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Bei Fahrzeugen mit elektrischem Antrieb speist ein Akkumulator eine elektrische Maschine. Dieser Akkumulator wird über einen Ladeanschluss des Fahrzeugs von einer externen Quelle aufgeladen. Um hohe Leistungsbereiche zu ermöglichen, werden Akkumulatoren mit hohen Spannungen wie beispielsweise 800 Volt oder zumindest von mehr als 600 Volt verwendet. Es bestehen ferner Ladestandards, die einen bestimmten Spannungsbereich zum Gleichspannungsladen vorsehen, beispielsweise ein Spannungsbereich von 400-500 Volt (CHAdeMO).
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Um kostengünstig Akkumulatoren mit der vorgenannten hohen Nennspannung von mehr als 600 Volt mit Ladestationen aufzuladen, die eine geringere Gleichspannung von 400-500 Volt vorsehen, sind Wandler notwendig. Um diese kostengünstig auszugestalten, werden diese vorzugsweise galvanisch verbindend ausgestaltet, das heißt ohne galvanisch isolierenden Transformator. Eine besondere Rolle spielt dann zur Realisierung von Sicherheitsmaßnahmen die Erdung, die bei einer akkumulatorseitigen Isolationsstörung verhindert, dass am Fahrzeugchassis gegenüber Erde gefährliche Berührspannungen auftreten. Diese Erdung kann jedoch fehlerhaft sein oder kann mit einer Stromtragfähigkeit ausgelegt sein, die einem Kurzschlussstrom eines Hochvoltakkumulators nicht standhält.
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Es ist eine Aufgabe der Erfindung, Möglichkeiten aufzuzeigen, mit denen ein Gleichstromladen mit 400-500 Volt Ladespannung ermöglicht wird, um Akkumulatoren mit höherer Nennspannung aufzuladen, ohne dass beim Auftreten von Fehlern besondere Gefährdungen von dem Fahrzeug oder der Ladestation ausgehen können.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch die Ausführungsform des hier beschriebenen fahrzeugseitigen Lade-Gleichspannungswandlers, der galvanisch verbindend ist.
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Zur Anpassung der verschiedenen Spannungsniveaus (Ladestation / Akkumulator) ist dieser als Aufwärtswandler ausgestaltet, der galvanisch verbindend ist. Somit weist der Gleichspannungswandler (in einer Potentialschiene) eine Arbeitsdiode auf, mittels der die Stromrichtung definiert wird, in der Energie vom ladestationsseitigen Anschluss zum batterieseitigen Anschluss gepumpt wird. Beispielsweise eine getaktet geschaltete Arbeitsinduktivität kann verwendet werden, um ladestationsseitig Energie aufzunehmen (durch Magnetisierung der Arbeitsinduktivität), um diese Energie dann gerichtet über die Diode abzugeben. Es wird vorgeschlagen, eine weitere Diode (in der anderen Potentialschiene, an dem batterieseitigen Anschluss) zu verwenden. Die weitere Diode sowie die ohnehin vorhandene Arbeitsdiode sind Potentialen unterschiedlicher Polarität zugeordnet, sodass der positive und der negative Verbindungsweg zwischen ladestationsseitigem Anschluss und batterieseitigem Anschluss jeweils eine Diode aufweisen. Die weitere Diode befindet sich zwischen den Komponenten, die den Aufwärtswandler darstellen (Arbeitsdiode, ggf. auch Arbeitsinduktivität, Arbeitsschalter und Zwischenkreiskondensator), und dem batterieseitigen Anschluss, wodurch Ströme, die aufgrund von Fehlern bestehen und in den batterieseitigen Anschluss eingetragen werden, zumindest begrenzt werden können. in den batterieseitigen Anschluss eingetragen werden, zumindest begrenzt werden können. Derartige Ströme sind etwa Kurzschlussströme oder isolationsfehlerinduzierte Ströme, die zwischen einem Potential des Wandlers von und der Fahrzeugmasse fließen.
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Um zu vermeiden, dass batterieseitige Fehler zu einem gefährdenden Stromfluss führen, ist die weitere Diode dem entsprechenden Kontakt bzw. Potential des batterieseitigen Anschlusses (direkt) vorgeschaltet. Dadurch wird ein Fehler eines Potentials des batterieseitigen Anschlusses gegenüber Masse von einer der beiden genannten Dioden unterbunden, und ein Stromfluss zwischen dem anderen Potential des batterieseitigen Anschlusses wird über die andere Diode unterbunden. Dadurch wird insbesondere auch der Schutzleiter geschont, sodass dieser durch Verbindung der Fahrzeugmasse mit einer Erdung ein gefährdendes Berührungspotential am Fahrzeugchassis sicher unterbinden kann und der Stromfluss durch den Schutzleiter begrenzt ist, um diesen selbst sowie seine Sicherungsfunktion zu schützen. Ferner erlaubt der Wandler und insbesondere die genannten Dioden, dass kein Potential des ladestationsseitigen Anschlusses direkt mit einem Potential des batterieseitigen Anschlusses verbunden ist. Vielmehr sind liegt zumindest eine der Dioden zwischen diesen Potentialen, um einen fehlerinduzierten Strom zwischen den beiden Anschlüssen zu begrenzen (oder zu sperren).
