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QUERVERWEIS AUF VERWANDTE
ANMELDUNG
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Diese
Anmeldung beansprucht die Priorität der provisorischen
US-Patentanmeldung mit der Seriennummer 60/952,764, die am 30. Juli
2007 eingereicht wurde (deren gesamter Inhalt durch Bezugnahme hierin
aufgenommen ist).
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TECHNISCHES GEBIET
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Der
hierin beschriebene Gegenstand betrifft allgemein ein Elektroantriebssystem.
Insbesondere betrifft der Gegenstand ein doppelseitiges Wechselrichtersystem
zur Verwendung in einem Hybrid- oder Elektrofahrzeug, das einen
Impedanzwechselrichter umfasst.
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HINTERGRUND
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In
den letzten Jahren haben technologische Fortschritte sowie sich
immer weiter entwickelnde Vorlieben bezüglich des Stils
zu wesentlichen Veränderungen bei der Konstruktion von
Kraftfahrzeugen geführt. Eine der Veränderungen
betrifft die Verwendung von Leistung und die Komplexität
der verschiedenen elektrischen Systeme in Kraftfahrzeugen, insbesondere
in Kraftfahrzeugen mit alternativem Kraftstoff, wie z. B. Hybrid-,
Elektro- und Brennstoffzellenfahrzeugen.
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Viele
der elektrischen Komponenten, welche die Elektromotoren einschließen,
die in Elektro- und hybriden Elektrofahrzeugen verwendet werden,
empfangen elektrische Leistung von Wechselstrom-Leistungsversorgungen
(AC-Leistungsversorgungen). Die Leistungsquellen (z. B. Batterien),
die bei derartigen Anwendungen verwendet werden, liefern jedoch nur
Gleichstromleistung (DC-Leistung). Folglich werden Einrichtungen
verwendet, die als Gleichrichter/Wechselrichter bekannt sind und
im Folgenden nur als Wechselrichter bezeichnet werden, um die DC-Leistung
in AC-Leistung umzuwandeln. Zudem können doppelseitige
Wechselrichtertopologien verwendet werden, um einen einzigen AC-Motor
mit zwei DC-Leistungsquellen anzutreiben.
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Bei
den meisten Elektro- und hybriden Elektrofahrzeugen werden typischerweise
Hochspannungsbatterien oder -batteriestapel verwendet, um einen
Speicher für elektrische Leistung für die elektrischen
Antriebssysteme vorzusehen. Eine derartige Hochspannungsbatterie
kann eine Nennspannung von 100 Volt oder mehr aufweisen. Darüber
hinaus werden Batterien dazu verwendet, weitere fahrzeugeigene Untersysteme,
wie etwa Beleuchtungs-Untersysteme, Geräte-Untersysteme,
Unterhaltungs-Untersysteme und dergleichen mit Leistung zu versorgen.
Zum Beispiel verwenden viele Elektro- und hybride Elektrofahrzeuge
herkömmliche Untersysteme, die durch eine 12 Volt Batterie
mit Leistung versorgt werden. Darüber hinaus kann ein Fahrzeug
ein weiteres Niederspannungssystem mit etwa 42 Volt verwenden, um
elektrische Lasten mit mittlerer Leistung, wie z. B. ein elektrisches
Servolenkungs-Untersystem mit Leistung zu versorgen.
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Bei
Fahrzeugen, die mehr als ein Spannungsniveau verwenden, ist eine
Einrichtung notwendig, die Energie von einer Spannungsquelle zu einer
anderen übertragen kann, um an jeder Quelle wünschenswerte
Ladungs niveaus aufrechtzuerhalten. Üblicherweise werden
DC/DC-Wandler verwendet, um die Ladungsniveaus mehrerer Quellen
in einem Hybrid- oder Elektrofahrzeug aufrechtzuerhalten. Ein doppelseitiges
Wechselrichtersystem ist in der Lage, den Zustand der Ladungsniveaus
zwischen zwei Spannungsquellen zu steuern, während es gleichzeitig
die Leistung steuert, die an einen AC-Elektromotor geliefert wird.
Herkömmliche doppelseitige Wechselrichtertopologien arbeiten
jedoch ideal, wenn die zwei Energiequellen ähnliche Spannungsniveaus
aufweisen. Daher kann eine herkömmliche doppelseitige Wechselrichtertopologie
in einem Hybrid- oder Elektrofahrzeug-System, das deutlich unterschiedliche
Spannungsquellen aufweist (z. B. 12 Volt und 100+ Volt), nicht auf
eine effiziente oder optimierte Weise arbeiten.
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KURZZUSAMMENFASSUNG
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Es
wird ein doppelseitiges Wechselrichtersystem für einen
AC-Elektroantriebsmotor eines Fahrzeugs bereitgestellt. Das doppelseitige
Wechselrichtersystem umfasst eine erste Energiequelle mit einer
ersten DC-Nennspannung und eine zweite Energiequelle mit einer zweiten
DC-Nennspannung, die sich von der ersten DC-Nennspannung unterscheidet.
Das doppelseitige Wechselrichtersystem umfasst auch ein Impedanzwechselrichter-Untersystem,
das mit der ersten Energiequelle gekoppelt ist, und ein Wechselrichter-Untersystem,
das mit der zweiten Energiequelle gekoppelt ist. Diese Wechselrichtersysteme
sind so ausgestaltet, dass sie den AC-Elektroantriebsmotor einzeln
oder gemeinsam antreiben.
