Fahrzeugbordnetz-Spannungswandler, Fahrzeugbordnetz mit einem Fahrzeugbordnetz-Spannungswandler

Technisches Gebiet:

Die Erfindung betrifft einen Fahrzeugbordnetz-Spannungswandler sowie ein Fahrzeugbordnetz mit einem genannten Fahrzeugbord- netz-Spannungswandler .

Stand der Technik:

Mehrspannungsbordnetze von Kraftfahrzeugen, insbesondere Hybridelektro-/Elektrofahrzeugen, mit mehreren Bordnetzzweigen weisen mindestens einen Fahrzeugbordnetz-Spannungswandler auf, der eingerichtet ist, eine Bordnetzspannung eines Bordnetz zweigs in eine andere Bordnetzspannung eines anderen Bordnetzzweigs und/oder umgekehrt umzuwandeln.

Insbesondere gibt es Drei- oder Mehrspannungsbordnetze, in denen drei oder mehr Bordnetzspannungen für verschiedene elektrische Komponenten des Bordnetzes mit unterschiedlich hohen Betriebsspannungen vorgesehen sind.

Zur Umwandlung dieser drei bzw. mehr Bordnetzspannungen bedarf es somit ein Fahrzeugbordnetz-Spannungswandler, der in der Lage ist, die drei bzw. mehr Bordnetzspannungen unterschiedliche Spannungsniveaus sicher in jeweils andere Bordnetzspannungen umzuwandeln.

Damit besteht die Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, eine Möglichkeit zur sicheren und kostengünstigen Umwandlung der unterschiedlichen Bordnetzspannungen eines Bordnetzes eines Kraftfahrzeugs bereitzustellen.

Beschreibung der Erfindung:

Diese Aufgabe wird durch Gegenstände der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Un ^¬ teransprüche . Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung wird ein Fahrzeug ^¬ bordnetz-Spannungswandler zur Umwandlung einer ersten Bordnetzspannung in einer zweiten Bordnetzspannung und einer dritten Bordnetzspannung umzuwandeln. Der Fahrzeugbordnetz-Spannungswandler umfasst einen ersten

Stromanschluss und einen zweiten Stromanschluss zum Anschließen des Fahrzeugbordnetzes an der ersten Bordnetzspannung sowie zwei Primärwicklungsschaltungen, die zwischen dem ersten und dem zweiten Stromanschluss zueinander parallel angeschlossen sind.

Der Fahrzeugbordnetz-Spannungswandler umfasst ferner einen dritten Stromanschluss und einen vierten Stromanschluss zum Bereitstellen der zweiten Bordnetzspannung sowie zwei Sekundärwicklungsschaltungen, die zwischen dem dritten und dem vierten Stromanschluss zueinander seriell angeschlossen sind.

Der Fahrzeugbordnetz-Spannungswandler umfasst ferner einen fünften Stromanschluss zwischen den zwei Sekundärwicklungs ^¬ schaltungen zum Bereitstellen der dritten Bordnetzspannung zwischen dem fünften und dem vierten Stromanschluss.

Dabei sind jeweils eine der zwei Primärwicklungsschaltungen und jeweils eine der zwei Sekundärwicklungsschaltungen paarweise miteinander elektromagnetisch gekoppelt. Mit dem oben beschriebenen Fahrzeugbordnetz-Spannungswandler ist ein Spannungswandler für ein Drei- bzw. Mehrspannungs- bordnetz mit drei oder mehr voneinander galvanisch getrennten Bordnetzzweigen geschaffen, der einstufige Umwandlung von der ersten in die zweite und die dritte Bordnetzspannung ermöglicht. Die einstufige Spannungsumwandlung weist im Vergleich zu einer mehrstufigen Spannungsumwandlung einen geringeren Aufwand an Bauteilen, eine geringere Komplexität der Schaltung und somit geringe Kosten auf.

Durch die Parallelschaltung der beiden Primärwicklungsschaltungen und die Reihenschaltung der beiden Sekundärwicklungsschaltungen kann ein hohes Transformator-Übersetzungsverhältnis erzielt werden, wodurch die erforderliche Spannungsfestigkeit der verwendeten elektrischen bzw. elektronischen Bauelementen (unter der Berücksichtigung der möglichen Abschaltüberspannungen) gesenkt werden kann. Dies hat wiederum den Vorteil, dass vergleichsweise günstige elektrische bzw. elektronische Bau- elemente bei dem Fahrzeugbordnetz-Spannungswandler eingesetzt werden können. Zudem können Zeit-Spannungsflächen bei induktiven Bauelementen, wie z. B. nachfolgend zu beschreibenden Primär- und Sekundärwicklungen reduziert werden. Dies reduziert wiederum Kosten bei dem Fahrzeugbordnetz-Spannungswandler.

