Titel

Bidirektionaler DC/DC-Wandler und Verfahren zum Betreiben des DC/DC

Wandlers

Die Erfindung betrifft einen bidirektionalen DC/DC-Wandler der eine Ergänzung aufweist, die ein verbessertes Betreiben des DC/DC Wandlers ermöglicht, und sie umfasst auch ein Verfahren zum Betreiben des DC/DC-Wandlers.

Stand der Technik

DC/DC-Wandler werden von einer Gleichspannungsquelle gespeist und stellen einem Verbraucher elektrische Energie als Gleichspannung auf einem anderen Spannungsniveau zur Verfügung. Beispielsweise wird elektrische Energie aus einem Hochvoltnetz in ein Niederspannungsnetz übertragen und auf ein Spannungsniveau des Niedervoltnetzes gewandelt.

Beispielsweise wird bei Elektro- oder Hybridfahrzeugen der Antriebsmotor aus dem Hochvoltnetz mit einer Spannung vom mehreren 100 Volt betrieben, während das Niedervolt- Bordnetz eine Spannung von zumeist 12 Volt, gelegentlich auch 24 oder 48 Volt aufweist. Beide Netze weisen jeweils eine Batterie auf und sind über einen DC/DC-Wandler miteinander verbunden, was zur Stabilität des Gesamtsystems beiträgt. Dabei wird die Niedervoltbatterie regelmäßig über den DC/DC-Wandler aus dem Hochvoltnetz geladen, ähnlich wie die Batterie bei einem PKW mit Verbrennungsmotor mittels der

Lichtmaschine. Die Hochvoltbatterie hingegen muss regelmäßig an Tankstellen aufgeladen oder evtl, auch ausgetauscht werden.

In bestimmten Reparatur- und Wartungssituationen aber auch im normalen Aus- Zustand des Fahrzeugs muss die Hochvoltbatterie abgeklemmt werden, und das Hochvoltnetz muss spannungfrei sein; dafür muss insbesondere der

Zwischenkreiskondensator, der parallel zur Hochvoltbatterie geschaltet ist, entladen werden.

Würde später die Hochvoltbatterie unvermittelt wieder an das Hochvoltnetz angeschlossen, so würden dabei, insbesondere durch das Wiederaufladen des Zwischenkreiskondensators, potentiell hohe und schnell ansteigende Ströme fließen. Im Stand der Technik ist daher eine Ladevorrichtung für den

Zwischenkreiskondensator mit Energie aus der anzuschließenden Batterie vorgesehen. Diese Ladevorrichtung umfasst einen Ohmschen Ladewiderstand und einen mechanischen Schalter. Nach Einschalten des Schalters fließt ein Ladestrom über den Ladewiderstand zum Zwischenkreiskondensator, und erst wenn dieser aufgeladen ist, kann die Hauptverbindung der Batterie mit dem Zwischenkreiskondensator geschaltet werden, die den Ladewiderstand überbrückt.

Aus der WO 2017/125204 Al ist einDC-DC-Wandler bekannt, der unter bestimmten Randbedingungen auch zum Leistungstransfer von der Sekundär- auf die Primärseite eingesetzt werden kann, wenn auf der Sekundärseite aktive Schaltelemente eingesetzt werden. Für geringe Spannungen benötigt man für den Leistungstransfer in Rückwärtsrichtung zusätzliche leistungselektronische Komponenten. Bevorzugt wird hierzu eine zusätzliche magnetische Komponente mit Beschaltung verwendet.

Offenbarung der Erfindung und Vorteile der Erfindung

Ein erster Aspekt der Erfindung ist auf die hardwaremäßige Schaltung des Wandlers gerichtet. Der DC/DC-Wandler gemäß der Erfindung zur

Energieübertragung zwischen einer Primärseite und einer Sekundärseite weist Anschlüsse für einen Primärenergiespeicher und einen Sekundärenergiespeicher auf. Bevorzugt umfasst der DC/DC Wandler primärseitig einen