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Es
wird auch eine alternative Ausführungsform eines doppelseitigen
Wechselrichtersystems für einen AC-Elektroantriebsmotor
eines Fahrzeugs bereitgestellt. Das Fahrzeug weist eine erste Energiequelle
und eine zweite Energiequelle auf, und das doppelseitige Wechselrichtersystem umfasst
ein Impedanzwechselrichter-Untersystem, das ausgestaltet ist, um
den AC-Elektroantriebsmotor unter Verwendung der ersten Energiequelle
anzutreiben, ein Wechselrichter-Untersystem, das ausgestaltet ist, um
den AC-Elektroantriebsmotor unter Verwendung der zweiten Energiequelle
anzutreiben, und einen Controller, der mit dem Impedanzwechselrichter-Untersystem
und dem Wechselrichter-Untersystem gekoppelt ist. Der Controller
ist so ausgestaltet, dass er das Impedanzwechselrichter-Untersystem
und das Wechselrichter-Untersystem gemäß einem
Spannungserhöhungs-Betriebsmodus, einem herkömmlichen
Wechselrichter-Betriebsmodus und einem Wiederauflade-Betriebsmodus
des doppelseitigen Wechselrichtersystems steuert.
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Ein
Elektroantriebssystem für ein Fahrzeug mit einer Hochspannungsbatterie
und einer Niederspannungsbatterie wird ebenfalls bereitgestellt.
Das Elektroantriebssystem umfasst einen AC-Elektromotor und ein
doppelseitiges Wechselrichtersystem, das mit dem AC-Elektromotor
gekoppelt ist. Das doppelseitige Wechselrichtersystem ist ausgestaltet,
um den AC-Elektromotor unter Verwendung von Energie, die aus der
Hochspannungsbatterie beschafft wird, und Energie, die aus der Niederspannungsbatterie
beschafft wird, anzutreiben. Das doppelseitige Wechselrichtersystem
umfasst einen ersten Wechselrichterabschnitt, der mit dem AC-Elektromotor
gekoppelt ist, eine gekreuzte LC-X-Verbindung, die zwischen den
ersten Wechselrichterabschnitt und die Niederspannungsbatterie gekoppelt
ist, und einen zweiten Wechselrichterabschnitt, der zwischen die Hochspannungsbatterie
und den AC-Elektromotor gekoppelt ist.
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Diese
Zusammenfassung wird bereitgestellt, um eine Auswahl von Konzepten,
die nachstehend in der genauen Beschreibung weiter beschrieben werden,
in einer vereinfachten Form vorzustellen. Diese Zusammenfassung
ist nicht dazu gedacht, Schlüsselmerkmale oder wesentliche
Merk male des beanspruchten Gegenstands zu kennzeichnen, noch ist sie
dazu gedacht, als ein Hilfsmittel zur Bestimmung des Schutzumfangs
des beanspruchten Gegenstands verwendet zu werden.
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KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Ein
besseres Verständnis des Gegenstands kann durch Bezugnahme
auf die genaue Beschreibung und die Ansprüche bei einem
Studium in Verbindung mit den folgenden Figuren erreicht werden, in
denen gleiche Bezugszeichen in den Figuren ähnliche Elemente
bezeichnen.
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1 ist
eine schematische Darstellung eines beispielhaften Fahrzeugs, das
eine Ausführungsform eines doppelseitigen Wechselrichtersystems
beinhaltet; und
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2 ist
eine Schaltplandarstellung einer beispielhaften Ausführungsform
eines doppelseitigen Wechselrichtersystems, das zur Verwendung mit
einem Elektro- oder hybriden Elektrofahrzeug geeignet ist.
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GENAUE BESCHREIBUNG
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Die
folgende genaue Beschreibung ist rein veranschaulichender Natur
und ist nicht dazu gedacht, die Ausführungsformen des Gegenstands oder
die Anwendung und Verwendungen derartiger Ausführungsformen
zu beschränken. Wie hier verwendet, bedeutet das Wort "beispielhaft"
"als ein Beispiel, eine Instanz oder eine Veranschaulichung dienend".
Jede hierin als beispielhaft beschriebene Implementierung ist nicht
unbedingt als bevorzugt oder vorteilhaft gegenüber anderen
Implementierungen anzusehen. Darüber hinaus besteht nicht
die Absicht, 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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Techniken
und Technologien können hierin mit Hilfe von funktionalen
und/oder logischen Blockkomponenten und mit Bezug auf symbolische
Darstellungen von Operationen, Verarbeitungsaufgaben und Funktionen
beschrieben sein, welche von verschiedenen Rechenkomponenten oder
Einrichtungen ausgeführt werden können. Der Kürze
halber kann es sein, dass herkömmliche Techniken mit Bezug
auf Wechselrichter, eine AC-Motorsteuerung, den Betrieb eines Elektro-
und hybriden Elektrofahrzeugs und andere funktionale Aspekte der
Systeme (und der individuellen Betriebskomponenten der Systeme)
hierin nicht im Detail beschrieben sind. Darüber hinaus
sind die Verbindungslinien, die in den hierin enthaltenen verschiedenen
Figuren gezeigt sind, dazu gedacht, beispielhafte funktionale Beziehungen und/oder
physikalische Kopplungen zwischen den verschiedenen Elementen darzustellen.
