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TECHNISCHES GEBIET
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Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung betreffen allgemein elektrische Umrichter,
und sie betreffen insbesondere DC/AC-Wechselrichter.
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HINTERGRUND
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Ein
Gleichrichter/Wechselrichter, der im Folgenden nur als Wechselrichter
bezeichnet wird, ist eine elektronische Schaltung zur Umwandlung
von Gleichstrom (DC) in Wechselstrom (AC). Wechselrichter werden
in einem weiten Anwendungsbereich verwendet, von kleinen unterbrechungsfreien
Leistungsversorgungen für
einen Computer bis zu großen
Versorgungsanwendungen zum Transport elektrischer Leistung, und
für Industrieantriebe
mit variabler Drehzahl. Wechselrichter werden auch verwendet, um
eine AC-Leistungsquelle aus Brennstoffzellen- oder Photovoltaik-Solarzellen-Leistungsversorgungen
bereitzustellen. Eine übliche
Anwendung besteht in der Versorgung eines AC-Elektromotors mit Leistung.
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Ein
dreiphasiger Wechselstrom ist ein gebräuchlicher Typ von AC, der von
einem Wechselrichter erzeugt und für elektrische Leistungsanwendungen
verwendet werden kann. Ein wichtiger Typ einer dreiphasigen Last
ist ein AC-Elektromotor. Ein dreiphasiger AC-Elektromotor weist
eine einfache Konzeption, ein hohes Drehmoment bei niedriger Drehzahl
und einen hohen Wirkungsgrad auf. Dreiphasige Motoren werden für Pumpen,
Lüfter,
Gebläse,
Kompressoren, Elektro- und Diesel/Elektro-Lokomotiven und viele
anderen Arten von motorbetriebenen Geräten verwendet. Dreiphasige
Motoren sind kompakter, weniger teuer, vibrieren weniger und halten
länger
als ein einphasiger Motor der gleichen Leistungsklasse, und werden
folglich bei Motoren über
10 PS (7,5 kW) gegenüber
einphasigen bevorzugt. Hybrid-, Brennstoffzellen- und Elektrofahrzeuge verwenden
oft dreiphasige Motoren, weil deren hohes Startdrehmoment verwendet
werden kann, um ein Fahrzeug auf eine brauchbare Geschwindigkeit zu
beschleunigen. Ein dreiphasiger Motor kann auch als ein Generator
für regeneratives
Bremsen verwendet werden.
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Hybrid-,
Brennstoffzellen- und Elektrofahrzeuge weisen allgemein eine DC-Leistungsquelle auf.
Diese Fahrzeuge können
z. B. elektrische Batterien, Ultrakondensatoren, Brennstoffzellen
und kraftstoffgetriebene Generatoren verwenden, welche alle DC-Leistung
erzeugen. Darüber
hinaus weisen die verschiedenen Quellen oft verschiedene Spannungen
auf, was eine Spannungswandlung erforderlich macht, um ihre elektrischen
Spannungen mit einem Wechselrichter effektiv zu verwenden. Ein Ansatz
besteht darin, einen Spannungswandler zu verwenden, um die verschiedenen
Betriebsspannungen zu erhalten.
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Spannungswandler
umfassen üblicherweise einen
Kondensator, um den DC-Leistungseingang an einen Wechselrichter
aufzubereiten. Dieser Kondensator kann groß und teuer sein. Dementsprechend
ist es wünschenswert, über ein
System zu verfügen, welches
die Größe des Eingangskondensators
verringert. Darüber
hinaus werden weitere wünschenswerte
Merkmale und Eigenschaften aus der nachstehenden genauen Beschreibung
und den beigefügten Ansprüchen in
Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen und dem voranstehenden
technischen Gebiet und Hintergrund offenbar werden.
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KURZZUSAMMENFASSUNG
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Es
werden Systeme und Verfahren für
ein DC/AC-Aufwärtswandlersystem
offenbart. Die Systeme und Verfahren kombinieren den Betrieb einer
Induktivität
mit dem Eingangskondensator eines DC/AC-Wechselrichters über eine
Schalterkonfiguration, um den DC/AC-Wechselrichter mit Leistung
zu versorgen. Die Schalterkonfiguration wird von einer Vielzahl
von Steuerungssignalen, welche von einem Controller erzeugt werden,
auf der Grundlage einer Vielzahl von Steuerungsmodi und Rückkopplungssignalen
gesteuert.
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Das
System weist einen Wechselrichter mit einem ersten DC-Eingang, einem
zweiten DC-Eingang, Steuerungseingängen, AC-Ausgängen, die
zur Kopplung mit einer Last ausgestaltet sind, und eine Spannungsquelle
mit einem ersten Ausgang, der mit einem ersten Knoten gekoppelt
ist, und einem zweiten Ausgang, der mit dem zweiten DC-Eingang gekoppelt
ist, auf. Das System weist auch einen Aufwärtswandler auf, der mit dem
ersten Knoten, dem ersten DC-Eingang und dem zweiten DC-Eingang verbunden
ist. Eine mehrphasige Last kann mit den AC-Ausgängen des Wechselrichters gekoppelt
sein. Ein Controller kann auch mit den Steuerungseingängen gekoppelt
sein, wobei der Controller so ausgestaltet ist, dass er Rückkopplungssignale
von dem Aufwärtswandler
und dem Wechselrichter empfangt und einen Stromfluss durch den Aufwärtswandler und
den Wechselrichter steuert.
