DE102009046553A1

DE102009046553A1 - Circuit arrangement for converting voltage levels in main power supply of motor vehicle, has load resistor controlled such that load resistor alternatively taps one voltage level to capacitor or another capacitor of potentiometer

Info

Publication number: DE102009046553A1
Application number: DE102009046553A
Authority: DE
Inventors: Hubert Schweiggart; Georg Heuer
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2009-11-10
Filing date: 2009-11-10
Publication date: 2011-05-12

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur Umwandlung einer Spannung von einem ersten auf ein zweites Spannungsniveau, wobei ein Spannungswandler (6) die Spannung zwischen den beiden Spannungsniveaus (SN1, SN2) anpasst und der Spannungswandler (6) ein Koppelelement zwischen dem ersten (SN1) und dem zweiten Spannungsniveau (SN2) darstellt und die Energie von dem einen Spannungsniveau (SN1, SN2) auf das andere Spannungsniveau (SN1, SN2) überträgt.
Um herkömmliche Gleichspannungswandler zu ersetzen, ist die Last (5) von einer Schalteinrichtung (9, 10) derart steuerbar, dass die Last (5) das zweite Spannungsniveau (SN2) wechselweise über dem ersten (7) oder dem zweiten Element (8) des Spannungsteilers (7, 8) abgreift.The invention relates to a circuit arrangement for converting a voltage from a first to a second voltage level, wherein a voltage converter (6) adjusts the voltage between the two voltage levels (SN1, SN2) and the voltage converter (6) a coupling element between the first (SN1) and represents the second voltage level (SN2) and transfers the energy from one voltage level (SN1, SN2) to the other voltage level (SN1, SN2).
In order to replace conventional DC-DC converters, the load (5) is controllable by a switching device (9, 10) such that the load (5) switches the second voltage level (SN2) alternately over the first (7) or the second element (8) of the Voltage divider (7, 8) picks off.

Description

Stand der TechnikState of the art

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur Umwandlung einer Spannung von einem ersten auf ein zweites Spannungsniveau, wobei ein Spannungswandler ein Koppelelement zwischen dem ersten und dem zweiten Spannungsniveau darstellt und die Energie von dem einen Spannungsniveau auf das andere Spannungsniveau überträgt sowie ein Bordnetz für Kraftfahrzeuge.The invention relates to a circuit arrangement for converting a voltage from a first to a second voltage level, wherein a voltage converter is a coupling element between the first and the second voltage level and transfers the energy from one voltage level to the other voltage level and an electrical system for motor vehicles.

Bordnetze moderner Kraftfahrzeuge werden zunehmend aus Teilbordnetzen konfiguriert, wobei jedes Teilbordnetz ein anderes Spannungsniveau aufweisen kann. Teilbordnetze sind notwendig, um Hochleistungsverbraucher mit einer höheren Spannung wie z. B. 24 V oder 42 V versorgen zu können. Das klassische Kraftfahrzeug-Bordnetz von 14 V wird derzeit dabei weiter aufrechterhalten, um die klassischen Kfz-Komponenten weiter einsetzen zu können.On-board electrical systems of modern motor vehicles are increasingly being configured from sub-board networks, wherein each sub-board network can have a different voltage level. Sub-electrical systems are necessary to high-performance consumers with a higher voltage such. B. 24 V or 42 V supply. The classic vehicle electrical system of 14 V is currently being maintained in order to continue to use the classic automotive components can.

In der Praxis ergeben sich Schwierigkeiten, die Energie zwischen den Teilbordnetzen mit unterschiedlichen Spannungsniveaus zu transferieren. Zu diesem Zweck werden leistungsstarke, teure und voluminöse DC/DC-Wandler eingesetzt.In practice there are difficulties to transfer the energy between the sub-networks with different voltage levels. Powerful, expensive and bulky DC / DC converters are used for this purpose.

Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention

Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung zur Umwandlung einer Spannung von einem ersten auf ein zweites Spannungsniveau mit den Merkmalen des Anspruchs 1 weist den Vorteil auf, dass die Last die Spannung, welche für den Betrieb der Last erforderlich ist, immer über dem Element eines Spannungsteilers abgreift, über welchem annähernd die gewünschte Spannung abfällt. Dadurch, dass die Last von einer Schalteinrichtung derart steuerbar ist, dass die Last das zweite Spannungsniveau wechselweise über dem ersten oder dem zweiten Element des Spannungsteilers abgreift, wird bei einer Änderung des Spannungsabfalls über den Elementen des Spannungsteilers durch Umschaltung der Last auf ein anderes Element des Spannungsteilers immer sichergestellt, dass das zur Versorgung der Last mindestens notwendige Spannungsniveau an dieser anliegt.The circuit arrangement according to the invention for converting a voltage from a first to a second voltage level with the features of claim 1 has the advantage that the load always taps the voltage which is required for the operation of the load over the element of a voltage divider, above which almost the desired voltage drops. Due to the fact that the load can be controlled by a switching device such that the load picks up the second voltage level alternately over the first or the second element of the voltage divider, when the voltage drop across the elements of the voltage divider changes, the load is transferred to another element of the voltage divider Voltage divider always ensured that the at least necessary to supply the load voltage level is applied to this.

