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TECHNISCHES GEBIET
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Die
vorliegende Erfindung betrifft allgemein Hybridelektrokraftfahrzeuge,
und sie betrifft insbesondere Verfahren und Vorrichtungen zur Leistungsversorgung
von elektrischen Lasten, die in HEV-Leistungssystemen verwendet
werden.
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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Ein
Hybridelektrokraftfahrzeug (HEV) verwendet eine Elektromotor-/Generatoreinheit
(MGU), die einen Wechselstromelektromotor (AC-Elektromotor) enthält,
in Verbindung mit einer Brennkraftmaschine (ICE), und eine elektronische
Steuerungseinheit (ECU), welche die Verwendung der MGU und der ICE
steuert, um den Wirkungsgrad zu verbessern. Bei einigen HEVs treibt
die ICE einen Generator an, welcher wiederum die elektrische MGU
mit Leistung versorgt, um das Kraftfahrzeug anzutreiben. Bei anderen
HEVs können sowohl die elektrische MGU als auch die ICE
Leistung bereitstellen, um das Getriebe des Kraftfahrzeugs in Abhängigkeit
von dem Betriebsmodus anzutreiben.
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Zusätzlich
zu der MGU enthalten die meisten HEVs eine Wechselrichter-Controllereinheit,
die ein Wechselrichtermodul enthält, das von einer Steuerungseinheit
gesteuert wird. Das Wechselrichtermodul enthält eine Anzahl
von Wechselrichteruntermodulen. Der AC-Elektromotor enthält
eine Anzahl von Motorwicklungen, die mit den Wechselrichteruntermodu len
gekoppelt sein können. Die Wechselrichteruntermodule können
von einer Steuerungseinheit schnell geschaltet werden, um die von
einer Batterie gelieferte DC-Leistung in AC-Leistung umzusetzen. Das
Wechselrichtermodul liefert diese AC-Leistung an den AC-Elektromotor,
um die Motorwicklungen zu geeigneten Zeitpunkten sequentiell zu
erregen und ein rotierendes Magnetfeld zu erzeugen, das eine Rotation
des Permanentmagnetrotors des AC-Elektromotors verursacht und den
AC-Elektromotor antreibt. Zusätzlich zum Liefern von Leistung
an die MGU, wenn diese als Motor wirkt, kann die Batterie Leistung
von der MGU empfangen, wenn diese als Generator wirkt, was es dem
HEV ermöglicht, die Batterie mit Leistung, die aus einem
Bremsen wiedergewonnen wird, oder mit Leistung von der ICE wiederaufzuladen.
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Zusätzlich
zu der Antriebsbatterie, welche oft eine hohe Spannung aufweist,
die mehr als 60 Volt beträgt, verwenden viele HEVs auch
eine Hilfs-Niederspannungsbatterie (d. h. eine 12-Volt-Autobatterie),
um vielfältige elektrische Lasten des Kraftfahrzeugs mit
Leistung zu versorgen. Die Hilfs-Niederspannungsbatterie kann durch
ein Hilfsleistungsmodul (APM) wieder aufgeladen werden, welches
die Ladung an der Hilfs-Niederspannungsbatterie verwaltet. Das APM
kann wie ein DC/DC-Umsetzer funktionieren, der elektrische Leistung
bei der höheren Spannung der Antriebsbatterie in elektrische Leistung
bei der niedrigen Spannung der Hilfs-Niederspannungsbatterie und
der elektrischen Lasten des Kraftfahrzeugs umsetzt.
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Es
ist entsprechend wünschenswert, ein HEV-Leistungssystem
bereitzustellen, das in der Herstellung und Wartung weniger kostspielig
ist. Es wäre beispielsweise wünschenswert, den
Bedarf für separate Hochspannungs- und Niederspannungsbatterien
und/oder den Bedarf für kostspielige Komponenten, wie etwa
das APM, zu beseitigen. Darüber hinaus werden sich weitere
wünschenswerte Merkmale und Eigenschaften der vorliegenden
Erfindung aus der nachfolgenden genauen Beschreibung und den beigefügten
Ansprüchen in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen
und dem vorstehenden technischen Gebiet und Hintergrund ergeben.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung betreffen Hybridelektrokraftfahrzeuge
(HEVs). Gemäß einer Ausführungsform wird
ein Leistungssystem für ein Hybridelektrokraftfahrzeug
(HEV) bereitgestellt, das ein elektrisches Kraftfahrzeugsystem (VES,
VES von vehicle electrical system), eine Wechselrichter-Controllereinheit
(ICU) und eine AC-Elektromotor-/Generatoreinheit (MGU) umfasst. Das
VES enthält eine erste DC-Spannungsquelle und eine zweite
DC-Spannungsquelle, die mit der ersten DC-Spannungsquelle in Reihe
geschaltet ist. Das VES umfasst auch eine erste elektrische Last, die über
die erste DC-Spannungsquelle gekoppelt ist, und eine zweite elektrische
Last, die über die zweite DC-Spannungsquelle gekoppelt
ist. Die ICU ist über die erste DC-Spannungsquelle und
die zweite DC-Spannungsquelle gekoppelt und ist so konzipiert, dass
sie DC-Leistung von der ersten DC-Spannungsquelle und der zweiten
DC-Spannungsquelle umsetzt, um AC-Leistung für die elektrische
AC-MGU zu erzeugen.
