the DC clamping voltage ⁇ transducer assembly 10 of FIG. 3
  • Due to the modular design of the DC-DC converter 10 Due to the modular design of the DC-DC converter 10, a simple replacement of the output module 14 can be made possible.
  • the unidirectional buck-boost converter can be converted into 2 to a bidirectional buck-boost converter of Figure 3 by an off ⁇ exchange of the output module 14 in accordance with FIG.
  • the coupling module 16 is replaced in comparison to the DC voltage converter arrangement 10 according to FIG.
  • the switching module 16 comprises in this case as a coil ⁇ element 34 includes a transformer Tl.
  • a primary circuit 42 of the transformer Tl to the input terminals VI and V2 of the switching module 16 is connected.
  • a secondary circuit 44 of the transformer Tl is connected to the output terminals V3 and V4 of the coupling module 16.
  • the second terminal module 20 comprises a filter comprising a coil L3 and a capacitor C3, which are electrically connected to the output module 14.
  • FIG. 5 shows a DC voltage converter arrangement 10 in a further embodiment. It is compared to the
  • the second switching device 32 of the output module 14 is formed here by a full bridge of four IGBTs Qsl, Qs2, Qs3 and Qs4, as described in connection with FIG.
  • a shift of the phase of the electrical voltage in the output module 14 can be effected.
  • a further variant of a unidirectional phase-shift converter with galvanic isolation can be provided.
  • FIG 6 shows a further embodiment of the DC ⁇ transducer assembly 10.
  • the first terminal module ⁇ 18th The first terminal module 18 is constructed analogously to the second terminal module 20 and has an electrical ⁇ cal filter comprising a coil L4 and a capacitor C4, which are electrically connected to the input module 12.
  • an electrical ⁇ cal filter comprising a coil L4 and a capacitor C4, which are electrically connected to the input module 12.
  • FIG. 7 shows a further embodiment of the DC voltage converter arrangement 10.
  • the coupling module 16 is replaced.
  • the primary side 42 of the transformers Tl ⁇ door additionally comprises an electrical filter element comprising a capacitor C5 and the coil L5. This can be a
  • FIG 8 shows a further embodiment of a coupling module 16. Compared to the coupling module 16 shown in FIG In this case additionally arranged in the secondary circuit 44 of the transformer Tl an electrical filter element comprising a Kon ⁇ capacitor C6 and a coil L6.
  • the coupling module 16 ge ⁇ Gurss FIG 8 serves as a resonant converter for a bi-directional DC-DC converter.
  • the modular design of the DC-DC converter 10 allows, for example, to build the described bidirectional buck-boost converter as shown in FIG 2 as a base product and, if necessary by a galvanic isolation - by the
  • the DC-DC converter arrangements 10, which are described in connection with FIGS. 1 to 8, can be used, for example, for power classes between 10 kW and a few 100 kW.
  • a 50 kW DC-DC converter with an input voltage Ul of 600 V and an output voltage U2, which is in a range between 200 and 500 V are provided.
  • the condensate ⁇ capacitors Cl and C2 has a capacity of 40 ⁇ iF and Kondensa ⁇ factors C3 and C4 is a capacitance of 1 mF may have.
  • the coils LI and L2 can have an inductance of 1.2 mH and the coils L3 and L4 an inductance of 40 ⁇ .
  • the Trans ⁇ formator Tl for example, have a transmission ratio of 5: 6.
  • auxiliary inductance be used with an inductance of 1 ⁇ .
  • the IGBTs of the first and second switching devices 26, 32 may be switched, for example, at a frequency of 20 kHz.
  • MOSFETs can also be used.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Dc-Dc Converters (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Gleichspannungswandleranordnung (10) zum Wandeln einer Eingangsgleichspannung (U1) in eine Ausgangsgleichspannung (U2) mit einem Koppelmodul (16), einem Eingangsmodul (12) zum Übertragen der Eingangsgleichspannung (U1) zu dem Koppelmodul (16) mittels einer ersten Schalteinrichtung (26), und einem Ausgangsmodul (14) zum Bereitstellen der Ausgangsgleichspannung (U2) aus einer an dem Koppelmodul (16) anliegenden elektrischen Spannung, wobei das Eingangsmodul (12), das Ausgangsmodul (14) und das Koppelmodul (16) jeweils als separates Modulelement ausgebildet sind, das Eingangsmodul (12) mit dem Koppelmodul (16) elektrisch verbunden ist und das Koppelmodul (16) mit dem Ausgangsmodul (14) elektrisch verbunden ist.

Description

Beschreibung
GLEICHSPANNUNGSWANDLERANORDNUNG MIT MODULAREN KOMPONENTEN ZUR EINFACHEN KONFIGURIERBARKEIT Die vorliegende Erfindung betrifft eine Gleichspannungs¬ wandleranordnung zum Wandeln einer Eingangsgleichspannung in eine Ausgangsgleichspannung. Die Gleichspannungswandleranordnung umfasst ein Koppelmodul, ein Eingangsmodul zum Über¬ tragen der Eingangsgleichspannung zu dem Koppelmodul mittels einer ersten Schalteinrichtung und ein Ausgangsmodul zum Bereitstellen der Ausgangsgleichspannung aus einer an dem Koppelmodul anliegenden elektrischen Spannung. Überdies betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Herstellen einer Gleichspannungswandleranordnung .
Mit zunehmender Verbreitung von regenerativen Energiequellen und Elektrofahrzeugen steigt der Bedarf nach leistungsfähigen Batterieschnellladestationen. Des Weiteren werden stationäre Batterien in Häusern beispielsweise dazu verwendet, Energie von Photovoltaikanlagen während sonnenreicher Perioden zu speichern, um sie dann bei wenig Sonneneinstrahlung oder in der Nacht abzurufen und die Energie damit lokal zu erzeugen bzw. zu verbrauchen. Bidirektionale DC-Batterieschnelllade- stationen erlauben zudem die Stabilisierung der Energie- verteilnetze durch Aufnahme von Energie bei Stromüberschuss sowie durch Rückspeisen von Energie bei Strommangel. Bei Bat¬ terien von Elektrofahrzeugen besteht der Bedarf, diese an entsprechenden Ladestationen möglichst schnell zu laden, um längere Wartezeiten zu vermeiden.