Vorteilhafterweise ist der Spannungsteiler als kapazitiver Spannungsteiler mit zwei Kondensatoren ausgebildet, wobei jeder Kondensator ein Element des Spannungsteilers bildet und die Last von der Schalteinrichtung derart steuerbar ist, dass die Last das zweite Spannungsniveau potentialfrei wechselweise über dem ersten oder dem zweiten Kondensator abgreift. Wird das zweite Spannungsniveau an den kapazitiven Spannungsteiler angelegt, entlädt sich der Kondensator, an den gerade die Last geschaltet ist, während sich der andere Kondensator entsprechend auflädt. Die Summe der beiden Spannungen der Kondensatoren entspricht immer der Spannung des ersten Spannungsniveaus. Durch das Anlegen der Last verschieben sich also die Spannungsverhältnisse in den beiden Kondensatoren, so dass die erste notwendige Spannung für die Last über dem Kondensator nicht mehr aufrechterhalten werden kann. Deswegen wird jetzt die Last an den anderen Kondensator gelegt. Anschließend verschieben sich die Spannungen wiederum, weshalb die Last wieder auf den ersten Kondensator geschaltet wird. Somit wird gewährleistet, dass zu jedem Zeitpunkt an der Last die erforderliche Spannung anliegt. Teure und große Induktivitäten, wie in herkömmlichen DC/DC-Wandlern können entfallen.Advantageously, the voltage divider is designed as a capacitive voltage divider with two capacitors, wherein each capacitor forms an element of the voltage divider and the load of the switching device is controllable such that the load picks up the second voltage level floating alternately across the first or the second capacitor. When the second voltage level is applied to the capacitive voltage divider, the capacitor to which the load is currently connected discharges, while the other capacitor discharges accordingly. The sum of the two voltages of the capacitors always corresponds to the voltage of the first voltage level. By applying the load so shift the voltage conditions in the two capacitors, so that the first necessary voltage for the load across the capacitor can no longer be maintained. That's why the load is now connected to the other capacitor. Subsequently, the voltages shift again, which is why the load is switched back to the first capacitor. This ensures that the required voltage is applied to the load at all times. Expensive and large inductances, as in conventional DC / DC converters can be omitted.

In einer Ausgestaltung ist eine Spannungsquelle, die das zweite Spannungsniveau bereitstellt, mit dem Spannungsteiler verbunden. Die Spannungsquelle liefert ein konstantes zweites Spannungsniveau, so dass eine Beeinflussung des ersten Spannungsniveaus durch Spannungsschwankungen der Spannungsquelle unterbleibt.In one embodiment, a voltage source providing the second voltage level is connected to the voltage divider. The voltage source provides a constant second voltage level, so that an influence of the first voltage level by voltage fluctuations of the voltage source is omitted.

In einer Weiterbildung umfassen die Kondensatoren jeweils Kondensatormodule, die aus in Reihe und parallel geschalteten und gegen Überspannung geschützten Doppelschichtkondensatorzellen (DLC = double layer capacitors) bestehen.In a further development, the capacitors each comprise capacitor modules which consist of double-layer capacitors (DLCs) connected in series and in parallel and protected against overvoltage.

Diese Kondensatormodule sind schnelle elektrophysikalische Leistungsspeicher mit einem kleinen Innenwiderstand, die in kurzer Zeit hohe Ladungen aufnehmen bzw. abgeben können. Während herkömmliche Gleichspannungswandler mit einer Schaltfrequenz von 100 kHz betrieben werden, kommt bei der erfindungsgemäßen Lösung eine Schaltfrequenz von 0,5 bis 2 Hz zur Anwendung. Durch die niedrige Schaltfrequenz reduzieren sich die Schaltverluste und es tritt eine Verbesserung des EMV-Verhaltens ein.These capacitor modules are fast electrophysical power memories with a small internal resistance that can pick up or release high charges in a short time. While conventional DC-DC converters are operated with a switching frequency of 100 kHz, a switching frequency of 0.5 to 2 Hz is used in the inventive solution. The low switching frequency reduces the switching losses and improves the EMC behavior.

