DE3009359A1

DE3009359A1 - Ladegeraet

Info

Publication number: DE3009359A1
Application number: DE19803009359
Authority: DE
Inventors: Erhard Dipl.-Ing. 7303 Aichwald Neumann
Original assignee: Deutsche Automobil GmbH
Current assignee: Deutsche Automobil GmbH
Priority date: 1980-03-12
Filing date: 1980-03-12
Publication date: 1981-09-17
Also published as: FR2478392B1; US4423476A; GB2071933B; IT8147907A0; GB2071933A; IT1142339B; FR2478392A1

Description

Deutsche Automobilgesellschaft mbH DAUG

Hannover

"Ladegerät"

Die Erfindung bezieht sich auf ein Ladegerät, insbesondere Bordladegerät zum Aufladen von Traktionsbatterien eines Elektrofahrzeuges aus dem Wechselstromnetz, bestehend aus einem Gleichspannungs-Sperrwandler, -welcher einen gesteuerten Leistungstransistor, eine Abschaltentlastungsschaltung und einen Leistungsübertrager enthält, wobei die Sekundärwicklung mit einer Gleichrichterdiode in Reihe geschaltet ist und zu dieser Reihenschaltung ein Glättungskondensator parallel liegt.

Üblicherweise werden bei Ladegeräten mit höheren zu übertragenden Leistungen Durchflußwandler direkt am 50 Hz-Wechselspannungsnetz mit relativ hohem Verhältnis von Größe und Gewicht zur Leistung eingesetzt.

Ein besonderer Anwendungsfall ist das Bordladegerät eines Elektrofahrzeuges zum Aufladen von Traktionsbatterien aus dem Wechselstromnetz.

Bei Bordladegeräten für Elektrofahrzeuge sollte das Gewicht, die Größe und die Verlustleistung möglichst klein sein. Diese Forderungen lassen sich aber nur erfüllen, wenn die Leistungsübertragung und Spannungsanpassung vom 220 V-Wechselstromnetz zur Batteriespannung nicht mehr mittels 50 Hz-Übertragertransformator, sondern über einen Gleichspannungswandler vorgenommen wird. Dem Gleichspannungswandler wird die gleichgerichtete Netzspannung als Eingangsspannung angelegt, die er mit Hilfe von steuerbaren Stromrichterventilen (Transistoren oder Thyristoren) in eine höher-

130038/0462 . k -

-'I/ - DAUG 76/4

Λ-

frequente Wechselspannung umwandelt, wobei diese Frequenz meist über die Hörgrenze von 20 kHz gelegt wird. Mit dieser höherfrequenten Wechselspannung kann dieselbe Leistung mit einem wesentlich kleineren und leichteren Transformator übertragen werden. Die auf die Sekundärseite übertragene Wechselspannung wird gleichgerichtet, geglättet und an den Verbraucher angeschlossen.

Um die maximale Wirkleistung aus dem Netz entnehmen zu können, sollte der Eingangsstrom möglichst

sinusförmig und in Phase mit der Eingangsspannung sein.

Ein Gleichspannungswandler, der in der Lage ist, die obigen Anforderungen zu erfüllen, ist ein bekannter Sperrwandler, wie er in Fig. 1 dargestellt ist. Es handelt sich dabei um einen Sperrwandler, dessen Aufwand an Bauelementen wie Leistungsübertrager 1^t, Schalttransistor 12 mit Ausschaltentlastung 13, Gleichrichterdiode 15 und Glättungskondensator am Ausgang minimal ist. Ein weiterer Vorteil dieses Wandlertyps ist, daß er sowohl als Hochsetz- wie als Tiefsetzwandler eingesetzt werden kann, d. h. sein maximale Ausgangsspannung wird nicht wie bei einem Durchflußwandler durch das Windungszahlenverhältnis beschränkt.

Anhand von Fig. 1 sollen die Funktionen und die Probleme beim Sperrwandler dargestellt werden. Nach dem Einschalten des Leistungstransistors 12 steigt der Strom durch die Primärwicklung l4a linear, alsorampenförmig an. Während das Einschalten des Transistors völlig unproblematisch ist, da sich im Primärkreis der induktivitätsbehaftete Sperrwandlertrafo befindet, beziehen sich die Probleme - hauptsächlich bei hohen Ein- und Ausgangsspannungen - auf das Ausschalten der Leistungstransistoren. Nach dem Ausschalten des Leistungstransistors kann sich der Strom durch die Primärwicklung l4a nicht sprunghaft ändern, was bedeutet, daß ohne RCD-Abschaltentlastungsschaltung 13 und bei schnellem Abschalten die Spannung am Transistor fast be-

130038/0462

- =/ - DAUG 76 A

liebig hoch wird und der Transistor zerstört -werden kann. Weil sich beim Verkürzen der Abschalt-Z ext dauer des Transistors auch die Verlustleistung reduziert, also der Gesamtwirkungsgrad erhöht, versucht man, die Schalt-Zeiten möglichst kurz zu machen.