An Gleichspannungswandlerschaltungen, die beispielsweise zum Batterieladen und -entladen verwendet werden, gibt es ferner technische Güteanforderungen bezüglich der Strom- und Span- nungsripples . Der Stromripple zum Laden und Entladen von Li- thium-Ionen-Batterien sollte beispielsweise nicht größer als 2 bis 3% des nominalen Lade- oder Entladestroms betragen. Für die zuvor beschriebenen Anwendungsfälle werden entsprechende Gleichspannungswandleranordnungen verwendet, deren zentrale Komponenten in allen Batterieschnellladestationen ähnlicher Leistungsklasse identisch sind. Dabei sind die elektrische Spannung und der Strom über diese Komponenten in vorbestimmten Bereichen einstellbar. Ein wesentlicher baulicher Unterschied der Gleichspannungswandleranordnungen liegt in der galvanischen Trennung. Eine galvanische Trennung zwischen einem Eingangsmodul, an dem eine Eingangsgleichspannung anliegt, und einem Ausgangsmodul, an dem eine Ausgangsgleich¬ spannung der Spannung bereitgestellt wird, wird beispielswei¬ se bei DC-Schnellladestationen für Elektrofahrzeuge gefordert, ist aber für die Kopplung von Photovoltaikanlagen mit Batteriespeichern nicht unbedingt notwendig. Die galvanische Trennung wird mittels entsprechender Transformatoren realisiert. Hierbei werden vermehrt Transistoren verwendet, die mit hohen Schaltfrequenzen bis zu 20 kHz betrieben werden. Damit kann Bauraum und Gewicht eingespart werden. Zudem kann der Materialeinsatz reduziert werden.
Aus dem Stand der Technik sind dezidierte Geräte mit und ohne galvanische Trennung bekannt. Beispielsweise werden von der Anmelderin bidirektionale Gleichspannungswandler ohne galvanische Trennung auf Basis von Thyristor-Technologie angebo- ten. Des Weiteren sind MOSFET- oder IGBT-basierte Topologien für uni- und bidirektionale Gleichspannungswandler mit galvanischer Trennung aus der Literatur bekannt. Derartige Gleichspannungswandler sind beispielsweise in dem Artikel „A comparsion of high-power DC-DC soft-switched Converter topologies" von R. Steigerwald et al . , IEEE Transactions on Industry Applications, 1996 beschrieben.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Gleichspannungswandleranordnung der eingangs genannten Art bereitzu- stellen, die flexibler hergestellt und betrieben werden kann. Ferner sollen die genannten technischen Güteanforderungen möglichst kostengünstig erfüllt werden. Diese Aufgabe wird durch eine Gleichspannungswandleranordnung gemäß Patentanspruch 1 und durch ein Verfahren gemäß Patentanspruch 13 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der vorlie¬ genden Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Die erfindungsgemäße Gleichspannungswandleranordnung zum Wandeln einer Eingangsgleichspannung in eine Ausgangsgleichspannung umfasst ein Koppelmodul, ein Eingangsmodul zum Übertra¬ gen der Eingangsgleichspannung zu dem Koppelmodul mittels ei- ner ersten Schalteinrichtung, und ein Ausgangsmodul zum Bereitstellen der Ausgangsgleichspannung aus einer an dem Koppelmodul anliegenden elektrischen Spannung, wobei das Eingangsmodul, das Ausgangsmodul und das Koppelmodul jeweils als separates Modulelement ausgebildet sind, das Eingangsmodul mit dem Koppelmodul elektrisch verbunden ist und das Koppel¬ modul mit dem Ausgangsmodul elektrisch verbunden ist.
Die Gleichspannungswandleranordnung stellt einen DC-DC- Wandler dar, mit dem eine Eingangsgleichspannung in eine Aus- gangsgleichspannung gewandelt werden kann. Mit anderen Worten kann mit der Gleichspannungswandleranordnung eine erste
Gleichspannung in eine zweite Gleichspannung gewandelt werden. Dabei kann auch ein bidirektionaler Betrieb der Gleichspannungswandleranordnung vorgesehen sein. Das Eingangsmodul kann entsprechende Eingangsklemmen aufweisen, an denen die Eingangsgleichspannung angelegt werden kann. Des Weiteren kann das Eingangsmodul eine Eingangskapazität in Form eines Kondensators aufweisen, der elektrisch mit den Eingangsklemmen verbunden ist. Zudem weist das Eingangsmodul eine Schalt- einrichtung auf, bei der die Eingangsgleichspannung an entsprechende Ausgangsklemmen des Eingangsmoduls geschaltet wer¬ den kann. Mit der ersten Schalteinrichtung kann die Eingangsgleichspannung zu vorbestimmten Zeitpunkten an die Ausgangsklemmen geschaltet werden. Die Eingangsgleichspannung kann beispielsweise mit der ersten Schalteinrichtung gepulst an die Ausgangsklemmen des Eingangsmoduls angelegt werden. Die Ausgangsklemmen des Eingangsmoduls sind mit einem Koppelmodul bzw. dessen Eingangsklemmen verbunden. Das Koppelmodul ist wiederum mit einem Ausgangsmodul elektrisch verbunden, das die Ausgangsgleichspannung bereitstellt. In einfachsten Fall kann mit dem Koppelmodul eine galvanische Verbindung, bei¬ spielsweise über Kabel, zwischen dem Eingangsmodul und dem Ausgangsmodul bereitgestellt werden. Das Koppelmodul kann auch passive elektrische Filter umfassen. Die Ausgangsgleichspannung kann dabei beispielsweise von einer zweiten Schalteinrichtung des Ausgangsmoduls aus der elektrischen Spannung, die von dem Spulenelement des Koppelmoduls abgegeben wird, erzeugt werden. Die Gleichspannungswandleranordnung kann so ausgebildet sein, dass mit ihr die Funktionalität des Hoch¬ setzstellers oder eines Tiefsetzstellers bereitgestellt wird.