Vorzugsweise umfassen die zwei Primärwicklungsschaltungen jeweils eine Vollbrückenschaltung und jeweils eine Primärwicklung. Dabei umfassen die Vollbrückenschaltungen jeweils zwei Halbbrücken, wobei die Primärwicklungen der jeweiligen Pri- märwicklungsschaltungen zwischen den zwei Halbbrücken der entsprechenden Vollbrückenschaltungen elektrisch angeschlossen sind . Die zwei Sekundärwicklungsschaltungen umfassen jeweils eine Sekundärwicklung und jeweils einen der jeweiligen Sekundärwicklungen nachgeschalteten Gleichrichter, wobei die Sekundärwicklungen mit den jeweiligen Primärwicklungen der kor- respondierenden Primärwicklungsschaltungen elektromagnetisch gekoppelt sind.

Der Fahrzeugbordnetz-Spannungswandler umfasst ferner eine gemeinsame Glättungsdrossel , die zwischen den zwei Sekundär- Wicklungsschaltungen elektrisch angeschlossen ist und eingerichtet ist, Wechselspannungsanteile in der zweiten und der dritten Bordnetzspannung zu reduzieren.

Durch die gemeinsame Nutzung der Glättungsdrossel und dem versetzten Ansteuern der beiden Primärwicklungsschaltungen kann die Glättungsdrossel kleiner dimensioniert werden.

Der Fahrzeugbordnetz-Spannungswandler umfasst ferner einen steuerbaren Schalter, der zwischen der Glättungsdrossel und dem fünften Stromanschluss elektrisch angeschlossen ist und eingerichtet ist, in einem offenen Schaltzustand den fünften Stromanschluss von dem dritten Stromanschluss elektrisch zu trennen . Vorzugsweise liegt die zweite Bordnetzspannung bei über 40 Volt, insbesondere bei 48 Volt.

Vorzugsweise liegt die dritte Bordnetzspannung bei unter 40 Volt, insbesondere bei 12 Volt.

Die zwei Primärwicklungsschaltungen sind vorzugsweise zuei ^¬ nander schaltungstechnisch identisch ausgebildet. Vorzugsweise sind die zwei Sekundärwicklungsschaltungen ebenfalls zueinander schaltungstechnisch identisch ausgebildet.

Der Fahrzeugbordnetz-Spannungswandler umfasst ferner eine Steuereinheit zur Steuerung der zwei Primärwicklungsschal ^¬ tungen, die ferner eingerichtet ist, die zwei Primärwick ^¬ lungsschaltungen bzw. die Vollbrückenschaltungen der zwei Primärwicklungsschaltungen voneinander um 90 Grad versetzt anzusteuern. Dabei bedeutet das „versetzte Ansteuern", dass pulsweitenmodulierte Steuersignale zur Steuerung der Halb ^¬ leiterschalter der Vollbrückenschaltungen der zwei Primärwicklungsschaltungen bezogen auf die Signalperiode um 90° voneinander versetzt sind. Die Steuereinheit ist vorzugsweise ferner eingerichtet, zum Bereitstellen der dritten Bordnetzspannung die Vollbrücken- schaltung eine der zwei Primärwicklungsschaltungen auszuschalten und die Vollbrückenschaltung einer anderen der zwei Primärwicklungsschaltungen in einem Halbbrückenbetriebmodus zu betreiben. Dabei ist ein Halbbrückenbetriebmodus ein Be ^¬ triebsmodus, bei dem ein Schalter einer der beiden Halbbrücken der Vollbrückenschaltung durchgehend ausgeschaltet und der andere Schalter derselben Halbbrücke durchgehend eingeschaltet. Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Fahrzeugbordnetz, insbesondere für ein Hybridelektro-/Elektrofahrzeug, bereitgestellt, das einen ersten Bordnetzzweig mit einer ersten Bordnetzspannung, einen zweiten Bordnetzzweig mit einer zweiten Bordnetzspannung sowie einen dritten Bordnetzzweig mit einer dritten Bordnetzspannung umfasst.

