DE102020007840A1 - Boost converter for charging an electrical energy store of an electrically powered vehicle, as well as vehicle and method - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft einen Aufwärtswandler (4) zum Laden eines elektrischen Energiespeichers (2), mit- einer Eingangsseite (5) zum Koppeln mit einer Gleichspannungsladequelle (3),- einer Ausgangsseite (6) zum Koppeln mit dem elektrischen Energiespeicher (3), und- einen ersten Strang (7) und einen zweiten Strang (8), welche zwischen der Eingangsseite (5) und der Ausgangseite (6) verschaltet sind, wobei- der erste Strang (7) eine erste Induktivität (9) zum Bereitstellen einer ersten Strangspannung (U1) aufweist,- der zweite Strang (8) eine Reihenschaltung aus einer zweiten Induktivität (10) und einer ersten Drossel (L1) zum Bereitstellen einer zweiten Strangspannung (U2) aufweist,- die erste Induktivität (9) mit der zweiten Induktivität (10) magnetisch gekoppelt ist, wobei- in Abhängigkeit von der ersten und zweiten Induktivität (9, 10) als Ladestrom des elektrischen Energiespeichers (2) die Summe aus einem Ladestrom des ersten Strangs (7) und einem Ladestrom des zweiten Strangs (8) bereitzustellen. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Fahrzeug (1) und ein Verfahren.The invention relates to a step-up converter (4) for charging an electrical energy store (2), with - an input side (5) for coupling to a DC voltage charging source (3), - an output side (6) for coupling to the electrical energy store (3), and - A first strand (7) and a second strand (8) which are connected between the input side (5) and the output side (6), the first strand (7) having a first inductance (9) for providing a first strand voltage (U1), - the second strand (8) has a series connection of a second inductance (10) and a first choke (L1) for providing a second strand voltage (U2), - the first inductance (9) with the second inductance ( 10) is magnetically coupled, depending on the first and second inductance (9, 10) as the charging current of the electrical energy store (2) being the sum of a charging current of the first strand (7) and a charging current of the second strand (8) to mount. The invention also relates to a vehicle (1) and a method.
Description
Die Erfindung betrifft einen Aufwärtswandler zum Laden eines elektrischen Energiespeichers eines elektrisch angetriebenen Fahrzeugs mit einer Eingangsseite des Aufwärtswandlers zum Koppeln mit einer vorgegebenen externen Gleichspannungsladequelle, welche eine Eingangsspannung bereitstellt. Eine Ausgangsseite des Aufwärtswandlers ist zum Koppeln mit einem elektrischen Energiespeicher vorgesehen, wobei die Ausgangsseite eine zur Eingangsspannung höhere Ausgangsspannung bereitstellt, und einem ersten Strang und einem zweiten Strang des Aufwärtswandlers, welche zwischen der Eingangsseite und der Ausgangsseite verschaltet sind.The invention relates to a step-up converter for charging an electrical energy store of an electrically driven vehicle with an input side of the step-up converter for coupling to a predetermined external DC voltage charging source which provides an input voltage. An output side of the boost converter is provided for coupling to an electrical energy store, the output side providing an output voltage higher than the input voltage, and a first strand and a second strand of the boost converter, which are connected between the input side and the output side.
Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Fahrzeug mit einem entsprechenden Aufwärtswandler. Ebenso betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Laden eines elektrischen Energiespeichers eines elektrisch angetriebenen Fahrzeugs mit einem Aufwärtswandler, wobei mit einer externen Gleichspannungsladequelle eine Eingangsspannung für einen Aufwärtswandler bereitgestellt wird, und mit dem Aufwärtswandler eine zur Eingangsspannung höhere Ausgangsspannung dem elektrischen Energiespeicher bereitgestellt wird.The invention also relates to a vehicle with a corresponding step-up converter. The invention also relates to a method for charging an electrical energy store of an electrically powered vehicle with a step-up converter, an input voltage for a step-up converter being provided with an external DC voltage charging source and an output voltage higher than the input voltage being provided to the electrical energy store with the step-up converter.
Zum Laden von elektrisch angetriebenen Fahrzeugen, wie Elektrofahrzeuge, Hybridfahrzeuge oder Plug-in-Fahrzeuge, können Schnellladestationen beziehungsweise Schnellladesäulen eingesetzt werden. Mithilfe der Schnellladesäulen kann ein Gleichspannungsladevorgang mit einer höheren Ladeleistung durchgeführt werden. Beispielsweise weisen die heutigen Schnellladesäulen nur eine maximale Spannung von 750 Volt auf. Demgegenüber weisen insbesondere die Elektrofahrzeuge eine Spannungslage von maximal 870 Volt auf. Somit muss die Spannung der Ladesäule noch zusätzlich hochtransformiert werden, um das Elektrofahrzeug mit einer hohen Ladeleistung laden zu können.Fast charging stations or fast charging columns can be used to charge electrically powered vehicles, such as electric vehicles, hybrid vehicles or plug-in vehicles. With the help of the fast charging stations, a direct voltage charging process with a higher charging capacity can be carried out. For example, today's fast charging stations only have a maximum voltage of 750 volts. In contrast, electric vehicles in particular have a voltage level of a maximum of 870 volts. This means that the voltage of the charging station also has to be stepped up in order to be able to charge the electric vehicle with a high charging power.