Das Eingangsmodul, das Ausgangsmodul und das Koppelmodul sind jeweils als separates Modulelement ausgebildet. Die einzelnen Module können als einzelne, separat aufgebaute Elemente aus¬ gebildet sein. Die einzelnen Module können beispielsweise je¬ weils auf einem separaten Modulträger angeordnet sein. Beispielsweise können die Module jeweils auf einem separaten Kühlkörper angeordnet sein. Die elektrische Verbindung zwischen dem Eingangsmodul und dem Koppelmodul sowie dem Koppel¬ modul und dem Ausgangsmodul kann über elektrische Verbin¬ dungsleitungen, insbesondere Kabel, erfolgen. Dabei können das Eingangsmodul, das Ausgangsmodul und das Koppelmodul in einem gemeinsamen Gehäuse angeordnet sein. Somit wird ein Be¬ stückungskonzept für einen Gleichspannungswandler bereitgestellt. Zudem wird eine modulare Gleichspannungswandleranord¬ nung bereitgestellt, bei der die einzelnen Module einfach ausgetauscht werden können. Damit kann die Gleichspannungswandleranordnung besonders effektiv an den jeweiligen Anwendungsfall angepasst werden.
In einer Ausführungsform sind das Eingangsmodul, das Aus¬ gangsmodul und das Koppelmodul jeweils in einem separaten Ge- häuse angeordnet. Dabei kann das Eingangsmodul entsprechende Verbindungselemente aufweisen, mit denen es mit dem Koppelmo¬ dul verbunden werden kann. Auch das Ausgangsmodul kann entsprechende Verbindungselemente aufweisen, mit denen es mit dem Koppelmodul verbunden werden kann. Diese Verbindungsele¬ mente können beispielsweise in Form von Schraubkontakten oder Klemmkontakten bereitgestellt werden. Durch die Verbindungs¬ vorrichtungen können das Eingangsmodul mit dem Koppelmodul und das Koppelmodul mit dem Ausgangsmodul reversibel lösbar und zerstörungsfrei verbunden werden.
Bevorzugt umfasst das Koppelmodul zumindest eine Spule, die bei einer Verbindung des Eingangsmoduls mit dem Koppelmodul und dem Koppelmodul mit dem Ausgangsmodul eine galvanische Verbindung zwischen dem Eingangsmodul und dem Ausgangsmodul bereitstellt. Das Koppelmodul kann mindestens eine Spule auf¬ weisen, die mit einer Eingangsklemme und einer Ausgangsklemme des Koppelmoduls elektrisch verbunden ist. Das Koppelmodul kann auch zwei Spulen aufweisen, wobei eine erste Spule mit einer ersten Eingangsklemme und einer ersten Ausgangsklemme und die zweite Spule mit einer zweiten Eingangsklemme und ei¬ ner zweiten Ausgangsklemme elektrisch verbunden sind. Somit wird eine galvanische Verbindung zwischen dem Eingangsmodul und dem Ausgangsmodul der Gleichspannungswandleranordnung bereitgestellt. Damit kann eine Gleichspannungswandleranordnung für Anwendungsfälle bereitgestellt werden, bei denen eine galvanische Verbindung zwischen dem Eingangsmodul und dem Ausgangsmodul nicht erforderlich ist. Ein solcher Anwendungs¬ fall kann beispielsweise für Photovoltaikanlagen bestehen, bei denen Energie in einer Batterie zwischengespeichert wird.
In einer weiteren Ausgestaltung umfasst das Koppelmodul einen Transformator, der bei einer Verbindung des Eingangsmoduls mit dem Koppelmodul und einer Verbindung des Koppelmoduls mit dem Ausgangsmodul eine galvanisch getrennte Kopplung zwischen dem Eingangsmodul und dem Ausgangsmodul bereitstellt. Dabei kann eine erste Spule im Primärkreis des Transformators mit den Eingangsklemmen des Koppelmoduls verbunden sein und eine zweite Spule im Sekundärkreis des Transformators kann mit den Ausgangsklemmen des Koppelmoduls verbunden sein. Somit wird ein Gleichspannungswandler mit einer galvanischen Trennung zwischen dem Eingangsmodul und dem Ausgangsmodul bereitge- stellt. Bei der Verwendung eines Transformators bzw. eines Trenntrafos kann das Wicklungsverhältnis so gewählt werden, dass es dem Verhältnis zwischen minimaler Eingangsgleichspannung und maximaler Ausgangsgleichspannung entspricht. Ein solcher Gleichspannungswandler kann beispielsweise für
Schnellladestationen für Elektrofahrzeuge verwendet werden.
In einer weiteren Ausgestaltung umfasst das Koppelmodul zumindest ein elektrisches Filterelement, das in einem Primär- kreis und/oder einem Sekundärkreis des Transformators ange¬ ordnet ist. Das elektrische Filterelement kann beispielsweise als passives elektrisches Filterelement ausgebildet sein. Das Filterelement kann einen Kondensator und eine Spule umfassen. Damit kann auf einfache Weise beispielsweise ein Resonanz- wandler bereitgestellt werden.