Das Fahrzeugbordnetz umfasst ferner einen zuvor beschriebenen Fahrzeugbordnetz-Spannungswandler, der über den ersten und den zweiten Stromanschluss mit dem ersten Bordnetzzweig, über den dritten und den vierten Stromanschluss mit dem zweiten Bordnetzzweig, sowie über den fünften und den vierten Stromanschluss mit dem dritten Bordnetzzweig elektrisch verbunden ist und eingerichtet ist, die erste Bordnetzspannung des ersten

Bordnetzzweigs in die zweite Bordnetzspannung des zweiten

Bordnetzzweigs und in die dritte Bordnetzspannung des dritten Bordnetzzweigs umzuwandeln.

Vorteilhafte Ausgestaltungen des oben beschriebenen Fahr- zeugbordnetz-Spannungswandlers sind, soweit im Möglichen auf das oben genannte Fahrzeugbordnetz übertragbar, auch als vorteilhafte Ausgestaltungen des Fahrzeugbordnetzes anzusehen.

Beschreibung der Zeichnung:

Im Folgenden wird eine beispielhafte Ausführungsform der Erfindung bezugnehmend auf die beiliegende Zeichnung näher er ^¬ läutert. Dabei zeigt die einzige Figur in einer schematischen Schaltungstopologie ein Fahrzeugbordnetz mit einem Fahrzeug- bordnetz-Spannungswandler gemäß einer Ausführungsform der Erfindung .

Das Fahrzeugbordnetz BN, beispielsweise eines Hybridelektro- fahrzeugs, umfasst einen ersten Bordnetzzweig BZ1 mit einer ersten Bordnetzspannung Ul, einen zweiten Bordnetzzweig BZ2 mit einer zweiten Bordnetzspannung U2 sowie einen dritten Bordnetzzweig BZ3 mit einer dritten Bordnetzspannung U3.

Dabei betragen die erste Bordnetzspannung Ul bspw. 450 Volt, die zweite Bordnetzspannung U2 bspw. 48 Volt und die dritte

Bordnetzspannung U3 bspw. 12 Volt.

Das Bordnetz BN umfasst ferner einen Spannungswandler SW, der über einen ersten und einen zweiten Stromanschluss AI, A2 mit dem ersten Bordnetzzweig BZ1, über einen dritten und einen vierten Stromanschluss A3, A4 mit dem zweiten Bordnetzzweig BZ2 sowie über einen fünften und den vierten Stromanschluss A5, A4 mit dem dritten Bordnetzzweig BZ3 elektrisch verbunden ist.

Der Spannungswandler SW ist eingerichtet, die erste Bord ^¬ netzspannung Ul in die zweite und die dritte Bordnetzspannung U2, U3 umzuwandeln. Der Spannungswandler SW umfasst auf dessen mit dem ersten

Bordnetzzweig BZ1 elektrisch verbundenen Primärseite PS eine erste und eine zweite Primärwicklungsschaltung WP1, WP2, welche zwischen dem ersten und dem zweiten Stromanschluss AI, A2 zueinander parallel elektrisch geschalten sind.

Die beiden Primärwicklungsschaltungen WP1, WP2 sind zueinander im Wesentlichen analog ausgebildet und umfassen jeweils eine Vollbrückenschaltung VBl, VB2. Jede der beiden Vollbrückenschaltungen VBl, VB2 umfasst wiederum jeweils zwei zueinander identischen Halbbrücken HB1, HB2; HB3, HB4, jeweils eine

Primärwicklung LP1; LP2 sowie jeweils einen Kondensator KD1; KD2. Dabei sind die Primärwicklung LP1, LP2 und der Kondensator KD1, KD2 der jeweiligen Vollbrückenschaltungen VBl, VB2 zwischen den jeweiligen beiden Halbbrücken HB1, HB2 bzw. HB3, HB4 seriell angeschlossen. Die Halbbrücken HB1, HB2, HB3, HB4 umfassen jeweils einen positivspannungsseitigen HS11, HS21, HS31, HS41 und einen negativspannungsseitigen HS12, HS22, HS32, HS42 Halbleiterschalter, welche in Reihe geschaltet sind. Die Kondensatoren KD1, KD2 dienen dazu, die Gleichspannungsanteile in Strömen zu reduzieren, welche durch die jeweiligen Vollbrückenschaltungen VBl, VB2 fließen.