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Es wird somit ein fahrzeugseitiger Lade-Gleichspannungswandler vorgeschlagen, der galvanisch verbindend ist (d.h. der nicht galvanisch isolierend ist). Der Wandler ist als Aufwärtswandler ausgestaltet und weist einen ersten, ladestationsseitigen Anschluss sowie einen zweiten, batterieseitigen Anschluss auf. Der erste Anschluss ist vorzugsweise als von außen zugreifbarer Ladeanschluss ausgebildet, etwa in Form einer Ladebuchse in einer Lademulde des Fahrzeugs. Der zweite, batterieseitige Anschluss ist dafür vorgesehen, mit einer Hochvoltbatterie verbunden zu werden, die fahrzeugseitig vorliegt. Die Nennspannung dieser Batterie beträgt insbesondere mehr als 600 Volt, beispielsweise etwa 800 Volt oder mehr. Der batterieseitige Anschluss kann auch als akkumulatorseitiger Anschluss bezeichnet werden. In einem Fahrzeugbordnetz, das den genannten Gleichspannungswandler aufweist, ist an den zweiten Anschluss der Traktionsakkumulator des Fahrzeugbordnetzes angeschlossen.
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Der erste Anschluss ist ein Gleichspannungsanschluss und weist somit zwei Potentiale auf. Der erste Anschluss ist ein ladestationsseitiger Anschluss und kann in Bezug auf die Funktion des Ladens als Eingang bezeichnet werden. Der zweite, batterieseitige Anschluss, kann diesbezüglich aus Ausgang bezeichnet werden. Diese Bezeichnung betrifft die Funktion des Ladens; bei einem Rückspeisen sind die funktionalen Zuordnungen der Anschlüsse vertauscht (und die Leistungsübertragungsrichtung ist umgedreht).
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Einem ersten Potential des zweiten Anschlusses ist eine Arbeitsdiode des Gleichspannungswandlers vorgeschaltet. Dies entspricht beispielsweise einer Arbeitsdiode, die in einer ersten Potentialschiene zwischen ersten und zweiten Anschluss in Reihe geschaltet ist. Dem zweiten Potential des zweiten Anschlusses ist eine weitere Diode vorgeschaltet, vorzugsweise unmittelbar. Der von dem Gleichspannungswandler gebildete Aufwärtswandler weist somit einen Ausgang auf, der in einer zweiten Potentialschiene über die weitere Diode mit dem zweiten Potential des zweiten Anschlusses verbunden ist. Insbesondere ist die Arbeitsdiode (und auch die weitere Diode), von einem Arbeitsschalter des Gleichspannungswandlers gesehen, batterieseitig angeschlossen. Die Durchlassrichtungen der Dioden sind derart, dass diese einen Ladestrom tragen, wenn vom ersten Anschluss zum zweiten Anschluss eine elektrische Leistung übertragen wird (Lademodus). Ist das erste Potential des zweiten Anschlusses das positive Potential, dann weist die Durchlassrichtung der Arbeitsdiode zu dem ersten Potential des zweiten Anschlusses hin. Ist das zweite Potential des zweiten Anschlusses ein negatives Potential, so weist die Durchlassrichtung der weiteren Diode von dem zweiten Potential des zweiten Anschlusses weg. Dies entspricht dem Rückstrompfad des Ladestroms.
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Die Dioden sperren durch ihre Ausrichtung und Position innerhalb der Schaltung Ströme, die etwa von dem batterieseitigen Anschluss her in fehlerhafter Weise in den Gleichspannungswandler eingebracht werden. Insbesondere wird durch den beschriebenen Gleichspannungswandler der batterieseitige Anschluss gegenüber dem ladestationsseitigen Anschluss auf beiden Potentialen gesperrt durch die beschriebenen Dioden. Ferner werden Kurzschlussströme, die zum ladestationsseitigen Anschluss gerichtet sind, gesperrt. Durch die weitere Diode wird der Kurzschlussstrom, der bei einem Fehler von den batterieseitigen Anschlüssen in den Wandler eingebracht wird, gesperrt, insbesondere wenn sich dieser Strom fehlerhafterweise auf Masse bezieht. Bei einem Isolationsfehler auf der Seite des batterieseitigen Anschlusses limitieren die Dioden einen Kurzschlussstrom, der über den PE-Leiter (Schutzleiter, Erdungsleiter) fließen könnte, auf die Höhe des Laststroms (da insbesondere die weitere Diode mit einer entsprechenden maximalen Strombelastung ausgelegt sein kann). Es ergibt sich somit keine direkte Verbindung zwischen dem ladestationsseitigen Anschluss und dem batterieseitigen Anschluss des Wandlers. Da der Strom entsprechend begrenzt ist, kann ein entsprechend ausgelegter Arbeitsschalter ohne die Gefahr auf Verschweißung oder Lichtbogen abtrennen. Insbesondere kann dies dann sehr schnell geschehen, da (aufgrund der Strombegrenzung durch die Diode) beispielsweise Halbleiterschalter oder elektronische Sicherungen an dieser Stelle vorgesehen sein können, die den entsprechend begrenzten Stromfluss unterbrechen können.