Zwischenkreiskondensator welcher primärseitig mit den Anschlüssen für den Primärenergiespeicher verbunden ist. Ein oder mehrere T ransformatoren sichern das galvanische Trennen der Primärseite von der Sekundärseite derart, dass ein Energieübergang nur über die induktive Kopplung zwischen den T ransformatorspulen erfolgt. Die T ransformatorspulen können auf der jeweils Energie abgebenden Seite mit Stromimpulsen aus dem entsprechenden Energiespeicher, Primärenergiespeicher oder Sekundärenergiespeicher beaufschlagt werden, indem als Schaltelemente ausgebildete Dioden sie mittels einer Steuereinrichtung mit hoher Frequenz (einige kHz) an den Energiespeicher anschließen und sie umpolen. Auf der Energie empfangenen Seite arbeiten Dioden als Gleichrichter für die übertragenen Stromimpulse

(Synchrongleichrichter), jedoch müssen, wenn der DC/DC-Wandler bidirektional betrieben wird, solche Dioden zum Einsatz kommen, die bei Bedarf auch geschaltet werden können.

Eine sekundärseitige Serieninduktivität dient im Normalbetrieb, d.h. bei

Energieübertragung von der Primärseite zur Sekundärseite, dazu, die

Stromimpulse sekundärseitig zu glätten.

Um nun bevorzugt einen primärseitigen Zwischenkreiskondensator aus dem Sekundärenergiespeicher gesteuert und strombegrenzt laden zu können, ist ein Sperr-Schaltelement vorgesehen, welches parallel zur sekundärseitigen

Serieninduktivität geschaltet wird. Die Bezeichnung Sperr-Schaltelement bezieht sich auf die Fähigkeit des Sperr-Schaltelementes, bidirektional sperren zu können. Dafür ist ein Sperr-Schaltelement vorgesehen, welches parallel zur sekundärseitigen Serieninduktivität geschaltet ist, und im geschlossen Zustand die sekundärseitigen Serieninduktivität kurz schließt.

Ein so ergänzter DC/DC-Wandler hat den Vorteil, dass ein verbesserter Rückwärtsbetrieb ermöglicht wird und beispielsweise keine Ladeschaltung zum Laden eines Zwischenkreiskondensators der Primärseite aus einem

Primärenergiespeicher mehr benötigt wird, die insbesondere einen zusätzlichen aufwändigen mechanischen Schalter primärseitig erforderlich macht; vielmehr kann der Zwischenkreiskondensator, durch geeignetes Steuern der

sekundärseitigen Schaltelemente des Wandlers, ausgehend von der Spannung Null auf seinen Sollwert aufgeladen werden, bevor der Primärenergiespeicher angeschlossen wird. Auch die Verluste, die sonst im Ladewiderstand einer Ladeschaltung nach dem Stand der Technik entstehen, entfallen, was den Wirkungsgrad erhöht. Aber auch für andere Anwendungsfälle, beispielsweise für bestimmte

Funktionstests, kann ein derart modifizierter DC/DC-Wandler einen

primärseitigen Zwischenkreiskondensator bei abgeklemmtem

Primärenergiespeicher aus dem sekundärseitigen Sekundärenergiespeicher auf jede gewünschte Spannung aufladen.

Ausführungsarten des Wandlers bringen weitere Vorteile.

Der DC/DC-Wandler mit einem Sperr-Schaltelement, welches parallel zur sekundärseitigen Serieninduktivität geschaltet ist, kann ein Durchflusswandler mit galvanischer Trennung von Primär- und Sekundärseite und mit stromgespeister Sekundärseite sein. Beispielsweise kann er ein ein- oder mehrphasiger Phase- Shifted- Full- Bridge (PSFB)-Wandler, ein Push-Pull-Wandler, Resonanzwandler oder ein Multilevel-Wandler sein. Insbesondere können der T ransformator, die Schaltelemente und die Steuereinrichtung auch derart beschältet und betrieben werden, dass der Wandler als ein einphasiger Phase-Shifted- Full- Bridge (PSFB) DC/DC-Wandler, bevorzugt für Hybrid- und Elektrofahrzeuge, ausgebildet ist.

Es ist ein Vorteil der Erfindung, dass diese bei allen diesen Wandlertypen universell eingesetzt werden kann.