Es wird angemerkt, dass bei einer Ausführungsform des Gegenstands
viele alternative oder zusätzliche funktionale Beziehungen
oder physikalische Verbindungen vorhanden sein können.
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Wie
hierin verwendet, steht ein "Knoten" für einen internen
oder externen Bezugspunkt, 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 sein, obwohl sie an einem gemeinsamen Knoten
empfangen oder ausgegeben werden).
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Die
folgende Beschreibung bezieht sich auf Elemente oder Knoten oder
Merkmale, die miteinander "verbunden" oder "gekoppelt" sind. Wie
hierin verwendet, bedeutet "verbunden", sofern nicht ausdrücklich
anderweitig angegeben, 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 nicht ausdrücklich
anderweitig angegeben, 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. Folglich können, obwohl die in 2 gezeigte
schematische Darstellung eine beispielhafte Anordnung von Elementen
darstellt, bei einer Ausführungsform des dargestellten
Gegenstands zusätzliche dazwischen kommende Elemente, Einrichtungen,
Merkmale oder Komponenten vorhanden sein.
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Hier
wird ein doppelseitiges Wechselrichtersystem für ein Elektroantriebssystem
eines Fahrzeugs beschrieben. Das doppelseitige Wechselrichtersystem
verwendet eine Impedanzwechselrichter-Topologie, die mit einer DC-Energiequelle
gekoppelt ist, und eine herkömmliche Wechselrichtertopologie,
die mit einer weiteren DC-Energiequelle gekoppelt ist. Die Verwendung
einer Impedanzwechselrichter-Topologie macht es wirtschaftlich sinnvoll, Spannungsquellen
mit signifikant unterschiedlichen Nennspannungen zu verwenden. Bei
gewissen Ausführungsformen ist das Antriebssystem derart
konzipiert, dass beide Seiten des doppelseitigen Wechselrichtersystems
eine bidirektionale Ladefähigkeit aufweisen.
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1 ist
eine schematische Darstellung eines beispielhaften Fahrzeugs 100,
das eine Ausführungsform eines doppelseitigen Wechselrichtersys tems
enthält. Das Fahrzeug 100 enthält vorzugsweise
eine Ausführungsform eines doppelseitigen Wechselrichtersystems,
wie es nachstehend genauer beschrieben wird. Das Fahrzeug 100 umfasst
allgemein ein Chassis 102, eine Karosserie 104,
vier Räder 106 und ein elektronisches Steuerungssystem 108.
Die Karosserie 104 ist auf dem Chassis 102 angeordnet
und umhüllt im Wesentlichen die anderen Komponenten des
Fahrzeugs 100. Die Karosserie 104 und das Chassis 102 können
gemeinsam einen Rahmen bilden. Die Räder 106 sind
jeweils in der Nähe einer jeweiligen Ecke der Karosserie 104 mit dem
Chassis 102 drehbar gekoppelt.
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Das
Fahrzeug 100 kann ein beliebiger einer Anzahl verschiedener
Typen von Kraftfahrzeugen sein, wie z. B. eine Limousine, ein Kombi,
ein Lastwagen oder ein Sportnutzfahrzeug (SUV, SUV von Sport Utility
Vehicle), und kann ein Zweiradantrieb (2WD) (d. h. Heckantrieb oder
Frontantrieb), ein Vierradantrieb (4WD) oder ein Allradantrieb (AWD)
sein. Das Fahrzeug 100 kann auch einen beliebigen oder einen
Kombination aus einer Anzahl verschiedener Typen von Maschinen und/oder
Antriebssystemen beinhalten, wie z. B. eine benzin- oder dieselgespeiste
Brennkraftmaschine, die Maschine eines "Fahrzeugs mit flexiblem
Kraftstoff" (FFV, FFV von flex fuel vehicle) (d. h., die eine Mischung
aus Benzin und Alkohol verwendet), eine mit einem gasförmigen
Gemisch (z. B. Wasserstoff und Erdgas) gespeiste Maschine, eine
hybride Brennkraft/Elektromotormaschine und einen Elektromotor.
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Bei
der in 1 veranschaulichten beispielhaften Ausführungsform
ist das Fahrzeug 100 ein vollständiges Elektro-
oder ein hybrides Elektrofahrzeug mit einem Elektroantriebssystem,
und das Fahrzeug 100 umfasst ferner einen Elektromotor (oder
Antriebsmotor) 110, eine erste DC-Energiequelle 112 mit
einer ersten Nennspannung, eine zweite DC-Energiequelle 114 mit
einer zweiten Nennspannung, ein doppelseitiges Wech selrichtersystem 116 und
einen Radiator 118. Wie gezeigt ist, stehen die erste DC-Energiequelle 112 und
die zweite DC-Energiequelle 114 in wirksamer Verbindung mit
dem elektronischen Steuerungssystem 108 und dem doppelseitigen
Wechselrichtersystem 116 und/oder sind damit elektrisch
verbunden. Es wird auch angemerkt, dass das Fahrzeug 100 bei
der dargestellten Ausführungsform keinen Gleichstrom/Gleichstrom-Leistungswandler
(DC/DC-Leistungswandler) als integralen Bestandteil seines Elektroantriebs/Vortriebssystems
umfasst.
