DE102006000796A1

DE102006000796A1 - Integriertes Strommodul für Hybrid- und Brennstoffzellen-Fahrzeuge

Info

Publication number: DE102006000796A1
Application number: DE102006000796A
Authority: DE
Inventors: Aftab Dearborn Khan; Mohamad Dearborn Heights Zeidan
Original assignee: Lear Corp
Current assignee: Lear Corp
Priority date: 2005-01-10
Filing date: 2006-01-04
Publication date: 2006-08-03
Also published as: US7880326B2; GB0600355D0; US20060151219A1; GB2422057A; GB2422057B

Abstract

Ein integriertes Strommodul führt die Aufbereitung und Verteilung elektrischer Energie von einer Hochspannungsquelle in einem Fahrzeug durch, wobei das Fahrzeug einen mit elektrischem Strom betriebenen Fahrmotor aufweist. Eine gemeinsame, primäre Gleichspannungs-Gleichspannungs-Wandlerstufe zum Anschluss an die Hochspannungsquelle erzeugt eine mittlere Gleichspannung auf einem mittleren Spannungsbus. Die primäre Gleichspannungs-Gleichspannungs-Wandlerstufe weist mehrere Phasen auf, einschließlich jeweiliger sekundärer Schaltungen, die selektiv an dem mittleren Spannungsbus angeschlossen werden. Mehrere Stromaufbereitungsvorrichtungen sind jeweils an dem mittleren Spannungsbus angeschlossen, um die mittlere Gleichspannung in jeweilige Ausgangsströme zu transformieren, wobei die Ausgangsströme einen ersten Ausgangswechselstrom zum Antrieb des Fahrmotors umfassen.

Description

QUERVERWEIS AUF ZUGEHÖRIGE ANMELDUNGEN
Nicht anwendbar
ERKLÄRUNG IN BEZUG AUF DER BUNDESREGIERUNG GEFÖRDERTE FORSCHUNG
Nicht anwendbar
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein die Aufbereitung und Verteilung elektrischer Energie in Elektrofahrzeugen, und spezieller ein integriertes Modul für elektrische Energie, welches die Funktionsweisen von Gleichspannungs-Gleichspannungs-Wandlern, Wechselspannungswandlern, und Fahrmotor-Wechselrichtern zur Verwendung in Hybrid- und Brennstoffzellen-Personenkraftfahrzeugen vereinigt.
Die Verwendung von Transportfahrzeugen (beispielsweise Automobilen), welche elektrische Fahrantriebe einsetzen, nimmt zu. Hybrid-Fahrzeuge, die elektrische Fahrantriebe mit Brennkraftmaschinen kombinieren, und reine Elektrofahrzeuge lassen mögliche Verbesserungen in Bezug auf den Kraftstoffverbrauch und Verringerungen gasförmiger und teilchenförmiger Emissionen erwarten. Eine Hochspannungsquelle (beispielsweise etwa 300 Volt), die typischerweise eine Batterie aufweist, wird durch einen Generator aufgeladen (beispielsweise einen Brennstoffzellen- oder einen dynamo-elektrischen Generator, der von der Brennkraftmaschine angetrieben wird) und die Hochspannung von der Batterie wird verteilt und aufbereitet über verschiedene Wandler- und Wechselrichtermodule zur Verwendung durch unterschiedliche Fahrzeugsysteme. Energiewechselrichtermodule stellen mehrphasige Wechselstromenergie zum Antrieb der vorderen und hinteren Fahrmotoren zur Verfügung. Getrennte Gleichspannungs-Gleichspannungs-Wandler sind normalerweise dazu vorgesehen, die Hochspannung auf einen Bus von 42 Volt und einen Bus von 14 Volt herunterzuwandeln, um die meisten anderen elektrischen Verbraucher zu versorgen. Ein einphasiger Gleichspannungs-Wechselspannungs-Wandler kann weiterhin dazu vorgesehen sein, Wechselstromenergie von 120 Volt und/oder 240 Volt zur Verfügung zu stellen, um elektrische Zusatzgeräte über eine Steckdose zu betreiben.