Mithilfe von konventionellen galvanisch gekoppelten Spannungswandlern erfolgt die Hochtransformation der Ladespannung über eine Veränderung eines der beiden Potentiale (HV+ oder HV-). Diese Wandler benötigen für die geforderten Ladeströme des Schnellladevorgangs eine entsprechende Dimensionierung aller leistungselektronischen Bauteile. Dadurch sind diese galvanisch gekoppelten Spannungswandler sehr groß, sehr schwer und ebenso teuer. Dasselbe Problem weisen Spannungswandler mit kapazitiven Energiespeichern, wie beispielsweise eine Ladepumpe, auf.With the help of conventional galvanically coupled voltage converters, the charging voltage is stepped up by changing one of the two potentials (HV + or HV-). These converters require all power electronic components to be dimensioned accordingly for the charging currents required for the fast charging process. As a result, these galvanically coupled voltage converters are very large, very heavy and just as expensive. Voltage converters with capacitive energy stores, such as a charge pump, have the same problem.
Insbesondere weisen galvanisch isolierte Spannungswandler die negative Eigenschaft auf, dass sie eine sehr geringe Leistungsdichte aufweisen, sodass diese für einen Schnellladevorgang ungeeignet sind. Ebenso weisen diese einen extrem schlechten Wirkungsgrad bei einem Ladevorgang mit kleiner Leistung auf. Ebenso kann mit den galvanisch isolierten Spannungswandlern nicht jeder Typ von Ladesäulen verwendet werden. Da die galvanisch isolierten Spannungswandler springende HV-Potentiale beim Ladevorgang aufweisen, können dadurch Beschädigungen in Ladesäulen auftreten.In particular, galvanically isolated voltage converters have the negative property that they have a very low power density, so that they are unsuitable for rapid charging. Likewise, these show an extremely poor degree of efficiency when charging with low power. Likewise, not every type of charging station can be used with the galvanically isolated voltage converters. Since the galvanically isolated voltage converters have jumping HV potentials during the charging process, this can damage the charging stations.
Beispielsweise offenbart die
In der
Somit besteht die Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, einen kompakten Spannungswandler für einen Schnellladevorgang eines Elektrofahrzeugs bereitzustellen.The object of the present invention is therefore to provide a compact voltage converter for a rapid charging process of an electric vehicle.
Diese Aufgabe wird durch einen Aufwärtswandler, ein Fahrzeug sowie ein Verfahren gelöst gemäß den unabhängigen Ansprüchen. Sinnvolle Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.This object is achieved by an up converter, a vehicle and a method according to the independent claims. Meaningful further developments result from the subclaims.
Ein Aspekt der Erfindung betrifft einen Aufwärtswandler zum Laden eines elektrischen Energiespeichers eines elektrisch angetriebenen Fahrzeugs, mit
- - einer Eingangsseite des Aufwärtswandlers zum Koppeln mit einer vorgegebenen externen Gleichspannungsladequelle, welche eine Eingangsspannung bereitstellt,
- - einer Ausgangsseite des Aufwärtswandlers zum Koppeln mit dem elektrischen Energiespeicher, wobei die Ausgangsseite eine zur Eingangsspannung höhere Ausgangsspannung bereitstellt, und
- - einen ersten Strang und einen zweiten Strang, welche zwischen der Eingangsseite und der Ausgangseite verschaltet sind, dadurch gekennzeichnet, dass
- - der erste Strang und der zweite Strang zueinander parallel verschaltet sind,
- - der erste Strang eine erste Induktivität zum Bereitstellen einer ersten Strangspannung aufweist,
- - der zweite Strang eine Reihenschaltung aus einer zweiten Induktivität und einer ersten Drossel zum Bereitstellen einer zweiten Strangspannung aufweist,
- - die erste Induktivität des ersten Strangs mit der zweiten Induktivität des zweiten Strangs magnetisch gekoppelt ist, wobei
- - der Aufwärtswandler dazu ausgebildet ist, in Abhängigkeit von der magnetischen Kopplung der ersten und zweiten Induktivität als Ladestrom des elektrischen Energiespeichers die Summe aus einem Ladestrom des ersten Strangs und einem Ladestrom des zweiten Strangs bereitzustellen.