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Bevorzugt ist die weitere Diode zwischen dem batterieseitigen Anschluss und einem Zwischenkreiskondensator vorgesehen, der der Arbeitsdiode des Gleichspannungswandlers nachgeschaltet ist. Dadurch besteht auch ein Schutz vor den hohen Spitzenleistungen, die im Fehlerfall von dem Zwischenkreiskondensator abgegeben werden können.
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Eine erste Potentialschiene des Gleichspannungswandlers verbindet das erste Potential des ersten Anschlusses mit dem ersten Potential des zweiten Anschlusses. Eine zweite Potentialschiene des Spannungswandlers verbindet das zweite Potential des ersten Anschlusses mit dem zweiten Potential des zweiten Anschlusses. In der ersten Potentialschiene ist die Arbeitsdiode (des Aufwärtswandlers) vorgesehen; in der zweiten Potentialschiene ist (auf der Seite des zweiten Anschlusses) die weitere Diode vorgesehen. Eine Arbeitsinduktivität des Aufwärtswandlers ist über einen Verbindungspunkt mit der Arbeitsdiode verbunden. Somit ist die Arbeitsinduktivität in Reihe mit der Arbeitsdiode verbunden. Die Arbeitsinduktivität liegt auf der Seite des ersten Anschlusses vor, während die Arbeitsdiode zum zweiten Anschluss hinweist.
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Zwischen der Arbeitsdiode und der Arbeitsinduktivität (Arbeitsdrossel) ist vorzugsweise ein Arbeitsschalter (des Aufwärtswandlers) angeschlossen, der zum gegenüberliegenden Potential bzw. zur gegenüberliegenden Potentialschiene führt. Dieser Arbeitsschalter ist vorzugsweise ein Halbleiterschalter. Der Arbeitsschalter wird getaktet betrieben, um so die Arbeitsinduktivität zu magnetisieren, und im darauffolgenden Takt zu ermöglichen, dass die Arbeitsinduktivität die darin gespeicherte Energie über die Arbeitsdiode an den zweiten Anschluss abgibt. Somit ist der Verbindungspunkt zwischen Arbeitsinduktivität und Arbeitsdiode über den Arbeitsschalter mit der zweiten Potentialschiene verbunden. Die weitere Diode befindet sich in der zweiten Potentialschiene zwischen dem Arbeitsschalter und dem zweiten Potential des zweiten Anschlusses. Der vorangehend erwähnte Zwischenkreiskondensator verbindet das der Arbeitsinduktivität abgewandte Ende der Arbeitsdiode mit demjenigen Ende der weiteren Diode, welches dem zweiten Anschluss abgewandt ist. Dadurch befindet sich die weitere Diode zwischen dem Zwischenkreiskondensator des Aufwärtswandlers und dem zweiten Anschluss, d.h. dem zweiten Potential des zweiten Anschlusses.
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Vorzugsweise ist dem zweiten Potential des ersten Anschlusses eine erste Sicherung nachgeschaltet. Diese befindet sich vorzugsweise zwischen dem ersten Anschluss und dem Arbeitsschalter. Die erste Sicherung ist somit in der zweiten Potentialschiene vorgesehen und befindet sich auf der Seite des ersten Anschlusses. Die erste Sicherung begrenzt bzw. unterbindet einen Kurzschlussstrom, der aufgrund eines Fehlers in den ersten Anschluss eingetragen wird. Die hier erwähnten Kurzschlussströme können insbesondere dann entstehen, wenn der Arbeitsschalter oder eine andere Komponente des Aufwärtswandlers fehlerhafterweise eine dauerhafte, niederohmige Verbindung vorsieht. Dies ist etwa der Fall, wenn der Arbeitsschalter ein AUS-Ansteuersignal erhält, jedoch im AN-Zustand ist. Es können Kurzschlussströme in den ersten (oder zweiten) Anschluss eingetragen werden, die zwischen den Potentialen des Anschlusses bzw. des Wandlers fließen. Es können auch Kurzschlussströme zwischen einem Potential eines der Anschlüsse und einem Massepotential fließen, wodurch der Erdungsleiter (PE-Leiter) belastet oder überlastet werden kann. Auch diese können durch den vorangehend genannten Fehler entstehen, insbesondere in Kombination mit einem Isolationsfehler zwischen Masse einerseits und einem der Potentiale der beiden Anschlüsse andererseits. Die hier beschriebene Sicherung oder Sicherungen begrenzen bzw. unterbrechen den Kurzschlussstrom. Gleiches gilt für die beschriebenen Dioden. Die erste Sicherung kann als Schmelzsicherung vorliegen (vorzugsweise mit hoher Reaktionsgeschwindigkeit bzw. geringem Grenzlastintervall, etwa weniger als 30.000 A2s).