Der Spannungswandler SW umfasst ferner eine Steuereinheit SE, welche signalausgangsseitig mit den Steueranschlüssen der positivspannungsseitigen HS11, HS21, HS31, HS41 und einen negativspannungsseitigen HS12, HS22, HS32, HS42 Halbleiterschalter elektrisch verbunden ist und eingerichtet ist, zur Umwandlung der ersten Bordnetzspannung Ul in die zweite bzw. die dritte Bordnetzspannung U2, U3 die Halbbrücken HB1, HB2, HB3, HB4 bzw. die Halbleiterschalter HS11, HS21, HS31, HS41; HS12, HS22, HS32, HS42 in einer nachfolgend zu beschreibenden Weise anzusteuern . Auf einer mit dem zweiten und dem dritten Bordnetzzweig BZ2, BZ3 elektrisch verbundenen, von der Primärseite PS galvanisch getrennten Sekundärseite SS umfasst der Spannungswandler SW analog eine erste und eine zweite Sekundärwicklungsschaltung WS1, WS2, welche zwischen dem dritten und dem vierten Strom- anschluss A3, A4 zueinander seriell angeschlossen sind.

Die zwei Sekundärwicklungsschaltungen WS1, WS2 umfassen jeweils eine Sekundärwicklung LSI, LS2 und jeweils einen der jeweiligen Sekundärwicklungen LSI, LS2 nachgeschalteten Gleichrichter GR1, GR2. Dabei sind die Sekundärwicklungen LSI, LS2 der ersten und der zweiten Sekundärwicklungsschaltungen WS1, WS2 mit den jeweiligen Primärwicklungen LP1, LP2 der ersten bzw. der zweiten Primärwicklungsschaltungen WP1, WP2 paarweise elektromagnetisch gekoppelt .

Die Gleichrichter GR1, GR2 umfassen jeweils zwei Dioden Dil, D12; D21, D22, welche mit ihren Kollektoranschlüssen der jeweiligen korrespondierenden Sekundärwicklung LSI, LS2 weisen. Alternativ können die beiden Gleichrichter GR1, GR2 anstelle der Dioden Dil, D12; D21, D22 Halbleiterschalter, wie z. B. Metall Oxid

Halbleiter Feldeffekttransistoren (MOSFET) , aufweisen, welche dann zur Spannungsumwandlung von der Steuereinheit SE in einer dem Fachmann bekannten Weise synchron zu den Halbleiterschaltern HS11, HS21, HS31, HS41; HS12, HS22, HS32, HS42 der Halbbrücken HB1, HB2, HB3, HB4 der beiden Primärwicklungsschaltungen WP1 , WP2 angesteuert werden. Sind die beiden Gleichrichter GR1, GR2 mit Halbleiterschaltern ausgestattet, so kann der Spannungswandler SW auch bidirektional betrieben werden und die erste Bord- netzspannung Ul in die zweite und die dritte Bordnetzspannungen U2, U3 bzw. die zweite und die dritte Bordnetzspannungen U2, U3 in die erste Bordnetzspannung Ul umwandeln.

Der Spannungswandler SW umfasst ferner eine Glättungsdrossel LG, die zwischen den beiden Sekundärwicklungsschaltungen WS1, WS2 elektrisch angeschlossen ist und eingerichtet ist, Wechsels ^¬ pannungsanteile in der zweiten und der dritten aus der ersten Bordnetzspannung Ul umgewandelten Bordnetzspannung U2, U3 zu reduzieren .

Der Spannungswandler SW umfasst ferner einen Strompfad SP zwischen der Glättungsdrossel LG und dem fünften Anschluss A5 sowie einen steuerbaren Halbleiterschalter ST in dem Strompfad SP. Der Halbleiterschalter ST ist eingerichtet, in einem offenen Schaltzustand den fünften Anschluss A5 von dem dritten Anschluss A3 elektrisch zu trennen. In einem geschlossenen Schaltzustand verbindet der Halbleiterschalter ST die zweite Sekundärwicklungsschaltung WS2 mit dem dritten Bordnetz zweig BZ3 elektrisch. In diesem Fall wird der erste Gleichrichter GR1 inaktiv und dient mit den beiden Dioden Dil und D12 als ein Sperrelement zwischen dem zweiten und dem dritten Bordnetzzweig BZ2, BZ3.

Der Spannungswandler SW umfasst ferner eine Steuereinheit SE zum Steuern des Halbleiterschalters ST.

