Vorrichtung zur Spannungswandlung sowie Bordnetz mit einer genannten Vorrichtung

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur

Spannungswandlung sowie ein Bordnetz mit einer genannten Vorrichtung. Ferner betrifft die Erfindung ein Fahrzeug mit einem genannten Bordnetz.

Gattungsgemäße Vorrichtungen zur Spannungswandlung finden ihre Anwendungen in nahezu allen elektrischen Systemen, in denen verschiedene Systemspannungen vorliegen und funktionsbedingt eine Systemspannung in eine andere Systemspannung umgewandelt wird. Ein Beispiel für die genannten Systeme ist ein Bordnetz eines Hybrid- oder Elektrofahrzeugs . Ein derartiges Bordnetz umfasst in der Regel zwei oder mehr Bordnetzzweige mit jeweils einer Bordnetzspannung, wobei die Bordnetzspannungen verschiedener Bordnetzzweige unterschiedliche Spanungswerte aufweisen. Dabei umfasst ein erster Bordnetzzweig Stromverbraucher mit einer niedrigen Verbrauchsleistung, wie zum Beispiel ein Navigationsgerät, welche mit einer 12 Volt

Bordnetzspannung versorgt werden. Dieser erste Bordnetzzweig wird dann beispielhaft als Niederspannungsbordnetzzweig be- zeichnet. Ein zweiter Bordnetzzweig umfasst Stromverbraucher mit einer hohen Verbrauchsleistung, wie zum Beispiel einen

Elektromotor, der als Anlasser für den Verbrennungsmotor oder als Antrieb des Fahrzeugs dient. In diesem zweiten Bordnetzzweig herrscht in der Regel eine vergleichsweise hohe Bordnetz- Spannung, welche bei 100 Volt oder höher liegt. Dieser zweite Bordnetzzweig wird dann beispielhaft als Hochspannungsbord- netzzweig genannt. Zwischen diesen beiden Bordnetzzweigen findet oft ein Stromfluss statt, um beispielweise bei einem sprungartig steigenden Strombedarf durch Zuschalten eines leistungsstarken Stromverbrauchers in dem zweiten Bordnetzzweig diesen vor einem schädlichen Spannungseinbruch zu bewahren. Hierzu weist das Bordnetz eine Vorrichtung zur Spannungswandlung auf, welche die Bordnetzspannung des ersten Bordnetzzweigs in die andere Bordnetzspannung des zweiten Bordnetzzweigs umwandelt.

Wie vielen anderen elektrischen Systemen unterliegt das Bordnetz eines Fahrzeugs einer strengen Sicherheitsanforderung, gefährliche Körperströme möglichst zu vermeiden, welche zwischen zwei Stromanschlüssen bei einer Berührspannung von über 60v entstehen. Stromanschl- Zur Einhaltung dieser Sicherheitsanforderung wird die Vorrichtung zur Spannungswandlung eines Bordnetzes in der Regel mit Transformatoren ausgestattet, welche die Bordnetzzweige voneinander galvanisch trennen. Durch diese galvanische Trennung kann zwischen den Stromanschlüssen verschiedener Bordnetzzweige, nämlich zwischen den eingangssei- tigen Anschlüssen und den ausgangsseitigen Anschlüssen der Vorrichtung, kein Strom fließen. Folglich liegt zwischen den Stromanschlüssen verschiedener Bordnetzzweige auch keine Spannung, welche die maximal erlaubte Berührungsspannung überschreiten könnte. Derartige Vorrichtungen haben jedoch einen Nachteil, dass diese aufgrund der Transformatoren mit galva- nischer Trennfunktion teuer sind.

Damit besteht die Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, eine Möglichkeit zur kostengünstigen Spannungswandlung bereitzustellen, welche dennoch ausreichende Sicherheit bietet.

Diese Aufgabe wird durch die unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteran ^¬ sprüche . Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung wird eine Vorrichtung zur Spannungswandlung geschaffen, welche eine erste transformatorlose Gleichspannungswandlereinheit mit einem ersten Aus- gangspotentialanschluss zum Bereitstellen eines ersten Aus ^¬ gangsspannungspotentials, und eine zweite transformatorlose Gleichspannungswandlereinheit mit einem zweiten Ausgangspo- tentialanschluss zum Bereitstellen eines zweiten Ausgangs ^¬ spannungspotentials umfasst. Der erste und der zweite Aus- gangspotentialanschluss sind zugleich die beiden ausgangs- seitigen Anschlüsse der Vorrichtung. Die erste und die zweite Gleichspannungswandlereinheit weisen einen gemeinsamen Ein- gangspotentialanschluss zum Anlegen eines gemeinsamen Ein ^¬ gangsspannungspotentials und einen gemeinsamen Bezugspoten- tialanschluss zum Anlegen eines gemeinsamen Bezugsspannungs ^¬ potentials auf. Der gemeinsame Eingangspotentialanschluss und der gemeinsame Bezugspotentialanschluss sind zugleich die beiden eingangsseitigen Anschlüsse der Vorrichtung. Die erste

Gleichspannungswandlereinheit erzeugt aus dem an dem Ein- gangspotentialanschluss anliegenden Eingangsspannungspotential ein erstes Ausgangsspannungspotential an dem ersten Aus- gangspotentialanschluss , wobei das erste Ausgangsspannungs ^¬ potential bezogen auf das Bezugsspannungspotential an dem Bezugspotentialanschluss einen höheren Spannungspotentialwert aufweist. Analog erzeugt die zweite Gleichspannungswandler ^¬ einheit aus dem gleichen Eingangsspannungspotential ein zweites Ausgangsspannungspotential an dem zweiten Ausgangspotential- anschluss, wobei das zweite Ausgangsspannungspotential bezogen auf das gleiche Bezugsspannungspotential einen niedrigeren Spannungspotentialwert aufweist.