- - An input side of the boost converter for coupling to a predetermined external DC voltage charging source, which provides an input voltage,
- - An output side of the boost converter for coupling to the electrical energy store, the output side providing an output voltage that is higher than the input voltage, and
- - A first strand and a second strand, which are connected between the input side and the output side, characterized in that
- - the first line and the second line are connected in parallel to each other,
- - the first strand has a first inductance for providing a first strand voltage,
- - the second strand has a series connection of a second inductor and a first choke for providing a second strand voltage,
- - The first inductance of the first strand is magnetically coupled to the second inductance of the second strand, wherein
- the step-up converter is designed to provide the sum of a charging current of the first strand and a charging current of the second strand as the charging current of the electrical energy store as a function of the magnetic coupling of the first and second inductance.
Insbesondere kann mit dem vorgeschlagenen Aufwärtswandler eine Spannungserhöhung für einen Schnellladevorgang des elektrisch angetriebenen Fahrzeugs effizienter gestaltet werden. Insbesondere ermöglicht der vorgeschlagene Aufwärtswandler eine Spannungserhöhung auch bei hohen Leistungsanforderungen. Dabei kann insbesondere der vorgeschlagene Aufwärtswandler kompakt und bauraumeinsparend ausgestaltet werden. Somit kann mithilfe des vorgeschlagenen Aufwärtswandlers ein kompakter, günstiger und platzsparender Wandler zum Wandeln von beispielsweise 750 Volt auf 870 Volt realisiert werden.In particular, with the proposed step-up converter, a voltage increase for a fast charging process of the electrically driven vehicle can be made more efficient. In particular, the proposed step-up converter enables a voltage increase even with high power requirements. In particular, the proposed step-up converter can be designed to be compact and space-saving. A compact, inexpensive and space-saving converter for converting, for example, 750 volts to 870 volts can thus be implemented with the aid of the proposed step-up converter.
Insbesondere weist der vorgeschlagene Aufwärtswandler gegenüber herkömmlichen galvanisch gekoppelten Spannungswandlern den Vorteil auf, dass der vorgeschlagene Aufwärtswandler nicht auf den zu übertragenden Ladestrom ausgelegt werden muss. Bei dem galvanisch gekoppelten Spannungswandler aus dem Stand der Technik müssen daher alle leistungselektronischen Bauteile wie Halbleiter, induktive Bauteile und kapazitive Bauteile entsprechend ausgelegt beziehungsweise dimensioniert werden. Demgegenüber liefert der vorgeschlagene Aufwärtswandler erhebliche Vorteile. Zum einen weist der vorgeschlagene Aufwärtswandler einen geringeren Halbleiteraufwand auf und die erste Drossel kann für eine geringere Stromauslenkung ausgelegt werden. Ebenso können die Dioden des Spannungswandlers auf eine geringere Stromstrecke ausgelegt werden.In particular, the proposed step-up converter has the advantage over conventional galvanically coupled voltage converters that the proposed step-up converter does not have to be designed for the charging current to be transmitted. In the galvanically coupled voltage converter from the prior art, all power electronic components such as semiconductors, inductive components and capacitive components must therefore be designed or dimensioned accordingly. In contrast, the proposed boost converter provides considerable advantages. On the one hand, the proposed step-up converter has lower semiconductor costs and the first choke can be designed for a lower current deflection. The diodes of the voltage converter can also be designed for a smaller current path.
Insbesondere ist der vorgeschlagene Aufwärtswandler im Vergleich zu den Spannungswandlern im Stand der Technik kleiner, leichter und kostengünstiger. Daher kann dadurch eine Gewichtsreduzierung und Bauraumeinsparung in dem elektrisch angetriebenen Fahrzeug erreicht werden.In particular, the proposed step-up converter is smaller, lighter and more cost-effective compared to the voltage converters in the prior art. Therefore, a weight reduction and space saving can be achieved in the electrically driven vehicle.
Insbesondere handelt es sich bei dem Aufwärtswandler um einen Boost-Wandler mit einer magnetischen Kopplung.In particular, the boost converter is a boost converter with a magnetic coupling.
