Gleichspannunqswandler und Fahrzeug

Die Erfindung betrifft eine Speicherdrossel für einen Gleichspannungswandler sowie den Gleichspannungswandler.

Im Stand der Technik sind reine Elektrofahrzeuge sowie Hybridfahrzeuge bekannt, welche ausschließlich bzw. unterstützend von einer oder mehreren elektrischen Maschinen als Antriebsaggregate angetrieben werden. Um die elektrischen Maschinen solcher Fahrzeuge mit elektrischer Energie zu versorgen, umfassen die Fahrzeuge elektrische Energiespeicher, insbesondere wiederaufladbare elektrische Batterien. Für hohe Antriebsleistungen sind Batterien erforderlich, die eine entsprechend hohe DC-Spannung von beispielsweise 400V oder 800V bereitstellen. Solche Leistungsbatterien sind als Hochvoltbatterien (HV-Batterien) bezeichnet.

Das Wiederaufladen der HV-Batterien stellt derzeit eine Herausforderung dar, da hierfür eine Ladespannung von mehreren Hundertvolt, beispielsweise 800V, benötigt wird, um die HV-Batterien ohne Beeinträchtigung deren Funktionalität wirksam aufzuladen. Jedoch beträgt die Ladespannung, die übliche Ladestationen für Elektrofahrzeuge zur Verfügung stellen, regelmäßig deutlich niedriger als die gewünschte Ladespannung, etwa 800V. Um solche Ladespannungen bereitzustellen, werden Gleichspannungswandler (DC/DC-Wandler) verwendet, die zwischen einer DC-Spannungs- quelle mit einer Ausgangsspannung (bspw. 400V), die niedriger als die gewünschte Ladespannung (bspw. 800V) ist, und der aufzuladenden HV-Batterie geschaltet ist.

Im Gleichspannungswandler ist eine Speicherdrossel vorhanden, die dazu ausgebildet ist, Energie in Form magnetischer Felder zwischenzuspeichern. Eine solche Speicherdrossel ist beispielsweise aus DE102017114900A1 bekannt. Die dort offenbarte Speicherdrossel für einen mehrphasigen Gleichspannungswandler weist mehrere Spulen auf, die jeweils durch eine Wicklung eines Kupferdrahts gebildet sind.

Die Wicklungen sind jeweils um einen stabförmigen Kern gewickelt. Die Gesamtheit der stabförmigen Kerne bilden einen ersten Bereich der Speicherdrossel, der aus einem ersten Material gebildet ist. Ferner weist die Speicherdrossel einen zweiten Bereich auf, der mehrere äußere Platten umfasst, die aus einem zweiten Material gebildet sind. Das erste Material hat eine höhere Sättigungsmagnetisierung und eine niedrigere magnetische Permeabilität als das zweite Material.

Auf diese Weise ist eine Speicherdrossel verwirklicht, die hinsichtlich ihrer Differen- tial-Mode(DM)-lnduktivität und Common-Mode(CM)-lnduktivität optimiert ist. Insbesondere kann mit der obigen Bauweise der Stromrippel und somit auch die Blindleistung in der Speicherdrossel reduziert werden.

Dennoch weist die bekannte Speicherdrossel den Nachteil auf, dass diese bauartbedingt herstellungsaufwendig ist.

Es ist eine Aufgabe der Erfindung, eine Speicherdrossel bereitzustellen, bei der die vorstehend genannten Nachteile zumindest teilweise überwunden sind.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Speicherdrossel und den Gleichspannungswandler gemäß den unabhängigen Patentansprüchen gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung gehen aus den abhängigen Patentansprüchen hervor.