Die Differenz zwischen dem ersten und dem zweiten Ausgangsspannungspotential bildet dabei die Ausgangsspannung der Vorrichtung zwischen dem ersten und dem zweiten Ausgangspo- tentialanschluss beziehungsweise zwischen den beiden aus- gangsseitigen Anschlüssen der Vorrichtung.

Der Begriff „transformatorlos" bedeutet hierbei, dass die Vorrichtung, beziehungsweise die erste und die zweite

Gleichspannungswandlereinheit Vorrichtung, keinen Transfor ^¬ mator, beziehungsweise keine galvanische Trennung

• zwischen dem Eingangspotentialanschluss und dem ersten Ausgangspotentialanschluss ,

• zwischen dem Eingangspotentialanschluss und dem zweiten Ausgangspotentialanschluss ,

• zwischen dem Bezugspotentialanschluss und dem ersten

Ausgangspotentialanschluss , und/oder • zwischen dem Bezugspotentialanschluss und dem zweiten Ausgangspotentialanschluss ,

durch einen Transformator, aufweist. Ein „gemeinsamer Potentialanschluss" bedeutet einen gemeinsamen elektrischen Knotenpunkt mit demselben Spannungspotential in einer Schaltungstopologie der Vorrichtung.

Damit ist eine Vorrichtung zur Spannungswandlung geschaffen, welche keinen Transformator, beziehungsweise keine galvanische Trennung durch einen Transformator, aufweist und somit kostengünstig herstellbar ist. Zudem wird ermöglicht, dass bei entsprechender Ausgestaltung die oben genannte Sicherheitsanforderung erfüllt werden kann. Dadurch, dass zeitgleich ein gegenüber dem Eingangsspannungspotential und dem Bezugsspan ^¬ nungspotential höheres Ausgangsspannungspotential und ein gegenüber dem Eingangsspannungspotential und dem Bezugsspan ^¬ nungspotential niedrigeres Ausgangsspannungspotential erzeugt werden können, kann beispielsweise theoretisch eine Aus- gangsspannung von bis zu 120 Volt bereitgestellt werden, ohne dabei die oben genannte Sicherheitsanforderung mit einer maximalen Berührungsspannung von 60 Volt zu verletzen.

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung ist die erste

Gleichspannungswandlereinheit als ein Aufwärtswandler ausge ^¬ bildet. Dies hat den Vorteil, dass man mit der genannten Vorrichtung einfach das erste Ausgangsspannungspotential er ^¬ zeugen kann, welches einen höheren Spannungspotentialwert aufweist als das Eingangsspannungspotential.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Vorrichtung ist die zweite Gleichspannungswandlereinheit als ein Invers- wandler ausgebildet. Dies hat den Vorteil, dass man mit der genannten Vorrichtung einfach das zweite Ausgangsspannungs- potential erzeugen kann, welches gegenüber dem Eingangsspannungspotential und somit gegenüber dem ersten Ausgangsspannungspotential einen negativen Spannungspotentialwert aufweist. Zusammen bieten die beiden oben genannten vorteilhaften Ausgestaltungen den Vorteil, dass die Ausgangsspannung der Vorrichtung, welche eine Potentialdifferenz zwischen dem ersten und dem zweiten Ausgangsspannungspotential ist, einen höheren Spannungswert aufweisen kann im Vergleich zu einer Potentialdifferenz zwischen dem ersten Ausgangsspannungspotential und dem Eingangsspannungspotential oder zwischen dem zweiten Ausgangsspannungspotential und dem Eingangsspannungspotential. Damit kann die Vorrichtung transformatorlos mit einfachen und kostengünstigen Mitteln insgesamt eine höhere Spannungsverstärkung bei der Spannungswandlung erzielen.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung weist die erste Gleichspannungswandlereinheit zwischen dem Eingangspotenti- alanschluss und dem Bezugspotentialanschluss eine erste Spule und einen ersten steuerbaren Schalter in einer Reihenschaltung auf. Zwischen dem Eingangspotentialanschluss und dem ersten Ausgangspotentialanschluss weist die erste Gleichspannungs ^¬ wandlereinheit die erste Spule und einen zweiten steuerbaren Schalter in einer Reihenschaltung auf. Zwischen dem Bezugspotentialanschluss und dem ersten Ausgangspotentialanschluss weist die erste Gleichspannungswandlereinheit den ersten und den zweiten steuerbaren Schalter in einer Reihenschaltung sowie einen ersten Kondensator in einer Parallelschaltung zu der von dem ersten und dem zweiten Schalter gebildeten Reihenschaltung auf .

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung weist die zweite Gleichspannungswandlereinheit zwischen dem Eingangs- potentialanschluss und dem Bezugspotentialanschluss einen dritten steuerbaren Schalter und eine zweite Spule in einer Reihenschaltung auf. Zwischen dem Eingangspotentialanschluss und dem zweiten Ausgangspotentialanschluss weist die zweite Gleichspannungswandlereinheit den dritten steuerbaren Schalter und einen vierten steuerbaren Schalter in einer Reihenschaltung auf. Zwischen dem Bezugspotentialanschluss und dem zweiten Ausgangspotentialanschluss weist die zweite Gleichspannungs ^¬ wandlereinheit die zweite Spule und den vierten steuerbaren Schalter in einer Reihenschaltung sowie einen zweiten Kondensator in einer Parallelschaltung zu der von der zweiten Spule und dem vierten steuerbaren Schalter gebildeten Reihenschaltung auf .