In einer Weiterbildung sind mehrere Kondensatormodule kaskadierbar. Dadurch können mögliche Spannungen am Ausgang der Kondensatormodule variiert werden. Durch ein geeignetes Schaltermanagement der Last in der kaskadierten Kondensatorkette, die an eine Spannungsquelle mit einer großen Spannung geschaltet ist, wird einfach durch wechselnde Anschaltung der einzelnen Kondensatormodule ein Abwärtswandler realisiert.In a further development, a plurality of capacitor modules can be cascaded. As a result, possible voltages at the output of the capacitor modules can be varied. By a suitable switch management of the load in the cascaded capacitor chain, which is connected to a voltage source with a high voltage, a down converter is simply realized by changing the connection of the individual capacitor modules.

Vorteilhafterweise ist die Last zwischen dem Verbindungspunkt der Kondensatoren und einem diesem Verbindungspunkt abgewandten Ende einer der Kondensatoren potentialfrei angeschlossen, über welchem das zweite Spannungsniveau zur Versorgung der Last abgegriffen wird. Durch den potentialfreien Anschluss der Last wird sichergestellt, dass wirklich nur das zweite Spannungsniveau an der Last anliegt und diese mit Spannung versorgt.Advantageously, the load between the connection point of the capacitors and an end remote from this connection point of one of the capacitors is connected potential-free, via which the second voltage level is tapped to supply the load. The potential-free connection of the load ensures that really only the second voltage level is applied to the load and this supplied with voltage.

In einer Ausgestaltung weist der erste Kondensator eine höhere Spannung auf als der zweite Kondensator, wobei die Last über dem ersten Kondensator mit der höheren Spannung zum Abgriff des zweiten Spannungsniveaus angeschlossen ist. Die Spannungen, welche über den Kondensatoren abfallen, lassen sich einfach durch Verwendungen unterschiedlicher Lasten erzielen.In one embodiment, the first capacitor has a higher voltage than the second capacitor, wherein the load is connected across the first capacitor with the higher voltage for tapping the second voltage level. The voltages that drop across the capacitors can be easily achieved by using different loads.

In einer Weiterbildung ist die Schalteinrichtung von einer Steuereinheit ansteuerbar. Dadurch wird auf konstruktiv einfache Weise die Last von einem Kondensator auf den anderen umgeschaltet.In a development, the switching device can be controlled by a control unit. As a result, the load is switched from one capacitor to the other in a structurally simple manner.

Vorteilhafterweise misst die Steuereinheit die Spannung über dem ersten Kondensator und steuert bei einem Abfall der Spannung des ersten Kondensators auf eine Minimalspannung die Schalteinrichtung an, welche die Last über den zweiten Kondensator schaltet. Somit erfolgen die Schaltvorgänge in Abhängigkeit der Spannungen, welche über den beiden Kondensatoren abfallen.Advantageously, the control unit measures the voltage across the first capacitor and, in the event of a drop in the voltage of the first capacitor to a minimum voltage, actuates the switching device which switches the load via the second capacitor. Thus, the switching operations in response to the voltages which drop across the two capacitors.

In einer Ausgestaltung steuert die Steuereinheit die Schalteinrichtung in Abhängigkeit der maximalen Spannungswelligkeit und/oder der Speicherkapazität der Kondensatoren und/oder der Größe der Last an, wobei die Umschaltung der Last durch die Schalteinrichtung von dem ersten auf den zweiten Kondensator und zurück erfolgt. Die Auswahl der verschiedenen Stellparameter erfolgt immer in Abhängigkeit der jeweils verwendeten Applikation.In one embodiment, the control unit controls the switching device as a function of the maximum voltage ripple and / or the storage capacity of the capacitors and / or the size of the load, wherein the switching of the load by the switching device from the first to the second capacitor and back. The selection of the various control parameters always takes place depending on the particular application used.

Vorteilhafterweise steuert die Steuereinrichtung die Schalteinrichtung in Abhängigkeit der Zyklenzahl der Kondensatoren. Die Berücksichtung der Schalthäufigkeit der Kondensatoren hat zur Folge, dass bei hoher Last und einer hohen Zyklenzahl des Kondensators eher umgeschaltet wird, als bei einer hohen Last und einer geringen Zyklenzahl des Kondensators.Advantageously, the control device controls the switching device as a function of the number of cycles of the capacitors. The consideration of the switching frequency of the capacitors has the consequence that at high load and a high number of cycles of the capacitor is switched rather than at a high load and a low number of cycles of the capacitor.