In einer anderen Ausgestaltung der Erfindung ist das Sperr-Schaltelement ein bidirektional sperrfähiges Schaltelement. Das Sperr-Schaltelement kann somit einen Stromfluss in beide Richtungen verhindern. Bei derart geöffnetem Sperr- Schaltelement ist ein Rückwärtsbetrieb des DC/DC Wandlers, also eine

Energieübertragung von der Sekundärseite zur Primärseite, nur möglich, falls die primärseitige Spannung größer als ein spezifischer Spannungswert ist, der sich aus dem Produkt der Spannung des Sekundärenergiespeichers und dem

Quotient aus dem Windungsverhältnis der primärseitigen Wicklung zur sekundärseitigen Wicklung des Transformators ergibt. Bei geschlossenem Sperr- Schaltelement ist ein Rückwärtsbetrieb des DC/DC Wandlers auch dann möglich, falls die primärseitige Spannung kleiner als dieser spezifische Spannungswert ist. Vorteilhaft wird ein DC/DC Wandler bereitgestellt, der auch bei kleinsten primärseitigen Spannungen und auch bei 0 Volt im Rückwärtsbetrieb betrieben werden kann.

In einer anderen Ausgestaltung der Erfindung umfasst das Sperr-Schaltelement zwei Halbleiterschalter, deren Gateanschlüsse verbunden sind und einen ersten Anschluss des Sperr-Schaltelementes ausbilden und deren Sourceanschlüsse verbunden sind und einen zweiten Anschluss des Sperr-Schaltelementes ausbilden. Das bidirektional sperrfähige Sperr-Schaltelement wird aus zwei derart angeordneten Halbleiterschaltern gebildet, dass die beiden intrinsischen Freilauf-Dioden gegeneinander ausgerichtet sind. Vorteilhaft wird eine Topologie für ein bidirektional sperrfähiges Schaltelement bereitgestellt, welche mittels verfügbarer Bauelemente in der Wandlerschaltung umgesetzt werden kann.

In einer anderen Ausgestaltung der Erfindung sind ein oder mehrere

Dämpfungskondensatoren vorgesehen, die parallel zu den Anschlüssen für den Sekundärenergiespeicher geschaltet sind. Oder es ist eine Serienschaltung eines Dämpfungswiderstands und eines Dämpfungskondensators, die parallel zur Serienschaltung von Serieninduktivität und zu den Anschlüssen für den

Sekundärenergiespeicher geschaltet ist, vorgesehen. Diese

Schaltungsergänzungen dienen zum vorteilhaften Glätten von Spannungsspitzen bei den sekundärseitigen Schaltvorgängen.

Ein zweiter Aspekt der Erfindung betrifft das Verfahren zum Betreiben eines bidirektionalen DC/DC Wandlers im Rückwärtsbetrieb, wobei das

Sperrschaltelement geschlossen ist und damit die sekundärseitigen

Serieninduktivität kurzgeschlossen ist.

Der Vorteil ist hier, dass bei geschlossenem Sperr-Schaltelement ein

Rückwärtsbetrieb des DC/DC Wandlers ermöglicht wird, selbst bei kleinsten primärseitigen Spannungen und auch bei 0 Volt. In diesem Boost-Modus kann bevorzugt ein primärseitiger Zwischenkreiskondensator praktisch auf jede gewünschte Spannung aufgeladen werden.

In einer anderen Ausgestaltung umfasst das Verfahren zum Betreiben eines bidirektionalen DC/DC Wandlers im Rückwärtsbetrieb, folgende Schritte: - Schließen des Sperr-Schaltelement, solange die primärseitige Spannung einen vorgebbaren ersten Spannungsgrenzwert unterschreitet;

- Öffnen des Sperr-Schaltelementes, falls die die primärseitige Spannung einen vorgebbaren zweiten Spannungsgrenzwert nicht unterschreitet.