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Ein
DC-Erhöhungsverfahren,
wie es hierin beschrieben ist, beginnt, indem ein Steuerungsmodus
für einen
Controller ermittelt wird, der eine Vielzahl von Steuerungssignalen
und Rückkopplungssignalen
verarbeitet. Das Verfahren betreibt dann einen Aufwärtswandler.
Der Aufwärtswandler
steuert den Fluss eines elektrischen Stroms von einer elektrischen
Span nungsquelle über
Schalter an einen Wechselrichter auf der Grundlage eines Steuerungssignals
und eines Rückkopplungssignals.
Das Verfahren betreibt dann den Wechselrichter. Der Wechselrichter
erzeugt AC-Ausgaben
zum Versorgen einer Last mit Leistung auf der Grundlage der Vielzahl von
Steuerungssignalen und Rückkopplungssignalen.
Das Verfahren liefert dann über
den Wechselrichter Leistung an die Last.
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KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Ausführungsformen
eines DC/AC-Aufwärtswandlersystems
werden hierin nachstehend in Verbindung mit den folgenden Zeichnungsfiguren
beschrieben, bei denen gleiche Bezugszeichen gleiche Elemente bezeichnen,
und
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1 eine
schematische Darstellung einer Ausführungsform eines DC/AC-Aufwärtswandlersystems
ist; und
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2 ein
Ablaufdiagramm ist, das eine Ausführungsform eines DC/AC-Erhöhungsprozesses veranschaulicht.
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GENAUE BESCHREIBUNG
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Die
folgende genaue Beschreibung ist rein beispielhafter Natur und ist
nicht dazu gedacht, die Erfindung oder die Anwendung und Verwendungen der
Erfindung zu beschränken.
Darüber
hinaus ist es nicht beabsichtigt, durch irgendeine explizite oder
implizite Theorie gebunden zu sein, die in dem voranstehenden technischen
Gebiet, dem Hintergrund, der Kurzzusammenfassung oder der folgenden
genauen Beschreibung dargestellt ist.
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Ausführungsformen
der Erfindung können hierin
mit Hilfe von funktionalen und/oder logischen Blockkomponenten und
verschiedenen Verarbeitungsschritten beschrieben sein. Es ist festzustellen, dass
derartige Blockkomponenten durch eine beliebige Anzahl von Hardware-,
Software- und/oder
Firmwarekomponenten realisiert sein können, die zur Ausführung der
beschriebenen Funktionen ausgestaltet sind. Zum Beispiel kann eine
Ausführungsform der
Erfindung verschiedene integrierte Schaltungskomponenten, z. B.
Speicherelemente, digitale Signalverarbeitungselemente, Logikelemente,
Nachschlagetabellen oder dergleichen verwenden, welche eine Vielzahl
von Funktionen unter der Steuerung eines oder mehrerer Mikroprozessoren
oder anderer Steuerungseinrichtungen ausführen können. Darüber hinaus werden Fachleute
feststellen, dass Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung in Verbindung mit einer beliebigen Anzahl
von Fahrzeuganwendungen praktisch ausgeführt werden können, und
dass das hierin beschriebene System nur eine beispielhafte Ausführungsform
der Erfindung ist.
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Der
Kürze halber
kann es sein, dass herkömmliche
Techniken und Komponenten hinsichtlich elektrischer Fahrzeugteile
oder anderer funktionaler Aspekte des Systems (und der einzelnen
Betriebskomponenten des Systems) hierin nicht im Detail beschrieben
sind. Außerdem
sind die in den verschiedenen hierin enthaltenen Figuren gezeigten
Verbindungslinien zur Darstellung beispielhafter funktionaler Beziehungen
und/oder physikalischer Kopplungen zwischen den verschiedenen Elementen
gedacht. Es ist anzumerken, dass bei einer Ausführungsform der Erfindung viele
alternative oder zusätzliche
funktionale Beziehungen oder physikalische Verbindungen vorhanden
sein können.
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Wie
hierin verwendet, steht ein "Knoten" für einen
beliebigen internen oder externen Referenzpunkt, einen Verbindungspunkt,
eine Verbindung, eine Signalleitung, ein leitfähiges Element oder dergleichen,
an welchem/welcher ein gegebenes Signal, ein Logikpegel, eine Spannung,
ein Datenmuster, ein Strom, oder eine Größe vorhanden ist. Darüber hinaus
können
zwei oder mehr Knoten durch ein physikalisches Element realisiert
sein (und zwei oder mehr Signale können gebündelt, moduliert oder anderweitig
unterschieden werden, obwohl sie an einem gemeinsamen Knoten empfangen
oder ausgegeben werden).