Eine weitere Weiterbildung der Erfindung betrifft ein Bordnetz eines Kraftfahrzeuges mit mindestens zwei Teilbordnetzen, wobei jedes Teilbordnetz ein anderes Spannungsniveau aufweist und ein mindestens zwei Kondensatoren aufweisender Spannungswandler die Spannung zwischen den beiden Spannungsniveaus anpasst, wobei ein erstes Spannungsniveau über einem der Kondensatoren von einer Last abgegriffen wird. Um herkömmliche Gleichspannungswandler zu ersetzen, ist die Last von einer Schalteinrichtung derart steuerbar, dass die Last das erste Spannungsniveau wechselweise über dem ersten oder dem zweiten Kondensator des Spannungswandlers abgreift. Somit ist ein hoher Leistungstransfer zwischen den Teilbordnetzen möglich. Ein zusätzlicher Einbauort, wie er bei voluminösen Gleichspannungswandlern nach dem Stand der Technik notwendig ist, ist nicht vorzusehen. Auch der Verkabelungsaufwand im Kraftfahrzeug vermindert sich in Folge der erfindungsgemäßen Lösung.A further development of the invention relates to an electrical system of a motor vehicle having at least two sub-networks, wherein each sub-board network has a different voltage level and a voltage converter having at least two capacitors adapts the voltage between the two voltage levels, wherein a first voltage level across one of the capacitors is tapped by a load , In order to replace conventional DC-DC converters, the load is controllable by a switching device such that the load picks up the first voltage level alternately across the first or the second capacitor of the voltage converter. Thus, a high power transfer between the sub-board networks is possible. An additional installation location, as it is necessary in voluminous DC-DC converters according to the prior art, is not provided. The cabling effort in the motor vehicle is reduced as a result of the solution according to the invention.

Vorteilhafterweise ist eine Spannungsquelle, die das zweite Spannungsniveau bereitstellt, mit dem Spannungswandler verbunden. Die Spannungsquelle liefert ein konstantes zweites Spannungsniveau, so dass eine Beeinflussung des ersten Spannungsniveaus durch Spannungsschwankungen der Spannungsquelle unterbleibt.Advantageously, a voltage source providing the second voltage level is connected to the voltage converter. The voltage source provides a constant second voltage level, so that an influence of the first voltage level by voltage fluctuations of the voltage source is omitted.

In einer Ausgestaltung umfassen die Kondensatoren jeweils Kondensatormodule, die aus in Reihe und parallel geschalteten und gegen Überspannung geschützten Doppelschichtkondensatorzellen (DLC-Module) bestehen. Diese Doppelschichtkondensatorzellen bieten eine preisgünstige Möglichkeit Spannungen zu wandeln. Solche Kondensatormodule weisen im Gegensatz zu den herkömmlichen DC/DC-Wandlern eine niedrige Schaltfrequenz auf. Durch die niedrige Schaltfrequenz reduzieren sich die Schaltverluste und es tritt eine Verbesserung des EMV-Verhaltens ein.In one embodiment, the capacitors each comprise capacitor modules which consist of series-connected and parallel-connected and overvoltage-protected double-layer capacitor cells (DLC modules). These double layer capacitor cells provide a low cost way to convert voltages. Such capacitor modules have a low switching frequency unlike the conventional DC / DC converters. The low switching frequency reduces the switching losses and improves the EMC behavior.

In einer Weiterbildung sind n Kondensatoren in Reihe geschaltet, wobei n größer 2 ist und das durch Schaltungsnetzwerke das erste Spannungsniveau durch n dividiert an dem Ausgang eines Abwärtswandlers als zweites Spannungsniveau vorliegt. Durch die ständig wechselnde Umschaltung der Last von einem Kondensator zu dem anderen Kondensator ist immer eine ausreichende Versorgung. der Last mit dem für die Last erforderlichen ersten Spannungsniveau gegeben.In one embodiment, n capacitors are connected in series, where n is greater than 2, and that through circuit networks the first voltage level divided by n is present at the output of a buck converter as a second voltage level. Due to the constantly changing switching of the load from one capacitor to the other capacitor is always a sufficient supply. given the load with the required for the load first voltage level.

Die Erfindung lässt zahlreiche Ausführungsformen zu. Eine davon soll anhand der in der Zeichnung dargestellten Figuren näher erläutert werden.The invention allows numerous embodiments. One of them will be explained in more detail with reference to the figures shown in the drawing.

Es zeigt:It shows:

1: einen Spannungswandler nach dem Stand der Technik 1 A voltage converter according to the prior art

2: ein Ausführungsbeispiel für den erfindungsgemäßen Spannungswandler 2 : An embodiment of the voltage converter according to the invention

3: Prinzipdarstellung eines Abwärtswandlers 3 : Schematic representation of a buck converter

4: Bordnetz mit einem ersten erfindungsgemäßen Abwärtswandler 4 : On-board network with a first down converter according to the invention

5: Bordnetz mit einem zweiten erfindungsgemäßen Abwärtswandler Gleiche Merkmale sind mit gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet. 5 : Vehicle electrical system with a second down converter according to the invention. Identical features are identified by the same reference symbols.

