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DE102020007840A1 - Boost converter for charging an electrical energy store of an electrically powered vehicle, as well as vehicle and method - Google Patents

Boost converter for charging an electrical energy store of an electrically powered vehicle, as well as vehicle and method Download PDF

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DE102020007840A1
DE102020007840A1 DE102020007840.0A DE102020007840A DE102020007840A1 DE 102020007840 A1 DE102020007840 A1 DE 102020007840A1 DE 102020007840 A DE102020007840 A DE 102020007840A DE 102020007840 A1 DE102020007840 A1 DE 102020007840A1
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DE
Germany
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voltage
strand
converter
electrical energy
inductance
Prior art date
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Application number
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German (de)
Inventor
Urs Boehme
Akin Candir
André Haspel
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Mercedes Benz Group AG
Original Assignee
Daimler AG
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Publication date
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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 DE 10 2017 009 355 A1 ein Verfahren zum Betreiben eines mit einer ersten elektrischen Gleichspannung beaufschlagten ersten Bordnetzes und eines mit einer zweiten elektrischen Gleichspannung beaufschlagten zweiten Bordnetzes. Dadurch erfolgt ein verbesserter Schutz von elektrischen Bordnetzen.For example, the DE 10 2017 009 355 A1 a method for operating a first vehicle electrical system to which a first electrical direct voltage is applied and a second vehicle electrical system to which a second electrical direct voltage is applied. This results in improved protection of on-board electrical systems.

In der DE 10 2017 009 352 A1 wird ein Energiekoppler zum elektrischen Koppeln von elektrischen Bordnetzen offenbart. Dabei handelt es sich hierbei um einen galvanisch gekoppelten Spannungswandler. Dieser ist ebenfalls sehr groß, sehr teuer und sehr bauraumintensiv.In the DE 10 2017 009 352 A1 discloses an energy coupler for electrically coupling on-board electrical systems. This is a galvanically coupled voltage converter. This is also very large, very expensive and very space-consuming.

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.
One aspect of the invention relates to a step-up converter for charging an electrical energy store of an electrically driven vehicle
  • - 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.
Another aspect of the invention relates to a method for charging an electrical energy store of an electrically driven vehicle with a boost converter, wherein
  • - 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 des Aufwärtswandlers aus 2;
  • 4 beispielhafte Verläufe von Simulationsergebnissen des 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.
The following figures show in:
  • 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 the boost converter 2 ;
  • 4th exemplary courses of simulation results of the simulation 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 1 zeigt eine schematische Seitenansicht eines Fahrzeugs 1. Bei dem Fahrzeug 1 handelt es sich insbesondere um ein elektrisch angetriebenes Fahrzeug oder um ein elektrisch betriebenes Fahrzeug oder um ein elektrisch voll angetriebenes Fahrzeug oder um ein Elektrofahrzeug oder um ein Hybridfahrzeug oder um ein Plug-in-Fahrzeug. Das Fahrzeug 1 weist des Weiteren einen elektrischen Energiespeicher 2 auf. Mithilfe des elektrischen Energiespeichers 2 wird insbesondere einer Antriebseinheit des Fahrzeugs 1 eine Spannung bereitgestellt. Insbesondere kann mit dem elektrischen Energiespeicher 2 eine Spannung von maximal 870 Volt bereitgestellt werden. Bei dem elektrischen Energiespeicher 2 kann es sich beispielsweise um eine Traktionsbatterie oder um eine Batterieanordnung oder um eine Fahrzeugbatterie handeln. Insbesondere handelt es sich bei dem elektrischen Energiespeicher 2 um eine Hochvolt-Batterie des Fahrzeugs 1.the 1 shows a schematic side view of a vehicle 1 . With the vehicle 1 it is in particular an electrically powered vehicle or an electrically powered vehicle or a fully electrically powered vehicle or an electric vehicle or a hybrid vehicle or a plug-in vehicle. The vehicle 1 furthermore has an electrical energy store 2 on. With the help of the electrical energy store 2 becomes in particular a drive unit of the vehicle 1 a voltage is provided. In particular, with the electrical energy store 2 a maximum voltage of 870 volts can be provided. With the electrical energy storage 2 it can be, for example, a traction battery or a battery arrangement or a vehicle battery. In particular, it is the electrical energy store 2 a high-voltage battery in the vehicle 1 .

Um den elektrischen Energiespeicher 2 des Fahrzeugs 1 mit einer elektrischen Energie versorgen beziehungsweise laden zu können, wird das Fahrzeug 1 mit einer Gleichspannungsladequelle 3 gekoppelt beziehungsweise verbunden. Bei der Gleichspannungsladequelle 3 handelt es sich insbesondere um eine zum Fahrzeug 1 externe Ladequelle. Insbesondere handelt es sich bei der Gleichspannungsladequelle 3 um eine DC-Ladesäule oder um eine Ladestation oder um eine Gleichspannungsquelle oder um eine Ladeinfrastruktur oder um ein Ladesystem. Insbesondere liefert die Gleichspannungsladequelle 3 eine Spannung von maximal 750 Volt.To the electrical energy storage 2 of the vehicle 1 The vehicle will be able to supply or charge it with electrical energy 1 with a DC voltage charging source 3 coupled or connected. At the DC charging source 3 it is in particular one for the vehicle 1 external charging source. In particular, it is the DC voltage charging source 3 around a DC charging station or around a charging station or around a DC voltage source or around a charging infrastructure or around a charging system. In particular, the DC voltage charging source delivers 3 a voltage of maximum 750 volts.

Die 2 zeigt ein schematisches Blockschaltbild eines erfindungsgemäßen Aufwärtswandlers 4. Bei dem Aufwärtswandler 4 handelt es sich insbesondere um einen Boost-Wandler. Insbesondere ist der Aufwärtswandler 4 als galvanisch gekoppelter Boost-Wandler mit magnetischer Kopplung ausgebildet. Der Aufwärtswandler 4 weist eine Eingangsseite 5 zum Koppeln mit der Gleichspannungsladequelle 3 auf. Insbesondere wird dadurch eine Eingangsspannung UE der Gleichspannungsladequelle 3 bereitgestellt. Des Weiteren weist der Aufwärtswandler 4 eine Ausgangsseite 6 auf, mit welcher der Aufwärtswandler 4 mit dem elektrischen Energiespeicher 2 gekoppelt wird. Insbesondere kann mit der Ausgangsseite 6 eine zur Eingangsspannung UE höhere Ausgangsspannung UA bereitgestellt werden. Zwischen der Eingangsseite 5 und der Ausgangsseite 6 sind ein erster Strang 7 und ein zweiter Strang 8 verschaltet. Dabei können insbesondere die beiden Stränge 7, 8 parallel zueinander verschaltet werden. In dem ersten Strang 7 ist insbesondere eine erste Induktivität 9 über eine erste Diode D1 mit dem positiven Potential des elektrischen Energiespeichers 2 verbunden. Insbesondere kann der erste Strang 7 zwischen dem positiven Potential der Gleichspannungsladequelle 3 und dem positiven Potential des elektrischen Energiespeichers 2 verschaltet werden. Beispielsweise kann die Verschaltung mit dem elektrischen Energiespeicher 2 über Batterieanschlussklemmen erfolgen.the 2 shows a schematic block diagram of a boost converter according to the invention 4th . With the boost converter 4th it is in particular a boost converter. In particular, the boost converter is 4th designed as a galvanically coupled boost converter with magnetic coupling. The boost converter 4th has an entry side 5 for coupling with the DC voltage charging source 3 on. In particular, this creates an input voltage UE the DC voltage charging source 3 provided. Furthermore, the boost converter 4th an exit page 6th on which of the boost converter 4th with the electrical energy storage 2 is coupled. In particular, with the exit side 6th one to the input voltage UE higher output voltage UA to be provided. Between the entrance side 5 and the exit page 6th are a first strand 7th and a second strand 8th interconnected. In particular, the two strands 7th , 8th connected in parallel to each other. On the first strand 7th is in particular a first inductor 9 via a first diode D1 with the positive potential of the electrical energy store 2 tied together. In particular, the first strand 7th between the positive potential of the DC voltage charging source 3 and the positive potential of the electrical energy store 2 be interconnected. For example, the interconnection with the electrical energy store 2 via battery connection terminals.