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Die
folgende Beschreibung kann sich auf Elemente oder Knoten oder Merkmale
beziehen, die miteinander "verbunden" oder "gekoppelt" sind. Wie hierin
verwendet, bedeutet "verbunden", sofern es nicht
ausdrücklich
anderweitig angegeben ist, dass ein Element/Knoten/Merkmal mit einem
weiteren Element/Knoten/Merkmal direkt verbunden ist (oder direkt
damit kommuniziert), und zwar nicht notwendigerweise mechanisch.
Gleichermaßen
bedeutet "gekoppelt", sofern es nicht
ausdrücklich
anderweitig angegeben ist, dass ein Element/Knoten/Merkmal mit einem
weiteren Element/Knoten/Merkmal direkt oder indirekt verbunden ist
(oder direkt oder indirekt damit kommuniziert), und zwar nicht notwendigerweise
mechanisch. Somit können,
obwohl die in 1 gezeigte schematische Darstellung
eine beispielhafte Anordnung von Elementen darstellt, zusätzliche
dazwischen kommende Elemente, Einrichtungen, Merkmale oder Komponenten
bei einer Ausführungsform der
Erfindung vorhanden sein (unter der Annahme, dass die Funktionalität des Systems
nicht nachteilig beeinflusst ist).
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Ausführungsformen
der Erfindung sind hierin in dem Kontext einer praktischen nicht
beschränkenden
Anwendung beschrieben, nämlich
eines DC/AC-Aufwärtswandlersystems
für ein
Fahrzeug mit einem dreiphasigen Elektromotor. Für Antriebsanwendungen mit variabler
Frequenz werden dreiphasige Wechselrichter verwendet. Bei Wechselrichterentwürfen wer den
viele verschiedene Leistungsschaltungstopologien und Steuerungsstrategien
verwendet. Verschiedene Entwurfsansätze werden verwendet, um verschiedene
Probleme anzusprechen, die in Abhängigkeit von dem beabsichtigten
Verwendungszweck des Wechselrichters mehr oder weniger wichtig sein
können.
Obwohl die hier beschriebene Technik auf den Betrieb eines elektrischen
Systems eines Fahrzeugs angewendet werden kann, sind Ausführungsformen
der Erfindung nicht auf derartige Fahrzeuganwendungen beschränkt und
die hierin beschriebenen Techniken können auch in anderen Leistungswandlungssystemen
verwendet werden.
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Ein
Aufwärtswandler
(Steg-Up-Wandler) ist ein Leistungswandler mit einer DC-Ausgangsspannung,
die größer als
seine DC-Eingangsspannung ist. Ein Aufwärtswandler kann als zu einer
Klasse von schaltenden Leistungsversorgungen (SMPS, SMPS von switching-mode
power supplies) gehörend
betrachtet werden, welche mindestens zwei Halbleiterschalter (z.
B. einen auf einer Diode basierenden Schalter und einen auf einem
Transistor basierenden Schalter) und mindestens ein Energiespeicherelement
enthalten. Filter, die aus Kombinationen von Induktivitäten und
Kondensatoren bestehen, werden zu einem Aufwärtswandler oft hinzugefügt, um seine Ausgangsleistung
zu verbessern.
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1 ist
eine schematische Darstellung eines DC-Aufwärtswandlersystems 100 für ein Fahrzeug,
das geeignet ausgestaltet ist, um die hierin genau beschriebenen
Operationen auszuführen.
Das System 100 ist zur Verwendung mit einem Fahrzeug geeignet,
das einen elektrischen Antriebsmotor aufweist (z. B. ein vollständiges Elektrofahrzeug
oder ein Hybridfahrzeug). Ein DC-Aufwärtswandlersystem 100 in
der Praxis kann eine Anzahl an elektrischen Komponenten, Schaltungen
und Controllereinheiten umfassen, die sich von der in 1 gezeigten
unterscheidet. Herkömmliche
Untersysteme, Merkmale und Aspekte des DC-Aufwärtswand lersystems 100 werden
hierin nicht im Detail beschrieben. Bei dieser Ausführungsform,
wie sie in 1 gezeigt ist, kann das System
ohne eine Einschränkung
umfassen: einen Aufwärtswandler 102,
einen Wechselrichter 104, einen Kondensator C1, welcher
sowohl dem Aufwärtswandler 102 als
auch dem Wechselrichter 104 zueigen ist, und einen Controller 108.
Wie in 1 gezeigt ist, ist der Aufwärtswandler 102 mit
einer Spannungsquelle 110 gekoppelt, und der Wechselrichter 104 ist
mit einer Maschine 106 oder einer anderen Last gekoppelt.
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Die
Maschine 106 ist mit den AC-Ausgangsknoten 144/146/148 von
gesteuerten Schaltern Q2–Q7
gekoppelt. Die Maschine 106 umfasst bei diesem Beispiel
eine AC-Elektromaschine, die Leistung oder Hilfsleistung an einen
Antriebsstrang und ein regeneratives Bremsen bereitstellt. Elektrische
AC-Maschinen werden für
diese Anwendung oft verwendet, da sie ein hohes Drehmoment unter
Last und eine hohe Leistung liefern. In der Praxis kann die Maschine 106 ohne
eine Einschränkung
eine dreiphasige oder mehrphasige Induktions- oder Synchron-AC-Elektromaschine
sein.