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Weitere Ausführungsformen sehen vor, dass eine zweite Sicherung vorgesehen ist. Diese befindet sich in der anderen Potentialschiene, das heißt in der ersten Potentialschiene. Die zweite Sicherung ist zwischen der Arbeitsinduktivität und dem ersten Potential des ersten Anschlusses vorgesehen. Hierbei ist die zweite Sicherung vorzugsweise direkt der Arbeitsinduktivität vorgeschaltet. Mit anderen Worten ist die zweite Sicherung dem ersten Potential des ersten Anschlusses nachgeschaltet und ist insbesondere der Arbeitsdiode beziehungsweise dem Arbeitsschalter vorgeschaltet (vom ersten Anschluss aus betrachtet). Auch diese Sicherung
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Die Position der zweiten Sicherung gegenüber der Arbeitsinduktivität kann auch vertauscht vorliegen, sodass die Arbeitsinduktivität über die zweite Sicherung mit der Arbeitsdiode beziehungsweise dem Arbeitsschalter verbunden ist (das heißt mit dem Verbindungspunkt, der oben beschrieben wurde). Die zweite Sicherung befindet sich somit zwischen der Arbeitsdiode und dem ersten Potential des ersten Anschlusses. Die zweite Sicherung ist vorzugsweise als elektronische Sicherung ausgebildet. Die zweite Sicherung umfasst somit ein Halbleiter-Schaltelement, welches den Stromfluss durch die Sicherung unterbrechen kann, wenn die Nennspannung der Sicherung überschritten wird.
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Der Gleichspannungswandler kann zudem einen Überbrückungsschalter aufweisen. Dieser verbindet einen Punkt, der das erste Potential des ersten Anschlusses führt, mit dem ersten Potential des zweiten Anschlusses in schaltbarere Weise. Dadurch kann der gebildete Aufwärtswandler überbrückt werden. Ist der Überbrückungsschalter geschlossen, dann ist der Aufwärtswandler inaktiv (und der Arbeitsschalter offen).
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Der Überbrückungsschalter kann das erste Potential des ersten Anschlusses direkt mit dem ersten Potential des zweiten Anschlusses schaltbar verbinden, oder kann einen Punkt, der etwa über einen Trennschalter mit dem ersten Potential des ersten Anschlusses verbunden ist, mit dem ersten Potential des zweiten Anschlusses verbinden. Der Überbrückungsschalter ermöglicht eine Leistungsübertragung am Aufwärtswandler vorbei, wenn die Spannung am ersten Anschluss angepasst ist an die Spannung am zweiten Anschluss. Der hier beschriebene Überbrückungsschalter überbrückt somit die Arbeitsdiode und ferner auch die Arbeitsinduktivität und gegebenenfalls auch die zweite Sicherung. Der Überbrückungsschalter überbrückt somit Elemente, die in der ersten Potentialschiene vorgesehen sind.
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Es kann ein weiterer Überbrückungsschalter vorgesehen sein. Dieser kann insbesondere die weitere Diode überbrücken, um bei Übertragung von höheren Leistungen die Verlustleistung der Diode zu verringern. Der weitere Überbrückungsschalter kann direkt an den beiden Enden der weiteren Diode angeschlossen sein. Ferner kann der weitere Überbrückungsschalter auch das zweite Potential des ersten Anschlusses mit dem zweiten Potential des zweiten Anschlusses schaltend verbinden. Es kann vorgesehen sein, dass die erste Sicherung in Reihe mit dem weiteren Überbrückungsschalter angeschlossen ist, wobei die sich ergebende Reihenschaltung das zweite Potential des ersten Anschlusses mit dem zweiten Potential des zweiten Anschlusses verbindet. Ist dem zweiten Potential des ersten Anschlusses ein (erster) Trennschalter nachgeschaltet, so kann vorgesehen sein, dass der weitere Überbrückungsschalter (vorzugsweise zusammen mit der ersten Sicherung) sowohl die Diode als auch den hierzu in Reihe geschalteten ersten Trennschalter schaltbar verbindet. Der weitere Überbrückungsschalter verbindet einen Punkt, der das zweite Potential des Anschlusses führt, mit dem zweiten Potential des zweiten Anschlusses. Dieser genannte Punkt kann dem zweiten Potential am Anschluss direkt entsprechend, oder kann einem Punkt entsprechen, der über einen (ersten) Trennschalter mit dem zweiten Potential des ersten Anschlusses verbunden ist.