Insbesondere kann der zweite Strang 8 eine zweite Induktivität 10 aufweisen. Dabei kann der zweite Strang über die zweite Induktivität 10, einer ersten Drossel L1 und einer zweiten Diode D2 mit dem positiven Potential des elektrischen Energiespeichers 2 verbunden werden. Dabei sind insbesondere die zweite Induktivität 10, die erste Drossel L1 und die zweite Diode D2 in Reihe zueinander geschaltet. Insbesondere ist der zweite Strang 8 ebenfalls mit den Batterieanschlussklemmen verbunden. Insbesondere sind der erste Strang 7 und der zweite Strang 8 über einen gemeinsamen Knotenpunkt 11 mit dem positiven Potential des elektrischen Energiespeichers 2 elektrisch verschaltet.In particular, the second strand 8th a second inductor 10 exhibit. The second strand can use the second inductance 10 , a first throttle L1 and a second diode D2 with the positive potential of the electrical energy store 2 get connected. In particular, the second inductance 10 , the first throttle L1 and the second diode D2 connected in series to each other. In particular, the second strand is 8th also connected to the battery terminals. In particular, are the first strand 7th and the second strand 8th via a common hub 11 with the positive potential of the electrical energy store 2 electrically connected.

Beispielsweise weisen der erste Strang 7 und der zweite Strang 8 jeweils eine Anschlussklemme 12 auf. Die Anschlussklemmen 12 sind wiederum mit dem positiven Potential der Gleichspannungsladequelle 3 verschaltet. Somit ergibt sich ein Stromfluss zwischen der Gleichspannungsladequelle 3 in dem ersten Strang 7 und in dem zweiten Strang 8.For example, exhibit the first strand 7th and the second strand 8th one connection terminal each 12th on. The connection terminals 12th are in turn with the positive potential of the DC voltage charging source 3 interconnected. This results in a current flow between the DC voltage charging source 3 in the first strand 7th and in the second strand 8th .

Beispielsweise kann die Eingangsseite 5 eine Eingangskapazität C1 und die Ausgangsseite 6 eine Ausgangskapazität C2 aufweisen. Mithilfe der beiden Kapazitäten C1, C2 kann eine Spannungsglättung der Eingangsspannung UE und der Ausgangsspannung UA durchgeführt werden. Insbesondere handelt es sich bei den beiden Kapazitäten C1, C2 um Stützkondensatoren beziehungsweise um Pufferkondensatoren.For example, the entry page 5 an input capacitance C1 and the exit page 6th an output capacitance C2 exhibit. With the help of the two capacities C1 , C2 can smooth the input voltage UE and the output voltage UA be performed. In particular, it concerns the two capacities C1 , C2 to backup capacitors or buffer capacitors.

Beispielsweise kann die Eingangskapazität C1 zwischen der Anschlussklemme 12 des zweiten Strangs 8 und dem negativen Potential der Gleichspannungsladequelle 3 verschaltet sein. Die Ausgangskapazität C2 kann zwischen dem Knotenpunkt 11 und dem negativen Potential des elektrischen Energiespeichers 2 verschaltet werden.For example, the input capacitance C1 between the connection terminal 12th of the second strand 8th and the negative potential of the DC voltage charging source 3 be interconnected. The output capacitance C2 can between the node 11 and the negative potential of the electrical energy store 2 be interconnected.

Insbesondere können die erste Induktivität 9 und die zweite Induktivität 10 als Spule beziehungsweise Spulenwicklung beziehungsweise Wicklung ausgebildet werden. Dadurch können insbesondere die beiden Induktivitäten 9, 10 magnetisch gekoppelt werden, sodass dadurch ein Transformator 13 gebildet werden kann. Somit kann mithilfe dieses gebildeten Transformators 13 die Spannungserhöhung von der Eingangsspannung UE auf die Ausgangsspannung UA realisiert werden. Insbesondere weisen die beiden Induktivitäten 9, 10 entgegengesetzte Wicklungssinne ihrer Spulen auf.In particular, the first inductance 9 and the second inductor 10 be designed as a coil or coil winding or winding. As a result, the two inductances in particular 9 , 10 be magnetically coupled, thus creating a transformer 13th can be formed. Thus, with the help of this formed transformer 13th the voltage increase from the input voltage UE on the output voltage UA will be realized. In particular, the two inductances 9 , 10 opposite winding sense of their coils.

Insbesondere können die beiden Dioden D1, D2 als Freilaufdioden beziehungsweise Schutzdioden ausgebildet werden. Mithilfe der Dioden D1, D2 kann eine gefährliche Überspannung verhindert werden. Insbesondere verhindern die beiden Dioden D1, D2 einen Rückfluss eines Stromes. Insbesondere weisen die beiden Dioden D1, D2 eine gleiche Sperrrichtung auf. Die Dioden D1, D2 erlauben nur einen Stromfluss von den Anschlussklemmen 12 zu dem Knotenpunkt 11.In particular, the two diodes D1 , D2 be designed as free-wheeling diodes or protective diodes. With the help of the diodes D1 , D2 a dangerous overvoltage can be prevented. In particular, the two diodes prevent D1 , D2 a return flow of a current. In particular, the two diodes D1 , D2 the same blocking direction. The diodes D1 , D2 only allow current to flow from the terminals 12th to the node 11 .

Insbesondere ist der Transformator 13 über die Anschlussklemmen 12 der Stränge 7, 8 galvanisch mit der Gleichspannungsladequelle 3 gekoppelt.In particular is the transformer 13th via the connection terminals 12th the strands 7th , 8th galvanically with the DC voltage charging source 3 coupled.