Ein Hindernis für den weit verbreiteten Einsatz derartiger Fahrzeuge bestand in den hohen Kosten der relativ zahlreichen und komplizierten Bauteile, die erforderlich waren. Daher wäre es wünschenswert, die Bauteilkosten zu verringern, die mit der Aufbereitung und Verteilung elektrischer Energie in Hybrid- und Elektrofahrzeugen zusammenhängen. Eine Verringerung des Gesamtgewichts dieser Bauteile ist ebenfalls wünschenswert, da alle weiteren Verbesserungen des Wirkungsgrads die Fahrzeuge noch attraktiver machen, verglichen mit herkömmlichen mit Benzin betriebenen Fahrzeugen.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung weist die Vorteile einer verbesserten Leistung auf, eine Gewichtsverringerung und niedrigere Kosten für ein System zum Aufbereiten und Verteilen elektrischer Energie zum Einsatz in Hybrid-, Brennstoffzellen- und anderen Elektrofahrzeugen. Ein integriertes Strommodul gemäß der Erfindung vereinigt bestimmte Bauteile der bislang getrennten Wandler und Wechselrichter, und stellt neue Einrichtungen und Verfahren zur Verfügung, welche den Wirkungsgrad, die Robustheit und die Verlässlichkeit verbessern.
Bei einem Aspekt der Erfindung wird ein integriertes Strommodul zur Verfügung gestellt, um elektrische Energie von einer Hochspannungsquelle in einem Fahrzeug aufzubereiten und zu verteilen. Eine gemeinsame, primäre Gleichspannungs-Gleichspannungs-Wandlerstufe zum Anschluss an die Hochspannungsquelle stellt eine mittlere Gleichspannung auf einem mittleren Spannungsbus zur Verfügung. Die primäre Gleichspannungs-Gleichspannungs-Wandlerstufe weist mehrere Phasen auf, einschließlich jeweiliger sekundärer Schaltungen, die selektiv an den mittleren Spannungsbus angeschlossen werden können. Mehrere Aufbereitungsvorrichtungen sind jeweils an dem mittleren Spannungsbus angeschlossen, um die mittlere Gleichspannung für jeweilige Energieausgänge umzuwandeln.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist ein Blockschaltbild, das ein Stromverteilungssystem nach dem Stand der Technik für elektrisch angetriebene Fahrzeuge zeigt.
2 ist ein Blockschaltbild, das ein integriertes Strommodul gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt.
3 ist ein Flussdiagramm, das ein bevorzugtes Gesamtverfahren gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt.
4 ist ein Flussdiagramm, das ein bevorzugtes Verfahren zum Schutz des Systembetriebs gegen Fehler zeigt, die in einzelnen Energieaufbereitungsvorrichtungen auftreten.
5 ist ein Flussdiagramm, das ein bevorzugtes Verfahren zum Anpassen der zur Verfügung gestellten Energie an den Energiebedarf zeigt.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG BEVORZUGTER AUSFÜHRUNGSFORMEN
Wie nunmehr aus 1 hervorgeht, ist dort ein Stromverteilungs- und Aufbereitungssystem dargestellt, wie es in elektrisch angetriebenen Fahrzeugen eingesetzt wird, beispielsweise einem Hybrid-Elektrofahrzeug. Eine Quelle einer Hochspannung, beispielsweise eine Batterie 10, ist an einen Hochspannungs-Stromverteilungskasten 11 über einen Verbinder 12 angeschlossen. Die Batterie 10 kann beispielsweise durch eine Brennstoffzelle oder eine Brennkraftmaschine (nicht gezeigt) aufgeladen werden. Der Verteilungskasten 11 lässt Hochspannung durch ein Wechselrichter-Stromversorgungsmodul 13 über einen Verbinder 14 durch. Das Wechselrichtermodul 13 kann direkt an dem Kasten 11 angebracht sein, und enthält sämtliche Stromaufbereitungseinrichtungen, die dazu erforderlich sind, Wechselstromantriebssignale für einen Fahrmotor 15 zu erzeugen. Getrennte Wechselrichter-Strommodule können typischerweise dazu vorgesehen sein, getrennte Fahrmotorantriebe (beispielsweise vordere und hintere Antriebe) zu versorgen.