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Wie erwähnt kann ein Trennschalter vorgesehen sein, der auch als erster Trennschalter bezeichnet werden kann. Dieser ist vorzugsweise in der zweiten Potentialschiene vorgesehen. Der Trennschalter ist vorzugsweise dem ersten Anschluss nachgeschaltet. Das zweite Potential des ersten Anschlusses kann schaltbar über den Trennschalter mit der weiteren Diode verbunden sein, insbesondere mit einem Ende der Diode, das dem zweiten Anschluss abgewandt ist. Ferner kann über den Trennschalter das zweite Potential des ersten Anschlusses schaltbar mit einer ersten Sicherung verbunden sein, welche zum zweiten Potential des zweiten Anschlusses führt. In diesem Fall ist der Trennschalter der Sicherung vorgeschaltet und es besteht nur ein einziger Pfad, der von der weiteren Diode zum ersten Anschluss führt, wobei dieser Pfad wiederum sowohl über die erste Sicherung als auch über den ersten Trennschalter führt. Wie erwähnt kann der Trennschalter dem Potential des ersten Anschlusses auch nachgeschaltet sein und parallel hierzu kann ein weiterer Pfad über die erste Sicherung und insbesondere über einen (weiteren) Trennschalter zum zweiten Potential des zweiten Anschlusses führen.
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Das erste Potential des ersten Anschlusses kann eine positive Polarität aufweisen (Pluspotential). Dies gilt insbesondere auch für das erste Potential des zweiten Anschlusses. Das zweite Potential des ersten Anschlusses weist hierbei vorzugsweise eine negative Polarität auf (Minuspotential). Dies gilt dann auch für das zweite Potential des zweiten Anschlusses. Die erste Potentialschiene entspricht somit einer positiven Potentialschiene beziehungsweise weist eine positive Polarität auf, während die zweite Potentialschiene einem negativen Potential zugeordnet ist, beziehungsweise eine negative Polarität aufweist.
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Die ersten und zweiten Anschlüsse sind jeweils Hochvoltanschlüsse und somit für Nennspannungen von mehr als 60 Volt, insbesondere von mindestens 400 Volt oder mindestens 600 bzw. 800 Volt (etwa der zweite Anschluss) ausgebildet. Die Potentiale beziehungsweise Anschlüsse des Gleichspannungswandlers sind von dem Fahrzeugchassis bzw. dem Fahrzeug-Massepotential (kurz: Masse) elektrisch isoliert, sofern kein Isolationsfehler vorliegt.
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Der hier beschriebene Gleichspannungswandler ist unidirektional ausgebildet und weist eine Arbeitsdiode auf. Im Weiteren wird ein entsprechender Lade-Gleichspannungswandler vorgestellt, bidirektional ausgestaltet ist. Hierbei befindet sich anstelle der Arbeitsdiode ein Arbeitsschalter, etwa in Form eines getaktet arbeitenden Halbleiterschalters. Es ergibt sich zusammen mit dem Arbeitsschalter, der mit der zweiten Potentialschiene verbunden ist, eine Halbbrücke. Auch dieser Arbeitsschalter, der an die Stelle der Arbeitsdiode tritt, ermöglicht eine Unterbrechung zwischen der ersten Potentialschiene. Die Diode in der weiteren Potentialschiene (bei der unidirektionalen Ausbildung als weitere Diode bezeichnet) ist ansonsten ausgebildet, wie bei der unidirektionalen Ausgestaltung des Gleichspannungswandlers. Dies betrifft insbesondere die Durchlassrichtung der Diode (die insbesondere vom zweiten Potential des zweiten Anschlusses wegweisen kann).
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Bei einer bidirektionalen Ausgestaltung des Lade-Gleichspannungswandlers wäre die Diode in der zweiten Potentialschiene vorzugsweise durch eine Sicherung auszutauschen, um eine Rückspeisung zu ermöglichen. In diesem Fall wäre zwischen dem Arbeitsschalter, der zwischen der ersten und der zweiten Potentialschiene vorgesehen ist, beziehungsweise dem Zwischenkreiskondensator eine Sicherung vorzusehen, die zum zweiten Potential des zweiten Anschlusses führt. Mit anderen Worten wäre dann dem zweiten Potential des zweiten Anschlusses anstatt der (weiteren) Diode eine Sicherung vorzusehen.