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Die
Spannungsquelle 110 ist so ausgestaltet, dass sie den Betrieb
eines Hybridfahrzeugs oder eines Elektrofahrzeugs unterstützt. Die
Spannungsquelle 110 weist einen ersten Pol oder Anschluss
auf, der mit einem Knoten 114 gekoppelt ist, und einen zweiten
Pol oder Anschluss, der mit einem Knoten 116 gekoppelt
ist. Bei dieser Ausführungsform
entsprechen die Knoten 114 und 116 einem positiven Bezugspotential
bzw. einem negativen (Masse-)Bezugspotential. Die Spannungsquelle 110 kann
auf diese Weise mit dem Aufwärtswandler 102 gekoppelt sein,
welcher wiederum Leistung an den Wechselrichter 104 liefert.
Die Spannungsquelle 110 ist so ausgestaltet, dass sie elektrische
Spannung und Strom über
den Knoten 114 und den Knoten 116 an den Aufwärtswandler 102 liefert.
Bei dieser Ausführungsform
ist die von der Spannungsquelle 110 bereit gestellte elektrische
Spannung eine relativ hohe DC-Spannung, welche bei dieser Anwendung
bei etwa 200 Volt liegen kann. Die Spannungsquelle 110 kann
z. B. ein Generator, eine Brennstoffzelle, Batterien (wie z. B.
Bleisäure-,
Nickelmetallhybrid- oder Lithiumionenbatterien) oder eine Anzahl
von Ultrakondensatoren sein.
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Der
Aufwärtswandler 102 steuert
den elektrischen Stromfluss aus der Spannungsquelle 110 an den
Wechselrichter 104 auf der Grundlage einer Vielzahl von
Steuerungssignalen und Rückkopplungssignalen,
die in dem System 100 vorhanden sind. Diese Ausführungsform
des Aufwärtswandlers 102 umfasst ohne
eine Einschränkung:
eine Induktivität
L1, gesteuerte Schalter S1 und S2, einen Gatekontakt 150, einen
Gatekontakt 152 und eine Diode D1. Der Aufwärtswandler 102 weist
einen ersten Eingang bei dem Knoten 114 auf, der mit dem
ersten Pol der Spannungsquelle 110 gekoppelt ist, und einen
zweiten Eingang bei dem Knoten 116, der mit dem zweiten
Pol der Spannungsquelle 110 gekoppelt ist. Diese Beschreibung
bezeichnet diese Knoten als "Eingänge" des Aufwärtswandlers 102,
weil bei den meisten Betriebsbedingungen Strom in diese Eingänge fließen wird,
jedoch kann unter einigen Betriebsbedingungen, wie z. B. beim regenerativen
Bremsen, ein Strom in eine negative Richtung fließen (Wiederaufladestrom).
Der Aufwärtswandler 102 weist
in dem System 100 auch einen DC-Ausgang auf, auf den zwischen
einem ersten Ausgangspol bei einem Knoten 118 und einem
zweiten Ausgangspol bei dem Knoten 116 Bezug genommen ist.
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Die
Induktivität
L1 ist zwischen den Knoten 114 und einen Knoten 112 gekoppelt
und wird verwendet, um einer Schwankung bei der DC-Spannung Widerstand
zu leisten, und um Energie zu speichern. Eine angemessene Größe der Induktivität L1 bei
dieser Ausführungsform
liegt bei etwa 50 Mikro-Henry. Die Induktivität L1 kann in Verbindung mit
den Schal tern S1 und S2 verwendet werden, um die Spannung der Spannungsquelle 110 durch
ein abwechselndes Speichern von Ladung in und Freigeben von Ladung aus
der Induktivität
L1 zu erhöhen
(daher "aufwärts").
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Hinsichtlich
der Schalter S1 und S2 verwendet die veranschaulichte Ausführungsform
gesteuerte IGBT-Schalter. Jedoch können in der Praxis andere gesteuerte
Schaltertypen verwendet werden. Der gesteuerte Schalter S1 ist zwischen
den Knoten 112 und den Knoten 118 gekoppelt. Bei
dieser Ausführungsform
entspricht der Kollektor des gesteuerten Schalters S1 dem Knoten 118,
und der Emitter des gesteuerten Schalters S1 entspricht dem Knoten 112.
Der gesteuerte Schalter S2 ist zwischen den Knoten 112 und
den Knoten 116 gekoppelt. Bei dieser Ausführungsform
entspricht der Kollektor des gesteuerten Schalters S2 dem Knoten 112,
und der Emitter des gesteuerten Schalters S2 entspricht dem Knoten 116.
Die Stromkapazität
der gesteuerten Schalter wird gemäß der Leistungsklassifizierung
der Maschine 106, der Spannungsklassifizierung der Quelle 110 und
der gewünschten
erhöhten
Spannung an dem Knoten 118 gewählt. Bei dieser Ausführungsform
ist die Stromkapazität
für alle
gesteuerten Schalter gleich. Zum Zweck der Steuerung des Betriebs
der Schalter S1 und S2 sind Gatekontakte 150 und 152 jeweils
mit dem Controller 108 gekoppelt. Die Gatekontakte 150 und 152 sind
separat so ausgestaltet, dass sie in Ansprechen auf Steuerungssignale,
die von dem Controller 108 bereitgestellt werden, einen
Stromfluss zulassen oder einen Stromfluss sperren.