Aus den oben erwähnten Gründen ist folglich eine Abschaltentlastungsschaltung wie die in Fig. 1 dargestellte RCD-Schaltung 13 notwendig, die während des Abschaltvorganges den größten Teil des Primärstromes übernimmt und somit die Abschaltspannungsspitzen begrenzt. Die mit dieser Schutzschaltung zusammenhängenden Nachteile sind folgende:

1. Die in den Kondensator 13a abfließende Energie steht für die Übertragung auf die Sekundärseite und damit als Nutzenergie nicht mehr zur Verfügung. Dabei gilt: je stärker die Abschaltentlastung gewählt wird, umso größer muß die Kapazität 13a dimensioniert werden, aber umso größer wird auch die nicht mehr übertragbare magnetische Energie.

2. Mit der Größe des Kondensators vergrößert sich die Totzeit, also die Zeitdauer vom Zeitpunkt des Abschaltens des Leistungstransistors 12 bis zum Zeitpunkt, an dem die Sekundärwicklung l4b die im magnetischen Kreis verbliebene Durchflutung voll übernimmt. Die Stromübernahme durch die Sekundärwicklung l4b beginnt erst, wenn für die Kollektor-Emitterspannung U_c„ des Leistungstransistors 12 gilt:

U_CE> U_E + (vr /w₉) U mit U_£ = Eingangs spannung und U = Ausgangsspannung

w ss Windungszahl der

Primärwicklung (lka.)

^₂ = Windungszahl der

S ekundärwi cklung (

1 30038/0462

- V- DAUG 76/4

• Ιο-

Danach hängt die Stromanstiegsgeschwindigkeit auf der Sekundärseite von den Streu- und Parasitärinduktivitäten der Primär- und Sekundärseite und von der Spannungsanstiegsgeschwindigkeit an der Primärwicklung ab, die -wiederum in umgekehrtem Verhältnis zur Größe des Kondensators 13 steht.

3. Ein wesentlicher Nachteil der RCD-Abschaltentlastung 13 besteht darin, daß die in der Kapazität 13a gespeicherte Energie über den ohmschen Widerstand 13c in Verlustwärme umgesetzt werden muß.

Eine Schaltung, die diesen Nachteil nicht aufweist,wird z. B. in der TRW Power Semiconductor-Applikationsschrift No. 120 (1/75) auf Seite 10 in Fig. 25 dargestellt. Sie stellt eine prinzipiell verlustfreie Ausschaltentlastungsschaltung dar und hat noch den Vorteil, daß der Strom beim Einschalten des Transistors von Null beginnend ansteigt und nicht sofort auf den Wert i = U/ . „ λ/R/.„ ·. springt.

Die beiden ersten Nachteile der primärseitigen Abschaltentlastung gelten aber auch für diese prinzipiell verlustleistungsfreien Entlastungsschaltungen, da auch hier mit größerem Kondensator die Totzeit vergrößert und die Nutzenergie im Leistungsübertrager lk vermindert wird. Somit entstehen noch die weiteren Nachteile, daß der Leistungsübertrager l4 größer dimensioniert werden muß und daß durch den höheren Effektivstrom im Primärkreis mehr Verlustleistung erzeugt wird.

Es ist deshalb Aufgabe der Erfindung, ein Ladegerät zu schaffen, welches die genannten Nachteile überwindet, d. h., geringes Volumen, kleines Gewicht und großen Wirkungsgrad aufweist.