Der Verteilerkasten 11 verbindet die Hochspannung von der Batterie 10 über eine Sicherung 16 mit einem Ausgangsverbinder 17. Ein Gleichspannungs-Gleichspannungs-Wandler 18 wandelt die an dem Verbinder 17 empfangene Hochspannung auf 42 Volt Gleichspannung um, um Fahrzeugverbraucher 19 zu versorgen. Eine Sicherung 20 und ein Verbinder 21 verbinden die Hochspannung mit einem Gleichspannungs-Wechselspannungs-Wandler 22 zur Erzeugung von 120 Volt Wechselspannung an einem Auslass 23. Eine Sicherung 24 und ein Verbinder 25 liefern Hochspannung an eine Wechselrichter/Luftkompressor-Einheit 26.
Das in 1 dargestellte, herkömmliche System weist verschiedene Nachteile auf. Die elektrischen Verluste sämtlicher getrennter Energieaufbereitungsprozesse sind unerwünscht groß. Die Konfektionierung mehrerer Module mit ihren getrennten Kühlsystemen (beispielsweise Fluidumwälzsystemen und/oder Kühlrippen), Vergießungen, Verdrahtungen und Gehäusen führt zu zu hohen Kosten, zu zu hoher Komplexität, und zu zu hohem Gewicht.
Die vorliegende Erfindung sorgt zur Vereinigung eines Stromversorgungskastens, von Gleichspannungs-Gleichspannungs-Wandlern, und Gleichspannungs-Wechselspannungs-Wechselrichtern, die sich gemeinsame Bauteile teilen, zu einem integrierten Modul 30, wie es in 2 gezeigt ist. Die Batterie 10 ist an einem gemeinsamen, primären Gleichspannungs-Gleichspannungs-Wandler 32 über ein Eingangsfilter 31 angeschlossen. Der Aufbau und der Betrieb des Wandlers 32 führt zu einer drastischen Verringerung elektrischer Verluste und Kernverluste, während eine skalierbare Architektur zur Verfügung gestellt wird, die an zahlreiche Fahrzeuganwendungen anpassbar ist. Eine Brücke 33 kann eine Schaltbrücke zum Umwandeln der hohen Gleichspannung in eine hohe Wechselspannung aufweisen, die an eine gemeinsame, primäre Schaltung 34 angelegt wird (beispielsweise die Primärwicklung eines Transformators). Mehrere sekundäre Schaltungen 35, 36 und 37 können jeweils eine Sekundärwicklung aufweisen, die magnetisch mit der primären Schaltung 34 gekoppelt ist, und einen Gleichrichter und ein Filter zur Erzeugung einer mittleren Gleichspannung. Abhängig von der momentan benötigten Energie kann jede sekundäre Schaltung mit ihrem Ausgang selektiv an einen mittleren Spannungsbus 40 über eine Koppelmatrix 38 angeschlossen werden.
Die Höhe der mittleren Gleichspannung hängt von den Arten und Größen der aufbereiteten Ausgangsenergien ab, die gewünscht werden. Vorzugsweise ist die mittlere Spannung so ausgewählt, dass sie so niedrig wie möglich ist, jedoch den Anforderungen der Stromaufbereitungsvorrichtungen genügt. Wenn beispielsweise die höchste Ausgangsspannung von den Stromaufbereitungsvorrichtungen gleich 120 Volt Gleichspannung beträgt, kann die mittlere Gleichspannung etwa 170 Volt Gleichspannung betragen. Dadurch, dass die mittlere Gleichspannung so niedrig wie möglich gehalten wird, sind die Bauteile, die in den Stromaufbereitungsvorrichtungen eingesetzt werden, billiger und verlässlicher, und wird eine längere Lebensdauer der Bauteile erzielt.
Durch Standardisieren eines ersten Blocks der Stromumwandlung werden der Wirkungsgrad und die Anpassbarkeit verbessert, während die Anzahl an Teilen, die Kosten und das Gewicht verringert werden. Der mittlere Spannungsbus 40 verbindet eine effizient erzeugte mittlere Spannung mit allen stromabwärti gen Stromverbrauchern, die selbst bei niedrigeren Verlusten arbeiten können, infolge ihrer verringerten Betriebsspannung.