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Eine
von dem Fahrzeug 100 verwendete DC-Energiequelle kann als
eine Batterie, ein Batteriestapel, eine Brennstoffzelle, ein Superkondensator oder
dergleichen realisiert sein. Bei den hier beschriebenen Ausführungsformen
sind die erste DC-Energiequelle 112 und die zweite DC-Energiequelle 114 Batterien
(oder Batteriestapel) mit deutlich unterschiedlichen Spannungen.
Obwohl es nicht immer notwendig ist, nimmt diese Beschreibung an, dass
die erste DC-Energiequelle 112 und die zweite DC-Energiequelle 114 wiederaufladbar
sind. Darüber hinaus können die erste DC-Energiequelle 112 und die
zweite DC-Energiequelle 114 weitere unterschiedliche und
nicht zusammenpassende Betriebskennlinien aufweisen, wie z. B. Nennströme.
In dieser Hinsicht kann die erste DC-Energiequelle 112 eine Batterie
mit einer relativ niedrigen Spannung sein, die eine Nennbetriebsspannung
in dem Bereich von etwa 12 bis 42 Volt aufweist. Zum Zweck dieser
Beschreibung verwendet die beispielhafte Ausführungsform
des Fahrzeugs 100 eine 12 Volt Batterie für die erste
DC-Energiequelle 112. Im Gegensatz dazu kann die zweite
DC-Energiequelle 114 eine Batterie mit einer relativ hohen
Spannung sein, die eine Nennbetriebsspannung in dem Bereich von
etwa 42 bis 350 Volt aufweist. Zum Zweck dieser Beschreibung verwendet
die beispielhafte Ausführungsform des Fahrzeugs 100 eine
Batterie, die mehr als 60 Volt (z. B. 100 Volt) liefert, für
die zweite DC-Energiequelle 114. Die hierin beschriebenen
Techniken und Technologien sind zur Verwendung bei einer Ausführungsform
gut geeignet, in der die von der ersten DC-Energiequelle 112 bereitgestellte
DC-Nennspannung weniger als die Hälfte der DC-Nennspannung ist,
die von der zweiten DC-Energiequelle 114 bereitgestellt
wird.
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Der
Motor 110 ist vorzugsweise ein dreiphasiger Wechselstrom-Elektroantriebsmotor
(AC-Elektroantriebsmotor), obwohl andere Motortypen mit einer anderen
Anzahl von Phasen verwendet werden können. Wie in 1 gezeigt
ist, kann der Motor 110 auch ein Getriebe umfassen oder
damit derart zusammenarbeiten, dass der Motor 110 und das
Getriebe mit wenigstens einigen der Räder 106 durch
eine oder mehrere Antriebswellen 120 mechanisch gekoppelt
sind. Der Radiator 118 ist mit dem Rahmen an einem äußeren
Abschnitt desselben verbunden und beinhaltet, obwohl es nicht im
Detail veranschaulicht ist, mehrere Kühlkanäle,
die ein Kühlfluid (d. h. ein Kühlmittel), wie
etwa Wasser und/oder Ethylenglykol (d. h. Frostschutz) enthalten.
Der Radiator 118 ist mit dem doppelseitigen Wechselrichtersystem 116 und
dem Motor 110 gekoppelt, um das Kühlmittel an diese
Komponenten zu leiten. Bei einer Ausführungsform empfängt
das doppelseitige Wechselrichtersystem 116 ein Kühlmittel
und teilt dieses mit dem Motor 110. Bei alternativen Ausführungsformen
kann das doppelseitige Wechselrichtersystem 116 luftgekühlt sein.
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Das
elektronische Steuerungssystem 108 steht in wirksamer Verbindung
mit dem Motor 110, der ersten DC-Energiequelle 112,
der zweiten DC-Energiequelle 114 und dem doppelseitigen Wechselrichtersystem 116.
Obwohl es nicht im Detail gezeigt ist, umfasst das elektronische
Steuerungssystem 108 verschiedene Sensoren und Kraftfahrzeugsteuerungsmodule
oder elektronische Steuerungseinheiten (ECUs), wie etwa ein Wechselrichtersteuerungsmodul
(d. h. den in 2 gezeigten Controller) und
einen Fahrzeugcontroller, und mindestens einen Prozessor und/oder einen
Speicher, welcher darin (oder in einem anderen computerlesbaren Medium)
gespeicherte Anweisungen umfasst, um die Prozesse und Verfahren
wie nachstehend beschrieben auszuführen.
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2 ist
eine Schaltplandarstellung einer Ausführungsform eines
doppelseitigen Wechselrichtersystems 200, das zur Verwendung
mit einem Elektro- oder hybriden Elektrofahrzeug geeignet ist. Bei gewissen
Ausführungsformen kann das (in 1 gezeigte)
doppelseitige Wechselrichtersystem 116 auf diese Weise
implementiert sein. Wie in 2 dargestellt
ist, ist das doppelseitige Wechselrichtersystem 200 mit
einem AC-Elektroantriebsmotor 202, einer Niederspannungsbatterie 204 und
einer Hochspannungsbatterie 206 gekoppelt und wirkt mit
diesen zusammen. Ohne eine Einschränkung umfasst das doppelseitige
Wechselrichtersystem 200 im Allgemeinen: ein Impedanzwechselrichter-Untersystem 208,
das mit der Niederspannungsbatterie 204 gekoppelt ist;
ein Wechselrichter-Untersystem 210, das mit der Hochspannungsbatterie 206 gekoppelt
ist, und einen Controller 212, der mit dem Impedanzwechselrichter-Untersystem 208 und
dem Wechselrichter-Untersystem 210 gekoppelt ist. Um ein
Wiederaufladen der Niederspannungsbatterie 204 zu unterstützen,
kann das doppelseitige Wechselrichtersystem 200 ein geschaltetes
Diodenelement 214 verwenden, welches zwischen die Niederspannungsbatterie 204 und
das Impedanzwechselrichter-Untersystem 208 gekoppelt ist.