Die zuletzt genannten beiden Ausgestaltungen der Vorrichtung bieten den Vorteil, dass die Vorrichtung aus einer einfachen Schaltung mit kostengünstigen standardisierten Bauelementen hergestellt werden kann.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann anstelle des zweiten eine erste Diode und anstelle des vierten Schalters eine zweite Diode verwendet werden. Dabei wird die erste Diode zwischen der ersten Spule und dem ersten Ausgangspotential- anschluss, und in Richtung von der ersten Spule zu dem ersten Ausgangspotentialanschluss hin leitend und umgekehrt sperrend angeordnet. Die zweite Diode wird zwischen dem dritten steu ^¬ erbaren Schalter und dem zweiten Ausgangspotentialanschluss, und in Richtung von dem zweiten Ausgangspotentialanschluss zu dem dritten steuerbaren Schalter hin leitend und umgekehrt sperrend angeordnet .

Die Anwendung des zweiten und des vierten Schalters bietet gegenüber der Anwendung von der ersten und der zweiten Diode den Vorteil, dass Stromflüsse von der ersten Spule zu dem ersten Kondensator beziehungsweise von der zweiten Spule zu dem zweiten Kondensator schneller hergestellt und unterbrochen werden können . Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung weist die Vorrichtung ferner einen ersten Signaleingangsanschluss zum Empfangen eines ersten pulsweitenmodulierten Steuersignals zum Ansteuern des ersten und des zweiten Schalters auf. Dabei ist der erste oder der zweite Schalter mit einem ersten Steuersig- nalanschluss versehen. Ferner ist zwischen dem ersten Signaleingangsanschluss und dem ersten Steuersignalanschluss ein erster Inverter zum Invertieren des ersten Steuersignals vorgesehen . Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung weist die Vorrichtung ferner analog einen zweiten Signaleingangsanschluss zum Empfangen eines zweiten pulsweitenmodulierten Steuersignals zum Ansteuern des dritten und des vierten Schalters auf. Dabei ist der dritte oder der vierte Schalter mit einem zweiten

Steuersignalanschluss versehen. Ferner ist zwischen dem zweiten Signaleingangsanschluss und dem zweiten Steuersignalanschluss ein zweiter Inverter zum Invertieren des zweiten Steuersignals vorgesehen .

Durch die beiden zuletzt genannten vorteilhaften Ausgestaltungen ist eine Vorrichtung geschaffen, bei der die erste und die zweite Gleichspannungswandlereinheit jeweils einen ersten und einen zweiten einstellbaren Spannungsverstärkungsfaktor aufweisen. Die Einstellung des ersten und des zweiten Spannungsverstärkungsfaktors erfolgt dabei durch die Änderung des Tastgrades des ersten beziehungsweise des zweiten, pulsweitenmodulierten Steuersignals . Die beiden zuletzt genannten vorteilhaften Ausgestaltungen bieten somit den Vorteil, dass die Ausgangsspannungspotentiale bei einem gleichbleibenden Eingangsspannungspotential und bei Bedarf jederzeit durch eine einfache Änderung der Tastgrade der pulsweitenmodulierten Steuersignale geändert werden können.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung sind das erste und das zweite Steuersignal ein und dasselbe pulsweiten- modulierte Steuersignal. Damit können die vier Schalter zeitgleich mit nur einem Steuersignal angesteuert werden.

Damit ist eine Vorrichtung geschaffen, welche gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung in der Lage ist, aus einer Eingangsspannung von zum Beispiel 12 Volt eine Ausgangsspannung von über 100 Volt zwischen dem ersten und dem zweiten Ausgangs- potentialanschluss zu erzeugen, ohne dabei die oben genannte Sicherheitsanforderung zu verletzen. Dabei kann die erste Gleichspannungswandlereinheit ein erstes Ausgangsspannungspotential bereitstellen, welches gegenüber dem Eingangsspannungspotential und dem Bezugsspannungspotential um einen gegenüber der maximal erlaubten Berührungsspannung von 60 Volt höheren Potentialwert aufweist. Hierzu kann das erste pulsweitenmodulierte Steuersignal beispielsweise einen Tastgrad von 4/5 aufweisen, um den ersten Spannungsverstärkungsfaktor auf eine Spannungsverstärkung von 5 einzustellen und somit aus dem Eingangsspannungspotential von 12 Volt ein erstes Ausgangs- spannungspotential mit einem Spannungspotentialwert von 60 Volt zu erzeugen. Liegt der Bezugspotentialanschluss auf Massepo ^¬ tential und beträgt das Eingangsspannungspotential 12 Volt bezogen auf das Massepotential, so kann die erste

Gleichspannungswandlereinheit aus dem Eingangsspannungspo- tential und mit einem ersten, über das erste Steuersignal einstellbaren Spannungsverstärkungsfaktor von 5 ein erstes Ausgangsspannungspotential von 60 Volt bereitstellen (erstes Ausgangsspannungspotential = Eingangsspannungspotential ^χ erster Spannungsverstärkungsfaktor = 12 Volt ^χ 5 = 60 Volt) . Dabei liegen die Potentialdifferenzen zwischen dem ersten Aus- gangspotentialanschluss und dem Eingangspotentialanschluss und zwischen dem ersten Ausgangspotentialanschluss und dem Be ^¬ zugspotentialanschluss unter beziehungsweise gleich der maximal erlaubten Berührungsspannung von 60 Volt ( | erstes Ausgangs- spannungspotential - Eingangsspannungspotential | = | 60 Volt - 12 Volt I = 48 Volt; | erstes Ausgangsspannungspotential - Be ^¬ zugsspannungspotential! = |60 Volt - 0 Volt I = 60 Volt).