Bevorzugt umfasst die erste Steuereinrichtung zumindest einen Halbleiterschalter. Die erste Schaltereinrichtung, mit der die Eingangsgleichspannung an die Ausgangsklemmen des Ein- gangsmoduls geschaltet wird, kann beispielsweise durch zumin¬ dest einen Transistor oder einen Thyristor gebildet sein. Bevorzugt ist die erste Schalteinrichtung durch zumindest einen IGBT oder MOSFET gebildet. Dabei kann die erste Schalteinrichtung auch als Halbbrücke oder Vollbrücke ausgebildet sein. Mit einer derartigen ersten Schalteinrichtung kann die Eingangsgleichspannung besonders effektiv an das Spulenelement des Koppelmoduls übertragen werden.
In einer Ausführungsform weist das Ausgangsmodul eine zweite Schalteinrichtung zum Schalten der an dem Koppelmodul anliegenden elektrischen Spannung auf. Bevorzugt umfasst die zwei¬ te Schalteinrichtung zumindest eine Diode und/oder zumindest einen Halbleiterschalter (IGBT, MOSFET) . Mit der zweiten Schalteinrichtung kann somit die von dem Spulenelement be- reitgestellte elektrische Spannung einfach an die Ausgangs¬ klemmen des Ausgangsmoduls übertragen werden. Bei der Verwendung zumindest einer Diode als zweite Schalteinrichtung kann die Gleichspannungswandleranordnung als unidirektionaler Gleichspannungswandler verwendet werden. Bei der Verwendung von zumindest einem Halbleiterschalter, der aktiv angesteuert werden kann, kann mit der zweiten Schalteinrichtung ein bidirektionaler Gleichspannungswandler bereitgestellt werden. Auch hier können die Dioden oder Halbleiterschalter als Halbbrücke oder Vollbrücke verschaltet sein.
In einer weiteren Ausgestaltung die umfasst die Gleichspannungswandleranordnung ein erstes Terminalmodul, das elek- trisch mit dem Eingangsmodul verbunden ist, und/oder ein zweites Terminalmodul, das elektrisch mit dem Ausgangsmodul verbunden ist, wobei das erste und/oder das zweite Terminal¬ modul ein elektrisches Filterelement umfasst. Das erste und das zweite Terminalmodul können dabei jeweils in einem sepa- raten Gehäuse angeordnet sein. Das elektrische Filterelement in dem ersten Terminalmodul dient der Filterung von Oberwel¬ len der elektrischen Spannung in dem Eingangsmodul. Das elektrische Filterelement in dem zweiten Terminalmodul dient der Filterung von Oberwellen der elektrischen Spannung in dem Ausgangsmodul. Insbesondere dienen die elektrischen Filter¬ elemente zur Stromrippleglättung .
Bevorzugt umfasst die Gleichspannungswandleranordnung eine Steuereinrichtung zum Steuern der ersten Schalteinrichtung und/oder der zweiten Schalteinrichtung. Mit der Steuereinrichtung können die erste und/oder die zweite Schalteinrichtung in Abhängigkeit von der Zeit angesteuert werden. Dabei können die erste und/oder die zweite Schalteinrichtung hartschaltend betrieben werden. Alternativ dazu können die erste und/oder die zweite Schalteinrichtung entsprechend zeitversetzt mit einer sogenannten interleaved-oder phasenverschobenen Schalteransteuerung betreiben werden. Damit kann die Gleichspannungswandleranordnung an den jeweiligen Anwendungsfall angepasst werden.
In einer weiteren Ausführungsform weist die Gleichspannungswandleranordnung eine Erfassungseinrichtung zum Erkennen eines Typs des Eingangsmoduls, des Koppelmoduls und/oder des Ausgangsmoduls auf. Mit der Erfassungseinrichtung können auch das erste und/oder das zweite Terminalmodul erkannt werden. Dabei kann die Gleichspannungswandleranordnung eine übergeordnete Erfassungseinrichtung aufweisen, mit der die einzel- nen Module erkannt werden können. Alternativ dazu kann in jedem der Module eine derartige Erfassungseinrichtung vorgese¬ hen sein. Mit der Erfassungseinrichtung kann beispielsweise erkannt werden, welche Schalteinrichtungen in dem Eingangsmodul und in dem Ausgangsmodul angeordnet sind. Zudem kann mit der Erfassungseinrichtung erfasst werden, ob das Koppelmodul zumindest eine Spule oder einen Transformator aufweist. Dabei kann die Erfassungseinrichtung auch dazu ausgebildet sein, eine fehlerhafte Verbindung zwischen den einzelnen Modulen der Gleichspannungswandleranordnung zu erfassen. In diesem Fall können die erste oder die zweite Schalteinrichtung mit¬ tels der Steuereinrichtung so angesteuert werden, dass keine Beschädigung der jeweiligen Module der Gleichspannungswandleranordnung erfolgen kann. Somit kann eine Beschädigung der jeweiligen Module verhindert werden und die Sicherheit beim Betrieb der Gleichspannungswandleranordnung erhöht werden .
Bevorzugt ist die erste Schalteinrichtung und/oder die zweite Schalteinrichtung mittels der Steuereinrichtung in Abhängig- keit von einem mit der Erfassungseinrichtung erkannten Typ des Eingangsmoduls, des Koppelmoduls und/oder des Ausgangsmo¬ duls steuerbar. Die Steuereinrichtung kann mit der Erfassungseinrichtung gekoppelt sein. In Abhängigkeit davon, welcher Typ bzw. welche Bauweise der einzelnen Module mit der Erfassungseinrichtung erkannt wird, können die Schalteinrichtungen angesteuert werden.