Das doppelseitige Wechselrichtersystem 200 ermöglicht,
dass der AC-Elektroantriebsmotor 202 von den unterschiedlichen
Batterien mit Leistung versorgt wird, obwohl die Batterien deutlich
unterschiedliche Nennbetriebsspannungen aufweisen. Wie nachstehend
genauer erläutert wird, kann diese Topologie für
eine Spannungsanpassung zwischen der Niederspannungsbatterie 204 und
der Hochspannungsbatterie 206 sorgen.
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Bei
einer Ausführungsform ist der AC-Elektroantriebsmotor 202 ein
dreiphasiger Motor, der einen Satz von drei Wicklungen (oder Spulen) 216 umfasst,
von denen jede einer Phase des AC-Elektroantriebsmotors 202 entspricht,
wie allgemein verstanden wird. Bei einer Ausführungsform
ist der Neutralpunkt des AC-Elektroantriebsmotors 202 aufgetrennt,
um ihn zu einem dreiphasigen Motor mit sechs Anschlüssen
zu machen. Obwohl es nicht veranschaulicht ist, umfasst der AC-Elektroantriebsmotor 202 eine
Statoranordnung (welche die Spulen umfasst) und eine Rotoranordnung
(welche einen ferromagnetischen Kern umfasst), wie ein Fachmann
erkennen wird.
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Das
Impedanzwechselrichter-Untersystem 208 umfasst einen Wechselrichterabschnitt 218,
und das Wechselrichter-Untersystem 210 umfasst einen Wechselrichterabschnitt 220.
Bei dieser Ausführungsform umfasst der Wechselrichterabschnitt 218 und
der Wechselrichterabschnitt 220 jeweils sechs Schalter
(z. B. Halbleitereinrichtungen, wie etwa Transistoren) mit antiparallelen
Dioden (d. h. die Richtung eines Stroms durch den Transistorschalter ist
der Richtung eines Stroms entgegengesetzt, der durch die jeweilige
Diode zulässig ist). Wie gezeigt ist, sind die Schalter
in dem Wechselrichterabschnitt 218 des Impedanzwechselrichter-Untersystems 208 in
drei Paaren (oder Schenkeln) angeordnet: Paare 222, 224 und 226.
Auf ähnliche Weise sind die Schalter in dem Wechselrichterabschnitt 220 des
Wechselrichter-Untersystems 210 in drei Paaren (oder Schenkeln)
angeordnet: Paare 228, 230 und 232. Eine
erste Wicklung in dem Wicklungssatz 216 ist an entgegengesetzten
Enden derselben zwischen die Schalter des Paars 222 (in
dem Wechselrichterabschnitt 218) und die Schalter des Paars 228 (in
dem Wechselrichterabschnitt 220) elektrisch gekoppelt. Eine
zweite Wicklung in dem Wicklungssatz 216 ist zwischen die
Schalter des Paars 224 (in dem Wechselrichterabschnitt 218)
und die Schalter des Paars 230 (in dem Wechselrichterabschnitt 220) gekoppelt. Eine
dritte Wicklung in dem Wicklungssatz 216 ist zwischen die
Schalter des Paars 226 (in dem Wechselrichterabschnitt 218)
und die Schalter des Paars 232 (in dem Wechselrichterabschnitt 220)
gekoppelt. Somit ist ein Ende jeder Wicklung mit dem Impedanzwechselrichter-Untersystem 208 gekoppelt,
und das entgegengesetzte Ende jeder Wicklung ist mit dem Wechselrichter-Untersystem 210 gekoppelt.
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Das
Impedanzwechselrichter-Untersystem 208 und das Wechselrichter-Untersystem 210 sind ausgestaltet,
um den AC-Elektroantriebsmotor 202 einzeln oder gemeinsam
anzutreiben (in Abhängigkeit von den speziellen Betriebsbedingungen).
In dieser Hinsicht ist der Controller 212 geeignet ausgestaltet,
um den Betrieb des Impedanzwechselrichter-Untersystems 208 und
des Wechselrichter-Untersystems 210 zu beeinflussen, um
einen Leistungstransfer zwischen der Niederspannungsbatterie 204, der
Hochspannungsbatterie 206 und dem AC-Elektroantriebsmotor 202 zu
verwalten. Zum Beispiel ist der Controller 212 vorzugsweise
so ausgestaltet, dass er auf Befehle anspricht, die von dem Fahrer des
Fahrzeugs empfangen werden (z. B. über ein Gaspedal), und
Steuerungssignale oder Befehle an den Wechselrichterabschnitt 218 des
Impedanzwechselrichter-Untersystems 208 und an den Wechselrichterabschnitt 220 des
Wechselrichter-Untersystems 210 liefert, um den Ausgang
der Wechselrichterabschnitte 218 und 220 zu steuern.
In der Praxis können hochfrequente Pulsbreitenmodulationstechniken
(PWM-Techniken) verwendet werden, um die Wechselrichterabschnitte 218 und 220 zu
steuern und um die Spannung zu verwalten, die von den Wechselrichterabschnitten 218 und 220 erzeugt
wird.