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Bei
dieser Anwendung steuern die gesteuerten Schalter S1 und S2 den
Stromfluss aus der Spannungsquelle 110 an den Wechselrichter 104.
Somit werden die gesteuerten Schalter S1 und S2 durch Steuerungssignale
von dem Controller 108 eingeschaltet und ausgeschaltet,
um einen Stromfluss aus der Spannungsquelle 110 an den
Wechselrichter 104 zu steuern, welcher wiederum den DC
in einen AC umwandelt, der zur Verwendung durch die Maschine 106 geeignet
ist. Der gesteuerte Schalter S1 in Verbindung mit dem Wechselrichter 104 steuert
die Maschine 106 und liefert ihr Leistung. Die gesteuerten Schalter
S1 und S2 beeinflussen in Kombination, ob Leistung/Strom aus der
Spannungsquelle 110 fließt.
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Durch
ein Variieren des Zeitpunkts des Öffnens und Schließens der
Schalter S1 und S2 einzeln oder in Kombination steuert der Aufwärtswandler 102 die
Amplitude der DC-Spannung in den Wechselrichter 104. In
der Praxis wird die DC-Spannung so variiert, dass ein fester Modulationsindex
(Mi) durch den Wechselrichter 104 aufrechterhalten
wird. Der Modulationsindex ist das Verhältnis der Ausgangsspannung
des Wechselrichters 104 zu der maximal möglichen
Ausgangsspannung des Wechselrichters 104, wenn er in einem
sechsstufigen Modus betrieben wird. Ein Mi gleich
Eins bedeutet, dass der Wechselrichter 104 in einem sechsstufigen
Modus arbeitet, und ein Mi gleich Null bedeutet,
dass der Wechselrichter 104 eine AC-Ausgangsspannung von
Null Volt erzeugt. Bei einem hohen Modulationsindex ist die RMS-Kondensatorstrombelastung
minimal. Der Aufwärtswandler 102 kann
verwendet werden, um einen Mi von z. B.
etwa 0,9 aufrechtzuerhalten. Die Hochspannungs-DC-Kondensatoren,
die bei Wechselrichtern verwendet werden, sind im Allgemeinen teuer, klobig
und können
aufgrund des hohen Restwelligkeitsstroms aus dem Wechselrichter
eine periodische Wartung erforderlich machen. Ein Betreiben des Wechselrichters
bei einem hohen Mi verringert den Restwelligkeitsstrom
des Kondensators, die Kosten und Größe des Kondensators, und verringert
Fehler.
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Der
Schalter S1 kann so gesteuert werden, dass er einen Rückwärtsstromfluss
in den Aufwärtswandler 102 zulässt. Auf
diese Weise kann die Spannungsquelle 110 durch den Schalter
S1 wieder aufgeladen werden, welcher das Fließen eines Wiederaufladestroms
aus der dreiphasigen Last 106 an die Spannungsquelle 110 ermöglicht,
wobei ein Wiederaufladestrom ein Strom aus der dreiphasigen Last 106 heraus
ist, die in einer Generatorbetriebsart arbeitet. Wieder ist der
Schalter S1 zwischen den Knoten 112 und den Knoten 118 gekoppelt.
Dementsprechend wird der Schalter S1 so gesteuert, dass er bei einer
regenerativen Betriebsbedingung kontinuierlich eingeschaltet ist,
um ein Wiederaufladen der Spannungsquelle 110 zu erleichtern.
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Der
Kondensator C1 ist eingebunden, um eine Leistungsaufbereitung bereitzustellen,
und um Spannungsstöße des Wechselrichters 104 zu
glätten.
Der Kondensator C1 weist einen ersten Pol, der mit dem Knoten 116 gekoppelt
ist, und einen zweiten Pol, der mit dem Knoten 118 gekoppelt
ist, auf. Der Kondensator C1 ist eingebunden, um elektrische Energie
zwischen der Spannungsquelle 110 und dem Ausgangsknoten 118 zu
Puffern. In der Praxis kann der Kondensator C1 als ein Ultrakondensator
oder als ein beliebiges geeignetes kapazitives Element oder eine
kapazitive Anordnung realisiert sein. Der Kondensator C1 kann auch
die Kapazität
darstellen, die naturgegeben bei anderen Komponenten des Hybridfahrzeugs
existieren wird, wie einem aktiven elektrischen Bus und/oder einer
Leistungselektronik (derartige Komponenten können Kondensatoren, Leistungsausgangsstufen,
etc. enthalten). Die Kapazität
des Kondensators C1 kann in Abhängigkeit
von der Leistung, die von der Maschine 106 benötigt wird, von
einer Anwendung zur anderen variieren. Bei dieser Ausführungsform
weist der Kondensator C1 eine Kapazität von etwa 1000 Mikrofarad
auf.