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BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Die
vorliegende Erfindung wird nachstehend in Verbindung mit den folgenden
Zeichnungsfiguren beschrieben, in denen gleiche Bezugszeichen gleiche
Elemente bezeichnen, und
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1 ein
vereinfachtes Blockdiagramm eines Leistungssystems für
ein Hybridelektrokraftfahrzeug (HEV) ist, welches gemäß einer
beispielhaften Implementierung der vorliegenden Erfindung in einem
Hybridelektrokraftfahrzeug (HEV) implementiert sein kann;
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2A und 2B vereinfachte
Blockdiagramme eines Leistungssystems für ein Hybridelektrokraftfahrzeug
(HEV) sind, das gemäß weiterer beispielhafter
Implementierungen der vorliegenden Erfindung in einem Hybridelektrokraftfahrzeug
(HEV) implementiert sein kann; und
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3 ein
vereinfachtes Blockdiagramm eines Leistungssystems für
ein Hybridelektrokraftfahrzeug (HEV) ist, welches gemäß noch
einer weiteren beispielhaften Implementierung der vorliegenden Erfindung
in einem Hybridelektrokraftfahrzeug (HEV) implementiert sein kann.
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BESCHREIBUNG EINER BEISPIELHAFTEN
AUSFÜHRUNGSFORM
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Bei
der Verwendung hierin bedeutet das Wort ”beispielhaft” ”als
ein Beispiel, eine Instanz oder eine Veranschaulichung dienend”.
Die folgende genaue Beschreibung ist rein beispielhafter Natur und soll
die Erfindung oder die Anwendung und Verwendungen der Erfindung
nicht beschränken. Jede hier als ”beispielhaft” beschriebene
Ausführungsform soll nicht unbedingt als bevorzugt oder
vorteilhaft gegenüber anderen Ausführungsformen
aufgefasst werden. Alle Ausführungsformen, die in dieser
genauen Beschreibung beschrieben werden, sind beispielhafte Ausführungsformen,
die bereitgestellt werden, um es Fachleuten zu ermöglichen,
die Erfindung umzusetzen oder zu verwenden, und nicht, um den Umfang
der Erfin dung, der durch die Ansprüche definiert ist, zu
beschränken. Darüber hinaus ist es nicht beabsichtigt,
durch irgendeine explizite oder implizite Theorie gebunden zu sein,
die in dem vorstehenden technischen Gebiet, dem Hintergrund, der
Kurzzusammenfassung oder der folgenden genauen Beschreibung dargestellt
ist.
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Die
offenbarten Verfahren und Vorrichtungen werden nun angewandt auf
ein Hybridelektrokraftfahrzeug (HEV) beschrieben. Fachleute werden
jedoch feststellen, dass die gleichen oder ähnliche Techniken
im Kontext weiterer AC-Systeme, welche diejenigen umfassen, die
so genannte ”bürstenlose DC”-Motoren
verwenden, die von DC-Spannungsquellen mit Leistung versorgt werden,
angewendet werden können. Diesbezüglich kann jedes
der hier offenbarten Konzepte allgemein auf ”Kraftfahrzeuge” angewendet
werden, und der Begriff ”Kraftfahrzeug”, wie er
hier verwendet wird, umfasst Kraftfahrzeuge wie Autos, Lastwagen,
Sportnutzfahrzeuge und Lieferwagen, Wasserfahrzeuge wie Boote und
Schiffe, und industrielle Geräte mit Eigenantrieb, wie
etwa Gabelstapler, Frontlader und Roboter, ist aber nicht auf diese
beschränkt. Zudem ist der Begriff ”Kraftfahrzeug” nicht
durch eine spezielle Antriebstechnologie, wie etwa Benzin- oder
Dieselkraftstoff beschränkt. Stattdessen umfassen Kraftfahrzeuge
auch Hybridkraftfahrzeuge, Batterieelektrokraftfahrzeuge, Wasserstoffkraftfahrzeuge
und Kraftfahrzeuge, welche unter Verwendung verschiedener anderer
alternativer Kraftstoffe betrieben werden.