Es wird ein Verfahren bereitestellt, welches den Boostbetrieb bei kleinsten primärseitigen Spannungen und auch bei 0 Volt ermöglicht. Der erste und der zweite Spannungsgrenzwert korrelieren mit dem oben beschriebenen spezifischen Spannungswert. Der erste und der zweite Spannungsgrenzwert wird dem Verfahren entweder vorgegeben oder online während des Betriebs des DC/DC Wandlers ermittelt und in Abhängigkeit der sekundärseitigen Spannung vorgegeben. Inbesondere gibt es einen ersten und einen zweiten

Spannungsgrenzwert um gegebenenfalls eine Hysterese vorzusehen, dass ein häufiges Umschalten vermieden wird. Hierzu ist bevorzugt der erste

Spannungsgrenzwert kleiner als der zweite Spannungsgrenzwert. Bevorzugt kann der erste und der zweite Spannungsgrenzwert auch identisch sein.

Bei geschlossenem Sperr-Schaltelement ergibt sich ein DC/DC Wandler, welcher unabhängig von der primär- und sekundärseitigen Spannung bidirektional Leistung übertragen kann, so dass der Leistungstransfer in Rückwärtsrichtung möglich wird. Zur Übertragung der Leistung werden mindestens zwei der vier Halbbrücken aktiv angesteuert. Zur Optimierung der Effektivwerte der Schalter und T ransformatorströme, können bevorzugt komplexere Ansteuerungen wie die „Three-Ievel“- bzw.„Triple-phase-shift“- Ansteuerung verwendet werden, welche aus der Ansteuerung von Dual- Active- Bridge DC/DC-Wandlern bekannt ist. Während der hochfrequente Wechselstromanteil der sekundärseitigen

Vollbrückenschalterströme von der mittels des Sperr-Schalters

kurzgeschlossenen sekundärseitigen Induktivität nicht geleitet wird, da die Impedanz sehr viel größer als die des geschlossenen Sperr-Schaltelementes ist, kann der Gleichstromanteil teilweise von der kurzgeschlossenen

sekundärseitigen Induktivität übernommen werden. Das Sperr-Schaltelement muss dadurch nicht für den Effektivwert des sekundärseitigen Stroms ausgelegt werden. Bevorzugt wird in allen anderen Betriebsbereichen des Wandlers das Sperr-Schaltelement geöffnet, so dass der Einfluss auf die Schaltung

vernachlässigbar wird. Die Glättung des Ausgangsstroms durch die

sekundärseitige Induktivität verringert in diesen Betriebsbereichen die Effektivwerte der Wandlerströme (Transformator- und Schalterströme). Dies verbessert die Effizienz und erhöht die maximale Ausgangsleistung.

Vorteilhaft ist es auch, wenn die Steuereinrichtung mit Impulsen einer festen Frequenz arbeiten kann.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Figur 1 zeigt die Schaltung eines einphasigen Phase-Shifted- Full- Bridge (PSFB) DC/DC-Wandler mit den für ein Betreiben des bidirektionalen DC/DC- Wandlers vorgesehenen Ergänzungen;

Figur 2 zeigt eine schematische Darstellung eines Sperr-Schaltelementes;

Figur 3 stellt schematisch ein Verfahrensablaufdiagramm für das Betreiben des bidirektionalen DC/DC Wandlers dar.

Figur 1 zeigt die Schaltung eines einphasigen Phase-Shifted- Full- Bridge (PSFB) DC/DC-Wandlers, der ein möglichen Wandler-Typ ist, bei dem durch

Modifikationen, die nachfolgend im Einzelnen beschrieben werden, ein Betreiben des bidirektionalen DC/DC Wandlers und damit ein Boostbetrieb ab der primärseitigen Spannung Null Volt und einer Energieübertragung aus dem Sekundärenergiespeicher möglich ist. Die Modifikationen können aber an jedem Durchflusswandler mit galvanischer Trennung und stromgespeistem Primär- Zwischenkreis eingesetzt werden, z.B. bei Push-Pull-Wandlern oder Multilevel- Wandlern.