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Der
Wechselrichter 104 ist ausgestaltet, um AC-Ausgaben für eine Last
(z. B. die Maschine 106) in Ansprechen auf eine Vielzahl
von Steuerungssignalen und Rückkopplungssignalen
zu erzeugen, die in dem System 100 vorhanden sind. Der
Wechselrichter 104 selbst ist eine für einen einzelnen Spannungszwischenkreisumrichter
geläufige
Architektur und kann ein dreiphasiger oder mehrphasiger Wechselrichter
sein. Bei diesem Beispiel ist der Wechselrichter 104 eine
Wechselrichterschaltung, die umfasst: gesteuerte Schalter Q2–Q7, Dioden
(Bezugszeichen 120, 122, 124, 126, 128 und 130)
und Gatekontakte (Bezugszeichen 132, 134, 136, 138, 140 und 142).
Der Wechselrichter 104 weist einen ersten Eingang, der
mit dem Knoten 118 gekoppelt ist, und einen zweiten Eingang,
der mit dem Knoten 116 gekoppelt ist, auf. Der Wechselrichter 104 weist
auch einen Satz von AC-Ausgängen
auf, die wie folgt gekoppelt sind: ein erster AC-Ausgang entspricht einem Knoten 144,
ein zweiter AC-Ausgang entspricht einem Knoten 146 und
ein dritter AC-Ausgang entspricht einem Knoten 148. Die
jeweiligen Kollektoren und Emitter der gesteuerten Schalter Q2–Q7 sind
bei dieser Ausführungsform
wie folgt gekoppelt: Q2 liegt zwischen Knoten 118 und Knoten 144,
Q4 liegt zwischen Knoten 118 und Knoten 146, Q6
liegt zwischen Knoten 118 und Knoten 148, Q3 liegt
zwischen Knoten 116 und Knoten 144, Q5 liegt zwischen
Knoten 116 und Knoten 146 und Q7 liegt zwischen
Knoten 116 und Knoten 148.
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Die
Stromkapazität
der gesteuerten Schalter steht in Bezug zu der Leistungsklassifizierung
der Maschine 106 und der Maximalspannung an dem Bus 118.
Bei diesem Beispiel ist die Stromkapazität für alle gesteuerten Schalter
Q2–Q7
gleich. Da die meisten Lasten eine Induktivität enthalten, sind Dioden (Bezugszeichen 120, 122, 124, 126, 128 und 130)
jeweils über
die gesteuerten Schalter verbunden, um für einen bidirektionalen Stromfluss über die gesteuerten
Schalter zu sorgen. In dieser Hinsicht enthält jeder der gesteuerten Schalter
Q2–Q7
eine jeweilige Diode zwischen seinem Emitter und Kollektor, um einen
negativen Strom aus der Last zum Laden der Spannungsquelle 110 während eines
regenerativen Betriebs zu ermöglichen.
In der Praxis kann die Maschine 106 die Span nungsquelle 110 (unter
der Annahme, dass die Spannungsquelle 110 eine wiederaufladbare
Einrichtung ist) während
des regenerativen Bremsens eines Fahrzeugs wiederaufladen. Während des
regenerativen Bremsens der Maschine 106 fließt Strom
aus der Maschine in die Knoten 144, 146 und 148 (d.
h. ein negativer oder Wiederaufladestromfluss). Diese Ausführungsform
handhabt einen derartigen Stromfluss unter Verwendung der Gatekontakte 132, 134, 136, 138, 140 und 142.
Insbesondere sind die Gatekontakte mit dem Controller 108 gekoppelt,
um eine Steuerung der jeweiligen Schalter zu ermöglichen (der Klarheit halber
sind in 1 die individuellen Steuerungssignale
von dem Controller 108 an jeden Gatekontakt nicht dargestellt).
Die gesteuerten Schalter Q2–Q7
werden so geschaltet, dass sie in Ansprechen auf die Spannung der
Steuerungssignale von dem Controller 108 einen Stromfluss
zulassen oder einen Stromfluss sperren. Während der Regeneration sind
die Schalter geöffnet, was
ermöglicht,
dass ein negativer Strom durch die Dioden und letztlich zurück an die
Spannungsquelle 110 fließt.
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Der
Controller 108 kann als Teil eines Fahrzeugrechenmoduls,
eines zentralisierten Fahrzeugprozessors, eines Untersystem-Rechenmoduls,
das der Schalteranordnung zugeordnet ist, oder dergleichen implementiert
sein. Der Controller 108 ist allgemein eine softwaregesteuerte
Einrichtung. Bei normalen Bedingungen betätigt er die gesteuerten Schalter
S1, S2 und Q2–Q7,
um während
des Fahrzeugbetriebs einen dreiphasigen AC-Strom zu erzeugen.
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Die
Anordnung mit dem Aufwärtswandler 102 und
dem Wechselrichter 104 wird von dem Controller 108 betätigt, welcher
mit der Anordnung 102/104 in einer Weise gekoppelt
sein kann, die eine Ablaufplanung von Steuerungseingangssignalen 154/158/164 ermöglicht.