Die erfindungsgemäße Speicherdrossel ist dazu ausgebildet, in einem mehrphasigen Gleichspannungswandler zum Umwandeln einer DC-Eingangsspannung in eine DC- Ausgangsspannung zum Aufladen einer Fahrzeugbatterie bzw. einer Fahrzeugbatterieanordnung in einem Elektrofahrzeug oder Hybridfahrzeug verwendet zu werden. Die Speicherdrossel umfasst mehrere Spulen und einen Drosselkern. Die Spulen sind über den Drosselkern miteinander magnetisch gekoppelt. Der Drosselkern ist als Kombination aus zwei verschiedenen Kerntypen ausgebildet. Insbesondere umfasst der Drosselkern mehrere innere Kerne zum Anbringen der Spulen und zugleich zwei äußere Kerne, zwischen denen die inneren Kerne mit den in diesen gewickelten Spulen in vertikaler Richtung angeordnet sind. Erfindungsgemäß sind die inneren Kerne modular mit jeweils einem oder mehreren Kernmodulen ausgebildet und in horizontaler Richtung aneinandergereiht. Unter Verwendung von modularen inneren Kernen ist die erfindungsgemäße Speicherdrossel einfach herstellbar. Zur Montage der Speicherdrossel ist möglich, die modularen inneren Kerne mit in diesen gewickelten Spulen in den Zwischenraum zwischen beiden äußeren Kernen, die vorzugsweise als Kernplatten ausgebildet sind, hineinzubringen. Je nach Anzahl der Phasen können eine entsprechende Anzahl von inneren Kernen in der Speicherdrossel auf einfache Weise kombiniert werden, um die entsprechende Anzahl an Spulen für den mehrphasigen Gleichspannungswandler einzukoppeln. Hierdurch ist bei der erfindungsgemäßen Speicherdrossel im Gegensatz zur eingangsgenannten bekannten Speicherdrossel nicht erforderlich, eine Vielzahl von Kernen verschiedener Bauformen einzeln in der Speicherdrossel anzuordnen. Auf diese Weise ist eine Speicherdrossel verwirklicht, bei der die Montage stark vereinfacht ist, ohne dass zusätzlich Haltestrukturen erforderlich sind. Die Speicherdrossel ist daher produktionsoptimiert.

Gemäß einer Ausführungsform weisen die inneren Kerne jeweils einen Träger und einen vom Träger herauserstreckenden, vorzugsweise zylindrischen Schaft auf, um den die Spulen jeweils herumgewickelt sind. Beispielsweise umfasst der Träger einen Boden und zwei Seitenbegrenzungen, zwischen denen der Boden angeordnet ist, derart, dass ein Zwischenraum zur Aufnahme der Spule gebildet ist. Auf diese Weise können die inneren Kerne als vorgefertigte Bauteile verwendet werden, deren Geometrie vorbestimmt ist. Die Geometrie kann zwecks Optimierung der Speicherdrossel hinsichtlich der Common-Mode-Induktivität bereits vor der Montage der inneren Kerne angepasst sein, sodass eine zuverlässige Optimierung gewährleistet ist. Bei der eingangsgenannten, bekannten Speicherdrossel müssen dagegen die verschiedenen zylindrischen und dreieckigen Kerne einzeln in der Speicherdrossel gezielt angeordnet werden, um die Common-Mode-Induktivität der Speicherdrossel zu optimieren, was fehleranfällig ist.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform weisen die inneren Kerne jeweils zwei Kernmodule auf, die derart angeordnet sind, dass deren Böden einander zugewandt und die zugehörigen Schäfte stirnseitig auf Stoß miteinander gefügt sind. Diese Maßnahme ermöglicht eine einfache Verdopplung des zur Aufnahme der Spulen vorgesehenen Zwischenraums in den inneren Kernen. Gemäß einer weiteren Ausführungsform sind die Spulen in den inneren Kernen jeweils entlang einer vertikalen Achse gewickelt. Die inneren Kerne sind vorzugsweise derart angeordnet, dass sich die Schäfte in vertikaler Richtung erstrecken. Alternativ können die Spulen in den inneren Kernen jeweils entlang einer horizontalen Achse gewickelt sein. Die inneren Kerne sind vorzugsweise derart angeordnet, dass sich die Schäfte in horizontaler Richtung, vorzugsweise koaxial, erstrecken. In diesem Fall ist vorteilhaft, wenn benachbarte Spulen entgegengesetzte Wicklungsrichtungen aufweisen und/oder mit gegenläufigen Strömen beaufschlagt sind.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform sind die inneren Kerne aus einem ersten Material gebildet, wobei die äußeren Kerne aus einem zweiten Material gebildet sind, wobei das erste Material eine niedrigere magnetische Permeabilität und eine vergleichsweise höhere Sättigungsmagnetisierung als das zweite Material hat. Eine höhere magnetische Permeabilität (und zugleich niedrigere Sättigungsmagnetisierung) in den äußeren Kernen ermöglicht dort eine Erhöhung der Differential-Mode-Indukti- vität, was den Blindstrom in der Speicherdrossel reduziert. Eine höhere Sättigungsmagnetisierung und zugleich niedrigere magnetische Permeabilität in den inneren Kernen, in denen ein hoher DC-Flussanteil vorhanden ist, ermöglicht dort die Einstellung einer gewünschten Common-Mode-Induktivität zurReduzierung des Rip- pelstroms. Diese genannten Vorteile treten mit den sich aus der modularen Bauweise der inneren Kerne ergebenen Vorteilen in Synergie, dahingehend, dass die mittels geeigneter Geometrie der inneren Kerne erzielbare Optimierung der Speicherdrossel hinsichtlich der Differential- und Common-Mode-Induktivitäten auf zuverlässigere und genauere Weise reproduzierbar ist.

