Themen:
- Einführung
- Übersicht über das HV-System
- Betrieb des Konverters
- Schnellumrechner
Einführung:
Wir finden Wandler in Hybrid- und vollelektrischen Fahrzeugen. Der Wandler wandelt eine hohe Gleichspannung in eine niedrige Gleichspannung um. Wir bezeichnen diese Komponente daher als DC-DC-Wandler. Die Hochspannung der HV-Batterie von 200 bis 600 Volt (je nach Fahrzeug) wird im Wandler in 14 Volt Gleichspannung für die Bordbatterie umgewandelt. Die elektrischen Komponenten im Innen- und Außenbereich (wie Beleuchtung, Radio, Türschlösser, elektrische Fensterhebermotoren usw.). werden von dieser Batterie mit Spannung und Strom versorgt.
Der Wandler ist als eigene Hochvoltkomponente im Fahrzeug verbaut. Der Anschluss für das Hochspannungskabel ist an der orangefarbenen Kunststoffkappe zu erkennen.
Der Konverter enthält zwei Spulen mit einem Weicheisenkern dazwischen. Durch die Spulen fließt ein hoher Strom. Aufgrund der Wärmeentwicklung ist der Konverter an das Kühlsystem angeschlossen. Das zirkulierende Kühlmittel nimmt die Wärme auf und gibt sie an den Kühler weiter.
Übersicht über das HV-System:
Die Hochspannung von der HV-Batterie wird an den gesendet Wandler dirigiert. Die Umwandlung von Gleichstrom in Wechselstrom erfolgt im Wechselrichter (die Spannung wandelt sich von Gleich- in Wechselspannung um). Mit dieser Wechselspannung wird der HV-Elektromotor (synchron oder asynchron) in Bewegung gesetzt.
Die HV-Batterie versorgt auch den GleichstromKonverter welches die Hochspannung in eine Bordspannung von 12 bis 14 Volt umwandelt.
Die folgende Abbildung zeigt schematisch die Komponenten des HV-Systems.
Funktionsweise des Konverters:
Der Wandler wird zwischen der HV-Batterie und der 12-Volt-Bordbatterie montiert. Das folgende Bild zeigt die Komponenten von links nach rechts:
- 12-Volt-Bordbatterie;
- Kondensator (Elco);
- Unterdrückungsspule (zum Filtern von Hochfrequenzspitzen);
- Dioden (Gleichrichter);
- Transformator mit galvanisch getrennten Spulen;
- H-Brücke mit vier Transistoren;
- HV-Batterie
Die Übertragung der Hochspannung auf 14 Volt erfolgt durch Induktion von Spulen. Die Verbindung zwischen Nieder- und Hochspannungsnetz ist galvanisch getrennt, d. h. es besteht keine leitende Verbindung zwischen den beiden Netzen.
De eingehend Die Spule (N2, HV-Seite) sorgt für ein magnetisches Wechselfeld im Weicheisenkern. Der Ausgehend Spule (N1, 14-Volt-Seite) befindet sich in einem magnetischen Wechselfeld. Dadurch entsteht Spannung.
Das Steuergerät des HV-Systems schaltet die Transistoren T2 und T3 ein (siehe folgende Abbildung). Transistor T2 verbindet somit den Pluspol der HV-Batterie mit der Unterseite der Primärspule. Der Strom verlässt die Oberseite über die Spule und fließt über den Transistor T3 zurück zum Minuspol der HV-Batterie.
Der Primärstrom erzeugt im Transformator ein Magnetfeld, das in der Sekundärspule eine Spannung erzeugt. Das erzeugte Magnetfeld und damit die Spannung sind in der Sekundärspule geringer als in der Primärspule. Die linke Batterie und der Kondensator werden mit einer Gleichspannung von rund 14,4 Volt geladen.
Der Transformator funktioniert nur mit Wechselspannungen. Da Batterien nur Gleichspannung liefern, entsteht durch das Ein- und Ausschalten von Transistoren ein variierendes Magnetfeld.
Aus diesem Grund schalten die Transistoren T2 und T3 ab, woraufhin T1 und T4 sofort wieder einschalten. Der Strom in der Primärspule fließt nun in die entgegengesetzte Richtung (von oben nach unten). Dadurch entsteht im Transformator ein entgegengesetztes Magnetfeld und damit auch eine entgegengesetzte Spannung in der Sekundärspule. Auch in dieser Situation beträgt die Ladespannung der Batterie und des Kondensators etwa 14,4 Volt.
Beispiel:
- Wechselstromeingang: 201,6 Volt;
- N1: 210 Windungen, R = 27,095 Ω;
- N2: 15 Windungen, R = 0,138 Ω;
- Wicklungsverhältnis (i) = N1 : N2 = 210:15 = 14;
- AC-Ausgang = AC-Eingang: i = 201,6: 14 = 14,4 Volt;
- P in = U^2 : R = 201,6^2 : 27,095 = 1500 Watt;
- P out (verlustfrei) = U^2 : R = 14,4 : 0,138 = 1500 Watt;
- Effizienz = 90 %;
- P out (tatsächlich) = P out * Effizienz = 1500 * 0,9 = 1350 Watt;
- Batteriestrom (I) = P : U = 1350 : 14,4 = 93,75 Ampere.
Schnellumrechner:
Das Bild unten zeigt eine Systemübersicht einschließlich des Aufwärtswandlers und des Wandler eines Toyota Prius.
Die Batteriespannung von 201,6 Volt wird im Hochsetzsteller in eine Gleichspannung von 650 Volt umgewandelt. Zur Erzeugung einer Induktionsspannung werden eine Spule und zwei IGBTs (Transistoren) verwendet. Die Drosselspule ist im Hochsetzsteller zwischen dem Kondensator (links) und den IGBTs T1 und T2 dargestellt. Durch kontinuierliches Ansteuern/Nichtansteuern der Transistoren wird in der Drosselspule eine Induktionsspannung erzeugt, die den Kondensator auflädt.
Die Diode sorgt dafür, dass die Ladespannung ansteigt, bis die Spannung 650 Volt erreicht.
Verwandte Seiten:
- Elektrischer Antrieb (Überblick);
- HV-Batterie;
- Wechselrichter.