Analog kann die zweite Gleichspannungswandlereinheit ein zweites Ausgangsspannungspotential bereitstellen, welches gegenüber dem Eingangsspannungspotential und dem Bezugsspannungspotential um einen gegenüber der maximal erlaubten Berührungsspannung von 60 Volt niedrigeren Potentialwert aufweist. Hierzu kann das zweite pulsweitenmodulierte Steuersignal beispielsweise ebenfalls einen Tastgrad von 4/5 aufweisen, um den zweiten Spannungsverstärkungsfaktor auf einen Faktorwert von -4 einzustellen und aus dem Eingangsspannungspotential von 12 Volt ein zweites Ausgangsspannungspotential mit einem Spannungspotentialwert von -48 Volt zu erzeugen. Bei dem Bezugsspannungspotential von 0 Volt und dem Eingangsspannungspotential von 12 Volt kann die zweite Gleichspannungswandlereinheit aus dem Eingangsspannungspo ^¬ tential und mit einem zweiten, über das zweite Steuersignal einstellbaren Spannungsverstärkungsfaktor von -4 ein zweites Ausgangsspannungspotential von -48 Volt bereitstellen (zweites Ausgangsspannungspotential = Eingangsspannungspotential ^χ zweiter Spannungsverstärkungsfaktor = 12 Volt ^χ -4 = -48 Volt) . Dabei liegen die Potentialdifferenzen zwischen dem zweiten Ausgangspotentialanschluss und dem Eingangspotentialanschluss und zwischen dem zweiten Ausgangspotentialanschluss und dem Bezugspotentialanschluss ebenfalls unter beziehungsweise gleich der maximal erlaubten Berührungsspannung von 60 Volt ( | zweites Ausgangsspannungspotential - Eingangsspannungspotential I = |— 8 Volt - 12 Volt I = 60 Volt; | zweites Ausgangsspannungspotential

- Bezugsspannungspotential I = |— 8 Volt - 0 Volt | = 48 Volt) . Dabei bedeutet Spannungsverstärkungsfaktor von -4, dass die zweite Gleichspannungswandlereinheit den Eingangsspannungs ^¬ potential um vierfach verstärkt und das verstärkte Span- nungspotential invertiert an das zweite Ausgangspotentialan ^¬ schluss ausgibt.

Da die Ausgangsspannung der Vorrichtung die Potentialdifferenz zwischen dem ersten und dem zweiten Ausgangsspannungspotential ist, ergibt sich somit aus der Differenz zwischen dem ersten und dem zweiten Ausgangsspannungspotential eine Ausgangsspannung der Vorrichtung mit 108 Volt ( | erstes Ausgangsspannungspotential

- zweites Ausgangsspannungspotential | = | 60 Volt - (-48 Volt) | = 108 Volt) . Zugleich ist die oben genannte Sicherheitsan- forderung erfüllt, da die Potentialdifferenzen zwischen dem Eingangspotentialanschluss und dem ersten Ausgangspotential ^¬ anschluss, zwischen dem Eingangspotentialanschluss und dem zweiten Ausgangspotentialanschluss, zwischen dem Bezugspo ^¬ tentialanschluss und dem ersten Ausgangspotentialanschluss und zwischen dem Bezugspotentialanschluss und dem zweiten Aus ^¬ gangspotentialanschluss die maximal erlaubte Berührungsspannung von 60 Volt nicht überschreiten. ₁

Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Bordnetz für ein Fahrzeug bereitgestellt, das einen ersten Bordnetzzweig mit einer ersten Bordnetzspannung und einen zweiten Bordnetzzweig mit einer zweiten Bordnetzspannung sowie eine oben beschriebene Vorrichtung umfasst. Dabei wird die erste Bordnetzspannung des ersten Bordnetzzweigs zwischen dem Ein- gangspotentialanschluss und dem Bezugspotentialanschluss der ersten bzw. der zweiten Gleichspannungswandlereinheit angelegt. Die zweite Bordnetzspannung des zweiten Bordnetzzweigs wird zwischen dem ersten Ausgangspotentialanschluss der ersten

Gleichspannungswandlereinheit und dem zweiten Ausgangspoten ^¬ tialanschluss der zweiten Gleichspannungswandlereinheit an ^¬ gelegt .

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung weist das Bordnetz zwischen dem ersten Ausgangspotentialanschluss und dem Be- zugspotentialabschluss einen ersten Energiespeicher, und zwischen dem Bezugspotentialabschluss und dem zweiten Aus ^¬ gangspotentialanschluss einen zweiten Energiespeicher, auf. Dabei ist die erste Gleichspannungswandlereinheit zur Regelung der Ladespannung des ersten Energiespeichers ausgebildet. Analog ist die zweite Gleichspannungswandlereinheit zur Regelung der Ladespannung des zweiten Energiespeichers ausgebildet. Also die erste Gleichspannungswandlereinheit ist derart ausgebildet, dass diese so wie ein Ladungszustandsausgleicher (auf Englisch „Balancer") die Ladespannung des ersten Energiespeichers regelt und somit den ersten Energiespeichers vor einer Überladung schützt. Analog ist die zweite Gleichspannungswandlereinheit derart ausgebildet, dass diese ebenfalls wie ein Ladungszu ^¬ standsausgleicher die Ladespannung des zweiten Energiespeichers regelt und somit den zweiten Energiespeichers vor einer

Überladung schützt.