Um nun eine Spannungserhöhung von der Eingangsspannung UE auf die Ausgangsspannung UA erreichen zu können, muss die erste Drossel L1 mit einem Drosselstrom beaufschlagt werden. Um dies zu erreichen, kann zwischen der ersten Drossel L1 und der zweiten Diode D2 ein Mittelabgriff 14 ausgebildet sein. Zwischen dem Mittelabgriff 14 und dem negativen Potential des elektrischen Energiespeichers 2 und der Gleichspannungsladequelle 3 ist ein erstes Schaltelement S1 verschaltet. Je nachdem, wie das Schaltelement S1 geschaltet ist, kann ein Drosselstrom in der ersten Drossel L1 aufgebaut oder abgebaut werden. Beispielsweise handelt es sich bei dem ersten Schaltelement S1 um einen Transistor oder um einen MOSFET oder um einen IGBT.To now a voltage increase from the input voltage UE on the output voltage UA To be able to reach, the first throttle must be used L1 be charged with a throttle current. To achieve this, between the first throttle L1 and the second diode D2 a tap of funds 14th be trained. Between the center tap 14th and the negative potential of the electrical energy store 2 and the DC voltage charging source 3 is a first switching element S1 interconnected. Depending on how the switching element S1 is switched, a choke current can be in the first choke L1 be built up or dismantled. For example, it is the first switching element S1 around a transistor or around a MOSFET or around an IGBT.

Insbesondere ist der Aufwärtswandler 4 durch die magnetische Kopplung zwischen den Induktivitäten 9 und 10 dazu befähigt, als Ladestrom des elektrischen Energiespeichers 2 die Summe aus einem Ladestrom des ersten Strangs 7 und einem Ladestrom des zweiten Strangs 8 bereitzustellen.In particular, the boost converter is 4th due to the magnetic coupling between the inductances 9 and 10 able to act as a charging current for the electrical energy storage device 2 the sum of a charging current of the first line 7th and a charging current of the second strand 8th provide.

Somit kann insbesondere die niedrigere Eingangsspannung UE in die höhere Ausgangsspannung UA umgewandelt werden.Thus, in particular, the lower input voltage UE into the higher output voltage UA being transformed.

Im Nachfolgenden wird insbesondere ein Ausführungsbeispiel für die Funktionsweise des Spannungswandlers 4 erläutert. Dabei kann optional die Ausgangslage vorliegen, bei welcher die Eingangsspannung UE der Gleichspannungsquelle 3 gleich groß ist wie die Spannung des elektrischen Energiespeichers 2 des elektrisch angetriebenen Fahrzeugs 1. Dabei können Spannungsabfälle an Innenwiderständen und andere ohmsche Nebeneffekte, wie beispielsweise bei Zuleitungen, berücksichtigt werden. Speziell kann diese Ausgangslage erreicht werden, indem das Fahrzeug 1 in einem ersten Ladevorgang bis zum Erreichen der maximalen Ausgangsspannung der Gleichspannungsladequelle 3 versorgt wird. Dies kann beispielsweise durch eine direkte Kopplung zwischen dem elektrischen Energiespeicher 2 und der Gleichspannungsladungsquelle 3 durch einen Bypass des Spannungswandlers 4 erreicht werden oder indem der Aufwärtswandler 4 inaktiv ist und auf einen entsprechenden Ladestrom ausgelegt ist.In the following, an exemplary embodiment for the mode of operation of the voltage converter is presented in particular 4th explained. The starting position at which the input voltage is present can optionally be present UE the DC voltage source 3 is the same as the voltage of the electrical energy store 2 of the electrically powered vehicle 1 . Voltage drops at internal resistances and other ohmic side effects, such as for supply lines, can be taken into account. Specifically, this starting position can be achieved by the vehicle 1 in a first charging process until the maximum output voltage of the DC voltage charging source is reached 3 is supplied. This can be done, for example, by a direct coupling between the electrical energy store 2 and the DC charge source 3 through a bypass of the voltage converter 4th can be achieved or by using the boost converter 4th is inactive and is designed for a corresponding charging current.

Bei einem Erreichen der maximalen Ausgangsspannung (beispielsweise 750 Volt) beginnt der Aufwärtswandler 4 mit seiner Funktion beziehungsweise mit seinem Betrieb, um die geforderte, im Wesentlichen geringe, Spannungserhöhung zum Laden des elektrischen Energiespeichers 2 (Hochvolt-Batterie) zu erreichen.When the maximum output voltage (for example 750 volts) is reached, the boost converter begins 4th with its function or with its operation, by the required, essentially small, voltage increase for charging the electrical energy store 2 (High-voltage battery).

Dies geschieht insbesondere in zwei Schritten. In einem ersten Schritt erfolgt der Aufbau eines Drosselstroms in der ersten Drossel L1. Unter Anwendung der Maschengleichung ergibt für den Stromkreis über die erste Induktivität 9, dass die Eingangsspannung UE gleich der Summe aus der Spannung über der ersten Induktivität 9 und der Batteriespannung des elektrischen Energiespeichers 2 ist. Somit ist ersichtlich, dass die Spannungsdifferenz zwischen der Gleichspannungsladequelle 3 und dem elektrischen Energiespeicher 2 über die Induktivität 9 beziehungsweise die erste Wicklung des Transformators 13 ansteht. Auf Grundlage der Maschengleichung ergibt sich, dass die zeitliche Spannung über die erste Induktivität 9 negativ ist, somit ist die Spannung über die erste Induktivität 9 gleich der Differenz zwischen der Eingangsspannung UE und der Batteriespannung des elektrischen Energiespeichers 2. Somit wird mithilfe eines Strangstroms beziehungsweise der Stromspannung U1 des ersten Strangs 7 der elektrische Energiespeicher 2 geladen. Zeitgleich dazu wird der Drosselstrom in der Drossel L1 aufgebaut. Dazu ist das erste Schaltelement S1 geschlossen. In diesem Fall ergibt sich eine Maschengleichung bei geschlossenem Schalter S1, dass die Eingangsspannung UE gleich der Summe aus der zeitlichen Spannung der zweiten Induktivität 10 und der Spannung über der Drossel L1 ist. Die Spannung der zweiten Induktivität 10 kann dadurch bestimmt werden, da mithilfe des Übersetzungsverhältnisses ü des Transformators 13 die Spannung der zweiten Induktivität 10 über die Spannung der ersten Induktivität 9 multipliziert mal dem Übersetzungsverhältnis ü bestimmt werden kann. Über der ersten Drossel L1 ergibt sich ein Spannungsabfall. Dabei ist die Spannung über der zweiten Drossel L1 gleich der Differenz zwischen der Eingangsspannung UE und der Spannung über der zweiten Induktivität 10. Ebenfalls entspricht die Spannung über der ersten Drossel L1 gleich der Summe aus der Eingangsspannung UE und der Spannung der ersten Induktivität 9.In particular, this takes place in two steps. In a first step, a choke current is built up in the first choke L1 . Using the mesh equation, we get the first inductance for the circuit 9 that the input voltage UE equal to the sum of the voltage across the first inductance 9 and the battery voltage of the electrical energy store 2 is. It can thus be seen that the voltage difference between the DC voltage charging source 3 and the electrical energy storage 2 about the inductance 9 or the first winding of the transformer 13th pending. On the basis of the mesh equation it results that the temporal voltage across the first inductance 9 is negative, so is the voltage across the first inductor 9 equal to the difference between the input voltage UE and the battery voltage of the electrical energy store 2 . Thus, with the help of a line current or the voltage U1 of the first strand 7th the electrical energy storage 2 loaded. At the same time, the choke current in the choke L1 built up. This is the first switching element S1 closed. In this case a mesh equation results when the switch is closed S1 that the input voltage UE equal to the sum of the temporal voltage of the second inductance 10 and the voltage across the choke L1 is. The voltage of the second inductor 10 can be determined by using the transformation ratio ü of the transformer 13th the voltage of the second inductor 10 via the voltage of the first inductance 9 multiplied times the transmission ratio ü can be determined. Above the first throttle L1 there is a voltage drop. This is the voltage across the second choke L1 equal to the difference between the input voltage UE and the voltage across the second inductor 10 . The voltage across the first choke is also the same L1 equal to the sum of the input voltage UE and the voltage of the first inductor 9 .