Die Steuerungseingangssignale 154/158/164 werden
von dem Controller 108 vorzugs weise in Ansprechen auf eine
Vielzahl von Steuerungsmodi und Rückkopplungssignalen 156/160/162 erzeugt,
welche aus dem Aufwärtswandler 102 und/oder
dem Wechselrichter 104 erhalten werden. Im Betrieb empfangt
der Controller 108 Rückkopplungssignale 156/160/162 und
steuert die Betätigung
der gesteuerten Schalter gemäß dem aktuellen
Zustand des Fahrzeugs oder dem benötigten Leistungsfluss, z. B.
ob der regenerative Bremsmodus oder der normale Betriebsmodus aktiv
ist. Die gesteuerten Schalter S1, S2 und Q2–Q7 werden von dem Controller 108 auf
der Grundlage eines vorbestimmten Schaltmusters aktiviert, und der
Controller kann so ausgestaltet sein, dass er das Muster auf der Grundlage
der Rückkopplungssignale 156/160/162 eingestellt.
In dieser Hinsicht wird ein Steuerungsmuster für die Steuerungssignale von
dem Controller erzeugt, um die gesteuerten Schalter S1, S2 und Q2–Q7 zu aktivieren.
Jeder Schalter kann über
seine jeweiligen Steuerungseingänge
in Abhängigkeit
von einem vorbestimmten Tastverhältnis
aktiviert werden, wie nachstehend in dem Kontext von 2 erläutert ist.
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2 ist
ein Ablaufdiagramm, das einen Prozess 200 zum Steuern eines
Hochspannungs-DC-Busses unter Verwendung eines Aufwärtswandlers
für ein
Elektro-, Hybridelektro- oder Brennstoffzellenfahrzeug veranschaulicht,
der von dem voranstehend beschriebenen System 100 ausgeführt werden
kann. Eine Ausführungsform
des Prozesses 200 ermittelt einen Steuerungsmodus, erzeugt
eine Vielzahl von Steuerungs- und Rückkopplungssignalen, betreibt
einen Aufwärtswandler über gesteuerte
Schalter, betreibt einen Wechselrichter, um AC-Ausgaben zum Versorgen
einer Last mit Leistung zu erzeugen, und liefert Leistung an eine
dreiphasige Last. Die verschiedenen Aufgaben, die in Verbindung
mit dem Prozess 200 ausgeführt werden, können durch
eine Software, eine Hardware, eine Firmware oder eine beliebige
Kombination daraus ausgeführt
werden. Zur Veranschaulichung kann sich die nachstehende Beschreibung
des Prozes ses 200 auf Elemente beziehen, die voranstehend
in Verbindung mit 1 erwähnt wurden. Bei praktischen Ausführungsformen
können
Abschnitte des Prozesses 200 von verschiedenen Elementen
des DC-Aufwärtswandlersystems 100 ausgeführt werden,
z. B. der Spannungsquelle 110, einem Aufwärtswandler 102,
einem Wechselrichter 104 und einem Controller 108.
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Diese
Ausführungsform
des Aufwärtswandler-Betriebsprozesses 200 beginnt,
indem ein Steuerungsmodus ermittelt wird (Aufgabe 202).
Die Ermittlung kann unter Berücksichtigung
verschiedener Statusbedingungen durchgeführt werden, z. B. der Drehzahl
der Fahrzeugräder,
der Leistungsausgabe einer Benzinmaschine, der Drehzahl der Benzinmaschine, eines
Ladungsbetrags in der Spannungsquelle 110, und verschiedener
Beziehungen zwischen diesen Parameter. Wenn z. B. ein Fahrzeug bremst,
dann sollte die Maschine Leistung an die Spannungsquellen senden,
wenn diese wiederaufladbar sind, und einen Regenerationsmodus ermitteln.
In dieser Hinsicht kann der Steuerungsmodus nur einen positiven Strom
von der Spannungsquelle 110 zulassen, oder einen negativen
Stromfluss, der die Spannungsquelle 110 und C1 wiederauflädt.
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Als
Nächstes
erzeugt der Prozess 200 Steuerungssignale und Rückkopplungssignale
(Aufgabe 203), wie voranstehend in dem Kontext von 1 erläutert ist.
Der Prozess 200 betreibt dann einen Aufwärtswandler über gesteuerte
Schalter S1 und S2, um das Fließen
eines elektrischen Stroms aus der elektrischen Spannungsquelle durch
die Induktivität und
in den Wechselrichter auf der Grundlage der Steuerungssignale und
der Rückkopplungssignale zu
steuern (Aufgabe 204). Unter Verwendung der gesteuerten
Schalter S1 und S2 in Verbindung mit den gesteuerten Schaltern Q2–Q7 und
einer geeigneten Steuerung kann der Stromfluss an die Maschine präziser gesteuert
werden. Das Schalten von S1 und S2 mit einem vorbestimmten Tastverhältnis steuert
den Leistungsfluss aus der Spannungsquelle 110. Die gesteuerten
Schalter S1 und S2 und die gesteuerten Schalter Q2–Q7 können zusammen
oder unabhängig
voneinander unter Verwendung einer Pulsbreitenmodulation (PWM) betrieben
werden, um Leistung einzeln oder in Kombination an die Maschine
zu liefern. Die Frequenz, die durch die Anzahl schmaler Impulse
pro Sekunde dargestellt ist, wird die Schaltfrequenz oder Trägerfrequenz
genannt. Ein Kombinieren des Stroms von den gesteuerten Schaltern
S1 und S2 und den gesteuerten Schaltern Q2–Q7 ermöglicht eine noch größere Anzahl
von Optionen, da die Induktivität
L1 zum Speichern von Ladung und damit zum Erhöhen der Spannung über diejenige
der Spannungsquelle 110 hinaus verwendet werden kann. Die
Kombination von Schaltmustern unter Verwendung z. B. der gesteuerten
Schalter S1 und S2 in Verbindung mit den gesteuerten Schaltern Q2–Q7 wird
unterschiedlichere Spannungspegel erzeugen. Der Prozess erhöht die Spannung
der Quelle 110 auf eine Spannung an dem Knoten 118 im
Wesentlichen derart, dass der Wechselrichter 104 mit einem
festen Modulationsindex Mi betrieben wird,
welcher die RMS-Strombelastung an dem Kondensator C1 minimieren
wird. Bei diesem Beispiel beträgt
der Modulationsindex etwa 0,9.