Der in Figur 1 dargestellte PSFB-Wandler weist einen Transformator 1 auf, der im Normalbetrieb von dem am primärseitigen Anschluss H V angeschlossenen Primärenergiespeicher UHV, bevorzugt eine Hochvoltbatterie, gespeist wird. Primärseitig angeordnete zwei Halbbrücken mit den Schaltelemente Ml bis M4 schalten diese Spannung mit einer Taktfrequenz von einigen kHz mit alternierendem Vorzeichen auf die primäre Wicklung des Transformators 1, wodurch dessen Kern, periodisch alternierend, magnetisch aufgeladen wird. Durch eine Verschiebung der Einschaltzeitpunkte der zweiten Halbbrücke mit den Schaltelementen M2 und M4 gegenüber denen der ersten Halbbrücke mit den Schaltelementen Ml und M3 wird die relative Dauer der alternierenden Spannungspulse verändert. Die Dauer der benötigten Spannungspulse wird im Wesentlichen durch das Verhältnis aus der Spannung des

Primärenergiespeichers und der des Sekundärenergiespeichers bestimmt. Bevorzugt sorgt eine Resonanzspule LR ES primär- und/ oder sekundärseitig des Transformators 1 für ein weiches Schalten der Schaltelemente, sodass deren Schaltverlustleistung minimiert wird.

Sekundärseitig des Transformators 1, bevorzugt in dem Niedervoltbereich, wird eine Induktionsspannung erzeugt, die durch die passiven Dioden Dl bis D4 gleichgerichtet wird. Der Induktionsstoß wird über die Serieninduktivität W1 bevorzugt auf den Kondensator C2 und bevorzugt die sekundärseitigen

Anschlüsse LV geleitet, an die der Sekundärenergiespeicher UNV und bevorzugt die sekundärseitigen Verbraucher des Niedervoltkreis angeklemmt sind. Die Serieninduktivität W1 dient dem Glätten des Ausgangsstroms. Im Normalbetrieb arbeitet der PSFB-Wandler als Tiefsetzsteller.

Es ist hier anzumerken, dass die Schaltelemente Ml bis M4 auf der Primärseite und sekundärseitig Dl bis D4 auf der Niedervoltseite sowohl als "Dioden" wie auch "Schalter" bezeichnet werden, je nachdem, ob im Vordergrund steht, dass in der aktuellen Funktion der Schaltung der Übergang zwischendem leitenden und dem nichtleitenden Zustand passiv vom Vorzeichen der anliegenden Spannung bestimmt wird, oder dass dieser Übergang durch aktives Schalten zu bestimmten Zeitpunkten von der Steuereinrichtung 2 vorgegeben wird. Unter den beiden Begriffen sind jedoch immer dieselben Schaltelemente zu verstehen.

Bevorzugt bei bestimmten Reparatur- und Wartungssituationen, aber auch im normalen Aus-Zustand des Fahrzeugs, z.B. bei einem Elektro- oder

Hybridfahrzeug, muss der Primärenergiespeicher UHV, insbesondere eine Hochvoltbatterie, abgeklemmt werden, und die Primärseite HV muss

spannungfrei sein; dafür muss insbesondere der Zwischenkreiskondensator CZK entladen werden. Würde später der Primärenergiespeicher UHV, insbsondere die Hochvoltbatterie unvermittelt wieder an die Primärseite, bevorzugt dasHochvoltnetz,

angeschlossen werden, so würden dabei, insbesondere durch das

Wiederaufladen des Zwischenkreiskondensators CZK, so hohe und so schnell ansteigende Ströme fließen, dass zumindest bei einigen Bauteilen die zulässigen Werte überschritten werden und diese Bauteile dadurch gefährdet sind.

Der soweit beschriebene Wandler, der bezüglich Ein- und Ausgang im

Wesentlichen symmetrisch aufgebaut ist, soll nun so modifiziert werden, dass er bidirektional arbeitet und einen Boostbetrieb bei kleinsten primärseitigen

Spannungen und auch bei 0 Volt ermöglicht. Bevorzugt ist der Hochsetzsteller in der Lage, den Zwischenkreiskondensator CZK mit sekundärseitiger Energie aus der Niedervoltbatterie UNV aufzuladen. Damit wird eine besondere

Ladevorrichtung überflüssig, die im Stand der Technik zu diesem Zweck Energie aus der anzuschließenden Hochvoltbatterie UHV an den

Zwischenkreiskondensator CZK überträgt. Hierzu wird der beschriebene Wandler bei mittels des Sperr-Schaltelementes

Hierfür wird bei geschlossenem Sperr-Schaltelement der DC/DC Wandler wie ein Dual- Active- Bridge DC/DC-Wandler betrieben.