In einem zweiten nachfolgenden Schritt erfolgt der Freilauf des aufgebauten Drosselstroms. Dabei wird das erste Schaltelement S1 geöffnet, wodurch der Drosselstrom der ersten Drossel L1 langsam abgebaut wird und zusätzlich den elektrischen Energiespeicher 2 lädt. Dabei fließt in dem ersten Strang 7 unverändert der Ladestrom von der Gleichspannungsladequelle 3 über die erste Induktivität 9 zum elektrischen Energiespeicher 2. An den beiden Anschlussklemmen 12 des Transformators 13 wird eine Spannungsdifferenz erzeugt, um die Eingangsspannung UE auf das Spannungsniveau der Batteriespannung des elektrischen Energiespeichers 2 anzuheben. Insbesondere entspricht der Ladestrom des elektrischen Energiespeichers 2 gleich der Summe der Strangströme des ersten Strangs 7 und des zweiten Strangs 8.In a second subsequent step, the built-up inductor current is freewheeled. The first switching element is S1 opened, whereby the throttle current of the first throttle L1 is slowly degraded and also the electrical energy storage 2 loads. It flows in the first strand 7th the charging current from the DC voltage charging source remains unchanged 3 across the first inductor 9 to electrical energy storage 2 . At the two connection terminals 12th of the transformer 13th a voltage difference is generated in relation to the input voltage UE on the voltage level of the battery voltage of the electrical energy store 2 to raise. In particular, the charging current corresponds to the electrical energy store 2 equal to the sum of the string currents of the first string 7th and the second strand 8th .

Ein Entscheidungskriterium für eine Spannungserhöhung ist das Übersetzungsverhältnis ü beziehungsweise das Wicklungsverhältnis des Transformators 13. Insbesondere wird das Übersetzungsverhältnis ü aus der maximal zu erreichenden Spannung des elektrischen Energiespeichers 2 und der Spannung der Gleichspannungsladequelle 3 bestimmt. Dabei wird das Übersetzungsverhältnis ü aus der Summe der maximalen Batteriespannung und der Eingangsspannung UE geteilt durch die Eingangsspannung UE bestimmt. Beispielsweise kann es sich bei der maximalen Spannung der Gleichspannungsladequelle 3 um eine Spannungslage von 750 Volt handeln und bei der maximalen Ladeschlussspannung des elektrischen Energiespeichers 2 kann es um 870 Volt handeln. Daraus ergibt sich ein Übersetzungsverhältnis von -1 zu 6,25. Mit dem negativen Vorzeichen wird hier der gegenläufige Wicklungssinn ausgedrückt. Die erste Drossel L1 kann durch die zu erwähnende Taktfrequenz des ersten Schaltelements S1 bestimmt werden. Dies kann durch die Schaltverluste und die abführbare Abwärme des ersten Schaltelements 1 entscheidend geprägt werden. Ebenfalls wird das erste Schaltelement S1 von seiner Strombelastung durch das Übersetzungsverhältnis ü beeinflusst, denn der Strom durch das erste Schaltelement S1 entspricht 1:ü des Strangstroms des ersten Strangs 7. Je größer das Übersetzungsverhältnis ü gewählt werden kann (das heißt je kleiner der Spannungshub des Aufwärtswandlers 4 sein soll), desto kompakter kann der Aufwärtswandler 4 konzipiert werden.A decision criterion for a voltage increase is the transformation ratio ü or the winding ratio of the transformer 13th . In particular, the transmission ratio ü is derived from the maximum voltage of the electrical energy store that can be achieved 2 and the voltage of the DC charging source 3 certainly. The transformation ratio ü is the sum of the maximum battery voltage and the input voltage UE divided by the input voltage UE certainly. For example, it can be the maximum voltage of the DC voltage charging source 3 act around a voltage level of 750 volts and at the maximum end-of-charge voltage of the electrical energy storage device 2 it can be 870 volts. This results in a gear ratio of -1 to 6.25. The opposite direction of winding is expressed here with the negative sign. The first thrush L1 can by the to be mentioned clock frequency of the first switching element S1 to be determined. This can be caused by the switching losses and the dissipatable waste heat of the first switching element 1 be decisively shaped. The first switching element is also S1 influenced by its current load by the transmission ratio ü, because the current through the first switching element S1 corresponds to 1: ü of the phase current of the first phase 7th . The larger the transmission ratio ü can be selected (that is, the smaller the voltage swing of the step-up converter 4th should be), the more compact the boost converter can be 4th be conceived.

In einer weiteren möglichen Ausgestaltung kann der Aufwärtswandler 4 eine Funktion aufweisen, bei welcher ein Spannungsverhältnis zwischen dem elektrischen Energiespeicher 2 und der Gleichspannungsladequelle 3 das Transformator-Übersetzungsverhältnis übersteigt. Dies kann dabei der Fall sein, wenn die Ladespannung oberhalb von 870 Volt erreicht werden soll. Beispielsweise ist bei einer Batteriespannung des elektrischen Energiespeichers 2, welche das Ergebnis aus einer Multiplikation zwischen dem Übersetzungsverhältnis und der Eingangsspannung ist, die Funktion des ersten Strangs 7 nicht mehr gegeben, da die induzierte Spannungserhöhung an den Induktivitäten 9, 10 des Transformators 13 nicht ausreichen, um die Spannung des elektrischen Energiespeichers 2 zu erreichen beziehungsweise zu übertreffen. Das Gleiche wäre ebenfalls der Fall, wenn bei einer Fahrzeugspannung eine Spannung an der Gleichspannungsladequelle 3 kleiner 750 Volt anliegen würde. Dabei würde die erste Diode D1 sperren, um ein unkontrolliertes Entladen des elektrischen Energiespeichers 2 zu vermeiden. Die sich dadurch ergebende Funktion des Aufwärtswandlers 4 reduziert sich auf den ersten Strang S2. Dieser entspricht nun einer Schaltung eines konventionellen Boost-Wandlers. Der Ladestrom dieses Boost-Wandlers wird nun durch die Auslegung von dem ersten Schaltelement S1 und der ersten Drossel L1 (inklusive von Streuinduktivitäten des Transformators 13) bestimmt. In diesem Fall fließt einmal ein Ladestrom über den zweiten Strang 8 zu dem elektrischen Energiespeicher 2. Dabei wird parallel das erste Schaltelement S1 geschlossen, sodass sich wiederum ein Drosselstrom in der Drossel L1 bildet. Sobald der Drosselstrom ausreichend ist, wird das erste Schaltelement S1 geöffnet und der aufgebaute Drosselstrom fließt von der Drossel L1 in den elektrischen Energiespeicher 2 und lädt diesen.In a further possible embodiment, the step-up converter can 4th have a function in which a voltage ratio between the electrical energy store 2 and the DC voltage charging source 3 exceeds the transformer ratio. This can be the case if the charging voltage is to be reached above 870 volts. For example, there is a battery voltage of the electrical energy store 2 , which is the result of a multiplication between the transformation ratio and the input voltage, the function of the first string 7th no longer given because the induced voltage increase across the inductances 9 , 10 of the transformer 13th not enough to keep up the voltage of the electrical energy store 2 to achieve or to surpass. The same would also be the case if, with a vehicle voltage, a voltage was applied to the DC voltage charging source 3 less than 750 volts would be present. This would be the first diode D1 lock to prevent uncontrolled discharging of the electrical energy store 2 to avoid. The resulting function of the boost converter 4th is reduced to the first strand S2 . This now corresponds to a circuit of a conventional boost converter. The charging current of this boost converter is now determined by the design of the first switching element S1 and the first throttle L1 (including leakage inductance of the transformer 13th ) certainly. In this case, a charging current flows through the second line 8th to the electrical energy storage 2 . The first switching element is in parallel S1 closed, so that in turn there is a throttle current in the throttle L1 forms. As soon as the choke current is sufficient, the first switching element S1 opened and the built-up choke current flows from the choke L1 in the electrical energy storage 2 and loads this.