Das erfindungsgemäße Verfahren zum Herstellen einer Gleichspannungswandleranordnung zum Wandeln einer Eingangsgleich- Spannung in eine Ausgangsgleichspannung umfasst das Bereitstellen eines Koppelmoduls, das Bereitstellen eines Eingangs¬ moduls zum Übertragen der Eingangsgleichspannung zu dem Koppelmodul mittels einer ersten Schalteinrichtung, das Bereit- stellen eines Ausgangsmoduls zum Bereitstellen der Ausgangs¬ gleichspannung aus einer an dem Koppelmodul anliegenden elektrischen Spannung, das jeweilige Ausbilden des Eingangsmoduls, des Ausgangsmoduls und des Koppelmoduls als separates Modulelement, das elektrische Verbinden des Eingangsmoduls mit dem Koppelmodul und das elektrisches Verbinden des Kop¬ pelmoduls mit dem Ausgangsmodul.
Die zuvor im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Gleichspannungswandleranordnung beschriebenen Weiterbildungen können auf das erfindungsgemäße Verfahren übertragen werden.
Die vorliegende Erfindung wird nun anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Dabei zeigen:
FIG 1 eine Gleichspannungswandleranordnung in einer schematischen Darstellung;
FIG 2 die Gleichspannungswandleranordnung in einer ersten
Ausführungsform, wobei die Gleichspannungswandleranordnung als unidirektionaler Buck-Boost-Converter ohne galvanische Trennung ausgebildet ist;
FIG 3 die Gleichspannungswandleranordnung einer weiteren
Ausführungsform, wobei die Gleichspannungswandleranordnung als bidirektionaler Buck-Boost-Converter ohne galvanische Trennung ausgebildet ist;
FIG 4 die Gleichspannungswandleranordnung in einer weiteren Ausführungsform, wobei die Gleichspannungs¬ wandleranordnung als unidirektionaler Phase-Shift- Wandler mit galvanischer Trennung ausgebildet ist;
FIG 5 die Gleichspannungswandleranordnung in einer weiteren Ausführungsform, wobei die Gleichspannungswand¬ leranordnung als unidirektionaler Phase-Shift-
Wandler mit galvanischer Trennung ausgebildet ist; FIG 6 die Gleichspannungswandleranordnung in einer weiteren Ausführungsform, wobei die Gleichspannungs¬ wandleranordnung als bidirektionaler Phase-Shift- Wandler mit galvanischer Trennung ausgebildet ist;
FIG 7 die Gleichspannungswandleranordnung in einer weiteren Ausführungsform, wobei die Gleichspannungs¬ wandleranordnung als bidirektionaler Phase-Shift- Wandler mit galvanischer Trennung ausgebildet ist und ein Filterelement aufweist; und
FIG 8 ein Koppelmodul für die Gleichspannungswandleranordnung in einer weiteren Ausführungsform. Die nachfolgend näher geschilderten Ausführungsbeispiele stellen bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung dar.
FIG 1 zeigt eine Gleichspannungswandleranordnung 10 in einer schematischen Darstellung. Die Gleichspannungswandleran- Ordnung 10 umfasst ein Eingangsmodul 12, an dem eine Ein¬ gangsgleichspannung Ul angelegt werden kann. Die Eingangsgleichspannung Ul kann an den Eingangsklemmen 22, 24 des Eingangsmoduls 12 angelegt werden. Des Weiteren umfasst die Gleichspannungswandleranordnung 10 ein Ausgangsmodul 14, mit dem eine Ausgangsgleichspannung U2 an den Ausgangsklemmen 28 und 30 bereitgestellt werden kann. Zudem umfasst die Gleich¬ spannungswandleranordnung 10 ein Koppelmodul 16, das mit dem Eingangsmodul 12 und dem Ausgangsmodul 14 elektrisch verbun¬ den ist. Das Eingangsmodul 12 umfasst eine hier nicht darge- stellte erste Schalteinrichtung 26 zum Übertragen der Eingangsgleichspannung Ul an das Koppelmodul 16. In dem Ausgangsmodul 14 kann eine zweite Schalteinrichtung 32 angeord¬ net sein, mit der die an dem Koppelmodul 16 abfallende elekt¬ rische Spannung an die Ausgangsklemmen 28 und 30 übertragen wird. Des Weiteren umfasst die Gleichspannungswandleranordnung 10 ein erstes Terminalmodul 18 und ein zweites Termi¬ nalmodul 20. Das Terminalmodul 18 ist mit dem Eingangsmodul 12 elektrisch verbunden und das zweite Terminalmodul 20 ist elektrisch mit dem Ausgangsmodul verbunden.
Zudem umfasst die Gleichspannungswandleranordnung 10 eine Steuereinrichtung 46. Die Steuereinrichtung 46 ist mit dem Eingangsmodul 12, dem Ausgangsmodul 14, dem Koppelmodul 16 und den Terminalmodulen 18 und 20 verbunden. Dies ist vorliegend durch die gestrichelten Linien verdeutlicht. Damit kann die Steuereinrichtung 46 vom dem Eingangsmodul 12, dem Aus- gangsmodul 14, dem Koppelmodul 16 und den Terminalmodulen 18 und 20 eine jeweilige Kennung bzw. eine ID empfangen bzw. diese von den Modulen 12, 14, 16, 18, 20 abfragen. Zu diesem Zweck kann einen hier nicht dargestellt Erfassungseinrichtung verwendet werden. Aus der jeweiligen Kennung kann die Steuer- einrichtung 46 den Typ des Eingangsmoduls 12, des Ausgangsmo¬ duls 14, des Koppelmoduls 16 und der Terminalmodule 18 und 20 ermitteln. In Abhängigkeit von dem erfassten Typ der jeweiligen Module 12, 14, 16, 18 und 20 kann mit der Steuereinrichtung 46 ein jeweiliges Steuersignal an die erste Schaltein- richtung 26 des Eingangsmoduls 12 und/oder die zweite Schalt¬ einrichtung 32 des Ausgangsmoduls 14 übertragen werden.