Der Wandler 32 weist eine skalierbare Stromversorgungskapazität auf, durch Bereitstellung getrennt betätigbarer, sekundärer Schaltungen. Weiterhin können mehrere Wandlerstufen wahlweise vorgesehen sein, die parallel zueinander geschaltet werden können. Daher kann eine zweite Wandlerstufe 41 zur Verfügung gestellt werden, die eine im Wesentlichen identische Brücke, primäre Schaltung und sekundäre Schaltungen aufweist. Die Stromkapazität des mittleren Spannungsbusses 40 hängt dafür von der Anzahl an Stufen ab, die aktiviert werden, und von der Anzahl an sekundären Schaltungen, die zur Spannung und zum Strom beitragen, die auf dem Bus 40 erzeugt werden. Die Spannungsbelastung von Bauteilen und gesamte Energieverluste werden minimiert, infolge der Tatsache, dass jede sekundäre Schaltung mit einem niedrigeren Strom arbeitet (wobei die höheren Strompegel dadurch erhalten werden, dass so viele sekundäre Schaltungen wie erforderlich vereinigt werden). Eine Anforderungsmessschaltung 39 kann vorgesehen sein, um die Anzahl an sekundären Schaltungen und/oder Stufen zu bestimmen, die aktiviert werden sollen, wie dies nachstehend genauer erläutert wird.
Eine Schaltbank 42 ist an dem Bus 40 angeschlossen, um selektiv die mittlere Gleichspannung mit mehreren Stromaufbereitungsvorrichtungen zu verbinden bzw. von diesen zu trennen. Ein Schalter 43 verbindet den mittleren Spannungsbus 40 mit einem Gleichspannungs-Gleichspannungs-Wandler 44 mit einem Ausgang von 42 Volt Gleichspannung. Ein Schalter 45 verbindet den mittleren Spannungsbus 40 mit einem Gleichspannungs-Gleichspannungs-Wandler 46 mit einem Ausgang von 14 Volt Gleichspannung. Ein Schalter 47 verbindet den mittleren Spannungsbus 40 mit einem Gleichspannungs-Wechselspannungs-Wechselrichter 48 mit einem Ausgang von 120 oder 240 Volt Wechselspannung. Ein Schalter 49 verbindet den mittleren Spannungsbus 40 mit einem Gleichspannungs-Wechselspannungs-Wechselrichter 50 mit einem Ausgang mit variabler Frequenz zum Antrieb eines Fahrmotors. Ein Schalter 51 verbindet den mittleren Spannungsbus 40 mit einem Gleichspannungs-Wechselspannungs-Wechselrichter 52 mit einem Ausgang mit variabler Frequenz zum Antrieb eines anderen Fahrmotors. Ein Filterkondensator 53–57 ist am jeweiligen Eingang jeder Stromaufbereitungsvorrichtung vorgesehen.
Eine Steuerung 60 ist an den primären Wandler 32 und an jede der Stromaufbereitungsvorrichtungen angeschlossen. Die Steuerung 60 passt die Energieabgabe dadurch an, dass die geeignete Anzahl an Stufen im Wandler 32 ein- und ausgeschaltet wird, und durch Einstellung der Koppelmatrix 38, so dass ein ausreichender Strom dem Bus 40 zugeführt wird, um die momentanen Verbrauchsanforderungen zu unterstützen. Die Steuerung 60 ist mit jeder der Stromaufbereitungsvorrichtungen verbunden, um wie dargestellt Steuer- und Datensignale auszutauschen. Der Belastungsstatus jeder Stromaufbereitungsvorrichtung (also ob bestimmte Verbraucher ein- oder ausgeschaltet sind, oder Messungen der Verbrauchern zugeführten Energie) kann der Steuerung 60 mitgeteilt werden. Diese Information kann von der Steuerung 60 dazu verwendet werden, ein Anforderungssignal festzulegen. Das Anforderungssignal kann auch in Reaktion auf Messungen des Energieverbrauchs bestimmt werden, die im Wandler 32 durch die Anforderungsmessschaltung 39 durchgeführt werden. Bei einer anderen Ausführungsform wird das Anforderungssignal in Abhängigkeit von einem von Hand eingestellten Wert bestimmt, der einer bestimmten Fahrzeuganwendung entspricht. Alternativ kann das Anforderungssignal entsprechend einer Kombination sämtlicher drei voranstehend genannter Verfahren bestimmt werden. Darüber hinaus kann die Anzahl an zu aktivierenden Stufen durch eine gemessene oder konfigurierte Fahrzeugverbraucherkonfiguration bestimmt werden, während die Anzahl aktivierter sekundärer Schaltungen in den aktiven Stufen in Echtzeit in Abhängigkeit von einem gemessenen Energieverbrauch geändert werden kann.