In 1 ist ein Spannungswandler nach dem Stand der Technik dargestellt. Ein Generator 1 ist parallel zu einer Batterie 2 geschaltet und versorgt die Batterie mit einer Spannung von 24 V. Die Batterie 2 hält diese Spannung von 24 V aufrecht und bildet somit ein erstes Spannungsniveau SN1. Der Generator 1 und die Batterie 2 sind einerseits mit Masse verbunden und führen andererseits an einen DC/DC-Wandler 3. Der DC/DC-Wandler 3 wandelt die Spannung von 24 V auf ein zweites Spannungsniveau SN2 von 12 V und führt diese an einen Glättungskondensator 4 und einen Hochleistungsverbraucher, welcher durch einen Lastwiderstand 5 dargestellt ist. Auch der Lastwiderstand 5 und der Glättungskondensator 4 sind mit Masse verbunden. In 1 a voltage transformer according to the prior art is shown. A generator 1 is parallel to a battery 2 switches and supplies the battery with a voltage of 24 V. The battery 2 maintains this voltage of 24 V and thus forms a first voltage level SN1. The generator 1 and the battery 2 On the one hand are connected to ground and on the other hand lead to a DC / DC converter 3 , The DC / DC converter 3 converts the voltage of 24 V to a second voltage level SN2 of 12 V and leads it to a smoothing capacitor 4 and a high power consumer powered by a load resistor 5 is shown. Also the load resistance 5 and the smoothing capacitor 4 are connected to ground.

Der erfindungsgemäße Unterschied zu dem Spannungswandler nach 1 ist in 2 dargestellt. Der Generator 1 und die Batterie 2 führen hierbei an einen Kondensatorwandler 6, der an Masse liegt. Der den Hochleistungsverbraucher repräsentierende Lastwiderstand 5 ist mit beiden Anschlüssen an den Kondensatorwandler 6 angeschlossen. Dabei beträgt das erste, von der Batterie 2 bereitgestellte Spannungsniveau SN1 24 V, während das zweite Spannungsniveau SN2, welches von dem Kondensatorwandler 6 aus dem ersten Spannungsniveau SN1 erzeugt wird, 12 V beträgt. Diese 12 V werden vom Lastwiderstand 5 an dem Kondensatorwandler 6 abgegriffen. Es handelt sich hierbei um einen Abwärtswandler für den Lastwiderstand 5, der nicht an ein Potential gebunden ist. Der Kondensatorwandler 6 umfasst dabei die Eigenschaften des DC/DC-Wandler 3 sowie des Glättungskondensators 4 aus dem Stand der Technik.The inventive difference to the voltage converter after 1 is in 2 shown. The generator 1 and the battery 2 lead here to a capacitor converter 6 lying to earth. The load resistance representing the high-performance consumer 5 is with both connections to the capacitor converter 6 connected. It is the first of the battery 2 provided voltage level SN1 24 V, while the second voltage level SN2, that of the capacitor converter 6 is generated from the first voltage level SN1, 12 V. These 12 V are from the load resistor 5 at the capacitor converter 6 tapped. It is a buck converter for the load resistor 5 who is not tied to a potential. The capacitor converter 6 includes the properties of the DC / DC converter 3 and the smoothing capacitor 4 from the prior art.

Das Funktionsprinzip des Abwärtswandlers nach 2 soll mit Hilfe von 3 erläutert werden. Hierbei wird nur auf den Kondensatorwandler 6 abgestellt, der aus zwei Kondensatoren 7 und 8 besteht. Bei den vorgesehenen Kondensatoren 7 und 8 handelt es sich um Kondensatoren mit einem hohen Kapazitätswert und einem niedrigen Innenwiderstand. Besonders geeignet sind so genannte Doppelschichtkondensatoren mit einem Kapazitätswert von mindestens 10 F und höher. Besonders vorteilhaft umfassen solche Kondensatoren 7 und 8 so genannte Kondensatormodule, die aus in Reihe und parallel geschalteten und gegen Überspannung geschützten Doppelschichtkondensatorenzellen bestehen. Je größer die Kapazitätswerte der Kondensatoren 7 und 8 sind, desto geringer kann die Schaltfrequenz bei der Steuerung des vorgegebenen Lastwiderstandes 5 durch eine Schalteinrichtung sein. Die Steuerung durch die Schalteinrichtung wird später im Zusammenhang mit 4 und 5 erläutert.The operating principle of the buck converter after 2 should with the help of 3 be explained. This is only on the capacitor converter 6 turned off, consisting of two capacitors 7 and 8th consists. For the intended capacitors 7 and 8th these are capacitors with a high capacitance value and a low internal resistance. Particularly suitable are so-called double-layer capacitors with a capacitance value of at least 10 F and higher. Particularly advantageous include such capacitors 7 and 8th so-called capacitor modules, which consist of series and parallel connected and protected against overvoltage double-layer capacitor cells. The greater the capacitance values of the capacitors 7 and 8th are, the lower the switching frequency in the control of the predetermined load resistance 5 be by a switching device. The control by the switching device will be related later 4 and 5 explained.