Die beiden Energiespeicher dienen zum Bereitstellen elektrischer Energie für das Bordnetz beziehungsweise für die elektrischen Energieverbraucher in dem Bordnetz. Die getrennte Anordnung der beiden Energiespeicher jeweils zwischen dem ersten Ausgangspotentialanschluss und dem Bezugspotentialabschluss und zwi- sehen dem Bezugspotentialabschluss und dem zweiten Ausgangs- potentialanschluss hat den Vorteil, dass die Ladespannungen der beiden Energiespeicher voneinander unabhängig von den jeweiligen Gleichspannungswandlereinheiten geregelt werden können.

Gemäß einem dritten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Fahrzeug mit einem oben beschriebenen Bordnetz bereitgestellt.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der oben beschriebenen Vorrichtung sind soweit im Übrigen auf das oben genannte Bordnetz oder das oben genannte Fahrzeug übertragbar, auch als vorteilhafte Ausgestaltungen des Bordnetzes bzw. des Fahrzeugs anzusehen.

Im Folgenden soll nun eine beispielhafte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung bezugnehmend auf die beiliegende

Zeichnung näher erläutert werden. Dabei zeigt die einzige Figur in einer schematischen Darstellung ein Hybridfahrzeug mit einem Bordnetz, das eine Vorrichtung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung aufweist.

Gemäß der Figur umfasst das Fahrzeug F ein Bordnetz BN mit einem ersten Bordnetzzweig BZ1 und einem zweiten Bordnetzzweig BZ2, sowie einer Vorrichtung V zur Spannungswandlung. Der erste Bordnetzzweig BZ1 weist eine erste Bordnetzspannung Ue auf, welche einen Nennspannungswert von 12 Volt aufweist. Der zweite Bordnetzzweig BZ2 umfasst einen Elektromotor EM als Systemlast und weist eine zweite Bordnetzspannung Ua auf. Die zweite Bordnetzspannung Ua weist einen Nennspannungswert von 100 Volt auf, der zum Betrieb des Elektromotors EM erforderlich ist. Zwischen dem ersten und dem zweiten Bordnetzzweig BZ1, BZ2 ist die Vorrichtung V angeordnet, die die erste Bordnetzspannung Ue des ersten Bordnetzzweigs BZ1 in die zweite Bordnetzspannung Ua des zweiten Bordnetzzweigs BN2 und/oder umgekehrt umwandelt. Die Vorrichtung V weist einen ersten eingangsseitigen Span- nungsanschluss El und einen zweiten eingangsseitigen Span- nungsanschluss E2 auf und ist über diese zwei eingangsseitigen Spannungsanschlüsse El und E2 mit dem ersten Bordnetzzweig BZ1 elektrisch verbunden. Ferner weist die Vorrichtung einen ersten ausgangsseitigen Spannungsanschluss AI und einen zweiten ausgangsseitigen Spannungsanschluss A2 auf und ist über diese zwei ausgangsseitigen Spannungsanschluss AI und A2 mit dem zweiten Bordnetzzweig BZ2 elektrisch verbunden.

Die erste Bordnetzspannung Ue liegt somit zwischen den zwei eingangsseitigen Spannungsanschlüssen El und E2 der Vorrichtung V. Analog liegt die zweite Bordnetzspannung Ua zwischen den zwei ausgangsseitigen Spannungsanschlüssen AI und A2 der Vorrichtung V. Damit entspricht die erste Bordnetzspannung Ue die Ein ^¬ gangsspannung der Vorrichtung V und die zweite Bordnetzspannung Ua die Ausgangsspannung der Vorrichtung V. Die Vorrichtung V weist außerdem einen ersten Signalein- gangsanschluss SA1 und einen zweiten Signaleingangsanschluss SA2 zum Empfangen eines ersten und eines zweiten

pulsweitenmodulierten Steuersignals PWM1 und PWM2 auf. Die Vorrichtung V umfasst zudem eine erste

Gleichspannungswandlereinheit GW1 und eine zweite

Gleichspannungswandlereinheit GW2. Die beiden

Gleichspannungswandlereinheiten GW1 und GW2 weisen einen gemeinsamen Eingangspotentialanschluss Pe auf. Die beiden

Gleichspannungswandlereinheiten GW1 und GW2 weisen zudem einen gemeinsamen Bezugspotentialanschluss Pb auf. Dieser Bezugs- potentialanschluss Pb liegt auf Massepotential. Die erste Gleichspannungswandlereinheit GW1 weist einen ersten Aus- gangspotentialanschluss Pal auf. Die zweite

Gleichspannungswandlereinheit GW2 weist analog einen zweiten Ausgangspotentialanschluss Pa2 auf.

Dabei stellen der erste eingangsseitige Spannungsanschluss El der Vorrichtung V und der gemeinsame Eingangspotentialanschluss Pe der ersten und der zweiten Gleichspannungswandlereinheit GW1 und GW2 ein erster gemeinsamer Knotenpunkt der Vorrichtung V in deren Schaltungstopologie nach dem 1. Kirchhoffsehen Gesetz dar. Der zweite eingangsseitige Spannungsanschluss E2 der Vorrichtung V und der gemeinsame Bezugspotentialanschluss Pb der ersten und der zweiten Gleichspannungswandlereinheit GWl und GW2 stellen analog ein zweiter gemeinsamer Knotenpunkt der Vorrichtung V dar . Der erste ausgangsseitige Spannungsanschluss AI der Vorrichtung V und der erste Ausgangspotentialanschluss Pal der ersten Gleichspannungswandlereinheit GWl bilden einen dritten ge ^¬ meinsamen Knotenpunkt der Vorrichtung V aus. Der zweite ausgangsseitige Spannungsanschluss A2 der Vorrichtung V und der zweite Ausgangspotentialanschluss Pa2 der zweiten

Gleichspannungswandlereinheit GW2 bilden einen vierten ge ^¬ meinsamen Knotenpunkt der Vorrichtung V aus.