Bei dem elektrisch angetriebenen Fahrzeug kann es sich insbesondere um ein Elektrofahrzeug oder ein Hybridfahrzeug oder ein Plug-in-Fahrzeug handeln. Bei dem elektrischen Energiespeicher des elektrisch angetriebenen Fahrzeugs handelt es sich insbesondere um eine Fahrzeugbatterie oder eine Batterieanordnung oder eine Traktionsbatterie. Insbesondere weist der elektrische Energiespeicher eine Spannungslage von maximal 750 Volt auf. Demgegenüber weist die vorgegebene externe Gleichspannungsladequelle eine maximale Spannung von 750 Volt auf. Bei der externen Gleichspannungsladequelle kann es sich beispielsweise um eine Gleichspannungs-Ladesäule oder um eine Ladeinfrastruktur oder um eine Ladestation handeln. Da es insbesondere zwischen der Gleichspannungsladequelle und dem elektrischen Energiespeicher eine Spannungsdifferenz gibt, wird der vorgeschlagene Aufwärtswandler vorteilhaft eingesetzt. Mithilfe des vorgeschlagenen Aufwärtswandlers können beispielsweise die 750 Volt der Ladesäule auf eine Spannung von 870 Volt für den elektrischen Energiespeicher hochgewandelt werden. Somit kann insbesondere ein Schnellladevorgang mit hoher Ladeleistung durchgeführt werden.The electrically driven vehicle can in particular be an electric vehicle or a hybrid vehicle or a plug-in vehicle. The electrical energy store of the electrically driven vehicle is in particular a vehicle battery or a battery arrangement or a traction battery. In particular, the electrical energy store has a voltage level of a maximum of 750 volts. In contrast, the specified external DC voltage charging source has a maximum voltage of 750 volts. The external DC voltage charging source can be, for example, a DC voltage charging station or a charging infrastructure or a charging station. Since there is a voltage difference in particular between the DC voltage charging source and the electrical energy store, the proposed step-up converter is advantageously used. With the help of the proposed step-up converter, for example, the 750 volts of the charging station can be converted up to a voltage of 870 volts for the electrical energy storage device. Thus, in particular, a fast charging process with high charging power can be carried out.
Insbesondere kann mit dem elektrischen Energiespeicher ein elektrischer Antriebsmotor oder ein Antriebsaggregat oder eine Antriebseinheit zur Fortbewegung des Fahrzeuges mit Energie versorgt werden.In particular, the electrical energy store can be used to supply an electrical drive motor or a drive unit or a drive unit for moving the vehicle with energy.
Insbesondere ist der Aufwärtswandler fest im beziehungsweise am elektrisch angetriebenen Fahrzeug angeordnet. Insbesondere ist der Aufwärtswandler Teil eines Bordladers oder eines Bordnetzes des elektrisch angetriebenen Fahrzeugs. Mithilfe der magnetisch gekoppelten Induktivität kann der elektrische Energiespeicher (Fahrzeugbatterie) mit einer entsprechenden Spannung geladen werden, obwohl die Gleichspannungsladequelle eine geringe Spannung bereitstellt.In particular, the step-up converter is fixedly arranged in or on the electrically driven vehicle. In particular, the step-up converter is part of an on-board charger or an on-board network of the electrically powered vehicle. With the help of the magnetically coupled inductance, the electrical energy storage device (vehicle battery) can be charged with a corresponding voltage, although the DC voltage charging source provides a low voltage.
In einem vorteilhaften Ausführungsbeispiel der Erfindung ist vorgesehen, dass der zweite Strang zwischen der ersten Drossel und einer zur ersten Drossel in Reihe verschalteten Diode einen Mittelabgriff aufweist, wobei ein erstes Schaltelement mit dem Mittelabgriff verschaltet ist, wodurch der zweite Strang mittels des ersten Schaltelements mit einem Potential des elektrischen Energiespeichers gekoppelt ist. Mithilfe des Mittelabgriffs und dem ersten Schaltelement kann ein Drosselstrom in der ersten Drossel aufgebaut werden, wodurch der elektrische Energiespeicher mit einer höheren Spannung geladen werden kann. Insbesondere wird mithilfe des ersten Strangs der elektrische Energiespeicher direkt über die erste Induktivität geladen. Über den Mittelabgriff und das erste Schaltelement des zweiten Strangs kann die erste Drossel mit einem Drosselstrom eingeprägt werden, welcher in einer nachfolgenden Freilaufphase zum Laden des elektrischen Energiespeichers verwendet werden kann.In an advantageous embodiment of the invention it is provided that the second strand between the first choke and a diode connected in series to the first choke has a center tap, a first switching element being connected to the center tap, whereby the second strand by means of the first switching element with a Potential of the electrical energy store is coupled. With the help of the center tap and the first switching element, a choke current can be built up in the first choke, as a result of which the electrical energy store can be charged with a higher voltage. In particular, the electrical energy store is charged directly via the first inductance with the aid of the first strand. Via the center tap and the first switching element of the second strand, the first throttle can be connected to a Choke current are impressed, which can be used in a subsequent freewheeling phase to charge the electrical energy store.
Beispielsweise handelt es sich bei der ersten Drossel um eine Induktivität beziehungsweise um ein induktives Bauelement. Bei dem ersten Schaltelement kann es sich beispielsweise um einen elektronischen Schalter, wie beispielsweise eine Diode oder einen Thyristor oder einen Feldeffekttransistor oder einen Bipolartransistor oder einen MOSFET oder ein IGBT handeln.For example, the first choke is an inductance or an inductive component. The first switching element can be, for example, an electronic switch such as a diode or a thyristor or a field effect transistor or a bipolar transistor or a MOSFET or an IGBT.