Die Erfindung betrifft weiterhin einen Gleichspannungswandler zum Aufladen einer DC-Spannungsquelle, insbesondere einer HV-Batterie, in einem Elektrofahrzeug oder einem Hybridfahrzeug. Daraus ergeben sich die bereits im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Speicherdrossel beschriebenen Vorteile auch für den erfindungsgemäßen Gleichspannungswandler. Nachfolgend wird die Erfindung anhand von in den Figuren dargestellten Ausführungsformen beispielhaft erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 ein schematisches Schaltbild eines mehrphasigen Gleichspannungswandlers;

Fig. 2 eine schematische Darstellung einer Speicherdrossel gemäß einer Ausführungsform für den Gleichspannungswandler aus Fig. 1 , wobei mehrere Spulen jeweils um eine separate vertikale Achse in einem inneren Kem umfassend zwei Kernmodule gewickelt sind;

Fig. 3 eine schematische Darstellung eines inneren Kerns der Speicherdrossel aus Fig. 2;

Fig. 4 eine schematische Darstellung einer Speicherdrossel gemäß einer weiteren Ausführungsform für den Gleichspannungswandler aus Fig. 1 , wobei die Spulen jeweils um eine separate vertikale Achse in einem inneren Kem umfassend ein Kernmodul gewickelt sind;

Fig. 5 eine schematische Darstellung einer Speicherdrossel gemäß einer weiteren Ausführungsform für den Gleichspannungswandler aus Fig. 1 , wobei die Spulen jeweils um eine separate horizontale Achse in einem inneren Kem gewickelt sind;

Fig. 6 eine schematische Darstellung einer Speicherdrossel gemäß einer weiteren Ausführungsform für den Gleichspannungswandler aus Fig. 1 , wobei die Spulen jeweils um eine gemeinsame horizontale Achse in der Speicherdrossel gewickelt sind.

Gleiche Gegenstände, Funktionseinheiten und vergleichbare Komponenten sind figurenübergreifend mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet. Diese Gegenstände, Funktionseinheiten und vergleichbaren Komponenten sind hinsichtlich ihrer technischen Merkmale identisch ausgeführt, sofern sich aus der Beschreibung nicht explizit oder implizit etwas anderes ergibt.