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Beispielhafte Ausführungsformen
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1 ist
ein vereinfachtes Blockdiagramm eines Leistungssystems 100 für
ein Hybridelektrokraftfahrzeug (HEV), welches gemäß einer
beispielhaften Implementierung der vorliegenden Erfindung in einem
Hybridelektrokraftfahrzeug (HEV) implementiert sein kann. Das HEV-Leistungssystem 100 umfasst
eine Motor-/Generatoreinheit (MGU), die einen zweiphasigen AC-Induktionsmotor 12 umfasst, eine
Wechselrichter-Controllereinheit (ICU), die einen Motorregler (oder
eine ”Steuerungseinheit”) 16 und ein
Wechselrichtermodul 30 umfasst, und ein elektrisches Kraftfahrzeugsystem
(VES) 60. Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung
können verschiedene elektrische Kraftfahrzeuglasten des
VES 60 mit unabhängigen DC-Hilfs-Niederspannungsquellen
(z. B. 12-Volt-Batterien) versorgen, während der Bedarf
für zusätzliche Einrichtungen oder Schaltungen
zum Verwalten oder Steuern der Spannung der vielfältigen
DC-Niederspannungsquellen beseitigt wird. Elektrische Kraftfahrzeuglasten
sind in verschiedene Gruppen aufgeteilt und jede dieser Gruppen
ist mit ihrer eigenen DC-Hilfs-Niederspannungsquelle derart gekoppelt,
dass die Lasten in separate elektrische Schaltungen ”aufgeteilt” sind.
Folglich implementieren die offenbarten Ausführungsformen
im Gegensatz zu einem herkömmlichen HEV, das eine einzige
Hochspannungsbatterie und eine einzige 12-Volt-Hilfsbatterie enthält,
zwei oder mehrere DC-Hilfs-Niederspannungsquellen, so dass die elektrischen
Lasten in Gruppen aufgeteilt und separat betrieben werden können.
Zudem können die zwei oder mehreren DC-Niederspannungsquellen
verwendet werden, um ein Wechselrichtermodul und einen AC-Motor
des HEV mit Leistung zu versorgen. Folglich kann diese Architektur
den Bedarf für eine Hochspannungsbatterie und/oder kostspielige
Komponenten wie etwa ein APM beseitigen.
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Bei
dieser speziellen Ausführungsform umfasst die MGU einen
relativ ungebräuchlichen zweiphasigen AC-Induktionsmotor 12 (der
manchmal auch als ein zweiphasiger AC-Motor bezeichnet wird), der
Motorwicklungen 20a, 20b und einen Neutralpunkt
N enthält, an dem die Motorwicklung 20a mit der
Motorwicklung 20b gekoppelt ist. Bei dieser Implementierung
fließt der Strom in die Wicklung A 20a hinein
und aus dieser heraus und er fließt in die Wicklung B 20b hinein
und aus dieser heraus.
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Die
Phasen A und B in 1 sind rechtwinklig, was den
Aufbau eines perfekten Drehfelds ermöglicht. Manchmal bleibt
Strom aus der Summe der zwei Phasen ”übrig” und
muss daher in den Neutralpunkt N und ein Kopplungsgebilde 20d (z.
B. ein Kabel) hinein und aus diesen heraus fließen. Obwohl
es in 1 nicht veranschaulicht ist, kann die MGU von einer
Brennkraftmaschine (ICE) wie eine Lichtmaschine oder ein Generator
betrieben werden, und die MGU kann auch als Anlasser für
eine ICE fungieren. Bei einer Implementierung ist die MGU ein riemengetriebener
Generator-Starter (BAS, BAS von belt alternator starter) insofern
als die ICE mit der MGU über einen Riemen verbunden ist.
Bei einer anderen Implementierung ist die MGU ein Schwungrad-Generator-Starter
(FAS, FAS von flywheel alternator starter), insofern als die ICE
die MGU als ihr Schwungrad an der Kurbelwelle der Maschine verwendet.
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Die
ICU umfasst ein zweiphasiges Wechselrichtermodul 30, das
mit dem zweiphasigen AC-Induktionsmotor 12 gekoppelt ist.