Insbesondere ist der zweite Strang mittels des ersten Schaltelements mit einem negativen Potential des elektrischen Energiespeichers verbunden. Insbesondere ist mithilfe des Mittelabgriffs ein Zweig zwischen dem zweiten Strang und den negativen Potentialen der Gleichspannungsladequelle und des elektrischen Energiespeichers hergestellt.In particular, the second strand is connected to a negative potential of the electrical energy store by means of the first switching element. In particular, with the help of the center tap, a branch is established between the second strand and the negative potentials of the DC voltage charging source and the electrical energy store.
In einem Ausführungsbeispiel der Erfindung kann vorgesehen sein, dass der erste Strang eine Reihenschaltung aus der ersten Induktivität und einer ersten Diode, insbesondere einer Freilaufdiode, aufweist und der zweite Strang eine Reihenschaltung aus der zweiten Induktivität, der ersten Drossel und einer zweiten Diode, insbesondere einer Freilaufdiode, aufweist. Insbesondere dienen die Dioden als Schutzdioden zum Schutz vor schädlichen Überspannungen. Bei der Ausbildung der ersten und zweiten Diode als Freilaufdiode kann ein verbesserter Schutz vor einer Überspannung bei einem Abschalten einer induktiven Gleichspannungslast erreicht werden. Insbesondere verhindern die als Freilaufdiode ausgebildete erste und zweite Diode eine Spannungsspitze, die sich insbesondere zur Betriebsspannung addiert und den ersten und/oder zweiten Strang beschädigen oder zerstören kann. Insbesondere weisen die beiden Dioden jeweils eine Sperrrichtung auf, mit welcher nur ein Stromfluss in dem elektrischen Energiespeicher ermöglicht ist.In one embodiment of the invention it can be provided that the first strand has a series connection of the first inductance and a first diode, in particular a freewheeling diode, and the second strand has a series connection of the second inductance, the first choke and a second diode, in particular one Freewheeling diode. In particular, the diodes serve as protective diodes to protect against harmful overvoltages. When the first and second diodes are designed as freewheeling diodes, improved protection against overvoltage can be achieved when an inductive DC voltage load is switched off. In particular, the first and second diodes, which are designed as freewheeling diodes, prevent a voltage spike, which in particular adds up to the operating voltage and can damage or destroy the first and / or second strand. In particular, the two diodes each have a reverse direction with which only a current flow in the electrical energy store is possible.
Beispielsweise kann es sich bei dem ersten Strang und bei dem zweiten Strang um einen elektrischen Zweig oder um eine Schaltstrecke handeln.For example, the first strand and the second strand can be an electrical branch or a switching path.
In einem Ausführungsbeispiel der Erfindung ist vorgesehen, dass zwischen der ersten Induktivität und der ersten Diode des ersten Strangs eine zweite Drossel zur Anpassung einer Taktfrequenz des ersten Schaltelements ausgebildet ist. Mithilfe der zusätzlichen zweiten Drossel, welche insbesondere als Induktivität ausgebildet ist, kann eine Streuinduktivität für den Aufwärtswandler bereitgestellt werden. Mithilfe der zusätzlichen Streuinduktivität kann insbesondere eine Taktfrequenz des ersten Schaltelements eingestellt werden. Insbesondere erfolgt eine Reduzierung der Taktfrequenz des ersten Schaltelements.In one embodiment of the invention it is provided that a second choke for adapting a clock frequency of the first switching element is formed between the first inductance and the first diode of the first strand. With the aid of the additional second choke, which is designed in particular as an inductance, a leakage inductance can be provided for the step-up converter. In particular, a clock frequency of the first switching element can be set with the aid of the additional leakage inductance. In particular, the clock frequency of the first switching element is reduced.
In einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung ist vorgesehen, dass die Eingangsseite eine Eingangskapazität und die Ausgangsseite eine Ausgangskapazität aufweisen. Bei der Eingangskapazität und bei der Ausgangskapazität handelt es sich insbesondere um Stützkondensatoren oder um Pufferkondensatoren. Insbesondere handelt es sich bei der Eingangskapazität und bei der Ausgangskapazität um Kapazitäten zur Stabilisierung der Eingangsspannung und der Ausgangsspannung.In a further exemplary embodiment of the invention it is provided that the input side has an input capacitance and the output side has an output capacitance. The input capacitance and the output capacitance are, in particular, backup capacitors or buffer capacitors. In particular, the input capacitance and the output capacitance are capacitances for stabilizing the input voltage and the output voltage.
Des Weiteren können an einer Ausgangsseite und an einer Ausgangsseite EMV-Filter zur Filterung von Störeinflüssen eingesetzt beziehungsweise verschaltet werden.Furthermore, EMC filters can be used or interconnected on an output side and on an output side to filter interference.
In einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung ist vorgesehen, dass die erste Induktivität und die zweite Induktivität als Spule ausgebildet sind, wodurch die magnetisch gekoppelten Induktivitäten einen Transformator bilden, insbesondere die beiden als Spule ausgebildeten Induktivitäten einen entgegengesetzten Wicklungssinn aufweisen. Durch den gebildeten Transformator kann die niedrigere Eingangsspannung der Gleichspannungsladequelle in die höhere Ausgangsspannung zum Laden des elektrischen Energiespeichers hochtransformiert werden. Insbesondere handelt es sich bei der ersten Induktivität und bei der zweiten Induktivität um Spulenwicklungen beziehungsweise um die Wicklungen des Transformators.In a further embodiment of the invention it is provided that the first inductance and the second inductance are designed as a coil, whereby the magnetically coupled inductances form a transformer, in particular the two inductances designed as a coil have opposite winding directions. The transformer formed allows the lower input voltage of the DC voltage charging source to be stepped up into the higher output voltage for charging the electrical energy store. In particular, the first inductance and the second inductance are coil windings or the windings of the transformer.
In einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung ist vorgesehen, dass der erste Strang eine Bypass-Leitung aufweist, wobei mit einem Bypass-Schalter innerhalb der Bypass-Leitung ein Stromfluss in dem ersten Strang auf die Bypass-Leitung und auf die erste Diode aufteilbar ist. Mithilfe der Bypass-Leitung kann insbesondere die erste Diode überbrückt werden, sodass der Stromfluss auf die Bypass-Leitung und die erste Diode aufgeteilt wird. Somit ergibt sich ein höherer Wirkungsgrad des Aufwärtswandlers, da die Durchlassverluste der ersten Diode reduziert werden.In a further exemplary embodiment of the invention it is provided that the first strand has a bypass line, with a bypass switch within the bypass line being able to divide a current flow in the first strand to the bypass line and to the first diode. In particular, the first diode can be bridged with the aid of the bypass line, so that the current flow is divided between the bypass line and the first diode. This results in a higher efficiency of the boost converter, since the forward losses of the first diode are reduced.
Da der erste Strang einen hohen Stromfluss aufweisen kann, erfährt die erste Diode ebenfalls einen Strom mit einem hohen Stromwert. Durch Hinzufügen der Bypass-Leitung beziehungsweise einer Bypass-Schaltung kann die erste Drossel und die erste Diode auf einen geringeren Stromwert ausgelegt werden. Insbesondere kann die Sperrfähigkeit der ersten Drossel außer Acht gelassen werden, da sich durch die Bypass-Leitung der einzustellende Ladestrom auf im Wesentlichen einen Stromwert von 0 Ampere einstellen kann. Insbesondere ist vorteilhaft, wenn der Bypass-Schalter in Abhängigkeit von einem Stromwert der ersten Diode geschalten wird. Beispielsweise kann bei einem Stromschwellwert der ersten Diode der Bypass-Schalter geschlossen werden. Beispielsweise kann bei einer Überschreitung des Diodenstroms von 50 Ampere der Bypass-Schalter geschlossen werden. Sobald der Diodenstrom unterhalb einer zweiten eines Schwellwertes sinkt, beispielsweise 30 Ampere, kann der Bypass-Schalter wieder geöffnet werden. Beispielsweise können die Schwellwerte für das Öffnen und Schließen des Bypass-Schalters in Abhängigkeit von einem Stromrippel im ersten Strang ausgelegt werden.Since the first strand can have a high current flow, the first diode also experiences a current with a high current value. By adding the bypass line or a bypass circuit, the first choke and the first diode can be designed for a lower current value. In particular, the blocking capability of the first choke can be disregarded, since the charging current to be set can be set to essentially a current value of 0 amperes through the bypass line. It is particularly advantageous if the bypass switch is switched as a function of a current value of the first diode. For example, the bypass switch can be closed at a current threshold value of the first diode will. For example, if the diode current exceeds 50 amperes, the bypass switch can be closed. As soon as the diode current falls below a second threshold value, for example 30 amps, the bypass switch can be opened again. For example, the threshold values for opening and closing the bypass switch can be designed as a function of a current ripple in the first branch.