Beispielsweise kann ein Anforderungssignal in Reaktion auf Information bestimmt werden, welche die Fahrzeuggeschwindigkeit betrifft. Die höchste elektrische Energie wird benötigt, wenn ein Fahrzeug vom Anhalten aus beschleunigt wird. Bei einem Geschwindigkeitssignal von Null wird ein Anforderungssignal erzeugt, welches die höchste Anforderung anzeigt, so dass alle Stufen und alle sekundären Schaltungen aktiviert werden, um der Anforderung zu genügen, wenn das Fahrzeug beschleunigt. Wenn eine Geschwindigkeitsschwelle erreicht ist, können dann einige Stufen und/oder sekundäre Schaltungen abgeschaltet werden.
Da jede Stromaufbereitungsvorrichtung, die an dem mittleren Spannungsbus 40 angeschlossen ist, die Energie von einer gemeinsamen, primären Schaltung nutzt, kann das Auftreten eines Fehlers in einer Stromaufbereitungsvorrichtung negative Auswirkungen auf die anderen Stromaufbereitungsvorrichtungen zeigen. Die Steuerung 60 überwacht Fehler durch Überwachung mehrerer Fehlersensoren, die beispielsweise dazu ausgebildet sind, Buskurzschlüsse und Kurzschlüsse gegen Masse zu erfassen. Die Steuerung 60 schaltet eine ausgefallene Stromaufbereitungsvorrichtung vom Bus 40 ab, durch Steuern der Zustände der Schalter in der Schaltbank 42. Der Gleichspannungs-Gleichspannungs-Wandler 44 weist einen Ausgang 61 auf, zum Anschluss an Verbraucher mit 42 Volt, der durch einen Fehler sensor 62 überwacht wird, der an die Steuerung 60 angeschlossen ist. Der Gleichspannungs-Gleichspannungs-Wandler 46 weist einen Ausgang 63 zum Anschluss an Verbraucher mit 12 Volt auf, der durch einen Fehlersensor 64 überwacht wird, der an die Steuerung 60 angeschlossen ist. Der Gleichspannungs-Wechselspannungs-Wechselrichter 48 weist einen Ausgang auf, der an eine Wechselspannungs-Steckdose 65 angeschlossen ist, und durch einen Fehlersensor 66 überwacht wird, der an die Steuerung 60 angeschlossen ist. Der Gleichspannungs-Wechselspannungs-Wechselrichter 50 weist einen Ausgang auf, der an einen vorderen Fahrantrieb 67 angeschlossen ist, und durch einen Fehlersensor 68 überwacht wird, der an die Steuerung 60 angeschlossen ist. Der Gleichspannungs-Wechselspannungs-Wechselrichter 52 weist einen Ausgang auf, der an einen hinteren Fahrantrieb 69 angeschlossen ist, und durch einen Fehlersensor 70 überwacht wird, der an die Steuerung 60 angeschlossen ist.
Bei einer alternativen Ausführungsform können einzelne Stromversorgungs-Aufbereitungsvorrichtungen eine selbstständige Steuerung getrennt von der Steuerung 60 aufweisen. Wenn ein Fehler festgestellt wird, wird eine Nachricht an die selbstständige Steuerung geschickt, um eine ausgefallene Stromaufbereitungsvorrichtung abzuschalten, ohne dass ein Schalter in der Schaltbank benötigt wird. Es wäre keine Schaltbank erforderlich, wenn sämtliche Stromaufbereitungsvorrichtungen unter Verwendung einer Steuernachricht von der Steuerung 60 abgeschaltet werden könnten. Bei noch einer anderen Ausführungsform kann eine Fehlerüberwachung individuell durch eine Steuerung in einer Stromaufbereitungsvorrichtung durchgeführt werden, die sich bei Feststellung eines Fehlers selbst abschalten kann.