130038/0462

DAUG 76/4

Diese Aufgabe wird erfindungsgetnäß dadurch gelöst, daß ein Wandlermodul vorgesehen ist, welcher aus zwei Gleichspannungs-Sperrwandlern besteht, deren Leistungstransistoren von einer Steuerschaltung im Gegentakt mit einer Phasenverschiebung von l8o° angesteuert werden und daß die parallelgeschalteten Sekundäreexten der beiden Sperrwandler so geschaltet sind, daß die eine Sekundärwicklung einerseits mit der negativen Ausgangsklemme und andererseits über die eine Gleichrichterdiode mit der positiven Ausgangsklemme verbunden ist, daß die andere Sekundärwicklung einerseits mit der positiven Ausgangsklemme und andererseits über die andere Gleichrichterdiode mit der negativen Ausgangsklemme verbunden ist, daß als sekundäreextige Entlastungsschaltung vom Verbindungspunkt der einen Sekundärwicklung mit der einen Gleichrichterdiode eine erste Diode zu einem Punkt B, von diesem eine zweite Diode in Reihe mit einer Drossel zu einem Punkt C und von diesem eine dritte Diode zum Verbindungspunkt der anderen Sekundärwicklung mit der anderen Gleichrichterdiode führt, wobei alle sekundärseitigen Dioden so gepolt sind, daß sie von der einen Sekundärwicklung weg bzw. zur anderen Sekundärwicklung hin stromdurchlässig sind und wobei zwischen Punkt B und die positive Ausgangsklemme und zwischen Punkt C und die negative Ausgangsklemme je ein Kondensator geschaltet ist, und daß ein gemeinsamer Glättungskondensator zwischen den Ausgangsklemmen vorgesehen ist.

Die Abschaltentlastung wird damit weitgehend von der Primär- auf die Sekundärseite des Sperrwandlertransformators verlagert und gleich zu Beginn des Ausschaltvorganges und Spannungsanstiegs wird ein Stromfluß auf die Sekundärseite eingeleitet, der sehr schnell die primärseitige Durchflutung von Q ~ 1 .\r übernehmen kann (nach der Stromübernahme durch die Sekundärseite

und i=O gilt ideal:© = © = i w ).

130038/0462 - δ -

- ^'' DAUG 76/4

Λ-

Weitere Einzelheiten der Erfindung sind den ühteransprüchen sowie der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels anhand der Zeichnung zu entnehmen.

In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1: einen bekannten Gleichspannungs-Sperrwandler und

Fig. 2: die Schaltung des erfindungsgemäßen Wandlermoduls.

Der bereits weiter oben beschriebene bekannte Sperrwandler i ist in Fig. 1 dargestellt.

Das in Fig. 2 dargestellte Wandlermodul nach der Erfindung setzt sich im Prinzip aus zwei solchen bekannten Sperrwandlern 1, 2 zusammen, welche primär- und sekundärseitig parallelgeschaltet sind, von einem gemeinsamen Steuergerät A wechselweise um l8o phasenverschoben periodisch angesteuert werden und einen gemeinsamen sekundärsextigen Glättungskondensator aufweisen.

Darüber hinaus ist die eine Sekundärwicklung l4b einerseits mit der negativen Ausgangsklemme -U. und andererseits über die eine Gleichrichterdiode 15 mit der positiven Ausgangsklemme +U. verbunden. Die andere Sekundärwicklung 24b ist einerseits mit der positiven Ausgangsklemme +U. und andererseits über die andere Gleichrichterdiode 25 mit der negativen Ausgangsklemme verbunden. Vom Verbindungspunkt der einen Sekundärwicklung l4b mit der einen Gleichrichterdiode 15 ist eine erste Diode 30 zu einem Punkt B, von diesem eine zweite Diode 35 in Reihe mit einer Drossel 36 zu einem Punkt C und von diesem eine dritte Diode 4θ zum Verbindungspunkt der anderen Sekundärwicklung 24b mit der anderen Gleichrichterdiode 25 geschaltet. Alle Dioden sind so gepolt, daß sie von der einen Sekundärwicklung l4b weg bzw. zur anderen Sekundärwicklung 24b hin stromdurchlässig sind. Zwischen Punkt B und die positive Ausgangsklemme +U. und zwischen Punkt C und die negative Ausgangsklemme -U, ist je

13003 8/0462

- y - DAUG 76/4

.3.

ein Kondensator 3²» k2 geschaltet. Eine geringfügige Verbesserung der sekundärseitigen Abschaltentlastung kann bewirkt werden, wenn zwischen Punkt B und die negative Ausgangskiemme sowie zwischen Punkt C und die positive Ausgangskletnme je ein zusätzlicher Kondensator 31, kl geschaltet ist.