Insbesondere kann der Transformator 13 effektiv hergestellt werden trotz hoher Stromanforderungen, da die Wicklungszahl im ersten Strang 7 um den Faktor des Übersetzungsverhältnisses ü kleiner als die im zweiten Strang 8 ist. In dem ersten Strang 7 herrschen hohe Ladeströme (hoher Leiterquerschnitt erforderlich) und im zweiten Strang 8 herrschen niedrigere Ströme (geringer Wicklungsquerschnitt möglich).In particular, the transformer 13th can be effectively produced despite high current requirements, since the number of windings in the first strand 7th by the factor of the transmission ratio ü smaller than that in the second strand 8th is. On the first strand 7th there are high charging currents (high conductor cross-section required) and in the second strand 8th lower currents prevail (smaller winding cross-section possible).

Die 3 zeigt ein schematisches Blockschaltbild des Aufwärtswandlers 4, wobei hier insbesondere ein Simulationsaufbau dargestellt ist. Insbesondere kann mithilfe des Simulationsaufbaus der Aufwärtswandler 4 simuliert werden. In diesem Simulationsaufbau ist der elektrische Energiespeicher 2 durch eine Kapazität dargestellt, um die steigende Spannungslage des elektrischen Energiespeichers 2 darstellen zu können. Zu Beginn der Simulation ist die Spannung dieser Kapazität mit 750 Volt identisch zur Spannung der Gleichspannungsladequelle 3. Als Übersetzungsverhältnis des Transformators 13 wurde 1:-6,25 gewählt. Um die Simulation verständlicher zu gestalten, wurde zunächst der Wert der ersten Drossel L1 mit 0 Henry und auch die Innenwiderstände der Gleichspannungsladequelle 3 und des elektrischen Energiespeichers 2 mit 0 Ohm gesetzt. Ebenfalls sind hier die Eingangskapazität C1 und die Ausgangskapazität C2 nicht vorgesehen.the 3 shows a schematic block diagram of the boost converter 4th , whereby a simulation setup is shown here in particular. In particular, the step-up converter 4th can be simulated. The electrical energy store is in this simulation setup 2 represented by a capacitance to the increasing voltage level of the electrical energy storage 2 to be able to represent. At the beginning of the simulation, the voltage of this capacitance of 750 volts is identical to the voltage of the DC charging source 3 . As the transformation ratio of the transformer 13th 1: -6.25 was chosen. In order to make the simulation more understandable, the value of the first throttle was initially used L1 with 0 Henry and also the internal resistances of the DC voltage charging source 3 and the electrical energy storage 2 set with 0 ohms. The input capacitance is also here C1 and the output capacitance C2 not provided.

Die 4 zeigt insbesondere beispielhafte Strom- und Spannungsverläufe über die Zeit der Simulationsergebnisse des Simulationsaufbaus aus 3. Mit dem Verlauf a ist der Strom der Gleichspannungsladequelle 3 dargestellt. Mit dem Verlauf b ist der Spannungsverlauf des ersten Schaltelements S1 dargestellt. Mit dem Verlauf c ist der Strom des ersten Schaltelements S1 dargestellt. Mit dem Verlauf d ist der Zustand des Gates des ersten Schaltelements S1 dargestellt. Mit dem Verlauf e ist der Drosselstrom der ersten Drossel L1 dargestellt. Mit dem Verlauf f ist der Spannungsverlauf der ersten Drossel L1 dargestellt. Bei dem Verlauf g ist der Drosselstrom der zweiten Drossel L2 dargestellt und mit h ist der Spannungsverlauf der zweiten Drossel L2 dargestellt. Der Verlauf i zeigt eine Transformatorspannung des Transformators 13. Mit dem Verlauf j ist der Spannungsverlauf des Transformators 13 im Taktungs-Pfad dargestellt. Bei dem Verlauf k ist der Spannungsverlauf des elektrischen Energiespeichers 2 dargestellt und bei dem Verlauf I ist der Stromverlauf des elektrischen Energiespeichers 2 dargestellt.the 4th shows in particular exemplary current and voltage curves over time of the simulation results of the simulation setup 3 . With the course a, the current is the DC voltage charging source 3 shown. The curve b is the voltage curve of the first switching element S1 shown. The curve c is the current of the first switching element S1 shown. The curve d is the state of the gate of the first switching element S1 shown. With the curve e is the throttle current of the first throttle L1 shown. The curve f is the voltage curve of the first choke L1 shown. In the case of curve g, the throttle current is the second throttle L2 shown and with h is the voltage curve of the second choke L2 shown. The curve i shows a transformer voltage of the transformer 13th . With the curve j is the voltage curve of the transformer 13th shown in the timing path. The curve k is the voltage curve of the electrical energy store 2 shown and the course I is the current course of the electrical energy store 2 shown.

Insbesondere wurden die soeben geschilderten Verläufe unter Berücksichtigung des Aufwärtswandlers 4 als Zwei-Level-Boost-Wandler dargestellt. Insbesondere ist hier die Funktionsweise des Aufwärtswandlers 4 dargestellt, wenn die Eingangsspannung UE größer als die doppelte Batteriespannung des elektrischen Energiespeichers 2 ist. Die Spannungsauslegung der Bauteile ist auf einem „Continuous Current Mode“ auf beiden Anschlussseiten 5, 6 dargestellt.In particular, the curves just described were taken into account with the up-converter 4th shown as a two-level boost converter. In particular, here is how the boost converter works 4th shown when the input voltage UE greater than twice the battery voltage of the electrical energy storage device 2 is. The voltage design of the components is in a "Continuous Current Mode" on both connection sides 5 , 6th shown.