Die Steuerung 60 ist an einen Fahrzeug-Multiplexbus 71 und an einzelne Fahrzeug-Informationssignale 72 angeschlossen. So können beispielsweise Fahrzeugsteuersignale, die eine Fahrzeug-Geschwindigkeitsanforderung anzeigen, über den Bus 71 empfangen werden, um geeignete Wechselrichter-Befehlssignale in der Steuerung 60 zum Steuern von Wechselrichtern 50 und 52 zu erzeugen.
Das Modul 30 sorgt auch für den Durchgang der hohen Gleichspannung von der Batterie 10 an mehrere Hochspannungsausgangsleitungen 73 über Sicherungen 74 und 75.
Ein gesamtes Verfahren gemäß der Erfindung ist in 3 gezeigt. Im Schritt 80 wird eine hohe Gleichspannung von der Batterie in einer Schaltbrücke umgewandelt, um ein Hochspannungs-Wechselstromsignal für die gemeinsame, primäre Schaltung in dem gemeinsamen Gleichspannungs-Gleichspannungs-Wandler (beispielsweise der ersten Stufe) zur Verfügung zu stellen. Die sekundären Ausgänge, die von der primären Schaltung versorgt werden, werden auf dem mittleren Gleichspannungsbus im Schritt 81 aufsummiert. Im Schritt 82 wird die mittlere Spannung durch einen oder mehrere Gleichspannungs-Wechselspannungs-Wechselrichter aufbereitet, um einen oder mehrere Fahrmotoren in dem Fahrzeug anzutreiben. Im Schritt 83 wird die mittlere Spannung durch einen oder mehrere Gleichspannungs-Gleichspannungs-Wandler aufbereitet, um Verbraucher mit 14 Volt und/oder 42 Volt in dem Fahrzeug zu versorgen. Entsprechend kann ein anderer Gleichspannungs-Wechselspannungs-Wechselrichter die mittlere Spannung in ein Standardsignal von 120 Volt oder 240 Volt Wechselspannung für eine Steckdose umwandeln.
4 zeigt ein Verfahren zum Verhindern der Beeinträchtigung des Betriebs des gemeinsamen Gleichspannungs-Gleichspannungs-Wandlers, wenn eine Stromaufbereitungsvorrichtung einen Fehler aufweist. Das Verfahren überwacht Fehler (beispielsweise Buskurzschlüsse oder Kurzschlüsse gegen Masse). Im Schritt 85 wird jede fehlerhafte Stromaufbereitungsvorrichtung von dem mittleren Spannungsbus abgetrennt, um die anderen Stromaufbereitungsvorrichtungen zu schützen.
5 zeigt ein bevorzugtes Verfahren der Verwaltung der Aktivierung von Stufen und sekundären Ausgängen (also Phasen). Im Schritt 86 wird die erforderliche Energie bestimmt (beispielsweise durch Erfassung einer Konfiguration von Hand, durch Erfassung der angeschlossenen Verbraucher und ihres Zustands, oder durch Überwachung des Energieverbrauchs des primären Wandlers). Im Schritt 87 werden Stufen hinzugefügt oder weggelassen, je nach Erfordernis. Sekundäre Ausgänge in den aktiven Stufen werden selektiv an den mittleren Spannungsbus im Schritt 88 in Reaktion auf die Anforderung angeschlossen.
Die vorliegende Erfindung zeigte ein integriertes Stromversorgungsmodul mit echter Skalierbarkeit, das die Energieanforderungen jedes Hybrid-, Brennstoffzellen- oder eines anderen Elektrofahrzeugs erfüllen kann. Die Verwendung eines einzigen Gehäuse- und Kühlsystems verringert das Gewicht, die Komplexität und die Kosten. Teuere wasserdichte Hochspannungsanschlüsse und -verbinder werden verringert, da weniger externe Verkabelung benötigt wird. Hilfsschaltungen, wie beispielsweise Multiplex-Sende/Empfangs-Vorrichtungen werden durch das integrierte Modul verringert. Die Kombination aus einem ersten Gleichspannungs-Gleichspannungs-Wandler, der einen mittleren Hochspannungsbus erzeugt, mit dem Einsatz selektiv steuerbarer Stufen und dem Einsatz mehrerer sekundärer Schaltungen, die auf niedrigeren Strompegeln arbeiten, führt zu sehr niedrigen elektrischen und Kernverlusten und zu einem hohen Wirkungsgrad.