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Es sind Anwendungsfälle vorgesehen, bei denen die weitere Diode (im unidirektionalen Fall) beziehungsweise die dort vorgesehene Sicherung (im bidirektionalen Fall) mit einem Nennstrom ausgelegt wird, der der maximalen Rückspeiseleistung, gegebenenfalls inklusive einer Sicherheitsmarge, entspricht. Dies können beispielsweise 60, 65 oder ca. 70 Ampere sein. Die erste Sicherung wird, die dem zweiten Potential des ersten Anschlusses nachgeschaltet ist, wird vorzugsweise gemäß einem Nennstrom ausgelegt, der der maximalen Ladeleistung, gegebenenfalls inklusive einer Sicherheitsmarge, entspricht. Dies können beispielsweise 300 Ampere, 350 Ampere oder 400 Ampere sein. Die zweite Sicherung, die dem ersten Potential des ersten Anschlusses nachgeschaltet ist, ist vorzugsweise mit einer hohen Reaktionszeit ausgestaltet, beispielsweise mit einem Grenzlastintegral von nicht mehr als 20.000, 25.000 oder 30.000 A2s. Dies bezieht sich insbesondere auf einen Strom von 10 kA für 250 µs. Auch die weitere Diode (oder auch die Arbeitsdiode) sind mit diesem Grenzlastintegral ausgelegt. Sind Überbrückungsschalter vorgesehen, dann sind diese gemäß einer Schaltspannung oder Nennspannung ausgelegt, die der maximal zu erwartenden Spannung (oder Nennspannung) am ersten Anschluss entspricht, beispielsweise 400 oder 500 Volt, sofern diese einem Trennschalter nachgeschaltet sind, der zum ersten Anschluss führt. Diese Trennschalter sind vorzugsweise mit einer Schaltspannung oder Nennspannung ausgestaltet, die der Nennspannung am zweiten Ausgang entspricht, gegebenenfalls inklusive einer Sicherheitsmarge. Dies können beispielsweise circa 750, 800 oder 900 Volt sein. Die Sicherungen, insbesondere die erste Sicherung, haben vorzugsweise eine geringe Auslösezeit, insbesondere von nicht mehr als 100 µs oder 250 µs oder 400 µs oder von nicht mehr als 1 ms, 10 ms oder 50 ms. Bei einem (Kurzschluss-)Stromfluss, der aufgrund eines Fehlers entsteht, und der durch die Arbeitsinduktivität führt, wird der Stromanstieg ab dem Zeitpunkt des Entstehens des Stromflusses durch die Induktivität selbst begrenzt.
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Die 1 bis 3 dienen zur näheren Erläuterung von Ausführungsformen des hier beschriebenen Wandlers.
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Die 1 zeigt einen fahrzeugseitigen Lade-Gleichspannungswandler mit einem ersten Anschluss A1 und einem zweiten Anschluss A2. Der erste Anschluss A1 verfügt über ein erstes Potential L+ und ein zweites Potential L-. Der zweite Anschluss verfügt über ein erstes Potential HV+ und ein zweites Potential HV-. Das zweite Potential L- des ersten Anschlusses A1 ist über einen ersten Trennschalter TR1 mit einer Sicherung S1 verbunden, sodass diese Komponenten in Reihenschaltung dem Potential L- nachgeschaltet sind. Der Gleichspannungswandler verfügt über eine Arbeitsdiode AD sowie über eine Arbeitsdrossel L beziehungsweise Arbeitsinduktivität L, wobei diese Komponenten über einen Verbindungspunkt VP miteinander verbunden sind. Vom Verbindungspunkt VP aus gesehen weist die Induktivität L zum ersten Anschluss A1 und die Arbeitsinduktivität AD weist zum zweiten Anschluss A2. Der Induktivität L sind, vom Verbindungspunkt VP aus gesehen, eine Sicherung S2 sowie ein Trennschalter TR2 vorgeschaltet.
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Ein Trennschalter TR1, im Weiteren als erster Trennschalter bezeichnet, ist dem Potential L- nachgeschaltet, wobei die darauffolgende Sicherung S1 zu einem Arbeitsschalter AS führt, der den Verbindungspunkt VP mit der gegenüberliegenden Potentialschiene (L- bis HV-) verbindet. Dem Arbeitsschalter AS ist die weitere Diode D nachgeschaltet, die zum negativen Potential HV- des zweiten Anschlusses A2 führt. Dies entspricht dem zweiten Potential des zweiten Anschlusses A2. Die Arbeitsdiode AD führt zum ersten Potential AV+ des zweiten Anschlusses A2, wobei ein Zwischenkreiskondensator C (wie dargestellt) diese Diode bzw. das Potential HV+ mit einem Ende der weiteren Diode D verbindet, das zum ersten Anschluss A1 führt.