Das zweiphasige Wechselrichtermodul 30 umfasst einen Kondensator 33 und
zwei Wechselrichteruntermodule 35, 37. Obwohl
es in 1 nicht veranschaulicht ist, umfasst bei einer
Implementierung jedes Wechselrichteruntermodul 35, 37 ein
Schalterpaar (z. B. zwei Feldeffekttransistoren (FETs) und zwei
Dioden). Die Wechselrichteruntermodule 35, 37 sind
mit den Motorwicklungen 20a, 20b des zweiphasigen
AC-Induktionsmotors 12 unter Verwendung beliebiger in der
Technik bekannter Techniken oder Mechanismen gekoppelt. Wie nachstehend
genauer beschrieben wird, ist das Wechselrichtermodul 30 über
ein Paar DC-Niederspannungs-Spannungsquellen 70, 80 mit
dem VES 60 gekoppelt, welche elektrisch derart in Reihe geschaltet
sind, dass das Wechselrichtermodul 30 eine Verbundspannung
(VIN) empfängt, welche die Summe
der zwei DC-Niederspannungs-Spannungsquellen 70, 80 ist.
Wie Fachleute erkennen, setzen die Wechselrichteruntermodule 35, 37 die
Verbundgleichspannung (DC-Spannung) (VIN), die
von den DC-Hilfs-Niederspannungsquellen 70, 80 bereitgestellt
wird, in Wechselstrom (AC) um. Die von den Wechselrichteruntermodulen 35, 37 erzeugten
Ausgänge werden an die Motorwicklungen 20a, 20b des zweiphasigen
AC-Induktionsmotors 12 angelegt, um den zweiphasigen AC-Induktionsmotor 12 anzutreiben.
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Der
Motorregler 16 oder ”die Steuerungseinheit” empfängt
Motorbefehlssignale 50 von einem (nicht gezeigten) Hybridsystemcontroller
und Motorbetriebssignale 49 von dem zweiphasigen AC-Induktionsmotor 12,
und erzeugt Steuerungssignale 52 zum Steuern des Schaltens
von (nicht veranschaulichten) Schaltern, die in den Wechselrichteruntermodulen 35, 37 implementiert
sind. Durch Bereitstellen geeigneter Steuerungssignale 52 an
die einzelnen Wechselrichteruntermodule 35, 37 steuert
der Motorregler 16 das Schalten von (nicht veranschaulichten) Schaltern
in diesen Wechselrichteruntermodulen 35, 37 und
steuert dadurch die Ausgänge der Wechselrichteruntermodule 35, 37,
die an die Motorwicklungen 20a bzw. 20b geliefert
werden.
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Das
elektrische Fahrzeugsystem (VES) 60 ist mit dem Wechselrichtermodul 30,
und mit einem Neutralpunkt N des zweiphasigen AC-Induktionsmotors 12 über
ein Kopplungsgebilde 20d, wie etwa über ein Kabel
oder einen elektrischen Pfad durch den Rahmen der MGU an das Chassis
des Kraftfahrzeugs, gekoppelt. Gemäß dieser Ausführungsform umfasst
das VES 60 zwei unabhängige DC-Niederspannungs-Spannungsquellen 70, 80 und
die elektrischen Lasten 62, 72 des VES 60 sind
in eine elektrische High-Side-Schaltung 56 und eine elektrische Low-Side-Schaltung 58 aufgeteilt
oder unterteilt. Bei der speziellen nicht beschränkenden
beispielhaften Ausführungsform, die in 1 veranschaulicht
ist, sind die elektrischen Lasten 62, 72 des VES 60 in zwei
(2) gleiche Teile aufgeteilt (z. B. jeweils eine Hälfte),
indem eine separate High-Side-Hilfsbatterie 70 für
ein oder mehrere Lasten 62 an der High-Side 56 und
eine weitere separate Low-Side-Hilfsbatterie 80 für
ein oder mehrere Lasten 72 an der Low-Side 58 bereitgestellt
werden.
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Bei
dieser speziellen Ausführungsform umfasst die High-Side 56 die
DC-Niederspannungs-Spannungsquelle 70, die mit einer nicht
gepufferten Last 68, einem Pufferfilter 65 und
einer elektrischen Last 62, die entweder eine einzige elektrische
Last oder eine Gruppe verschiedener elektrischer Lasten sein kann,
parallel geschaltet ist. Die nicht gepufferte Last 68 und
das Pufferfilter 65 sind optionale Komponenten. Wenn sie
implementiert sind, führt das Pufferfilter 65 eine
Puffer- oder Zwischenspeicherfunktion zwischen der elektrischen Last 62 und
der nicht gepufferten Last 68 aus, um sicherzustellen,
dass plötzliche oder kurzzeitige Spannungsabfälle
an der DC-Spannungsquelle 70 die Spannung an der elektrischen
Last 62 nicht wesentlich beeinträchtigen. Da es
sich dabei um kurzzeitige Änderungen handelt, braucht das
Pufferfilter 65 keine große Energiemenge zu speichern
und kann daher ein typisches elektronisches Filter sein, das auf
einem Kondensator statt einer sekundären Batterie basiert.