Der Spannungswandler SW umfasst zudem einen weiteren Kondensator Cl zwischen dem ersten und dem zweiten Anschluss AI, A2, einen weiteren Kondensator C2 zwischen dem dritten und dem vierten Anschluss A3, A4, sowie einen weiteren Kondensator C3 zwischen dem fünften und vierten Anschluss A5, A4. Diese Kondensatoren Cl, C2, C3 dienen zur Reduzierung von Spannungsschwankungen in der ersten, der zweiten bzw . der dritten Bordnetzspannung Ul , U2, U3. Nachdem die Schaltungstopologie des Fahrzeugbordnetzes BN anhand der Figur detailliert beschrieben wurde, wird nachfolgend dessen Funktionsweise näher beschrieben.

Zum Generieren der zweiten Bordnetzspannung U2 von 48 Volt aus der ersten Bordnetzspannung Ul von 450 Volt steuert die

Steuereinheit SE die Halbleiterschalter HS11, HS21, HS31, HS41, HS12, HS22, HS32, HS42 der Halbbrücken HBl, HB2, HB3, HB4 mittels pulsweitenmodulierten Steuersignalen voneinander zeitlich versetzt derart, dass die beiden Vollbrückenschaltungen VB1, VB2 pro Signalperiode der Steuersignalen voneinander um 90° versetzt an der ersten Bordnetzspannung Ul angeschlossen werden. Die Halbleiterschalter HS11, HS21, HS31, HS41, HS12, HS22, HS32, HS42 werden dabei derart angesteuert, dass die beiden Vollbrü ^¬ ckenschaltungen VB1, VB2 pro Periode einmal positiv und einmal negativ an der ersten Bordnetzspannung Ul angeschlossen werden.

Durch die elektromagnetischen Kopplungen und die entsprechende Einstellung der Tastgrade der Steuersignale entstehen an den beiden Sekundärwicklungsschaltungen WS1, WS2 jeweils eine Ausgangsspannung von 24 Volt entstehen. Durch die Reihenschaltung der beide Sekundärwicklungsschaltungen WS1, WS2 entsteht zwischen dem dritten und dem vierten Stromanschluss A3, A4 eine gesamte Ausgangsspannung von 48 Volt, welche dann als die zweite Bordnetzspannung U2 dem zweiten Bordnetzzweig BZ2 be- reitgestellt wird.

Zum Generieren der dritten Bordnetzspannung U3 von 12 Volt aus der ersten Bordnetzspannung Ul von 450 Volt schaltet die Steuereinheit SE die Halbleiterschalter HS11, HS12, HS21, HS22 der beiden Halbbrücken HBl, HB2 der ersten Vollbrückenschaltung VB1 und somit die erste Primärwicklungsschaltungen WP1 durchgehend aus. Weiterhin schaltet die Steuereinheit SE einen der beiden Halbleiterschalter HS41 einer der beiden Halbbrücken HB4 durchgehend ein und den anderen Halbleiterschalter HS41 derselben Halbbrücke HB4 durchgehend aus und treibt somit die zweite Vollbrückenschaltung VB2 in einem Halbbrückenbetrieb- modus .

Dadurch entsteht am Ausgang der zweiten Sekundärwicklungs ^¬ schaltung WS2 bei einem unveränderten Tastgrad eine Ausgangsspannung von 12 Volt, also der Hälfte einer in einem Vollbrückenbetriebmodus generierbaren Spannung von 24 Volt.

Durch das Ausschalten der ersten Primärwicklungsschaltungen WP1 entsteht in der ersten Sekundärwicklungsschaltung WS1 eine Ausgangsspannung von 0 Volt.

Die Steuereinheit SE schaltet ferner den Schalter ST ein und verbindet somit die zweite Sekundärwicklungsschaltung WS2 mit dem fünften Stromanschluss A5. Dadurch entsteht zwischen dem fünften und dem vierten Stromanschluss A4, A5 eine Ausgangs- Spannung von 12 Volt, welche dann als die dritte Bordnetzspannung U3 dem dritten Bordnetzzweig BZ3 bereitgestellt wird.

Durch die entsprechende Einstellung der Schaltfrequenz, des Tastgrades und der Schaltzeiten der positivspannungsseitigen und der negativspannungsseitigen Halbleiterschalter HS11, HS12, HS21, HS22, HS31, HS32, HS41 und HS42 der beiden Vollbrü- ckenschaltungen VB1 , VB2 können in einem Halbbrückenbetriebmodus auf der Primärseite PS ein Nullstrombetrieb (Ze- ro-Current-Betrieb) erreicht und folglich auf der Sekundärseite SS so genannte Reverse-Recovery Verluste reduziert werden.