Während über die Primärwicklung l4a bei eingeschaltetem Leistungstransistor Energie eingespeichert wird, werden die Kondensatoren 31 Ond 32 über die Diode 35 und die Induktivität 36 so weit umgeladen, bis die Spannung U„ am Kondensator 3I der induzierten Spannung an der Sekundär wicklung l4b gleichkommt. Falls die Kondensatorspannung unter die Sekundärspannung abfällt, wird über die Sekundär wicklung ein Teil der Durchflutong des Übertragers lk übernommen«

Ausschaltvorgang Leistungstransistör: Beim Ausschalten des Transistors 12 steigt die Spannung an der Primärwicklung ika. und damit auch an der Sekundärwicklung l4b an; sobald die Spannung an der Sekundärwicklung ikh das Spannungspotential der Kondensatoren 3I und 32 überschreitet, beginnt ein Strom vom Sperrwandlertrafo in die Kondensatoren 31 und 32 zu fließen. Während die Stromübernahme durch Kondensator 31 sehr rasch geht, wird die Stromanstiegsgeschwindigkeit über Kondensator und den Glättungskondensator l6 aufgrund der größeren Leitungsinduktivitäten etwas verzögert. Wenn die Durchflutung vollständig durch die Sekundärwicklung übernommen ist, steigt die Spannung an der Sekundärwicklung l4b mit der Periodendauer T= 21TTfL₁^(C +C)' an, bis sie das AusgangsSpannungsniveau erreicht. Danach übernimmt die Gleichrichterdiode 15 sehr schnell fast den gesamten Strom der Sekundärwicklung.

Ein sinusförmig zunehmender Strom fließt nun über die Diode 35 und die Drossel 36 in die Kondensatoren kl und k2.

130038/0462 - 10 -

76/4

JO-

Die Spannung am Kondensator 42 steigt nun - falls keine Energie mehr über die Sekundärwicklung 24b ausgespeichert •wird - bis auf die Spannung U, an. Die in der Drossel 36 noch eingespeicherte Energie läßt nach dem Einschalten des Leistungstransistors 22 die Spannung am Kondensator 42 bis auf den Wert U<₂ = U.+ (w„/w )· U„ hochschwingen. Wenn nun der Leistungstransistor 22 nach dem Einspeichern ausschaltet, wird über die Kondensatoren 4l und 42 - entsprechend den Kondensatoren 31 und 32 bei Sperrwandler 1 sofort der Kommutierungsvorgang eingeleitet und die Primärdur chflutung übernommen.

Die in der Ausführung nach Fig. 1 auftretende Totzeit wird bei dem erfindungsgemäßen Sperrwandlersystem in Fig. 2 vermieden, da die Kommutierung schon während des Spannungsanstiegs eingeleitet und abgeschlossen wird. Auch die direkt damit zusammenhängenden Nachteile wie

- Überspannung am Transistor

- geringere Nutzenergieübertragung

- höhere Effektivströme

werden mit der Erfindung weitgehend vermieden, so daß die primärseitige Abschalthilfe nur noch bei sehr schnell schaltenden Transistoren notwendig wird. Für diese Transistoren reichen aber dann schon sehr kleine Kondensatoren 13a und 23a.

EinschaItvorgang des Leistungstransistors 12:

Beim Einschalten des Transistors 12 springt die Spannung in der Sekundärwicklung l4b auf den Wert U ., = -U_E.w_/w , so daß sich die Spannung an den Kondensatoren 3I und 32 über die Diode 35 und die Induktivität 36 auf diesen Wert umladen kann. Die Umschwxngperxodendauer und die Umschwingenergie des Kommutierungshilfskreises wird so gewählt, daß auch bei maximaler Eingangsspannung U_E eine vollständige Umladung der Kondensatoren gewährleistet wird.

130038/0462

DAUG 76/%

Insbesondere bei variabler Ansteuerfrequenz ist es vorteilhaft, wenn die zweite Diode 35 durch einen von der Steuerschaltung A gesteuerten Thyristor ersetzt ist.

Wenn dem Ladegerät verschiedene Spannungen entnommen werden sollen, können weitere Sekundärwicklungen mit Gleichrichterdiode und Glättungskondensator vorgesehen werden, welche aber keine Entlastungsschaltung benötigen.

Zur Steigerung der Ausgangsleistung können mehrere (n) Wandlermodule primär- und/oder sekundärseitig parallelgeschaltet werden. Dabei ist vorteilhaft, wenn sie von einer gemeinsamen Ansteuerschaltung A mit einem um 36o°/2n gegeneinander versetzten Phasenwinkel periodisch angesteuert werden, da die Stromwelligkeit und damit der Aufwand an Filterelementen stark reduziert werden können.

Es wäre auch denkbar, die Kollektor-Emitter-Spannung der Leistungstransistoren im eingeschalteten Zustand zu überwachen und bei Überschreiten eines Grenzwertes U _ die

cEgrenz

Lei stungstransi stör en abzus chalt en.

Eine weitere geringe Verbesserung kann durch Parallelschalten je eines Widerstandes zur ersten und dritten Diode 30, hO erreicht werden.