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Zusätzlich
zu dem Wechselrichterabschnitt 218 umfasst das Impedanzwechselrichter-Untersystem 208 eine
gekreuzte LC-X-Verbindung 234, welche zwischen den Wechselrichterabschnitt 218 und die
Niederspan nungsbatterie 204 gekoppelt ist. Diese spezielle
Ausführungsform der gekreuzten LC-X-Verbindung 234 umfasst
ein erstes induktives Element 236, ein zweites induktives
Element 238, ein erstes kapazitives Element 240 und
ein zweites kapazitives Element 242. Ein Ende des induktiven
Elements 236 ist mit einem Knoten 244 gekoppelt
und das andere Ende des induktiven Elements 236 ist mit einem
Knoten 246 gekoppelt. Ein Ende des induktiven Elements 238 ist
mit einem Knoten 248 gekoppelt und das andere Ende des
induktiven Elements 238 ist mit einem Knoten 250 gekoppelt.
Der Wechselrichterabschnitt 218 kann zwischen die Knoten 246 und 250 gekoppelt
sein, wie in 2 dargestellt ist. In dieser
Hinsicht können die Knoten 246 und 250 als
Eingangs- und/oder Ausgangsknoten des Wechselrichterabschnitts 218 angesehen
werden. Ein Ende des kapazitiven Elements 240 ist mit dem
Knoten 246 gekoppelt und das andere Ende des kapazitiven
Elements 240 ist mit dem Knoten 248 gekoppelt.
Ein Ende des kapazitiven Elements 242 ist mit dem Knoten 244 gekoppelt
und das andere Ende des kapazitiven Elements 242 ist mit
dem Knoten 250 gekoppelt. Mit anderen Worten ist das kapazitive
Element 240 zwischen das erste Ende des induktiven Elements 236 und
das zweite Ende des induktiven Elements 238 gekoppelt,
während das kapazitive Element 242 zwischen das
erste Ende des induktiven Elements 238 und das zweite Ende
des induktiven Elements 236 gekoppelt ist. Die Induktivität
und die Kapazität der Komponenten in der gekreuzten LC-X-Verbindung 234 sind
auf der Grundlage von Faktoren, wie etwa der Schaltfrequenz des
Wechselrichterabschnitts 218, der Ausgangsfrequenz, dem Betrag
an tolerierbarem Restwelligkeitsstrom etc. gewählt. Die
gekreuzte LC-X-Verbindung 234 arbeitet auf eine bekannte
Weise, um einen Betrieb des Impedanzwechselrichter-Untersystems 208 in
einem Spannungsverringerungs- oder Spannungserhöhungs-Modus
zu erleichtern, wie nachstehend genauer beschrieben wird.
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Das
Impedanzwechselrichter-Untersystem
208 arbeitet allgemein
auf die folgende Weise. Die gekreuzte LC-X-Verbindung
234 wird
idealerweise mit dem zweifachen (oder dem sechsfachen, in Abhängigkeit
von dem Steuerungsverfahren) der Schaltfrequenz des Wechselrichterabschnitts
218 moduliert,
weil die gekreuzte LC-X-Verbindung
234 während
der Ausschalt-Zustände des Schaltnetzwerks aktiv ist. Während
der Ausschalt-Zustände des Schaltnetzwerks (d. h. alle
oberen oder unteren Schalter sind eingeschaltet), kann die Effektivspannung
des Impedanznetzwerks erhöht werden, indem beide Schalter
in einem, zwei oder drei der Phasenschenkel für eine gesteuerte
Dauer eingeschaltet werden. Diese Durchschussbedingung lädt
die Induktivitäten, welche während des nächsten
aktiven Zustands des Wechselrichterabschnitts
218 zu der verfügbaren
effektiven DC-Verbindungsspannung beitragen. In dieser Hinsicht
kann das Impedanzwechselrichter-Untersystem
208 und die
gekreuzte LC-X-Verbindung
234 in Übereinstimmung
mit bekannten Prinzipien und Techniken funktionieren. Zum Beispiel
ist der Betrieb eines bekannten Impedanz-Leistungswandlers in dem
US-Patent Nr. 7,130,205 beschrieben,
dessen Inhalt durch Bezugnahme hierin aufgenommen ist.
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Bei
der veranschaulichten Ausführungsform ist der Knoten 248 mit
dem Niederpotentialanschluss der Niederspannungsbatterie 204 (z.
B. einer Masse oder einem anderen Bezug) gekoppelt, und der Knoten 244 ist
mit einer Seite eines geschalteten Diodenelements 214 gekoppelt.
Darüber hinaus ist die andere Seite des geschalteten Diodenelements 214 mit dem
Hochpotentialanschluss der Niederspannungsbatterie 204 gekoppelt.
Das geschaltete Diodenelement 214 kann einen Schalter 252 und
eine Diode 254 umfassen, die antiparallel mit dem Schalter 252 gekoppelt
ist. Bei dieser speziellen Implementierung sind der Schalter 252 und
die Diode 254 beide zwischen den positiven Anschluss der
Niederspannungsbatterie 204 und den Knoten 244 gekoppelt. Insbesondere
ist die Anode der Diode 254 mit der Niederspannungsbatterie 204 gekoppelt,
und die Kathode der Diode 254 ist mit dem Knoten 244 gekoppelt.