Die Kondensatoren 7 und 8 sind gemäß 3 in Reihe geschaltet. Sie werden über das erste Gleichspannungsniveau SN1 mit der Eingangsspannung Ue von 24 V versorgt. Nach Aufladung der beiden in Reihe geschalteten Kondensatoren 7 und 8 teilt sich die Eingangsspannung Ue zur Hälfte zu U7 = U8 = 12 V auf. Wird an den Kondensator 8 der Lastwiderstand 5 angeschlossen, wie es in der Abbildung a der 3 dargestellt ist, so fließt die Ladung ab und die Spannung U8 am Kondensator 8 vermindert sich beispielsweise auf 10 V. Die Spannung U7 am Kondenstor 7 erhöht sich entsprechend auf 14 V, da dieser Kondensator 7 durch die aus dem Kondensator 8 abfließende Ladung aufgeladen wird. Der an dem Kondensator 7 potentialfrei angeschlossene Lastwiderstand 5 arbeitet auf dem zweiten Spannungsniveau SN2 mit einer Ausgangsspannung Ua, die von 12 V auf 10 V abgesunken ist.The capacitors 7 and 8th are according to 3 connected in series. They are supplied with the input voltage Ue of 24 V via the first DC voltage level SN1. After charging the two series-connected capacitors 7 and 8th the input voltage Ue divides itself in half to U7 = U8 = 12V. Is connected to the capacitor 8th the load resistance 5 connected, as shown in the picture a the 3 is shown, the charge flows off and the voltage U8 on the capacitor 8th decreases, for example, to 10 V. The voltage U7 on Kondenstor 7 increases accordingly to 14 V, as this capacitor 7 through the out of the condenser 8th Charging charge is charged. The on the capacitor 7 potential-free connected load resistor 5 operates on the second voltage level SN2 with an output voltage Ua, which has dropped from 12 V to 10 V.

Bei dieser Minimalspannung von 10 V wird der Lastwiderstand 5 durch Umschalten an den Kondensator 7 gelegt, der zu diesem Zeitpunkt eine Spannung U7 von 14 V aufweist und den Lastwiderstand 5 mit der Spannung Ua von 14 V bedient, was in der Abbildung b der 3 dargestellt ist. Die Summe der Spannungen U7 und U8 bleibt konstant 24 V und entspricht somit der Eingangsspannung Ue des Kondensatorwandlers 6, während sich die Spannung an dem Lastwiderstand 5 erhöht hat. Beim Anschluss des Lastwiderstandes 5 an den Kondensator 7 fließt die Ladung wieder zu dem Kondensator 8 ab, an welchem sich die Spannung allmählich wieder auf 14 V erhöht. Am Kondensator 7 verringert sich die Spannung allmählich, weswegen der Lastwiderstand 5 wieder auf den Kondensator 8 geschaltet wird. Durch ein Hin- und Herschalten des Lastwiderstandes 5 jeweils bei der Erreichung der Minimalspannung von 10 V wird eine sukzessive Versorgung des Lastwiderstandes 5 innerhalb des spezifizierten Spannungsbereiches zwischen 10 und 14 V von gemittelt Ue/2 = 12 V möglich.At this minimum voltage of 10 V, the load resistance 5 by switching to the capacitor 7 placed, which at this time has a voltage U7 of 14 V and the load resistance 5 operated with the voltage Ua of 14 V, which in the figure b the 3 is shown. The sum of the voltages U7 and U8 remains constant 24 V and thus corresponds to the input voltage Ue of the capacitor converter 6 while the voltage on the load resistor 5 has increased. When connecting the load resistor 5 to the capacitor 7 the charge flows back to the capacitor 8th at which the voltage gradually increases again to 14V. At the condenser 7 the voltage gradually decreases, which is why the load resistance 5 back to the capacitor 8th is switched. By switching the load resistor back and forth 5 each time the minimum voltage of 10 V is reached, a successive supply of the load resistance is achieved 5 Within the specified voltage range between 10 and 14 V averaged Ue / 2 = 12 V possible.