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Ein erster Überbrückungsschalter B verbindet das Potential HV+ direkt mit einer Verbindung, die den zweiten Trennschalter TR2 mit der zweiten Sicherung S2 verbindet. Auch auf der negativen Seite befindet sich ein Überbrückungsschalter, der als weiterer Überbrückungsschalter B' bezeichnet wird. Dieser ist der Sicherung S1 nachgeschaltet und führt zum Potential HV-, das heißt zu dem Ende der Diode D, das dem zweiten Anschluss A2 zugewandt ist.
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Ausführungsformen sehen vor, dass die Sicherung S2 als elektronische Sicherung ausgebildet ist, das heißt ein Halbleiterschaltelement als Trennschaltelement vorsieht. Der Überbrückungsschalter B kann mit einer Nennspannung von 400 Volt beziehungsweise von weniger als 800 Volt ausgelegt sein, das heißt mit einer Spannung, die üblicherweise am Anschluss A1 zu erwarten ist. Die Sicherung S2 kann mit einem Nennstrom von circa 100 Ampere, beispielsweise von 100 bis 150 Ampere ausgelegt sein, insbesondere mit einem Nennstrom von 125 Ampere.
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Die Sicherung S1 kann für einen höheren Strom ausgelegt sein, das heißt kann einen Nennstrom aufweisen, der größer ist als der der Sicherung S2. Der Nennstrom der Sicherung S1 kann circa 300 bis 400 Ampere betragen, beispielsweise 350 Ampere. Die beiden Trennschalter TR1, TR2 sind für Nennspannungen von mehr als 400 Volt ausgelegt, beispielsweise von circa 800 Volt oder 900 Volt. Der Überbrückungsschalter B- ist wie der Überbrückungsschalter B für eine Nennspannung von weniger als 800 Volt ausgelegt, beispielsweise für eine Spannung von 400 oder 500 Volt, das heißt mit einer Spannung, die üblicherweise an dem Anschluss A1 zu erwarten ist. Die Trennschalter TR1, TR2 sind ausgelegt für eine Schaltspannung, die der Nennspannung am zweiten Anschluss A2 entspricht, gegebenenfalls inklusive einer Sicherheitsmarge. Die Nennspannung kann 800 Volt betragen oder auch 900 oder 1000 Volt.
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Kein Potential des ersten Anschlusses A1 ist direkt mit dem entsprechenden Potential des zweiten Anschlusses A2 verbunden, sondern es befinden sich zwischen diesen jeweils eine Diode, sei es die Diode AD oder die Diode D. In jeder Potentialschiene PS1, PS2 ist somit eine Diode vorgesehen sowie auch eine Sicherung S1, S2. Ferner sehen beide Potentialschienen jeweils einen Trennschalter TR1, TR2 vor. Beide Potentialschienen weisen ferner einen Überbrückungsschalter B, B- auf. Es sind auch hierzu komplementäre Ausführungsformen denkbar.
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Die Schaltung der 2 (wie die Schaltung der 1) zeigt die einen ersten Anschluss A1 und einen zweiten Anschluss A2 mit den Potentialen L+, L+ (Anschluss A1) und den Potentialen HV+, HV- (des Anschlusses A2). Weiterhin sind Komponenten vorgesehen, die in gleicher Weise wie die Komponenten der 1 bezeichnet sind, und die somit auch die gleichen Eigenschaften aufweisen können und auch in gleicher Weise verbunden bzw. beschaltet sein können. Im Gegensatz zur 1 überbrücken die Überbrückungsschalter B, B- die vollständige Strecke zwischen jeweiligen Potentialen L+, HV+ beziehungsweise L-, HV-. Dem Überbrückungsschalter B- der 2 in der zweiten Potentialschiene PS2 ist eine Sicherung S1 vorgeschaltet, die direkt zum Potential L- des ersten Anschlusses führt. Die Überbrückungsschalter können somit an der Seite des Anschlusses A1 direkt an diesen Anschluss angreifen (wie in 2 dargestellt) oder können erst nach den Trennschaltern TR1, TR2 angreifen, die zu den jeweiligen Potentialen L+, L- des ersten Anschlusses führen, wie in der 1 dargestellt.
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Die 3 zeigt eine Ausführungsform mit Komponenten, die den Komponenten in den vorangehenden Figuren entsprechen. Diese Komponenten sind mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Ausnahme hiervon ist der Überbrückungsschalter B, für den in der 3 keine Entsprechung in der negativen Potentialschiene PS2 vorgesehen ist. Somit weist die Schaltung der 3 nur einen Überbrückungsschalter B auf, der entweder, wie durchgezogen dargestellt, das erste Potential L+ des ersten Anschlusses A1 direkt (in schaltbarer Weise) mit dem ersten Potential HV+ des zweiten Anschlusses A2 verbindet. Eine alternative Ausführungsform, gestrichen dargestellt, sieht vor, dass der Überbrückungsschalter B über den zweiten Trennschalter TR2 mit dem ersten Potential L+ des ersten Anschlusses A1 verbunden ist, und diesen mit einem Kreuz kennzeichnenden Punkt direkt (in schaltbarer Weise) mit dem ersten Potential HV+ des zweiten Anschlusses verbindet.