Der Controller 212 kann geeignet ausgestaltet sein, um
die Aktivierung des Schalters 252 nach Bedarf zu steuern,
um den Betrieb des doppelseitigen Wechselrichtersystems 200 in
verschiedenen Modi zu unterstützen. Zum Beispiel kann das
geschaltete Diodenelement 214 in einen ersten Zustand gesteuert
werden (bei dem der Schalter 252 geschlossen ist), um ein
Aufladen der Niederspannungsbatterie 204 über
das Impedanzwechselrichter-Untersystem 208 zu ermöglichen.
Dieser erste Zustand entspricht dem Wiederauflade-Betriebsmodus
des doppelseitigen Wechselrichtersystems 200. Das geschaltete
Diodenelement 214 kann auch in einen zweiten Zustand (bei
dem der Schalter 252 geöffnet ist) gesteuert werden,
der einen Stromfluss in die Niederspannungsbatterie 204 begrenzt.
Mit anderen Worten ermöglicht die Diode 254 in
dem zweiten Zustand, dass ein Strom von der Niederspannungsbatterie 204 in die
gekreuzte LC-X-Verbindung 234 fließt, während ein
Stromfluss in die entgegengesetzte Richtung verhindert oder beschränkt
wird.
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In
Abhängigkeit von der Implementierung und Einsatzweise des
doppelseitigen Wechselrichtersystems 200 kann der Controller 212 geeignet
so ausgestaltet sein, dass er das Impedanzwechselrichter-Untersystem 208 und/oder
das Wechselrichter-Untersystem 210 gemäß einer
Anzahl verschiedener Betriebsmodi steuert. Derartige Betriebsmodi können
ohne eine Einschränkung einen Spannungserhöhungs-Betriebsmodus,
einen herkömmlichen Wechselrichter-Betriebsmodus, einen
Wiederauflade-Betriebsmodus oder dergleichen umfassen. Bei dem Spannungserhöhungs-Betriebsmodus
erhöht das Impedanzwechselrichter-Untersystem 208 die DC-Nennspannung
der Niederspannungsbatterie 204 für die Kompatibilität
und Übereinstimmung mit der Hochspannungsbatterie 206.
Um den Spannungserhöhungs-Betriebsmodus zu erhalten, öffnet der Controller 212 den
Schalter 252 derart, dass die gekreuzte LC-X-Verbindung 234 so
funktionieren kann, dass das Potential an den Knoten 246 und 250 auf
eine Spannung erhöht wird, die diejenige der Niederspannungsbatterie 204 überschreitet.
Insbesondere wird die Spannung an den Knoten 246 und 250 derart
erhöht, dass sie sich der DC-Nennspannung der Hochspannungsbatterie 206 annähert
oder dieser angleicht. Als Folge ist die AC-Ausgangsspannung des
Wechselrichterabschnitts 218 höher als die AC-Ausgangsspannung,
die andernfalls mit einer herkömmlichen Wechselrichtertopologie
erreicht würde. Diese höhere Spannung, die durch
die Aufnahme des Impedanzwechselrichter-Untersystems 208 geschaffen
wurde, kann verwendet werden, um das doppelseitige Wechselrichtersystem 200 bei
einem effizienteren Arbeitspunkt zu betreiben. Bei diesem Typ von
Betrieb liefert die Niederspannungsbatterie 204 entweder
Wirkleistung an den AC-Elektroantriebsmotor 202, oder sie
liefert eine Null-Wirkleistung derart, dass der Wechselrichterabschnitt 218 nur
Blindleistung an den AC-Elektroantriebsmotor 202 liefert,
wobei sie bewirkt, dass der Leistungsfaktor des doppelseitigen Wechselrichtersystems 200 verbessert
wird.
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Der
Controller 212 öffnet den Schalter 252 auch,
um einen Betrieb in dem herkömmlichen Wechselrichter-Betriebsmodus
zu erhalten. Bei dem herkömmlichen Wechselrichter-Betriebsmodus
hält der Controller 212 die DC-Nennspannung der
Niederspannungsbatterie 204 aufrecht. Mit anderen Worten
wird die Spannung nicht erhöht. Obwohl die AC-Ausgangsspannung
begrenzt ist, kann es sein, dass der gewünschte Motorarbeitspunkt
keine höhere Spannung benötigt und folglich die
niedrigere verfügbare Spannung ausreichend sein kann, wodurch ein
effizienterer Gesamtarbeitspunkt bereitgestellt wird. Wie voranstehend
erwähnt, schließt der Controller 212 den
Schalter 252 für den Wiederauflade-Betriebsmodus
und steuert die Wechselrichterabschnitte 218 und 220,
um einen geeigne ten Fluss von Wiederaufladeenergie in die Niederspannungsbatterie 204 bereitzustellen.
Während des Wiederauflade-Betriebsmodus wird das Impedanzwechselrichter-Untersystem 208 auf
eine Weise betrieben, die einem herkömmlichen Wechselrichter ähnelt.
Bei diesem Modus ist die AC-Ausgangsspannung des Wechselrichterabschnitts 218 auf
die eines herkömmlichen Wechselrichters beschränkt.