Durch das Setzen der ersten Drossel L1 auf einen induktiven Wert auf 0 Henry können die vorher geschilderten Maschengleichungen nachvollzogen werden. Über die Anschlussklemmen 12 des Transformators 13 ist im ersten Strang 7 zu sehen, wie zu jedem Zeitpunkt darüber eine Differenz aus der Spannung der Gleichspannungsladequelle 3 und der Batteriespannung des elektrischen Energiespeichers 2 anliegt. Dies ist insbesondere in dem Verlauf i zu sehen. Der Ladestrom (Verlauf I) ist mit einer Hysterese auf Werte zwischen 80 und 120 Ampere geregelt. Der Strom durch den zweiten Strang 8 weist dabei einen im Wesentlichen geringeren Wert auf, nämlich nur den 1/6,25-Pegel-Teil. Dies entspricht genau dem Übersetzungsverhältnis. Der Ladestrom endet bei 870 Volt automatisch, weil die Schaltung bei dieser Auslegung des Übersetzungsverhältnisses nicht in der Lage ist, eine höhere Ladespannung zu erzeugen (dies ist in den Verläufen j und k zu sehen). Beispielsweise kann eine maximale Spannungserhöhung von 120 Volt erreicht werden. Ebenfalls ist hier in den gezeigten Verläufen zu erkennen, dass bei diesem Betrieb der Ladestrom sowohl auf der Seite der Gleichspannungsladequelle 3 als auch auf der Seite des elektrischen Energiespeichers 2 einen lückenden Betrieb aufweist. Dies ermöglicht es, mit kleineren Kapazitäten im Eingang oder Ausgang den Aufwärtswandler 4 zu versehen.By setting the first throttle L1 the previously described mesh equations can be traced to an inductive value of 0 Henry. Via the connection terminals 12th of the transformer 13th is on the first strand 7th to see how at any point in time there is a difference in the voltage of the DC charging source 3 and the battery voltage of the electrical energy store 2 is present. This can be seen in particular in curve i. The charging current (curve I) is regulated with a hysteresis to values between 80 and 120 amperes. The current through the second strand 8th has an essentially lower value, namely only the 1 / 6.25 level part. This corresponds exactly to the transmission ratio. The charging current ends automatically at 870 volts because the circuit is not able to generate a higher charging voltage with this design of the transmission ratio (this can be seen in curves j and k). For example, a maximum voltage increase of 120 volts can be achieved. It can also be seen here in the curves shown that in this mode of operation the charging current is on both the side of the DC voltage charging source 3 as well as on the side of the electrical energy storage 2 has intermittent operation. This makes it possible to use the boost converter with smaller capacitances in the input or output 4th to provide.

Ebenfalls ist zu erkennen, dass die Anstiegs- und Abfall-Phasen der Ströme in dem ersten Strang 7 und in dem zweiten Strang 8 synchron sind (vergleiche Verlauf e und g). Während bei dem ersten Strang 7 jedoch immer der Strom von dem Gleichspannungsladegerät 3 zum elektrischen Energiespeicher 2 führt, so lädt der Strom des zweiten Strangs 8 immer nur beim Drosselstrom-Freilauf (erstes Schaltelement geöffnet) in dem elektrischen Energiespeicher 2.It can also be seen that the rise and fall phases of the currents in the first strand 7th and in the second strand 8th are synchronous (compare course e and g). While on the first strand 7th however, always the current from the DC voltage charger 3 to electrical energy storage 2 leads, the current of the second strand charges 8th only when the choke current is freewheeling (first switching element open) in the electrical energy store 2 .

Wenn nun die Induktivität der Drossel L1 mit dem Wert 1 Mikrohenry versehen wird, so schwanken die Spannungen an den Enden des Transformators 13 nun im Takt des ersten Schaltelements S1. Dadurch kann die Taktfrequenz des ersten Schaltelements 1 geringfügig reduziert werden, da mehr induktive Energiespeicher im Aufwärtswandler 4 insgesamt in Eingriff sind. Der Spannungsbereich bis zur maximalen Spannung von 870 Volt wird jedoch nicht beeinflusst.If now the inductance of the choke L1 with the value 1 Microhenry is provided, the voltages at the ends of the transformer fluctuate 13th now in time with the first switching element S1 . This allows the clock frequency of the first switching element 1 can be reduced slightly, since there are more inductive energy stores in the boost converter 4th are engaged overall. However, the voltage range up to the maximum voltage of 870 volts is not affected.

In den nachfolgenden Fig. werden verschiedene mögliche Ausführungsformen des vorhin gezeigten Aufwärtswandlers 4 dargestellt. Die jeweiligen Funktionalitäten und Stromverläufe sind identisch zu denen in 2.Various possible embodiments of the boost converter shown above are shown in the following figures 4th shown. The respective functionalities and current curves are identical to those in 2 .

In der 5 ist insbesondere ein weiteres Ausführungsbeispiel des Aufwärtswandlers 4 dargestellt. Dabei wird hier ein Fall gezeigt, mit welchem ein höherer Wirkungsgrad des Aufwärtswandlers 4 erreicht werden kann. Dies wird insbesondere durch den Einsatz eines Bypass-Schalters S2 über die erste Diode D1 im ersten Strang 7 erreicht. Dabei wird insbesondere zwischen dem Knotenpunkt 11 und zwischen der ersten Induktivität 9 und der ersten Diode D1 eine Bypass-Leitung verschaltet. Mit anderen Worten wird die erste Diode D1 mithilfe der Bypass-Leitung überbrückt. Somit kann erreicht werden, dass ein Strom des ersten Strangs 7 nicht vollständig über die erste Diode D1 fließt, sondern auf die Diode D1 und die Bypass-Leitung 15 aufgeteilt wird. Somit können Verluste in der ersten Diode D1 reduziert werden, wodurch der Wirkungsgrad des Aufwärtswandlers 4 erhöht werden kann. Damit kann eine höhere DC-Ladeleistung des Aufwärtswandlers 4 erreicht werden, indem ein geringer Halbleiteraufwand und eine kleinere Wickelgüte (Transformator 13, Drossel L1) eingestellt werden. Dazu wird ein höherer Ladestrom benötigt, welcher durch den ersten Strang 7 und die erste Diode D1 fließen würde, sodass insbesondere die erste Diode D1 auf einen höheren Stromwert ausgelegt werden müsste. Um hierzu Abhilfe zu schaffen, wird die Bypass-Leitung 15 verwendet. Somit kann die erste Diode D1 weniger belastet werden, wodurch insbesondere die erste Drossel L1 auf wesentlich kleinere Ströme ausgelegt werden muss. Dies hat die Ursache, da die Sperrfähigkeit der Drossel L1 bei einem sich einstellenden Ladestrom kleiner 0 Ampere nicht mehr notwendig ist. Zudem ist, wie bei den vorherigen Simulationen gezeigt, ein nicht-lückender Stromfluss in der Drossel L1 vorhanden. Jedoch muss beachtet werden, dass zu keinem Zeitpunkt die Spannung über die erste Induktivität 9 kleiner als die Differenzspannung zwischen der Eingangsspannung UE und der Batteriespannung des elektrischen Energiespeichers 2 wird. Demzufolge ist es empfehlenswert, den Bypass-Schalter S2 erst dann zu schließen, wenn ein gewisser Stromschwellwert bei D1 überschritten wurde (zum Beispiel 50 Ampere) und den Bypass-Schalter S2 wieder zu öffnen, sobald ein zweiter Schwellwert wieder unterschritten wurde (zum Beispiel 30 Ampere). Die Schwellwerte sind anhand des Stromrippels im ersten Strang 7 auszulegen.In the 5 is in particular a further embodiment of the boost converter 4th shown. A case is shown here, with which a higher efficiency of the boost converter 4th can be reached. This is particularly achieved through the use of a bypass switch S2 via the first diode D1 in the first strand 7th achieved. It is particularly between the node 11 and between the first inductor 9 and the first diode D1 interconnected a bypass line. In other words, becomes the first diode D1 bridged using the bypass line. It can thus be achieved that a current of the first strand 7th not completely over the first diode D1 flows, but to the diode D1 and the bypass line 15th is divided. Thus there can be losses in the first diode D1 can be reduced, thereby increasing the efficiency of the boost converter 4th can be increased. This enables a higher DC charging capacity of the boost converter 4th can be achieved by a low semiconductor expenditure and a lower winding quality (transformer 13th , Throttle L1 ) can be set. For this purpose, a higher charging current is required, which is passed through the first line 7th and the first diode D1 would flow, so in particular the first diode D1 would have to be designed for a higher current value. To remedy this, the bypass line is used 15th used. Thus, the first diode D1 are less loaded, which in particular the first throttle L1 must be designed for significantly smaller currents. This is due to the blocking ability of the throttle L1 at one himself setting charging current less than 0 amps is no longer necessary. In addition, as shown in the previous simulations, there is a non-intermittent current flow in the choke L1 available. However, it must be noted that at no time does the voltage across the first inductance 9 less than the differential voltage between the input voltage UE and the battery voltage of the electrical energy store 2 will. It is therefore advisable to use the bypass switch S2 to close only when a certain current threshold at D1 exceeded (for example 50 amps) and the bypass switch S2 to open again as soon as a second threshold value has been undershot again (for example 30 amps). The threshold values are based on the current ripple in the first strand 7th to interpret.