Insbesondere sind die aufgezeigten Spannungswerte als Soll-Spannungswerte zu verstehen, da diese durch Messtoleranzen um beispielsweise 5%, insbesondere 10%, abweichen können.In particular, the voltage values shown are to be understood as target voltage values, since these can deviate by, for example, 5%, in particular 10%, due to measurement tolerances.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zum Laden eines elektrischen Energiespeichers eines elektrisch angetriebenen Fahrzeugs mit einem Aufwärtswandler, wobei
- - mit einer externen Gleichspannungsladequelle eine Eingangsspannung für den Aufwärtswandler bereitgestellt wird, und
- - mit dem Aufwärtswandler eine zur Eingangsspannung höhere Ausgangsspannung dem elektrischen Energiespeicher bereitgestellt wird, wobei
- - mit einem ersten Strang des Aufwärtswandlers, welcher eine erste Induktivität aufweist, eine ersten Strangspannung bereitgestellt wird,
- - mit einem zweiten Strang des Aufwärtswandlers, welcher eine Reihenschaltung aus einer zweiten Induktivität und einer ersten Drossel aufweist, eine zweite Strangspannung bereitgestellt wird, wobei
- - mit dem Aufwärtswandler in Abhängigkeit von einer magnetischen Kopplung der ersten und zweiten Induktivität als Ladestrom des elektrischen Energiespeichers die Summe aus einem Ladestrom des ersten Strangs und einem Ladestrom des zweiten Strangs bereitgestellt wird.
- - An input voltage for the boost converter is provided with an external DC voltage charging source, and
- - With the step-up converter, an output voltage higher than the input voltage is provided to the electrical energy store, wherein
- a first phase voltage is provided with a first phase of the step-up converter, which has a first inductance,
- - With a second strand of the step-up converter, which has a series connection of a second inductance and a first choke, a second phase voltage is provided, wherein
- - With the step-up converter depending on a magnetic coupling of the first and second inductance as the charging current of the electrical energy store, the sum of a charging current of the first strand and a charging current of the second strand is provided.
Insbesondere ermöglicht das vorgeschlagene Verfahren ein effizientes und unkomplizierteres Laden beziehungsweise Schnellladen eines elektrisch angetriebenen Fahrzeugs. Insbesondere kann mithilfe des vorgeschlagenen Verfahrens eine Eingangsspannung der Gleichspannungsladequelle in eine höhere Ausgangsspannung zum Laden des elektrischen Energiespeichers des elektrisch angetriebenen Fahrzeuges erfolgen. Dabei kann beispielsweise ein Spannungswert von 750 Volt der Gleichspannungsladequelle in 870 Volt zum Laden des elektrischen Energiespeichers (Fahrzeugbatterie) hochtransformiert werden.In particular, the proposed method enables efficient and uncomplicated charging or rapid charging of an electrically powered vehicle. In particular, the proposed method can be used to convert an input voltage of the DC voltage charging source into a higher output voltage for charging the electrical energy store of the electrically driven vehicle. For example, a voltage value of 750 volts of the direct voltage charging source can be stepped up to 870 volts for charging the electrical energy store (vehicle battery).
In einem weiteren Ausführungsbeispiel ist vorgesehen, dass mit dem Aufwärtswandler ein negatives Potential und/oder ein positives Potential eines elektrischen Bordnetzes des elektrisch angetriebenen Fahrzeugs angepasst wird. Insbesondere kann mithilfe des Aufwärtswandlers ein negatives HV-Potential und/oder ein positives HV-Potential des elektrischen Bordnetzes angepasst beziehungsweise verändert beziehungsweise variiert werden.In a further exemplary embodiment, it is provided that a negative potential and / or a positive potential of an on-board electrical system of the electrically driven vehicle is adapted with the step-up converter. In particular, a negative HV potential and / or a positive HV potential of the on-board electrical system can be adapted or changed or varied with the aid of the boost converter.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Fahrzeug mit einem Aufwärtswandler nach einem der vorherigen Aspekte oder einer Weiterbildung daraus.Another aspect of the invention relates to a vehicle with an up converter according to one of the previous aspects or a development thereof.
Vorteilhafte Ausgestaltungsformen des Aufwärtswandlers sind als vorteilhafte Ausgestaltungsformen des Fahrzeuges sowie des Verfahrens anzusehen. Der Aufwärtswandler und das Fahrzeug weisen dazu gegenständliche Merkmale auf, welche eine Durchführung des Verfahrens oder eine vorteilhafte Ausgestaltungsform davon ermöglichen.Advantageous embodiments of the step-up converter are to be regarded as advantageous embodiments of the vehicle and of the method. For this purpose, the up-converter and the vehicle have objective features which enable the method or an advantageous embodiment thereof to be carried out.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnung(en). Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.Further advantages, features and details of the invention emerge from the following description of preferred exemplary embodiments and on the basis of the drawing (s). The features and combinations of features mentioned above in the description as well as the features and combinations of features mentioned below in the description of the figures and / or shown alone in the figures can be used not only in the combination specified, but also in other combinations or on their own, without the scope of the Invention to leave.