In 4 ist ein Bordnetz mit einer möglichen ersten Ausführung des erfindungsgemäßen Abwärtswandlers dargestellt. Die Batterie 2 liefert an den Kondensatorwandler 6 die Eingangsspannung Ue = 24 V, wobei die Batterie 2 mit ihren beiden Anschlüssen an den Kondensatorwandler 6 führt. Der Kondensatorwandler 6 umfasst zwei Kondensatoren 7 und 8, wobei zwei Mittelabgriffe zwischen den Kondensatoren 7 und 8 vorgesehen sind, wovon jeweils einer für je einen Wechselschalter 9 bzw. 10 bereitgestellt ist. Ein Außenabgriff des Kondensators 7 ist mit der Batterie 2 verbunden und führt ebenfalls an den Wechselschalter 9, welcher fest mit einem Ende des Lastwiderstandes 5 verdrahtet ist. Das andere Ende des Lastwiderstandes 5 ist fest mit dem Drehpunkt des Wechselschalters 10 verbunden, wobei der Wechselschalter 10 zwischen dem ersten Mittelabgriff und dem Außenabgriff des Kondensators 8 verschaltet ist, an welchem ebenfalls der zweite Anschluss der Batterie 2 angeschlossen ist. Die Wechselschalter 9 und 10 werden mittels eines Steuergerätes 11 gemäß der im Zusammenhang mit 3 erläuterten Methode wechselweise geschaltet, weshalb der Lastwiderstand 5 einmal über dem Kondensator 7 und ein anderes Mal über dem Kondensator 8 liegt. Somit wird hier die Last symmetrisch zur Masse geschaltet, indem einmal der Wechselschalter 9 an Masse geschaltet wird und das andere Mal der Wechselschalter 10.In 4 is a vehicle electrical system with a possible first embodiment of the buck converter according to the invention shown. The battery 2 supplies to the capacitor converter 6 the input voltage Ue = 24 V, the battery 2 with its two connections to the capacitor converter 6 leads. The capacitor converter 6 includes two capacitors 7 and 8th , where two center taps between the capacitors 7 and 8th are provided, one for each one changeover switch 9 respectively. 10 is provided. An external tap of the capacitor 7 is with the battery 2 connected and also leads to the changeover switch 9 which is fixed to one end of the load resistor 5 wired. The other end of the load resistor 5 is fixed to the pivot point of the toggle switch 10 connected, the changeover switch 10 between the first center tap and the outer tap of the capacitor 8th is connected, at which also the second connection of the battery 2 connected. The changeover switch 9 and 10 be by means of a control unit 11 in accordance with 3 explained method switched alternately, which is why the load resistance 5 once over the capacitor 7 and another time over the capacitor 8th lies. Thus, here the load is switched symmetrically to ground by once the changeover switch 9 is switched to ground and the other time the changeover switch 10 ,

Neben dem in 3 beschriebenen Stellparameter der Minimalspannung Ua sind aber auch noch andere Schaltparameter möglich, mittels welchen das Steuergerät 11 den Lastwiderstand 5 hin- und herschaltet. Solche Schaltparameter bestehen in einer Umschaltfrequenz, welche immer dann realisiert ist, wenn die maximale Welligkeit der Ausgangsspannung Ua erreicht ist. Weitere Stellparameter können der Strom sein, welcher durch den Lastwiderstand 5 fließt oder die Kapazitäten, welche an den Kondensatoren 7 bzw. 8 anliegen.In addition to the in 3 described adjusting parameters of the minimum voltage Ua but also other switching parameters are possible by means of which the control unit 11 the load resistance 5 toggles. Such switching parameters consist in a switching frequency, which is always realized when the maximum ripple of the output voltage Ua is reached. Other control parameters may be the current, which is due to the load resistance 5 flows or the capacitances attached to the capacitors 7 respectively. 8th issue.

Eine unsymmetrische Lastaufschaltung zeigt der Abwärtswandler, der in 5 dargestellt ist. Dieser Abwärtswandler unterscheidet sich von dem Abwärtswandler gemäß 4 lediglich dahingehend, dass die Batterie 2 und der Kondensator 8 sowie der Außenabgriff des Wechselschalters 10 auf Masse liegen. Die Steuerung der Wechselschalter 9 und 10 erfolgt wie in den vorhergehenden Ausführungen beschrieben.An unbalanced load connection is shown by the buck converter, which in 5 is shown. This buck converter is different from the buck converter according to FIG 4 just to the effect that the battery 2 and the capacitor 8th and the external tap of the changeover switch 10 lying on earth. The control of the changeover switch 9 and 10 takes place as described in the previous embodiments.