Mit der Steuereinrichtung 46 bzw. der Erfassungseinrichtung kann auch eine elektrische Verbindung zwischen den einzelnen Modulen 12, 14, 16, 18, 20 ermittelt werden. Mit der Steuereinrichtung 46 kann ein Signal ausgegeben werden, in Abhängigkeit von dem die erste und die zweite Schalteinrichtung 26, 32 angesteuert werden kann. Dabei können die einzelnen Module 12, 14, 16, 18, 20 der Gleichspannungswandleranordnung 10 mit Sensorik und Kommunikationstechnik derart ausgestattet sein, dass eine unzulässige Kombination der Module 12, 14, 16, 18, 20 zu einer Blockierung der Steuersätze der aktiven Bauelemente Ql, Q2, Q3, Q4 der ersten Schalteinrichtung 26 und/oder der aktiven Bauelemente Qsl, Qs2, Qs3 und Qs4 der zweiten Schalteinrichtung 32 führt, so dass die Gleichspannungswandleranordnung 10 in einer solchen unzulässigen Kombination nicht betrieben werden kann. FIG 2 zeigt die Gleichspannungswandleranordnung 10 in einer ersten Ausführungsform. Das Eingangsmodul 12 umfasst eine Eingangskapazität Cl, die elektrisch mit den Eingangsklemmen 22 und 24 des Eingangsmoduls 12 verbunden ist. Des Weiteren umfasst das Eingangsmodul 12 eine erste Schalteinrichtung 26, die in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel durch die IGBTs Ql, Q2, Q3 und Q4 gebildet ist. IGBTs Ql, Q2, Q3 und Q4 sind vorliegend zu einer Vollbrücke verschaltet. Zudem umfasst das Ausgangsmodul 14 eine Ausgangskapazität C2, die mit den Aus- gangsklemmen 28 und 30 elektrisch verbunden ist. Des Weiteren umfasst das Ausgangsmodul 14 eine zweite Schalteinrichtung 32 die durch vier Dioden Dl, D2, D3 und D4 gebildet ist, die zu einer Vollbrücke verschaltet sind.
Das Koppelmodul 16 umfasst ein Spulenelement 34, das durch die zwei Spulen LI und L2 gebildet ist. Die erste Spule LI bzw. Drossel ist zwischen eine erste Eingangsklemme VI und eine erste Ausgangsklemme V3 des Koppelmoduls geschaltet. Die zweite Spule L2 bzw. Drossel ist zwischen eine zweite Ein¬ gangsklemme V2 und eine zweite Ausgangsklemme V4 des Koppel¬ moduls 14 geschaltet. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel um¬ fasst das erste Terminalmodul 18 einen elektrischen Leiter 36, der der elektrischen Verbindung der Schaltung in dem Eingangsmodul 12 dient. Das zweite Terminalmodul 20 umfasst ei¬ nen elektrischen Leiter 38, der der elektrischen Verbindung der Schaltung in dem Ausgangsmodul 14 dient.
Die Gleichspannungswandleranordnung 10 gemäß FIG 2 stellt einen unidirektionalen Buck-Boost-Converter ohne galvanische Trennung dar. Dabei sind das Eingangsmodul 12 und das Aus¬ gangsmodul 14 mittels der beiden Spulen LI und L2 des Koppel¬ moduls 16 galvanisch miteinander verbunden. Bei der Gleichspannungswandleranordnung 10 sind das Eingangsmodul 12, das Ausgangsmodul 14, das Koppelmodul 16, das erste Terminalmodul 18 und das zweite Terminalmodul 20 jeweils in einem separaten Gehäuse angeordnet. Die Gehäuse des Eingangsmoduls 12, des Ausgangsmoduls 14, des Koppelmoduls 16 und der Terminalmodule 18, 20 sind vorliegend alle mit 40 bezeichnet. Die elektri- sehen Kontakte zwischen den Modulen 12, 14, 16, 18, 20 können beispielsweise durch Schraubverbindungen oder Klemmverbindungen bereitgestellt werden. FIG 3 zeigt die Gleichspannungswandleranordnung 10 in einer weiteren Ausführungsform. Bei der Gleichspannungswandleranordnung 10 gemäß FIG 3 sind das Eingangsmodul 12, das Kop¬ pelmodul 14, die Terminalmodule 18 und 20 an der Gleichspan¬ nungswandleranordnung 10 gemäß FIG 2 aufgebaut. Das Ausgangs- modul 14 der Gleichspannungswandleranordnung 10 gemäß FIG 3 weist vier IGBTs Qsl, Qs2, Qs3 und Qs4 auf, die zu einer Vollbrücke verschaltet sind. Somit kann mit der Gleichspan¬ nungswandleranordnung 10 gemäß FIG 3 ein bidirektionaler Buck-Boost-Converter ohne galvanische Trennung bereitgestellt werden. Durch den modularen Aufbau der Gleichspannungswandleranordnung 10 kann ein einfacher Austausch des Ausgangsmoduls 14 ermöglicht werden. Somit kann durch einen Aus¬ tausch des Ausgangsmoduls 14 der unidirektionale Buck-Boost- Converter gemäß FIG 2 zu einem bidirektionalen Buck-Boost- Converter gemäß FIG 3 umgebaut werden.
FIG 4 zeigt eine Gleichspannungswandleranordnung 10 in einer weiteren Ausführungsform. Bei der Gleichspannungswandleranordnung 10 gemäß FIG 4 ist im Vergleich zu der Gleich- spannungswandleranordnung 10 gemäß FIG 2 das Koppelmodul 16 ausgetauscht. Das Koppelmodul 16 umfasst hierbei als Spulen¬ element 34 einen Transformator Tl. Dabei ist ein Primärkreis 42 des Transformators Tl mit den Eingangsklemmen VI und V2 des Koppelmoduls 16 verbunden. Eine Sekundärkreis 44 des Transformators Tl ist mit den Ausgangsklemmen V3 und V4 des Koppelmoduls 16 verbunden. Somit kann eine galvanisch ge¬ trennte Kopplung zwischen dem Eingangsmodul 12 und dem Aus¬ gangsmodul 14 bereitgestellt werden. Des Weiteren umfasst das zweiten Terminalmoduls 20 ein Filter, das eine Spule L3 und einen Kondensator C3 umfasst, die elektrisch mit dem Ausgangsmodul 14 verbunden sind. Mit der Gleichspannungs¬ wandleranordnung 10 gemäß FIG 4 ein unidirektionaler Phase- Shift-Wandler mit galvanischer Trennung bereitgestellt werden .