Die erste Gleichspannungswandlereinheit GWl weist zwischen dem Eingangspotentialanschluss Pe und dem Bezugspotentialanschluss Pb eine erste Spule LI und einen ersten steuerbaren Schalter Sl in einer Reihenschaltung auf. Zwischen dem Eingangspotentialanschluss Pe und dem ersten Ausgangspotentialanschluss Pal weist die erste Gleichspannungswandlereinheit GWl die erste Spule LI und einen zweiten steuerbaren Schalter S2 auf. Zwischen dem Bezugspotentialanschluss Pb und dem ersten Ausgangspo ^¬ tentialanschluss Pal weist die erste Gleichspannungswandler ^¬ einheit GWl den ersten und den zweiten Schalter Sl, S2 in einer Reihenschaltung. Zwischen dem Bezugspotentialanschluss Pb und dem ersten Ausgangspotentialanschluss Pal der ersten

Gleichspannungswandlereinheit GWl ist zudem ein erster Kon ^¬ densator Cl in einer Parallelschaltung zu der aus dem ersten und dem zweiten Schalter Sl, S3 bestehenden Reihenschaltung angeordnet . Damit ist die erste Gleichspannungswandlereinheit GWl als ein Aufwärtswandler ausgeführt, wobei zwischen der ersten Spule LI und dem ersten Ausgangspotentialanschluss Pal vorteilhafter ^¬ weise der zweite steuerbare Schalter S2 angeordnet ist. Der erste Kondensator Cl umfasst eine erste und eine zweite Elektrode C1E1 und C1E2. Über die erste Elektrode C1E1 ist der erste Kondensator Cl mit dem ersten Ausgangspotentialanschluss Pal unmittelbar elektrisch verbunden. Über die zweite Elektrode C1E2 ist der erste Kondensator Cl mit dem Bezugspotentialanschluss Pb un ^¬ mittelbar elektrisch verbunden.

Der erste und der zweite Schalter Sl und S2 sind als Transistor ausgeführt und weisen jeweils einen Steuersignalanschluss AS1 beziehungsweise AS2 auf. Der Steuersignalanschluss AS1 des ersten Schalters Sl ist mit dem ersten Signaleingangsanschluss SAl der Vorrichtung V unmittelbar elektrisch verbunden. Der Steuersignalanschluss AS2 des zweiten Schalters S2 ist dagegen über einen ersten Inverter INI mit dem ersten Signaleingangsanschluss SAl der Vorrichtung V elektrisch verbunden. Der erste Inverter INI leitet das erste Steuersignal PWM1, das am ersten Signaleingangsanschluss SAl der Vorrichtung V empfangen wird, stets invertiert an den Steuersignalanschluss AS2 des zweiten Schalters S2 weiter. Dadurch werden die beiden Schalter Sl, S2 von demselben ersten Steuersignal PWM1 stets gegensinnig angesteuert .

Die zweite Gleichspannungswandlereinheit GW2 weist zwischen dem Eingangspotentialanschluss Pe und dem Bezugspotentialanschluss Pb einen dritten steuerbaren Schalter S3 und eine zweite Spule L2 in einer Reihenschaltung auf. Zwischen dem Eingangspotentialanschluss Pe und dem zweiten Ausgangspotentialanschluss Pa2 weist die zweite Gleichspannungswandlereinheit GW2 den dritten steuerbaren Schalter S3 und einen vierten steuerbaren Schalter S4 in einer Reihenschaltung auf. Zwischen dem Bezugspotentialanschluss Pb und dem zweiten Ausgangspotentialanschluss Pa2 weist die zweite Gleichspannungswandlereinheit GW2 die zweite Spule L2 und den vierten steuerbaren Schalter S4 in einer Reihenschaltung auf. Zwischen dem Bezugspotentialanschluss Pb und dem zweiten Ausgangspotentialanschluss Pa2 ist zudem ein zweiter Kondensator C2 in einer Parallelschaltung zu der von der zweiten Spule L2 und dem vierten steuerbaren Schalter S4 gebildeten Reihenschaltung angeordnet.

Damit ist die zweite Gleichspannungswandlereinheit GW2 als ein Inverswandler ausgeführt, wobei zwischen dem dritten Schalter S3 und dem zweiten Ausgangspotentialanschluss Pa2 vorteilhaft ^¬ erweise der vierte steuerbare Schalter S4 angeordnet ist.

Der zweite Kondensator C2 weist eine erste und eine zweite Elektrode C2E1, C2E2 auf. Über die erste Elektrode C2E1 ist der zweite Kondensator C2 mit dem ersten Bezugspotentialanschluss Pb unmittelbar elektrisch verbunden. Über die zweite Elektrode C2E2 ist der zweite Kondensator C2 mit dem zweiten Ausgangspotentialanschluss Pa2 unmittelbar elektrisch verbunden.