Dem Ladegerät kann gleichgerichtete, ungeglättete Wechselspannung zugeführt werden. Es wird von ihm ein weitgehend sinusförmiger Strom dem Netz entnommen.

Ein besonderer Vorteil der Erfindung liegt darin, daß damit - entgegen bisherigen Empfehlungen, die Leistungsgrenze für Sperrwandler bei Spannungen über 100 Volt bei etwa 300 Watt anzunehmen, weil darüber die Dimensionierung schwierig sei und andere Wandlertypen vorzuziehen seien bisher übliche Leistungsbereiche um das zehn- bis fünfzigfache erweitert werden können.

130038/0462

DAUG 76/4

Die Erfindung bezieht sich nur beispielhaft auf Ladegeräte, ist aber in keiner Weise darauf beschränkt.

Sie kann überall da angewendet werden, wo auch bekannte Gleichspannungswandler eingesetzt werden.

130038/0462

Claims

Deutsche Automobilgesellschaft mbH DAUG 76/4

Hannover 5·3·198θ

Ansprüche

/l.!Ladegerät, insbesondere Bordladegerät zum Aufladen von Traktionsbatterien eines Elektrofahrzeuge aus dem Wechselstromnetz, bestehend aus einem Gleichspannungs-Sperrwandler, welcher einen gesteuereen Leistungstransistor, eine Abschaltentlastringsschaltung und einen Leistungsübertrager enthält, wobai die Sekundärwicklung mit einer Gleichrichterdiode· in. R«ihe geschaltet ist und zu dieser Reihenschaltung ein Glättungs· kondensator parallel liegt, dadurch gekennzeichnet, daß ein Wandlermodul vorgesehen ist, welcher aas zwei Gleichspannungs-Sperrwandlern besteht, deren Leistungstransistoren (12, 22) von einer· Steuerschaltung (A) im Gegentakt mit einer Phasenverschiebung von i80" angesteuert werden und daß die parallelgeschaltet.-·«. Sekundärseiten der beiden Sperrwandler so geschaltet sind, daß die eine Sekundärwicklung (l4b) einerseits mit der negativen Ausgangsklemme (-V.) und andererseits über die eine Gleichrichterdiode (15) mit der positiven Ausgangsklemme (+V.) verbunden ist, daß die andere Sekundärwicklung (24b) einerseits mit der positiven Ausgangsklemme und andererseits über die andere Gleichrichterdiode (25) mit der negativen Ausgangsklemme verbunden ist', daß als sekundärseitige Entlastungsschaltung vom Verbindungspunkt der einen Sekundärwicklung (l4b) mit der einen Gleichrichterdiode (lp) eine erste Diode (30) zu einem Punkt B, von diesem eine zweite Diode (35) in Reihe mit einer Drossel (36) zu einem Punkt C und von diesem eine dritte Diode (4o) zum Verbindungspunkt der anderen Sekundärwicklung (24b) mit der anderen Gleich-

130038/0462 - 2 -

ORIGINAL INSPECTED

DAUG 76/4

•I

riehterdiode (25) führt, wobei alle sekundärseitigen Dioden so gepolt sind, daß sie von der einen Sekundärwicklung (l4b) weg bzw. atf anderen Sekundärwicklung (24b) hin stromdurchlässig sind, und wobei zwischen Punkt B und die positive Ausgangskiemme und zwischen Punkt C und die negative Ausgangskiemme je ein Kondensator (3², ^2) geschaltet ist, und daß ein gemeinsamer Glättungskondensator (l6) zwischen den Ausgangsklemmen vorgesehen ist.
2. Ladegerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Punkt B und die negative Ausgangskiemme sowie zwischen Punkt C und die positive Ausgangsklemme je ein zusätzlicher Kondensator (31? 4l) geschaltet ist.
3· Ladegerät nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Diode ί 35) durch einen von der Steuerschaltung (A) gesteuerten Thyristor ersetzt ist.
4. Ladegerät nach Anspruch 1, 2 oder 3» dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens ein Leistungsubertrager (l4, 24) wenigstens eine weitere Sekundärwicklung ohne nachgeschaltete sekundärseitige Entlastungsschaltung aufweist.
5· Ladegerät nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere (n) Wandlermodule, die an derselben bzw. an verschiedenen Ein- oder Ausgangsspannungen betrieben werden, vorgesehen sind, welche von einer gemeinsamen Steuerschaltung (A) mit einem um 360 /2n gegeneinander versetzten Phasenwinkel periodisch angesteuert werden.
6. Ladegerät nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß an die Eingangsklemmen jedes Wandlermoduls gleichgerichtete, ungeglättete Wechselspannung angelegt wird.

130038/0462