Dabei zeigen die nachfolgenden Figuren in:
-
1 eine schematische Seitenansicht eines Elektrofahrzeugs bei einem DC-Ladevorgang; -
2 ein schematisches Blockschaltbild eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Aufwärtswandlers; -
3 einen schematischen Simulationsaufbau desAufwärtswandlers aus 2 ; -
4 beispielhafte Verläufe von Simulationsergebnissendes Simulationsausbaus aus 3 ; -
5 ein schematisches Blockschaltbild eines weiteren Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Aufwärtswandlers; -
6 ein schematisches Blockschaltbild eines weiteren Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Aufwärtswandlers; -
7 ein schematisches Blockschaltbild eines weiteren Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Aufwärtswandlers; und -
8 ein schematisches Blockschaltbild eines weiteren Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Aufwärtswandlers.
-
1 a schematic side view of an electric vehicle during a DC charging process; -
2 a schematic block diagram of an embodiment of the boost converter according to the invention; -
3 a schematic simulation setup of theboost converter 2 ; -
4th exemplary courses of simulation results of thesimulation expansion 3 ; -
5 a schematic block diagram of a further embodiment of the boost converter according to the invention; -
6th a schematic block diagram of a further embodiment of the boost converter according to the invention; -
7th a schematic block diagram of a further embodiment of the boost converter according to the invention; and -
8th a schematic block diagram of a further embodiment of the boost converter according to the invention.
In den Figuren sind funktionsgleiche Elemente mit denselben Bezugszeichen versehen.In the figures, functionally identical elements are provided with the same reference symbols.
Die
Um den elektrischen Energiespeicher
Die
Insbesondere kann der zweite Strang
Beispielsweise weisen der erste Strang
Beispielsweise kann die Eingangsseite
Beispielsweise kann die Eingangskapazität
Insbesondere können die erste Induktivität
Insbesondere können die beiden Dioden
Insbesondere ist der Transformator
Um nun eine Spannungserhöhung von der Eingangsspannung
Insbesondere ist der Aufwärtswandler
Somit kann insbesondere die niedrigere Eingangsspannung
Im Nachfolgenden wird insbesondere ein Ausführungsbeispiel für die Funktionsweise des Spannungswandlers
Bei einem Erreichen der maximalen Ausgangsspannung (beispielsweise 750 Volt) beginnt der Aufwärtswandler
Dies geschieht insbesondere in zwei Schritten. In einem ersten Schritt erfolgt der Aufbau eines Drosselstroms in der ersten Drossel
In einem zweiten nachfolgenden Schritt erfolgt der Freilauf des aufgebauten Drosselstroms. Dabei wird das erste Schaltelement
Ein Entscheidungskriterium für eine Spannungserhöhung ist das Übersetzungsverhältnis ü beziehungsweise das Wicklungsverhältnis des Transformators
In einer weiteren möglichen Ausgestaltung kann der Aufwärtswandler
Insbesondere kann der Transformator
Die
Die
Insbesondere wurden die soeben geschilderten Verläufe unter Berücksichtigung des Aufwärtswandlers
Durch das Setzen der ersten Drossel
Ebenfalls ist zu erkennen, dass die Anstiegs- und Abfall-Phasen der Ströme in dem ersten Strang
Wenn nun die Induktivität der Drossel
In den nachfolgenden Fig. werden verschiedene mögliche Ausführungsformen des vorhin gezeigten Aufwärtswandlers
In der
Insbesondere zeigt die
Die
Die
Die
Die
BezugszeichenlisteList of reference symbols
- 11
- Fahrzeugvehicle
- 22
- elektrischer Energiespeicherelectrical energy storage
- 33
- GleichspannungsladequelleDC voltage charging source
- 44th
- AufwärtswandlerBoost converter
- 55
- EingangsseiteEntry page
- 66th
- AusgangsseiteExit page
- 77th
- erster Strangfirst strand
- 88th
- zweiter Strangsecond strand
- 99
- erste Induktivitätfirst inductance
- 1010
- zweite Induktivitätsecond inductance
- 1111
- KnotenpunktJunction
- 1212th
- AnschlussklemmenTerminals
- 1313th
- Transformatortransformer
- 1414th
- MittelabgriffFunding
- 1515th
- Bypass-LeitungBypass line
- a-Ia-I
- Spannungs- und StromverläufeVoltage and current curves
- C1C1
- EingangskapazitätInput capacitance
- C2C2
- AusgangskapazitätOutput capacitance
- D1D1
- erste Diodefirst diode
- D2D2
- zweite Diodesecond diode
- L1L1
- erste Drosselfirst throttle
- L2L2
- zweite Drosselsecond throttle
- S1S1
- erstes Schaltelementfirst switching element
- S2S2
- Bypass-SchalterBypass switch
- UEUE
- EingangsspannungInput voltage
- UAUA
- AusgangsspannungOutput voltage
- U1U1
- erste Strangspannungfirst string voltage
- U2U2
- zweite Strangspannungsecond phase voltage
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN THE DESCRIPTION
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- DE 102017009352 A1 [0007]DE 102017009352 A1 [0007]
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