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Auch
mit Bezug auf 1 wird das Fahrzeug 100 betrieben,
indem über den AC-Elektroantriebsmotor 202 Leistung
an die Räder 106 bereitgestellt wird, welcher
seine Betriebsenergie von der Niederspannungsbatterie 204 und/oder
der Hochspannungsbatterie 206 empfängt. Um den
Motor mit Leistung zu versorgen, wird DC-Leistung von der Niederspannungsbatterie 204 und
der Hochspannungsbatterie 206 an den Wechselrichterabschnitt 218 bzw. den
Wechselrichterabschnitt 220 bereitgestellt, welche die
DC-Leistung in AC-Leistung umwandeln, wie in der Technik allgemein
verstanden wird. Bei gewissen Ausführungsformen, wenn der
Motor die maximale Leistungsausgabe der Niederspannungsbatterie 204 nicht
benötigt, kann die zusätzliche Leistung von der
Niederspannungsbatterie 204 verwendet werden, um die Hochspannungsbatterie 206 aufzuladen.
Auf ähnliche Weise kann, wenn der Motor die maximale Leistungsausgabe
der Hochspannungsbatterie 206 nicht benötigt,
die zusätzliche Leistung von der Hochspannungsbatterie 206 verwendet
werden, um die Niederspannungsbatterie 204 aufzuladen.
Selbstverständlich kann bei gewissen Betriebsbedingungen
der Controller 212 dazu verwendet werden, um den Motor
unter Verwendung von Energie aus beiden Energiequellen anzutreiben.
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Im
Betrieb empfängt der Controller
212 einen Drehmomentbefehl
für den AC-Elektroantriebsmotor
202 und ermittelt,
wie der Leistungsfluss zwischen der Niederspannungsbatterie
204 und
dem Impedanzwechselrich ter-Untersystem
208 und zwischen der
Hochspannungsbatterie
206 und dem Wechselrichter-Untersystem
210 am
besten verwaltet werden kann. Auf diese Weise regelt der Controller
212 auch die
Weise, auf welche der Wechselrichterabschnitt
218 und der
Wechselrichterabschnitt
220 den AC-Elektromotor
202 antreiben.
Das doppelseitige Wechselrichtersystem
200 kann irgendeine
geeignete Methodik, ein Protokoll, ein Schema oder eine Technik
zur Steuerung verwenden. Beispielsweise können gewisse
Aspekte der Techniken und Technologien von dem doppelseitigen Wechselrichtersystem
200 verwendet
werden, welche in den
US-Patenten
mit den Nr. 7,154,237 und
7,199,535 (beide
gehören der General Motors Corporation) beschrieben sind.
Der relevante Inhalt dieser Patente ist durch Bezugnahme hierin
aufgenommen.
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In
der Praxis kann das Fahrzeug einen Batteriecontroller umfassen,
welcher von dem Controller 212 getrennt sein oder damit
integriert sein kann (typischerweise ist er getrennt). Der Batteriecontroller ist
geeignet ausgestaltet, um die Ladezustands-Information (zusammen
mit anderen Informationen, wie z. B. einem Zellenausgleich) der
Batterien zu überwachen. Der Batteriecontroller kann derartige
Informationen analysieren und/oder verarbeiten und dem Fahrzeugcontroller
eine Leistungskapazität liefern. Der Fahrzeugcontroller
verarbeitet die von dem Batteriecontroller erhaltene Information
zusammen mit Fahrerbefehlen, um zu ermitteln, wie die Anforderung des
Fahrers am besten erfüllt werden kann und irgendwelche
Untersystemanforderungen befriedigt werden können, wie
etwa der Leistungsausgleich zwischen den zwei Energiequellen.
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Obwohl
die veranschaulichte Ausführungsform ein Impedanzwechselrichter-Untersystem
für die Niederspannungsseite verwendet, können
alternative Ausführungsformen ein Impedanzwechselrichter-Untersystem
für die Hochspannungsseite anstelle von (oder zusätzlich
zu) einem Impedanz- Wechselrichter-Untersystem für die Niederspannungsseite
verwenden. Zudem zieht die voranstehend beschriebene Ausführungsform
zwei DC-Energiequellen in Betracht, die verschiedene Nennspannungen
aufweisen. Eine alternative Ausführungsform kann ein oder
zwei Impedanzwechselrichter-Untersysteme mit zwei DC-Energiequellen verwenden,
die annähernd die gleiche Nennspannung aufweisen.
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Obwohl
mindestens eine beispielhafte Ausführungsform in der voranstehenden
genauen Beschreibung dargestellt wurde, ist festzustellen, dass eine
große Anzahl an Variationen existiert. Es ist auch festzustellen,
dass die hierin beschriebene beispielhafte Ausführungsform
oder Ausführungsformen nicht dazu gedacht sind, den Schutzumfang,
die Anwendbarkeit oder die Ausgestaltung des beanspruchten Gegenstands
in irgendeiner Weise zu beschränken. Stattdessen wird die
voranstehende genaue Beschreibung Fachleuten eine brauchbare Anleitung
zur Implementierung der beschriebenen Ausführungsform oder
Ausführungsformen bereitstellen. Es sollte verstanden sein,
dass in der Funktion und Anordnung von Elementen verschiedene Änderungen
durchgeführt werden können, ohne von dem Schutzumfang
abzuweichen, der durch die Ansprüche definiert ist, welcher
bekannte Äquivalente und vorhersehbare Äquivalente
zum Zeitpunkt des Einreichens dieser Patentanmeldung umfasst.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Patentliteratur
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- - US 7130205 [0030]
- - US 7154237 [0035]
- - US 7199535 [0035]