Fig. 1 zeigt ein schematisches Schaltbild eines mehrphasigen Gleichspannungswandlers 100 zum Umwandeln einer DC-Eingangsspannung, die von einer DC-Span- nungsquelle 107 bereitgestellt ist, in eine DC-Ausgangsspannung, um eine wiederaufladbare Batterie, insbesondere eine Hochvolt(HV)-Batterie 109, in einem Elektrofahrzeug oder Hybridfahrzeug aufzuladen. Der Gleichspannungswandler 100 umfasst eine Speicherdrossel 10, die zur Zwischenspeicherung von Energie in Form von magnetischen Flüssen ausgebildet ist. Dazu weist die Speicherdrossel 10 mehrere, hier beispielhaft drei, Spulen 12A-C auf. Durch Anlegen einer Spannung an den Wicklungen der Spulen 12A-C kann ein Stromfluss und damit einhergehend ein magnetischer Fluss in den Spulen 12A-C erzeugt werden. Die Spulen 12A-C sind jeweils zwischen einem ersten Kondensator 101 und einer Halbbrücke verschaltet. Die Anzahl der Halbbrücken entspricht der Anzahl der Spulen 12A-C. Jede Halbbrücke umfasst eine Highside-Einrichtung 102A-C und eine Lowside-Einrichtung 104A-C. Die Spulen 12A-C sind jeweils auf einer von dem ersten Kondensator 101 abgewandten Seite zwischen der jeweiligen Highside- Einrichtung 102A-C und der Lowside-Einrichtung 104A-C angeschlossen. Ein zweiter Kondensator 106 ist auf der dem ersten Kondensator 101 gegenüberliegenden Seite der Halbbrücken vorgesehen. Zwischen der eingangsseitigen DC-Spannungsquelle 107 und dem mehrphasigen Gleichspannungswandler 100 ist ein erster Filter 103 zum Beseitigen von Störsignalen in der eingespeisten DC-Eingangsspannung verschaltet. Zusätzlich ist ein zweiter Filter 105 zwischen der ausgangsseitigen HV-Batterie 109 und dem mehrphasigen Gleichspannungswandler 100 ein zweiter Filter 105 zum Beseitigen von Störsignalen in der erzeugten DC-Ausgangsspannung verschaltet.

Im Betrieb des mehrphasigen Gleichspannungswandlers 100 werden die Halbbrücken derart geschaltet, dass an den Spulen 12A-C eine Spannung mit dem gleichen Spannungsverlauf, jedoch mit Zeitversatz zwischen den Spulen 12A-C angelegt wird. Auf diese Weise liegen zu bestimmten gegebenen Zeitpunkten zumindest teilweise unterschiedliche Spannungen an den Spulen 12A-C an, während zu anderen Zeitpunkten die gleiche Spannung an den Spulen 12A-C anliegen kann. Aufgrund dieser zeitlich variierenden Spannungsbeaufschlagung der Spulen 12A-C kommt es zu einer Überlagerung eines von der HV-Batterie 109 über die Speicherdrossel 10 und schließlich zur HV-Batterie 109 zurückfließenden ersten Stroms (auch Blindstrom genannt) mit einem von der DC-Spannungsquelle 107 zur HV-Batterie 109 fließenden zweiten Strom mit zeitlich variierenden Anteilen. Der erste Strom bzw. Blindstrom ist auf die Differential-Mode-Induktivität (DM-Induktivität) der Speicherdrossel 10 zurückzuführen, die dem Grad des Anstiegs (bzw. der ersten zeitlichen Ableitung) des Blindstroms entspricht. Der zweite Strom ist auf die Common-Mode-Induktivität (CM-Induktivität) der Speicherdrossel 10 zurückzuführen, die sich dadurch ergibt, dass sich die Dimension der Speicherdrossel 10 nicht beliebig vergrößern lässt. Aufgrund der CM-Induktivität kommt es zu Rippelströmen, die Leistungsverluste verursachen. Sowohl der Blindstrom als auch die Rippeiströme sollen möglichst reduziert werden, um die Spannungsumwandlung zu optimieren.