Insbesondere zeigt die 5 eine weitere Modifikation des Aufwärtswandlers 4. Dabei wird in dem ersten Strang 7 zwischen der ersten Induktivität 9 und der ersten Diode D1 eine zweite Drossel L2 verschaltet. Mithilfe dieser zweiten Drossel L2 kann die Taktfrequenz des ersten Schaltelements S1 angepasst, insbesondere reduziert, werden.In particular, shows the 5 another modification of the boost converter 4th . This is done in the first strand 7th between the first inductor 9 and the first diode D1 a second throttle L2 interconnected. With the help of this second throttle L2 can be the clock frequency of the first switching element S1 adjusted, in particular reduced.

Die 6, 7 und 8 zeigen weitere mögliche Ausführungsvarianten beziehungsweise Aufbauvarianten des Aufwärtswandlers 4.the 6th , 7th and 8th show further possible design variants or construction variants of the boost converter 4th .

Die 6 zeigt im Gegensatz zu der 2 eine mögliche Variante des Aufwärtswandlers 4, bei welcher ein negatives HV-Potential angepasst werden kann. In der 2 wurde dahingehend die Spannungserhöhung zum Laden des elektrischen Energiespeichers 2 im positiven HV-Potential durchgeführt. In der 6 erfolgt eine Absenkung des negativen HV-Potentials. Dabei sind die Stränge 7, 8 zwischen dem negativen Potential des elektrischen Energiespeichers 2 und der Gleichspannungsladequelle 3 verschaltet. Dabei ergeben sich jedoch analoge Funktionen beziehungsweise Funktionalitäten zu dem vorher Gezeigten.the 6th shows in contrast to the 2 a possible variant of the boost converter 4th , at which a negative HV potential can be adjusted. In the 2 the voltage increase for charging the electrical energy storage device became to that effect 2 carried out in the positive HV potential. In the 6th the negative HV potential is lowered. Here are the strands 7th , 8th between the negative potential of the electrical energy store 2 and the DC voltage charging source 3 interconnected. However, this results in functions or functionalities that are analogous to those shown above.

Die 7 zeigt insbesondere eine weitere Ausführungsform des Aufwärtswandlers 4. Dabei können mithilfe des gezeigten Aufwärtswandlers 4 beide Potentiale (HV+, HV-) angepasst werden. Dabei ist der eine Trafo mit einem jeweiligen Zweig an dem positiven Potential und ein Trafo mit zwei Zweigen beziehungsweise zwei Strängen am negativen Potential verschaltet. Dabei können beide Trafos mit dem ersten Schaltelement, also mit einem Schaltelement, betrieben werden. Dabei können beide HV-Potentiale gleichzeitig und im gleichen Verhältnis zueinander angepasst werden.the 7th shows in particular a further embodiment of the boost converter 4th . You can use the boost converter shown 4th both potentials (HV +, HV-) can be adjusted. One transformer is connected to a respective branch at the positive potential and one transformer is connected to two branches or two strings at the negative potential. Both transformers can be operated with the first switching element, i.e. with one switching element. Both HV potentials can be adjusted simultaneously and in the same ratio to one another.

Die 8 zeigt insbesondere ein weiteres Ausführungsbeispiel des Spannungswandlers 4, wobei hier ebenfalls beide HV-Potentiale angepasst werden können. Hierbei erfolgt die Anpassung beider HV-Potentiale mithilfe von Serienschalter mit jeweils zwei Halbleiterschaltern und einem internen Zwischenkreiskondensator. Dabei können beide HV-Potentiale unabhängig voneinander variiert werden.the 8th shows in particular a further embodiment of the voltage converter 4th , whereby both HV potentials can also be adjusted here. Both HV potentials are adjusted using series switches with two semiconductor switches each and an internal intermediate circuit capacitor. Both HV potentials can be varied independently of one another.

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

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Zitierte PatentliteraturPatent literature cited

  • DE 102017009355 A1 [0006]DE 102017009355 A1 [0006]
  • DE 102017009352 A1 [0007]DE 102017009352 A1 [0007]

Claims (10)