Das beschriebene Prinzip ist auch in nicht Kraftfahrzeug-Anwendungen einsetzbar. So ist die Verwendung von kleineren Kondensatoren möglich, beispielsweise in der Mikroelektronik, wo der Spannungswandler auf einem Chip realisierbar ist, wobei aber die Schaltfrequenzen erhöht werden müssen. Auch ist das Prinzip auf andere Leistungsspeicher übertragbar, wie beispielsweise hochleistungsfähige Batterien.The described principle can also be used in non-automotive applications. Thus, the use of smaller capacitors is possible, for example in microelectronics, where the voltage converter can be realized on a chip, but the switching frequencies must be increased. Also, the principle is transferable to other power storage, such as high performance batteries.

Claims

Circuit arrangement for converting a voltage from a first to a second voltage level, wherein a voltage converter ( 6 ) adjusts the voltage between the two voltage levels (SN1, SN2) and the voltage converter ( 6 ) represents a coupling element between the first (SN1) and the second voltage level (SN2) and transfers the energy from one voltage level (SN1, SN2) to the other voltage level (SN1, SN2), characterized in that a load ( 5 ) of a switching device ( 9 . 10 ) is controllable such that the load ( 5 ) the second voltage level (SN2) alternately over the first ( 7 ) or the second element ( 8th ) of a voltage divider ( 7 . 8th ) picks up.

Circuit arrangement according to Claim 1, characterized in that the voltage divider ( 7 . 8th ) as a capacitive voltage divider with two capacitors ( 7 . 8th ), each capacitor ( 7 . 8th ) forms an element of the voltage divider and the load ( 5 ) of the switching device ( 9 . 10 ) is controllable such that the load ( 5 ) the second voltage level (SN2) floating alternately across the first ( 7 ) or the second capacitor ( 8th ) picks up.

Circuit arrangement according to Claim 1 or 2, characterized in that a voltage source ( 2 ), which provides the first voltage level (SN1), with the voltage divider ( 7 . 8th ) connected is.

Circuit arrangement according to claim 2, characterized in that the capacitors ( 7 . 8th ) each comprise capacitor modules which consist of series-connected and parallel-connected and protected against overvoltage double-layer capacitor cells.

Circuit arrangement according to claim 4, characterized in that a plurality of capacitor modules are cascaded.

Circuit arrangement according to one of Claims 2, 4 or 5, characterized in that the load ( 5 ) between the connection point of the capacitors ( 7 . 8th ) and an end of one of the capacitors facing away from this connection point ( 7 . 8th ) is connected across the second voltage level to supply the load ( 5 ) can be tapped.

Circuit arrangement according to one of the preceding claims, characterized in that the switching device ( 9 . 10 ) from a control unit ( 11 ) is controllable.

Circuit arrangement according to claim 7, characterized in that the control unit ( 11 ) the voltage (U7) across the first capacitor ( 7 ) and when the voltage (U7) of the first capacitor drops ( 7 ) to a minimum voltage the switching device ( 9 . 10 ) which controls the load ( 5 ) via the second capacitor ( 8th ) switches.

Circuit arrangement according to claim 7, characterized in that the control unit ( 11 ) the switching device ( 9 . 10 ) as a function of the maximum voltage ripple and / or the storage capacity of the capacitors and / or the size of the load ( 5 ), wherein the switching of the load ( 5 ) by the switching device ( 9 . 10 ) of the first ( 7 ) on the second capacitor ( 8th ) and back.

Circuit arrangement according to claim 7, characterized in that the control unit ( 11 ) the switching device ( 9 . 10 ) as a function of the number of cycles of the capacitor ( 7 . 8th ) controls.

On-board network of a motor vehicle with at least two sub-board networks, each sub-board network having a different voltage level and at least two capacitors ( 7 . 8th ) having voltage converter ( 6 ) adjusts the voltage between the two voltage levels (SN1, SN2), wherein a second voltage level (SN2) across one of the capacitors (SN2) 7 . 8th ) of a load ( 5 ), characterized in that the load ( 5 ) of a switching device ( 9 . 10 ) is controllable such that the load ( 5 ) the second voltage level (SN2) alternately across the first or the second capacitor ( 7 . 8th ) of the voltage converter ( 6 ) picks up.

Vehicle electrical system according to claim 11, characterized in that a voltage source ( 1 ), which provides the second voltage level, with the voltage converter ( 6 ) connected is.

Vehicle electrical system according to claim 11 or 12, characterized in that the capacitors ( 7 . 8th ) each comprise capacitor modules which consist of series-connected and parallel-connected and protected against overvoltage double-layer capacitor cells.

Vehicle electrical system according to one of the preceding claims, characterized in that n capacitors ( 8th . 9 ) are connected in series, where n is greater than 2 and which divides by circuit networks the first voltage level (SN1) by n at the output of a buck converter ( 6 ) is present as a second voltage level (SN2).