FIG 5 zeigt eine Gleichspannungswandleranordnung 10 in einer weiteren Ausführungsform. Dabei ist im Vergleich zu der
Gleichspannungswandleranordnung 10 gemäß FIG 4 das Ausgangsmodul 14 ausgetauscht. Die zweite Schalteinrichtung 32 des Ausgangsmoduls 14 ist vorliegend durch eine Vollbrücke aus vier IGBTs Qsl, Qs2, Qs3 und Qs4 gebildet, wie sie im Zusam- menhang mit FIG 3 beschrieben wurde. Durch eine entsprechende Ansteuerung der zweiten Schalteinrichtung 32 mittels der Steuereinrichtung 46 kann eine Verschiebung der Phase der elektrischen Spannung in dem Ausgangsmodul 14 bewirkt werden. Durch die Verwendung des Ausgangsmoduls 14 gemäß FIG 5 kann eine weitere Variante eines unidirektionalen Phase-Shift- Wandlers mit galvanischer Trennung bereitgestellt werden.
FIG 6 zeigt eine weitere Ausführungsform der Gleichspannungs¬ wandleranordnung 10. Dabei ist im Vergleich zu der Gleich- spannungswandleranordnung 10 gemäß FIG 5 das erste Terminal¬ modul 18 ersetzt. Das erste Terminalmodul 18 ist analog zu dem zweiten Terminalmodul 20 aufgebaut und weist ein elektri¬ sches Filter auf, das eine Spule L4 und einen Kondensator C4 umfasst, die elektrisch mit dem Eingangsmodul 12 verbunden sind. Mit der Gleichspannungswandleranordnung 10 gemäß FIG 6 kann ein bidirektionaler Phase-Shift-Wandler bereitgestellt werden .
FIG 7 zeigt eine weitere Ausführungsform der Gleichspannungs- wandleranordnung 10. Dabei ist im Vergleich zu der Gleichspannungswandleranordnung 10 gemäß FIG 6 das Koppelmodul 16 ersetzt. Hierbei umfasst die Primärseite 42 des Transforma¬ tors Tl zusätzlich ein elektrisches Filterelement, das einen Kondensator C5 und die Spule L5 umfasst. Damit kann ein
Rensonanzwandler bereitgestellt werden.
FIG 8 zeigt eine weitere Ausführungsform eines Koppelmoduls 16. Im Vergleich zu dem in FIG 7 gezeigten Koppelmodul 16 ist hierbei zusätzlich in dem Sekundärkreis 44 des Transformators Tl ein elektrisches Filterelement angeordnet, dass einen Kon¬ densator C6 und eine Spule L6 umfasst. Das Koppelmodul 16 ge¬ mäß FIG 8 dient als Resonanzwandler für einen bidirektionalen Gleichspannungswandler.
Der modulare Aufbau der Gleichspannungswandleranordnung 10 erlaubt es beispielsweise, den beschriebenen bidirektionalen Buck-Boost-Converter gemäß FIG 2 als Basisprodukt aufzubauen und bei Bedarf durch eine galvanische Trennung - durch den
Austausch des Koppelmoduls 16 - zu erweitern. Bei einem bidi¬ rektionalen Buck-Boost-Converter ohne galvanische Trennung werden deutlich höhere Stückzahlen erreicht als bei Gleichspannungswandlern mit galvanischer Trennung. Somit kann das bestehende Produkt, mit einem Transformator Tl, Induktivitä¬ ten L3 und L4, Kondensatoren C3 und C4 erweitert werden. Damit sind die Kosten geringer als bei der Entwicklung eines Gleichspannungswandlers mit galvanischer Trennung. Dies eig¬ net sich beispielsweise für die Einführungsphasen neuer Tech- nologien, wie beispielsweise das DC-Laden von Elektrofahrzeu¬ gen. Absehbar war, dass Geräte in galvanischer Trennung zunächst nur in geringen Stückzahlen benötigt werden. Hierbei wäre es kostenintensiv einen separaten Gleichspannungswandler mit galvanischer Trennung zu entwickeln.
Die Gleichspannungswandleranordnungen 10, die im Zusammenhang mit den FIG 1 bis 8 beschrieben sind, können beispielsweise für Leistungsklassen zwischen 10 kW und wenigen 100 kW eingesetzt werden. Beispielsweise kann ein 50 kW Gleichspannungs- wandler mit einer Eingangsspannung Ul von 600 V und einer Ausgangsspannung U2, die in einem Bereich zwischen 200 und 500 V liegt, bereitgestellt werden. Dabei können die Konden¬ satoren Cl und C2 eine Kapazität von 40 \iF und die Kondensa¬ toren C3 und C4 eine Kapazität von 1 mF aufweisen. Die Spulen LI und L2 können eine Induktivität von 1,2 mH und die Spulen L3 und L4 eine Induktivität von 40 μΗ aufweisen. Der Trans¬ formator Tl kann beispielsweise ein Übersetzungsverhältnis von 5:6 aufweisen. Zudem können entsprechende Hilfsinduktivi- täten mit einer Induktivität von 1 μΗ verwendet werden. Die IGBTs der ersten und der zweiten Schalteinrichtung 26, 32 können beispielsweise mit einer Frequenz von 20kHz geschalten werden. Anstelle der IGBTs können auch MOSFETs verwendet wer- den .