Die Serieninduktivität W1 kann in konventioneller Technik, also bedrahtet oder in Planartechnik in eine Leiterplatte integriert realisiert werden.

Das Kurzschließen der Serieninduktivität W1 ist nur bei geringen primärseitigen Spannungen notwendig. Daher ist das Sperr-Schaltelement S1 parallel zur sekundärseitigen Serieninduktivität W1 vorgesehen, das durch die

Steuereinrichtung 2 nur für die Zeit, solange die primärseitige Spannnung kleiner als ein vorgebbarer erster Spannungsgrenzwert ist, dieser ersten Phase geschlossen ist; in allen anderen Betriebszuständen des Wandler ist bevorzugt das Sperr-Schaltelement S1 geöffnet, und damit ist dann die Modifikation der Schaltung durch das Sperr-Schaltelement S1 wirkungslos.

Die in Figur 1 dargestellte Schaltung zeigt noch weitere Modifikationen zum sicheren Betrieb des DC/DC-Wandlers. Parallel zur Serienschaltung von Serieninduktivität W1 und den Anschlüssen für einen Sekundärenergiespeicher ist bevorzugt die Serienschaltung eines Dämpfungskondensators CS und eines Dämpfungswiderstands RS vorgesehen. Diese Bauelemente glätten

Spannungsspitzen bei den Schaltvorgängen mit den sekundärseitigen

Schaltelementen Dl bis D4. Weitere Glättungskondensatoren CFB sind parallel zu den Anschlüssen für den Sekundärenergiespeicher UNV geschaltet.

Figur 2 zeigt eine schematische Darstellung eines Sperr-Schaltelementes Sl, bevorzugt ein bidirektional sperrfähiges Schaltelement. Beispielsweise sind zwei Halbleiterschalter 210, 220 so angeordnet, dass deren Gateanschlüsse 212, 222 verbunden sind und einen ersten Anschluss 230 des Sperrschaltelementes Sl ausbilden. Die Sourceanschlüsse 214, 224 der zwei Halbleiterschalter 210, 220 sind ebenfalls verbunden und bilden einen zweiten Anschluss 240 des

Sperrschaltelementes Sl aus. Dadurch stehen sich die intrinsischen Bodydioden der Halbleiterschalter 210, 220 gegenüber, so dass ein Stromfluss in beide Richtungen durch das Sperr-Schaltelement Sl verhindert werden kann.

Figur 3 stellt schematisch schematisch ein Verfahrensablaufdiagramm für das Betreiben des bidirektionalen DC/DC Wandlers dar. Die einzelnen Schritte des Verfahrens 100 werden für den Betrieb des DC/DC Wandlers von der

Steuervorrichtung 2 ausgeführt. Mit Schritt 10 startet das Verfahren 100. In Schritt 20 wird die primärseitige Spannung, welche bevorzugt an den

Anschlüssen für den Primärenergiespeicher UHV anliegt, erfasst, beispielsweise mittels einer Spannungsmessung oder durch Auslesen bereits im System erfasster physikalischer Größen, aus denen die Spannung abgeleitet werden kann. In Schritt 30 wird die Spannung mit einem ersten und/ oder einem zweiten Spannungsgrenzwert verglichen. Falls die primärseitige Spannung einen vorgebbaren ersten Spannungsgrenzwert unterschreitet verzweigt das Verfahren zu Schritt 40. In Schritt 40 wird das Sperr-Schaltelement Sl geschlossen. Falls die primärseitige Spannung einen vorgebbaren zweiten Spannungsgrenzwert nicht unterschreitet verzweigt das Verfahren zu Schritt 50. In Schritt 50 wird das Sperr-Schaltelement Sl geöffnet. Hierzu ist bevorzugt der erste

Spannungsgrenzwert kleiner als der zweite Spannungsgrenzwert. Bevorzugt kann der erste und der zweite Spannungsgrenzwert auch identisch sein. Nach Ausführen des Schritt 40 oder 50 verzweigt das Verfahren zurück zu Schritt 20, indem die primärseitige Spannung erfasst wird.