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Als
Nächstes
betreibt der Prozess 200 einen Wechselrichter über die
gesteuerten Schalter Q2–Q7,
um AC-Ausgaben zum Versorgen der dreiphasigen Last mit Leistung
zu erzeugen (Aufgabe 206). Bei dieser Ausführungsform
wird jeder der gesteuerten Schalter Q2–Q7 durch ein Pulsbreitenmodulations-Steuerungssignal
(PWM-Steuerungssignal) eingeschaltet und ausgeschaltet. PWM stellt Steuerungssignale
bereit, um die gesteuerten Schalter Q2–Q7 so zu betreiben, dass sie
eine Soll-AC-Ausgangsspannung mit dem Modulationsindex Mi erzeugen.
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Leistung,
die aus der Spannungsquelle 110 kommt, wird durch Steuern
des Tastverhältnisses
der Steuerungssignale geregelt, die an die Schalter S1 und S2 gesandt
werden. Das Tastverhältnis
wird auf der Grundlage dessen ermittelt, wie viel Leistung aus der
Spannungsquelle 110 benötigt
wird. Im Fahrbetrieb, wenn S2 ausgeschaltet ist, sind die Spannungsquelle 110 und
der Kondensator C1 durch die Diode D1 parallel geschaltet, um über den
Wechselrichter 104 Strom (Leistung) an die Maschine 106 zu liefern.
Beim Erzeugen fließt
der Strom (die Leistung) aus der Maschine 106 über den
Wechselrichter 104 und den Schalter S1 an die Spannungsquelle 110 und
den Kondensator C1. Die Tastverhältnisse
der Steuerungssignale für
die Schalter S1 und S2 werden von einem Controller gesteuert, wie
voranstehend in dem Kontext von 1 erläutert ist.
Bei einem Tastverhältnis
von beispielsweise 30% ist der Schalter S2 30% der Schaltperiode
eingeschaltet.
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Der
Prozess 200 liefert dann Leistung an eine Last (Aufgabe 208).
Bei dieser Ausführungsform ist
die Last eine elektrische Maschine. In Abhängigkeit von dem Betriebsmodus
des Fahrzeugs kann die elektrische Maschine als eine Last arbeiten,
die Leistung von der Spannungsquelle 110 durch den Wechselrichter
empfängt,
oder als ein Generator arbeiten, der Leistung durch die gesteuerten
Schalter S1 und S2 und die gesteuerten Schalter Q2–Q7 an die
erste Spannungsquelle 110 zurückgibt. Die Leistung der elektrischen
Maschine hängt
von dem Stromflusspegel von dem Schalten der gesteuerten Schalter
S1 und S2 und der gesteuerten Schalter Q2–Q7 ab, wie voranstehend beschrieben
ist. Der Prozess 200 führt dann
zurück
zur Aufgabe 202.
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Mit
diesem Ansatz kann anstelle eines teuren, klobigen Hochspannungs-DC-Buskondensators ein
Kondensator kleinerer Größe mit geringerer Ausfallwahrscheinlichkeit
und geringeren Kosten verwendet werden, um den Hochspannungs-DC-Bus
zu steuern.
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Obwohl
in der voranstehenden genauen Beschreibung mindestens eine beispielhafte
Ausführungsform
dargestellt wurde, ist festzustellen, dass eine große Anzahl
an Variationen existiert. Es ist auch festzustellen, dass die beispielhafte
Ausführungsform
oder die beispielhaften Ausführungsformen
nur Beispiele sind, und nicht dazu gedacht sind, den Schutzumfang,
die Anwendbarkeit oder die Ausgestaltung der Erfindung in irgendeiner
Weise zu beschränken.
Stattdessen wird die voranstehende genaue Beschreibung Fachleuten
eine brauchbare Anleitung zur Implementierung der beispielhaften
Ausführungsform
oder der beispielhaften Ausführungsformen
bereitstellen. Es sollte verstanden sein, dass in der Funktion und
Anordnung von Elementen verschiedene Änderungen durchgeführt werden
können,
ohne von dem Schutzumfang der Erfindung abzuweichen, wie er in den
beigefügten
Ansprüchen und
deren juristischen Äquivalenten
offen gelegt ist.