Claims

Integriertes Strommodul zum Aufbereiten und Verteilen elektrischer Energie von einer Hochspannungsquelle in einem Fahrzeug, wobei das integrierte Strommodul aufweist: eine gemeinsame, primäre Gleichspannungs-Gleichspannungs-Wandlerstufe zum Anschluss an die Hochspannungsquelle, um eine mittlere Gleichspannung auf einem mittleren Spannungsbus zu erzeugen, wobei die primäre Gleichspannungs-Gleichspannungs-Wandlerstufe mehrere Phasen aufweist, die jeweilige sekundäre Schaltungen enthalten, die selektiv an dem mittleren Spannungsbus anschließbar sind; und mehrere Stromaufbereitungsvorrichtungen, die jeweils an dem mittleren Spannungsbus angeschlossen sind, um die mittlere Gleichspannung in jeweilige Ausgangsströme zu transformieren.
Modul nach Anspruch 1, bei welchem das Fahrzeug einen elektrisch angetriebenen Fahrmotor aufweist, und die Ausgangsströme einen ersten Ausgangswechselstrom zum Antrieb des Fahrmotors und einen ersten, niedrigeren Ausgangsgleichstrom zum Anschluss an mehrere Gleichstromverbraucher in dem Fahrzeug umfassen.
Modul nach Anspruch 2, bei welchem das Fahrzeug einen zweiten Fahrmotor aufweist, und die Ausgangsströme weiterhin einen zweiten Ausgangswechselstrom zum Antriebs des zweiten Fahrmotors umfassen.
Modul nach Anspruch 1, welches weiterhin aufweist: eine Anforderungsmessschaltung zur Erzeugung eines Anforderungssignals, welches elektrische Energie anzeigt, die von den Stromaufbereitungsvorrichtungen verbraucht wird; und eine Steuerung zum selektiven Anschließen der jeweiligen sekundären Schaltungen an den mittleren Spannungsbus in Reaktion auf das Anforderungssignal.
Modul nach Anspruch 4, welches weiterhin aufweist: eine zweite, primäre Gleichspannungs-Gleichspannungs-Wandlerstufe zum Anschluss an die Hochspannungsquelle, und an den mittleren Spannungsbus parallel zu dem gemeinsamen, primären Gleichspannungs-Gleichspannungs-Wandler angeschlossen, wobei die zweite Wandlerstufe entsprechend mit mittlere Gleichspannung auf einem mittleren Spannungsbus erzeugt, wobei die Steuerung selektiv die zweite Wandlerstufe in Reaktion auf das Anforderungssignal aktiviert.
Modul nach Anspruch 1, welches weiterhin aufweist: mehrere Koppler, die jeweils eine jeweilige Stromaufbereitungsvorrichtung an dem mittleren Spannungsbus anschließen; und mehrere Fehlersensoren, die jeweils an einen jeweiligen Ausgangsstrom und an die Steuerung angeschlossen sind; wobei die Steuerung eine jeweilige Stromaufbereitungsvorrichtung von dem mittleren Spannungsbus in Reaktion auf einen Fehler trennt, der von einem jeweiligen Fehlersensor festgestellt wird.
Modul nach Anspruch 1, bei welchem die mehreren Stromaufbereitungsvorrichtungen aufweisen: einen ersten Gleichspannungs-Wechselspannungs-Wechselrichter zum Transformieren der mittleren Gleichspannung in eine erste Ausgangswechselspannung zum Antrieb des Fahrmotors; und einen ersten Gleichspannungs-Gleichspannungs-Wandler zum Transformieren der mittleren Gleichspannung in eine erste, niedrigere Ausgangsgleichspannung zum Anschluss an mehrere Gleichspannungsverbraucher in dem Fahrzeug.
Modul nach Anspruch 7, bei welchem die erste, niedrigere Ausgangsgleichspannung aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus 42 Volt Gleichspannung und 14 Volt Gleichspannung besteht.
Modul nach Anspruch 7, welches weiterhin aufweist: einen zweiten Gleichspannungs-Wechselspannungs-Wechselrichter zum Transformieren der mittleren Gleichspannung in die zweite Ausgangswechselspannung zum Anschluss an eine Steckdose zum Betreiben von Wechselspannungs-Zusatzverbrauchern.