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Die Sicherung S1 der 3 weist vorzugsweise ein Grenzlastintegral auf, das nicht mehr als 30.000 oder 25.000 A2s beträgt bei einem Strom von 10kA für 250 µs. Dadurch ist diese Sicherung mit einer besonders geringen Reaktionszeit ausgestattet. Auch die Diode D der 3 zeigt vorzugsweise ein Grenzlastintegral von nicht mehr als 30.000 A2s, insbesondere von nicht mehr als 28.000 A2/s. Die Stromtragfähigkeit der Diode D der 3 beträgt vorzugsweise mindestens 300, 350 oder 400 Ampere, während der Nennstrom der Sicherung S1 vorzugsweise 300, 320, 350 oder 400 Ampere beträgt. Der Auslösestrom der Sicherung S2 beträgt 100, 125 oder 150 Ampere, jedoch vorzugsweise nicht mehr als 200 Ampere oder nicht mehr als 150 Ampere. Die Sicherung ist vorzugsweise als elektronische Sicherung ausgebildet, das heißt mit einem Schaltelement auf Halbleiterbasis, um eine schnelle Abschaltung zu gewährleisten. Dadurch kann gewährleistet sein, dass für weitere Potentialschienen PS1, PS2 eine Komponente vorliegt, die mit sehr kurzer Reaktionszeit eine Verbindung zwischen dem ersten und dem zweiten Anschluss aufheben kann, insbesondere auch eine Verbindung die unbeabsichtigt durch einen fehlerhaft leitenden Arbeitsschalter AS bestehen kann. Liegt beispielsweise die Spannung einer Hochvoltbatterie an dem zweiten Anschluss A2 an, so kann die Diode D den Strom zeitlich und hinsichtlich der Stromhöhe begrenzen, der aufgrund eines derart defekten Arbeitsschalters AS fließen würde. Gleiches gilt auch für einen Strom, der auf der Seite des ersten Anschlusses A1 eingebracht wird und entstehen kann, wenn der Arbeitsschalter AS fehlerhafterweise dauerhaft an ist. In diesem Fall kann sowohl die Sicherung S2 als auch die Sicherung S1 mit geringer Reaktionszeit auslösen. Der Überbrückungsschalter B ist bei einem derartigen Fehlerfall zu öffnen, wobei dies auch für die Überbrückungsschalter B- der 1 und 2 gilt.
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Der hier beschriebene Wandler ist einphasig dargestellt und beschrieben, kann jedoch auch mehrphasig ausgebildet sein, wobei die dargestellten Schaltungen vervielfacht sind und die jeweiligen Potentiale L+, L-, HV+, HV-, die sich entsprechen, miteinander verbunden werden. Die einzelnen Phasen (d.h. deren Enden L+, L-, HV+, HV-) sind also gemäß einer Parallelschaltung miteinander verbunden. Bei einer Ausführung mit mehreren Phasen können die Bauteile nur mit einem Bruchteil des Nennstroms ausgelegt werden, wobei sich der Bruchteil ergibt als reziproker Wert der Anzahl der Phasen. Bei zwei Phasen beträgt der Nennstrom pro betreffende Komponente (Sicherung, Arbeitsdiode, weitere Diode, Trennschalter, Überbrückungsschalter) einer Phase somit die Hälfte des eingangs genannten Werts. Bei einer vierphasigen Ausführung beträgt der Nennstrom pro betreffende Komponente (Sicherung, Arbeitsdiode, weitere Diode, Trennschalter, Überbrückungsschalter) einer Phase somit ein Viertel des eingangs genannten Werts.
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In der 3 ist es möglich, einen Trennschalter TR2 in der ersten Potentialschiene PS1 zu verwenden, dessen Nennspannung unter der Nennspannung des zweiten Anschlusses liegt, da die Sicherung S2 für eine schnelle Abschaltung sorgen kann.
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Bei einem Einzelkomponentenausfall ist es immer noch möglich, mittels der Arbeitsdiode bzw. der Diode D die beiden Anschlussseiten A1, A2 voneinander fernzuhalten, wobei in den dargestellten Ausführungsformen der 1 bis 3 in jeder der beiden Potentialschienen mindestens eine Sicherung vorgesehen ist, sowie auch gegebenenfalls eine Diode, die den Strom unterbrechen oder zumindest reduzieren kann.