Aufwärtswandler (4) zum Laden eines elektrischen Energiespeichers (2) eines elektrisch angetriebenen Fahrzeugs (1), mit - einer Eingangsseite (5) des Aufwärtswandlers (4) zum Koppeln mit einer vorgegebenen externen Gleichspannungsladequelle (3), welche eine Eingangsspannung (UE) bereitstellt, - einer Ausgangsseite (6) des Aufwärtswandlers (4) zum Koppeln mit dem elektrischen Energiespeicher (3), wobei die Ausgangsseite (6) eine zur Eingangsspannung (UE) höhere Ausgangsspannung (UA) bereitstellt, und - einen ersten Strang (7) und einen zweiten Strang (8), welche zwischen der Eingangsseite (5) und der Ausgangseite (6) verschaltet sind, dadurch gekennzeichnet, dass - der erste Strang (7) und der zweite Strang (8) zueinander parallel verschaltet sind, - 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) des ersten Strangs (7) mit der zweiten Induktivität (10) des zweiten Strangs (8) magnetisch gekoppelt ist, wobei - der Aufwärtswandler (4) dazu ausgebildet ist, in Abhängigkeit von der magnetischen Kopplung 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. Step-up converter (4) for charging an electrical energy store (2) of an electrically powered vehicle (1), with - an input side (5) of the step-up converter (4) for coupling to a predetermined external DC voltage charging source (3) which provides an input voltage (UE) - An output side (6) of the boost converter (4) for coupling to the electrical energy store (3), the output side (6) providing an output voltage (UA) higher than the input voltage (UE), and - a first strand (7) and a second strand (8), which are interconnected between the input side (5) and the output side (6), characterized in that - the first strand (7) and the second strand (8) are interconnected in parallel, - the first strand (7) has a first inductance (9) for providing a first phase voltage (U1), - the second phase (8) has a series connection of a second inductance (10) and a first choke (L1) for making available a second phase voltage (U2), - the first inductance (9) of the first phase (7) is magnetically coupled to the second inductance (10) of the second phase (8), wherein - the step-up converter (4) is designed to, in Depending on the magnetic coupling of the first and second inductance (9, 10) as the charging current of the electrical energy store (2) to provide the sum of a charging current of the first strand (7) and a charging current of the second strand (8). Aufwärtswandler (4) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Strang (8) zwischen der ersten Drossel (L1) und einer zur ersten Drossel (L1) in Reihe verschalteten Diode (D2) einen Mittelabgriff (14) aufweist, wobei ein erstes Schaltelement (S1) mit dem Mittelabgriff (14) verschaltet ist, wodurch der zweite Strang (8) mittels des ersten Schaltelements (S1) mit einem Potential des elektrischen Energiespeichers (2) gekoppelt ist.Boost converter (4) according to Claim 1 , characterized in that the second strand (8) has a center tap (14) between the first choke (L1) and a diode (D2) connected in series to the first choke (L1), a first switching element (S1) with the center tap (14) is connected, whereby the second strand (8) is coupled to a potential of the electrical energy store (2) by means of the first switching element (S1). Aufwärtswandler (4) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Strang (7) eine Reihenschaltung aus der ersten Induktivität (9) und einer ersten Diode (D1), insbesondere einer Freilaufdiode, aufweist und der zweite Strang (8) eine Reihenschaltung aus der zweiten Induktivität (10), der ersten Drossel (L1) und einer zweiten Diode (D2), insbesondere einer Freilaufdiode, aufweist.Step-up converter (4) according to one of the preceding claims, characterized in that the first strand (7) has a series connection of the first inductance (9) and a first diode (D1), in particular a freewheeling diode, and the second strand (8) has a Series connection of the second inductance (10), the first choke (L1) and a second diode (D2), in particular a freewheeling diode. Aufwärtswandler (4) nach Anspruch 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der ersten Induktivität (9) und der ersten Diode (D1) des ersten Strangs (7) eine zweite Drossel (L2) zur Anpassung einer Taktfrequenz des ersten Schaltelements (S1) ausgebildet ist.Boost converter (4) according to Claim 2 and 3 , characterized in that a second choke (L2) for adapting a clock frequency of the first switching element (S1) is formed between the first inductance (9) and the first diode (D1) of the first strand (7). Aufwärtswandler (4) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Eingangsseite (5) eine Eingangskapazität (C1) und die Ausgangsseite (6) einen Ausgangskapazität (C2) aufweist.Up converter (4) according to one of the preceding claims, characterized in that the input side (5) has an input capacitance (C1) and the output side (6) has an output capacitance (C2). Aufwärtswandler (4) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Induktivität (9) und die zweite Induktivität (10) als Spulen ausgebildet sind, wodurch die magnetisch gekoppelten Induktivitäten (9, 10) einen Transformator (13) bilden, insbesondere die beiden als Spulen ausgebildeten Induktivitäten (9, 10) einen entgegengesetzten Wicklungssinn aufweisen.Step-up converter (4) according to one of the preceding claims, characterized in that the first inductance (9) and the second inductance (10) are designed as coils, whereby the magnetically coupled inductances (9, 10) form a transformer (13), in particular the two inductors (9, 10) designed as coils have opposite directions of winding. Aufwärtswandler (4) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Strang (7) eine Bypass-Leitung (15) aufweist, wobei mit einem Bypass-Schalter (S2) innerhalb der Bypass-Leitung (15) ein Stromfluss in dem ersten Strang (7) auf die Bypass-Leitung (15) und auf die erste Diode (D1) aufteilbar ist.Boost converter (4) according to one of the preceding claims, characterized in that the first strand (7) has a bypass line (15), with a bypass switch (S2) within the bypass line (15) a current flow in the first strand (7) on the bypass line (15) and on the first diode (D1) can be divided. Fahrzeug (1) mit einem Aufwärtswandler (4) nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 7.Vehicle (1) with a boost converter (4) according to one of the preceding Claims 1 until 7th . Verfahren zum Laden eines elektrischen Energiespeichers (2) eines elektrisch angetriebenen Fahrzeugs (1) mit einem Aufwärtswandler (4), wobei - mit einer externen Gleichspannungsladequelle (3) eine Eingangsspannung (UE) für den Aufwärtswandler (4) bereitgestellt wird, und - mit dem Aufwärtswandler (4) eine zur Eingangsspannung (UE) höhere Ausgangsspannung (UA) dem elektrischen Energiespeicher (2) bereitgestellt wird, dadurch gekennzeichnet, dass - mit einem ersten Strang (7) des Aufwärtswandlers (4), welcher eine erste Induktivität (9) aufweist, eine erste Strangspannung (U1) bereitgestellt wird, - mit einem zweiten Strang (8) des Aufwärtswandlers (4), welcher eine Reihenschaltung aus einer zweiten Induktivität (9) und einer ersten Drossel (L1) aufweist, eine zweite Strangspannung (U2) bereitgestellt wird, wobei - mit dem Aufwärtswandler (4) in Abhängigkeit von einer magnetischen Kopplung 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) bereitgestellt wird.A method for charging an electrical energy store (2) of an electrically powered vehicle (1) with a step-up converter (4), wherein - an input voltage (UE) for the step-up converter (4) is provided with an external DC voltage charging source (3), and - with the Boost converter (4) an output voltage (UA) higher than the input voltage (UE) is provided to the electrical energy store (2), characterized in that - with a first strand (7) of the boost converter (4) which has a first inductance (9) , a first phase voltage (U1) is provided, - a second phase voltage (U2) is provided with a second phase (8) of the step-up converter (4), which has a series connection of a second inductor (9) and a first choke (L1) - with the step-up converter (4) depending on a magnetic coupling of the first and second inductance (9, 10) as the charging current of the electrical energy store (2) d The sum of a charging current of the first line (7) and a charging current of the second line (8) is provided. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass mit dem Aufwärtswandler (4) ein negatives Potential und/oder ein positives Potential eines elektrischen Bordnetzes des elektrisch angetriebenen Fahrzeugs (1) angepasst wird.Procedure according to Claim 9 , characterized in that the step-up converter (4) has a negative potential and / or a positive potential an on-board electrical system of the electrically powered vehicle (1) is adapted.
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