Fig. 2 zeigt die Speicherdrossel 10 gemäß einer Ausführungsform in einer schematischen Darstellung. In der Speicherdrossel 10 ist ein Drosselkern 13 enthalten, über den die Spulen 12A-C miteinander magnetisch gekoppelt sind. Der Drosselkern 13 umfasst mehrere innere Kerne 14 zum Anbringen der Spulen 12A-C und zwei äußere Kerne, die hier beispielhaft als Kernplatten 16 ausgebildet sind und zwischen denen die inneren Kerne 14 mit den in diesen gewickelten Spulen 12A-C angeordnet sind. Wie in Fig. 2 gezeigt, weisen die äußeren Kerne 16 einen flachen, plattenförmigen Aufbau auf und erstrecken sich in einer horizontalen Richtung. Die drei inneren Kerne 14 sind in Aneinanderreihung zwischen den beiden äußeren Kernen 16 angeordnet.

Die inneren Kerne 14 sind modular ausgebildet und können jeweils prinzipiell ein oder mehrere Kernmodule aufweisen, deren Aufbau in Fig. 3 beispielhaft gezeigt. Das Kernmodul weist einen Träger 15 und einen vom Träger 15 senkrecht erstreckenden zylindrischen Schaft 20 auf. Der Träger 15 umfasst einen Boden 18 und zwei einander gegenüberliegende Seitenbegrenzungen 22, zwischen denen der Boden 18 angeordnet ist. Der Durchmesser des zylindrischen Schafts 20 ist kleiner als der Abstand zwischen den beiden Seitenbegrenzungen 22, sodass sich ein Zwischenraum 24 zwischen dem zylindrischen Schaft 20 und den Seitenbegrenzungen 22 zur Aufnahme der jeweiligen Spulen 12A-C bildet. Der Zwischenraum 24 ist auf einer dem Boden 18 gegenüberliegenden Oberseite freigelegt. Die dem zylindrischen Schaft 20 zugewandte Seite der jeweiligen Seitenbegrenzungen 22 hat ein kreisbogenförmiges Profil. Die Spulen 12A-C sind jeweils um den zylindrischen Schaft 20 des zugehörigen inneren Kems 14 herumgewickelt.

In der in Fig. 2 gezeigten Ausführungsform enthält jeder innere Kern 14 zwei Kernmodule, die zueinander derart entgegengesetzt gefügt sind, dass deren Böden 18 einander zugewandt und die zugehörigen Schäfte 20 stirnseitig auf Stoß aufeinandergelegt sind. Auf diese Weise verdoppelt sich der Zwischenraum 24, sodass die in dieser Ausführungsform verwendeten Spulen 12A-C doppelt so viele Wicklungen wie in den Ausführungsformen mit einfachen Kernmodulen aufweisen können. Außerdem sind die inneren Kerne 14 zusammen mit den dort aufgenommenen Spulen 12A-C so ausgerichtet, dass sich die zylindrischen Schäfte 20 vertikal erstrecken. Somit sind die Spulen 12A-C jeweils um eine eigene vertikale Achse um ihren zugehörigen zylindrischen Schaft 20 gewickelt.

In der in Fig. 4 gezeigten Ausführungsform der Speicherdrossel 10' enthält jeder innere Kern 14 dagegen ein einziges Kernmodul. Zur besseren Führung des Common- Mode-Flussanteils ist eine innere Kernplatte 17 zwischen den Kernmodulen und dem oberseitigen äußeren Kern 16 angeordnet. Die innere Kernplatte 17 ist somit ein gemeinsamer Bestandteil der drei inneren Kerne 14. Auch hier sind die inneren Kerne 14 zusammen mit den dort aufgenommenen Spulen 12A-C so ausgerichtet, dass sich die zylindrischen Schäfte 20 vertikal erstrecken. Somit sind die Spulen 12A-C jeweils um eine eigene vertikale Achse um ihren zugehörigen zylindrischen Schaft 20 gewickelt.