Der dritte und der vierte Schalter S3 und S4 sind ebenfalls als Transistor ausgeführt und weisen jeweils einen Steuersignal- anschluss AS3 beziehungsweise AS4 auf. Der Steuersignalanschluss AS3 des dritten Schalters S3 ist mit dem zweiten Signalein- gangsanschluss SA2 der Vorrichtung V unmittelbar elektrisch verbunden. Der Steuersignalanschluss AS4 des vierten Schalters S4 ist über einen zweiten Inverter IN2 mit dem zweiten Sig- naleingangsanschluss SA2 der Vorrichtung V elektrisch verbunden. Der zweite Inverter IN2 leitet das zweite Steuersignal PWM2, das am zweiten Signaleingangsanschluss SA2 der Vorrichtung V empfangen wird, stets invertiert an den Steuersignalanschluss AS4 des dritten Schalters S4 weiter. Dadurch werden die beiden Schalter S3, S4 von demselben zweiten Steuersignal PWM2 ebenfalls stets gegensinnig angesteuert.

Nachdem die Vorrichtung V ausführlich dargestellt wurde, wird nun die Funktionsweise dieser Vorrichtung V näher beschrieben.

Es wird angenommen, dass der erste Bordnetzzweig BZ1 eine Nennspannung von 12 Volt aufweist, welche zugleich auch die Potentialdifferenz zwischen den eingangsseitigen Spannungsanschlüssen El und E2 der Vorrichtung V, und somit auch die Potentialdifferenz zwischen dem Eingangspotentialanschluss Pe und dem Bezugspotentialanschluss Pb der ersten bzw. der zweiten Gleichspannungswandlereinheit GW1, GW2 ist. Da der Bezugspo ^¬ tentialanschluss Pb auf Massepotential liegt, beträgt das Eingangsspannungspotential e am Eingangspotentialanschluss Pe somit 12 Volt. Aus diesem Eingangsspannungspotential Φθ stellt die Vorrichtung V zwischen dem ersten und dem zweiten ausgangsseitigen Span- nungsanschluss AI und A2 beziehungsweise zwischen dem ersten und dem zweiten Ausgangspotentialanschluss Pal, Pa2 eine Aus- gangsspannung Ua von über 100 Volt bereit. Hierzu empfängt die Vorrichtung V über den ersten und den zweiten Steueranschluss SA1, SA2 das erste und das zweite pulsweitenmodulierte Steu ^¬ ersignal PWMl, PWM2. Die beiden Steuersignale PWMl, PWM2 weisen jeweils eine gleiche Pulsdauer T und einen gleichen Tastgrad von 4/5 auf.

Von dem ersten Steuersignal PWMl unmittelbar angesteuert wird der erste Schalter Sl in jedem Schaltzyklus für eine Zeitdauer tl von 4/5 (Tastgrad des ersten Steuersignals PWMl) der Pulsdauer T geschlossen. Während dieser Einschaltphase des ersten Schalters Sl wird der zweite Schalter S2, der von dem invertierten ersten Steuersignal PWMl angesteuert wird, geöffnet. So fließt ein erster Strom ill von dem Eingangspotentialanschluss Pe über die erste Spule LI und den geschlossenen ersten Schalter Sl zu dem Bezugspotentialanschluss Pb . Dabei fällt die Eingangsspannung Ue an der ersten Spule LI ab und der Strom ill durch die Spule LI steigt linear an. Die erste Spule LI speichert nun elektrische Energie. Nach Ablauf der Zeitdauer tl wird der erste Schalter Sl für die restliche Zeitdauer von T-tl in diesem Schaltzyklus geöffnet. Während dieser Ausschaltphase des ersten Schalters Sl wird der zweite Schalter S2 von dem invertierten ersten

Steuersignal PWMl angesteuert geschlossen. Nun fließt ein zweiter Strom il2 von der ersten Spule LI über den geschlossenen zweiten Schalter S2 zu dem ersten Kondensator Cl . Dabei wird die in der ersten Spule LI abgespeicherte Energie auf den ersten Kondensator Cl übertragen. Diese Energie lädt den ersten Kondensator Cl auf. Das Spannungspotential an der ersten Elektrode C1E1 des Kondensators Cl und somit auch der erste Ausgangsspannungspotential <&al an dem ersten Ausgangspoten- tialanschluss Pal steigt. Bei jedem nachfolgenden Schaltzyklus wiederholt sich dieser Aufladevorgang beim ersten Kondensator Cl . Da die zweite Elektrode C1E2 des Kondensators Cl mit dem Bezugspotentialanschluss Pb unmittelbar elektrisch verbunden ist und somit auf Massepotential liegt, steigt der erste Ausgangsspannungspotential <&al basierend auf folgende Gleichung bis auf 60 Volt: bei Ob = 0 Volt; e = 12 Volt; tl