Claims

Patentansprüche
1. Gleichspannungswandleranordnung (10) zum Wandeln einer Eingangsgleichspannung (Ul) in eine Ausgangsgleichspannung (U2) mit
- einem Koppelmodul (16),
- einem Eingangsmodul (12) zum Übertragen der Eingangsgleichspannung (Ul) zu dem Koppelmodul (16) mittels einer ersten Schalteinrichtung (26), und
- einem Ausgangsmodul (14) zum Bereitstellen der Ausgangsgleichspannung (U2) aus einer an dem Koppelmodul (16) anliegenden elektrischen Spannung,
dadurch gekennzeichnet, dass
- das Eingangsmodul (12), das Ausgangsmodul (14) und das Kop- pelmodul (16) jeweils als separates Modulelement ausgebil¬ det sind,
- das Eingangsmodul (12) mit dem Koppelmodul (16) elektrisch verbunden ist und
- das Koppelmodul (16) mit dem Ausgangsmodul (14) elektrisch verbunden ist.
2. Gleichspannungswandleranordnung (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Eingangsmodul (12), das Aus¬ gangsmodul (14) und das Koppelmodul (16) jeweils in einem se- paraten Gehäuse (40) angeordnet sind.
3. Gleichspannungswandleranordnung (10) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Koppelmodul (16) zumin¬ dest eine Spule (LI, L2) umfasst, die bei einer Verbindung des Eingangsmoduls (12) mit dem Koppelmodul (16) und dem Kop¬ pelmodul (16) mit dem Ausgangsmodul (14) eine galvanische Verbindung zwischen dem Eingangsmodul (12) und dem Ausgangsmodul (14) bereitstellt.
4. Gleichspannungswandleranordnung (10) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Koppelmodul (16) einen Transformator (Tl) umfasst, der bei einer Verbindung des Eingangsmoduls (12) mit dem Koppelmodul (16) und dem Koppelmodul (16) mit dem Ausgangsmodul (14) eine galvanisch getrennte Kopplung zwischen dem Eingangsmodul (12) und dem Ausgangsmo¬ dul (14) bereitstellt.
5. Gleichspannungswandleranordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Koppelmodul (16) zumindest ein elektrisches Filterelement umfasst, das in einem Primärkreis (42) und/oder einem Sekundärkreis (44) des Transformators (Tl) angeordnet ist.
6. Gleichspannungswandleranordnung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Schalteinrichtung (26) zumindest einen Halbleiterschalter (Ql, Q2, Q3, Q4) umfasst.
7. Gleichspannungswandleranordnung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Aus¬ gangsmodul (14) eine zweite Schalteinrichtung (32) zum Übertragen der an dem Koppelmodul (16) anliegenden elektrischen Spannung aufweist.
8. Gleichspannungswandleranordnung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die
Gleichspannungswandleranordnung (10) ein erstes Terminalmodul (18), das elektrisch mit dem Eingangsmodul (12) verbunden ist, und/oder ein zweites Terminalmodul (20), das elektrisch mit dem Ausgangsmodul (14) verbunden ist, umfasst, wobei das erste und/oder das zweite Terminalmodul ein elektrisches Fil¬ terelement umfasst.
9. Gleichspannungswandleranordnung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die
Gleichspannungswandleranordnung (10) eine Steuereinrichtung (46) zum Steuern der ersten Schalteinrichtung (26) und/oder der zweiten Schalteinrichtung (32) umfasst.
10. Gleichspannungswandleranordnung (10) nach Anspruch 8, durch gekennzeichnet, dass die Gleichspannungswandleranord nung (10) eine Erfassungseinrichtung zum Erkennen eines Typs des Eingangsmoduls (12), des Koppelmoduls (16), Anspruch 8 des Ausgangsmoduls (14), des ersten Terminalmoduls (18) und/oder des zweiten Terminalmoduls (20) aufweist.
11. Gleichspannungswandleranordnung (10) nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Schalteinrichtung (26) und/oder die zweite Schalteinrichtung (32) mittels der Steuereinrichtung (46) in Abhängigkeit von dem mit der Erfas- sungseinrichtung erkannten Typ des Eingangsmoduls (12), des Koppelmoduls (16) und/oder des Ausgangsmoduls (14) steuerbar ist .
12. Gleichspannungswandleranordnung (10) nach Anspruch 9 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Schalteinrichtung
(26) und/oder die zweite Schalteinrichtung (32) mittels der Steuereinrichtung (46) hartschaltend, interleaved oder pha¬ senverschoben ansteuerbar ist.
13. Verfahren zum Herstellen einer Gleichspannungswandleranordnung (10) zum Wandeln einer Eingangsgleichspannung (Ul) in eine Ausgangsgleichspannung (U2) durch
- Bereitstellen eines Koppelmoduls (16),
- Bereitstellen eines Eingangsmoduls (12) zum Übertragen der Eingangsgleichspannung (Ul) zu dem Koppelmodul (16) mittels einer ersten Schalteinrichtung (26), und
- Bereitstellen eines Ausgangsmoduls (14) zum Bereitstellen der Ausgangsgleichspannung (U2) aus einer an dem Koppelmodul (16) anliegenden elektrischen Spannung,
gekennzeichnet durch
- jeweiliges Ausbilden des Eingangsmoduls (12), des Ausgangs¬ moduls (14) und des Koppelmoduls (16) als separates Modul¬ element,
- elektrisches Verbinden des Eingangsmoduls (12) mit dem Kop- pelmodul (16) und
- elektrisches Verbinden des Koppelmoduls (16) mit dem Aus¬ gangsmodul (14) .
PCT/EP2014/053830 2013-04-19 2014-02-27 Gleichspannungswandleranordnung mit modularen komponenten zur einfachen konfigurierbarkeit WO2014170059A1 (de)

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