Fig. 5 zeigt eine Speicherdrossel 10" gemäß einer weiteren Ausführungsform. Auch bei dieser Ausführungsform sind mehrere innere Kerne 14 vertikal zwischen zwei sich in horizontaler Richtung erstreckenden äußeren Kernen 16 angeordnet. Außerdem umfasst jeder innere Kern 14 ebenfalls ein einziges Kernmodul, das in Fig. 3 beispielhaft gezeigt ist. Der Unterschied zwischen dieser Ausführungsform und der in Fig. 4 gezeigten Ausführungsform besteht darin, dass die Spulen 12A-C jeweils um eine eigene horizontale Achse um ihren zugehörigen zylindrischen Schaft 20 gewickelt.

Fig. 6 zeigt die Speicherdrossel 10"' gemäß einer Ausführungsform in einer schematischen Darstellung. Auch bei dieser Ausführungsform sind mehrere innere Kerne 14 vertikal zwischen zwei sich in horizontaler Richtung erstreckenden äußeren Kernen 16 angeordnet. Außerdem umfasst jeder innere Kern 14 ebenfalls ein einziges Kernmodul, das in Fig. 3 beispielhaft gezeigt ist. Der Unterschied zwischen dieser Ausführungsform und der in Fig. 5 gezeigten Ausführungsform besteht darin, dass die inneren Kerne 14 derart zwischen den äußeren Kernen 16 angeordnet sind, dass die verschiedenen Spulen 12A-C um eine gemeinsame horizontale Achse herumgewickelt sind. Wie in Fig. 6 gezeigt, ist die Wicklungsrichtung der mittleren Spule 12B zu den Wicklungsrichtungen der anderen beiden Spulen 12A, C entgegengesetzt. Alternativ kann für alle drei Spulen 12A-C die gleiche Wicklungsrichtung verwendet werden, wobei benachbarte Spulen 12A-C gegenläufig bestromt werden können.

Zwecks Optimierung der DM-Induktivität und CM-Induktivität der Speicherdrossel 10 können zwei verschiedene Materialien für die beiden Bestandteile des Drosselkerns 13, die inneren Kerne 14 und die äußeren Kerne 16, verwendet werden. In den inneren Kernen 14 ist ein hoher DC-Flussanteil vorhanden. Hier ist ein Material mit hoher Sättigungsmagnetisierung (z.B. Pulverkern) geeignet, was gleichzeitig eine niedrige magnetische Permeabilität aufweist. In den äußeren Kernen 16 kompensieren sich die DC-Flussanteile der Spulen 12A-C, sodass hier effektiv kein DC-Flussanteil vorhanden ist. Für die äußeren Kerne 16 kann daher ein Material mit niedriger Sättigungsmagnetisierung eingesetzt werden. Dies ermöglicht den Einsatz von Materialien mit einer hohen magnetischen Permeabilität (z.B. Ferrit). Die DM-Induktivität nimmt mit der magnetischen Permeabilität zu. Außerdem kann der Blindstrom reduziert werden, indem die DM-Induktivität erhöht wird. Bezuqszeichen , 10', 10", 10"' Speicherdrossel A-C Spulen Drosselkern innerer Kern Träger Kernplatte Deckelplatte Boden Schaft Seitenbegrenzung Zwischenraum 0 mehrphasiger Gleichspannungswandler1 erster Kondensator 2A-C Highside-Einrichtung 3 erster Filter 4A-C Lowside-Einrichtung 5 zweiter Filter 6 zweiter Kondensator 7 DC-Spannungsquelle 9 Hochvolt-Batterie