Modul nach Anspruch 1, welches weiterhin mit Sicherungen versehene Ausgänge zum Verteilen nicht aufbereiteter Energie von der Hochspannungsquelle aufweist.
Verfahren zum Aufbereiten und Verteilen elektrischer Energie von einer Hochspannungsquelle in einem Fahrzeug, wobei das Verfahren umfasst: Wechselrichten einer hohen Spannung von der Hochspannungsquelle zur Erzeugung eines Wechselstroms in einer gemeinsamen, primären Schaltung; Summieren mehrerer sekundärer Ausgangssignale von mehreren sekundären Schaltungen, die jeweils an die gemeinsame, primäre Schaltung angeschlossen sind, um eine mittlere Gleichspannung auf einem mittleren Spannungsbus bereitzustellen; Aufbereiten der mittleren Gleichspannung unter Verwendung einer ersten Stromaufbereitungsvorrichtung, die an den mittleren Spannungsbus angeschlossen ist, um ein erstes, aufbereitetes Ausgangssignal zur Verfügung zu stellen; und Aufbereiten der mittleren Gleichspannung unter Verwendung einer zweiten Stromaufbereitungsvorrichtung, die an den mittleren Spannungsbus angeschlossen ist, um ein zweites, aufbereitetes Ausgangssignal zur Verfügung zu stellen.
Verfahren nach Anspruch 11, bei welchem die erste Stromaufbereitungsvorrichtung eine Wechselstrom-Aufbereitungsvorrichtung zum Antrieb eines Fahrmotors aufweist, und die zweite Stromaufbereitungsvorrichtung eine Gleichstrom-Aufbereitungsvorrichtung zur Versorgung von Gleichspannungsverbrauchern mit niedriger Spannung aufweist.
Verfahren nach Anspruch 11, bei welchem die gemeinsame primäre Schaltung, die sekundären Schaltungen und die Stromaufbereitungsvorrichtungen zu einem einzigen Modul vereinigt sind.
Verfahren nach Anspruch 11, mit folgenden weiteren Schritten: Bestimmung eines Anforderungssignals, welches die elektrische Energie anzeigt, die von den Stromaufbereitungsvorrichtungen abgezogen wird; und Anschließen ausgewählter sekundärer Ausgangssignale an den mittleren Spannungsbus in Reaktion auf das Anforderungssignal.
Verfahren nach Anspruch 14, bei welchem das Anforderungssignal dadurch bestimmt wird, dass elektrisch der Energieverbrauch in Echtzeit überwacht wird.
Verfahren nach Anspruch 14, bei welchem das Anforderungssignal in Reaktion auf einen Belastungszustand bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 13, mit folgenden weiteren Schritten: Wechselrichten der Hochspannung von der Hochspannungsquelle zur Erzeugung eines Wechselstroms in einer primären Schaltung einer zweiten Stufe, die parallel zur gemeinsamen, primären Schaltung geschaltet ist; Aufsummieren mehrerer sekundärer Ausgangssignale der zweiten Stufe von mehreren sekundären Schaltungen der zweiten Stufe, die jeweils an die primäre Schaltung der zweiten Stufe angeschlossen sind, auf dem mittleren Spannungsbus in Reaktion auf das Anforderungssignal.
Verfahren nach Anspruch 11, mit folgenden weiteren Schritten: Erfassung von Fehlerzuständen in Bezug auf die Stromaufbereitungsvorrichtungen; und Trennen einer jeweiligen Stromaufbereitungsvorrichtung von dem mittleren Spannungsbus, wenn ein entsprechender Fehlerzustand festgestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 12, mit folgendem weiteren Schritt: Aufbereiten der mittleren Gleichspannung unter Verwendung einer zweiten Wechselstrom-Aufbereitungsvorrichtung, die an dem mittleren Spannungsbus angeschlossen ist, zum Antrieb eines zweiten Fahrmotors.
Verfahren nach Anspruch 12, mit folgendem weiteren Schritt: Aufbereiten der mittleren Gleichspannung unter Verwendung einer zweiten Gleichstrom-Aufbereitungsvorrichtung, die an dem mittleren Spannungsbus angeschlossen ist, zur Versorgunng von Gleichstromverbrauchern mit einer zweiten, niedrigeren Gleichspannung.