Analog wird der dritte Schalter S3 durch unmittelbare Ansteuerung des zweiten Steuersignals PWM2 in jedem Schaltzyklus für eine Zeitdauer t2 von 4/5 (Tastgrad des zweiten Steuers PWM2) der Pulsdauer T des zweiten Steuersignals PWM2 geschlossen. Während dieser Einschaltphase des dritten Schalters S3 wird der vierte Schalter S4, der von dem invertierten zweiten Steuersignal PWM2 angesteuert wird, geöffnet. So fließt ein dritter Strom i21 von dem Eingangspotentialanschluss Pe über die zweite Spule L2 und den geschlossenen zweiten Schalter S2 zu dem Bezugspotenti- alanschluss Pb . Dabei fällt die Eingangsspannung Ue an der zweiten Spule L2 ab und der Strom i21 durch die Spule L2 steigt linear an. Die zweite Spule L2 speichert nun elektrische Energie. Nach Ablauf der Zeitdauer t2 wird der dritte Schalter S3 für die restliche Zeitdauer von T-t2 in diesem Schaltzyklus geöffnet. Während dieser Ausschaltphase des dritten Schalters S3 wird der vierte Schalter S4 von dem invertierten zweiten Steuersignal PWM2 angesteuert geschlossen. Nun fließt ein vierter Strom i22 von der zweiten Spule L2 über den geschlossenen vierten Schalter S4 zu dem zweiten Kondensator C2. Die in der zweiten Spule L2 abgespeicherte Energie wird auf den zweiten Kondensator C2 übertragen. Diese Energie lädt den zweiten Kondensator C2 auf. Als Folge steigt die elektrische Spannung zwischen den beiden Elektroden C2E1, C2E2 des zweiten Kondensators C2 und somit auch die Potentialdifferenz wischen dem zweiten Ausgangsspannungspotential <&a2 und dem Bezugsspannungspotential b an. Da die erste Elektrode C2E1 des zweiten Kondensators C2, die mit dem Bezugspotentialanschluss Pb unmittelbar elektrisch verbunden ist, von dem Strom i22 positiv aufgeladen wird und die zweite Elektrode C2E2 des zweiten Kondensators C2, die mit dem zweiten Ausgangspotentialanschluss Pa2 unmittelbar elektrisch verbunden ist, von dem Strom i22 negativ aufgeladen wird, sinkt das zweite Ausgangsspannungspotential <§a2 gegenüber dem Bezugsspannungspotential b basierend auf folgende Gleichung bis auf Volt: t2 4

Oa2 = x Oc, bei Ob = 0 Volt; Φε = 12 Volt; t2 = - x T

T - t2 5

Da die Ausgangsspannung Ua der Vorrichtung V eine Potentialdifferenz zwischen dem ersten und dem zweiten Ausgangsspannungspotentials <&al , <&a2 ist, beträgt diese 108 Volt (Ua = <&al - <S>a2 = 60 Volt - (-48 Volt) = 108 Volt) . Damit ist eine Bordnetzspannung für den zweiten Bordnetzzweig BZ2 geschaffen, welche den Betrieb der Stromverbraucher in diesem Bordnetzzweig BZ2 sicherstellen kann. Dabei liegen die Berührungsspannungen zwischen dem Eingangs- potentialanschluss Pe und dem ersten Ausgangspotentialanschluss Pal bei 48 Volt, zwischen dem Eingangspotentialanschluss Pe und dem zweiten Ausgangspotentialanschluss Pa2 bei 60 Volt, zwischen dem Bezugspotentialanschluss Pb und dem ersten Ausgangspo- tentialanschluss Pal bei 60 Volt und zwischen dem Bezugspo ^¬ tentialanschluss Pb und dem zweiten Ausgangspotentialanschluss Pa2 bei 48 Volt. Damit liegen sämtliche Berührungsspannungen zwischen zwei Bordnetzzweigen BZ1, BZ2 unter bzw. gleich 60 Volt und die oben genannte Sicherheitsanforderung ist erfüllt.

Der zweite und der vierte Schalter S2, S4 schalten zwischen einem sperrenden und einem leitenden Zustand schnell um, und tragen so zu einer schnellen und verlustarmen Spannungswandlung bei im Vergleich zu Dioden, welche bauteilbedingt eine Transitzeit also eine störende zeitliche Verzögerung in der Schaltphase zwischen dem sperrenden und leitenden Schaltzustand aufweisen.

Die Vorrichtung V weist ferner einen ersten Energiespeicher ESI zwischen dem ersten Ausgangspotentialanschluss Pal und dem Bezugspotentialabschluss Pb, und einen zweiten Energiespeicher ES2 zwischen dem Bezugspotentialabschluss Pb und dem zweiten Ausgangspotentialanschluss Pa2 auf, wobei die beiden Ener- giespeicher ESI und ES2 aus jeweils einer 48V-Batterie bestehen. Diese beiden Energiespeicher ESI und ES 2 dienen zum Bereitstellen elektrischer Energie für den Elektromotor EM. Die Ladespannung U_ES1 des ersten Energiespeichers ESI kann dabei von der ersten Gleichspannungswandlereinheit GWl geregelt werden. Zugleich schützt die erste Gleichspannungswandlereinheit GWl den ersten Energiespeicher ESI vor einer Überladung. Analog regelt die zweite Gleichspannungswandlereinheit GW2 die Ladespannung U_ES2 des zweiten Energiespeichers ES2 und schützt so diesen vor einer Überladung.

Bezugs zeichenliste

F Fahrzeug

BN Bordnetz

BZ1, BZ2 Bordnetz zweig

V Vorrichtung

Pe Eingangspotentialanschluss

Pb Bezugspotentialanschluss

Pal, Pa2 Ausgangspotentialanschluss

Ue EingangsSpannung

Φθ Eingangsspannungspotential

0>b Bezugsspannungspotential

Ua AusgangsSpannung

El, E2 Eingangsseitige Spannungsanschluss AI, A2 Ausgangsseitige Spannungsanschluss i>al, i>a2 Ausgangsspannungspotential

SA1, SA2 Signaleingangsanschluss

GW1 , GW2 Gleichspannungs andlereinheit LI, L2 Spule

Sl, S2, S2, S4 Steuerbarer Schalter

AS1, AS2, AS3, AS4 Steuersignalanschluss am Schalter

Cl, C2 Kondensator

C1E1, C1E2 Elektrode der Kondensatoren

INI, IN2 Inverter

PWM1 , PWM2 Pulsweitenmoduliertes Steuersignal

T Pulsdauer