Bei einer beispielhaften Implementierung umfasst das Pufferfilter 65 eine
Diode und einen Kondensator (nicht veranschaulicht), der Zeit zum
Aufladen braucht und die Spannung an der Last 62 temporär
auf ihrem gegenwärtigen Niveau hält. Der Kondensator
trägt dazu bei, dass sichergestellt wird, dass sich die
Spannung an der Last 62 nicht dramatisch ändern
wird, wenn es eine Spannungsänderung z. B. an der High-Side-Hilfsbatterie 70 gibt.
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Auf ähnliche
Weise umfasst die Low-Side 58 die DC-Niederspannungs-Spannungsquelle 80,
die mit einer nicht gepufferten Last 78, einem Pufferfilter 75 und
einer elektrischen Last 72 wie vorstehend beschrieben parallel
geschaltet ist. Wie zuvor sind die nicht gepufferte Last 78 und
das Pufferfilter 75 optional und das Pufferfilter 75 führt
eine Puffer- oder Zwischenspeicherfunktion zwischen der elektrischen Last 72 und
der nicht gepufferten Last 78 aus, um sicherzustellen,
dass kurzzeitige Spannungsabfälle an der DC-Spannungsquelle 80 die
Spannung an der elektrischen Last 72 nicht wesentlich beeinträchtigen.
Eine spezielle Implementierung der nicht gepufferten Lasten und
der Pufferfilter wird nachstehend mit Bezug auf 3 beschrieben.
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Bei
dieser Ausführungsform ist ein Knoten G mit der Chassismasse
derart verbunden, dass die zwei DC-Niederspannungsquellen 70, 80 über
eine gemeinsame Masse verfügen. Es wird angenommen, dass
das Chassis (in 1 nicht veranschaulicht) sich
bei etwa null Volt oder ”Masse” befindet. Die
DC-Spannungsquellen 70, 80 sind an einem gemeinsamen
Knoten G in Reihe zusammengeschaltet, der bei (oder annähernd
bei) Massepotential gehalten wird. Bei einer Implementierung kann
der gemeinsame Knoten G mit dem Chassis (nicht veranschaulicht)
des HEV gekoppelt oder verbunden sein. Bei dieser Implementierung
umfasst die DC-Spannungsquelle 70 einen negativen Anschluss,
der bei dem gemeinsamen Knoten G mit dem Chassis des HEV gekoppelt
ist, und die DC-Spannungsquelle 80 umfasst einen positiven
Anschluss, der bei dem gemeinsamen Knoten G mit der DC-Spannungsquelle 70 in
Reihe geschaltet ist, so dass die Spannungsquellen 70, 80 eine
Verbundspannung (VIN) erzeugen, die gleich
einer Summe der Spannung (Vbat) der Low-Side-DC-Spannungsquelle 80 und
der Spannung (Vbat) der High-Side-DC-Spannungsquelle 70 ist.
Diese Verbundspannung (VIN) kann nicht nur
zur Leistungsversorgung elektrischer Lasten, sondern auch zur Leistungsversorgung
des Wechselrichtermoduls 30 verwendet werden, wodurch der
Bedarf für eine separate Antriebsbatterie, die häufig
in HEVs verwendet wird, beseitigt wird.
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Die
DC-Spannungsquellen 70, 80 können jeweils
unter Verwendung einer beliebigen Energie speichernden DC-Spannungsquelle
implementiert sein, welche in den meisten Fällen Niederspannungs-12-Volt-Autobatterien
sind. Wenn die DC-Niederspannungsquellen 70, 80 12-Volt-Autobatterien sind,
können die DC-Niederspannungsquellen 70, 80 als
eine High-Side-Hilfsbatterie 70 und eine Low-Side-Hilfsbatterie 80 bezeichnet
werden. Die High-Side 56 ist ”negativ geerdet”,
da der negative Anschluss der High-Side-Hilfsbatterie 70 mit
dem Chassis (in 1 nicht veranschaulicht) bei
dem Knoten G gekoppelt ist, und die Low-Side 58 ist ”positiv
geerdet”, da der positive Anschluss der Low-Side-Hilfsbatterie 80 mit
dem Chassis (in 1 nicht veranschaulicht) bei
dem Knoten G gekoppelt ist. Wenn die DC-Hilfs-Niederspannungsquellen 70, 80 Standard 12-Volt-Autobatterien
sind, beträgt der Abfall der Verbundspannung (VIN) zwischen der High-Side 56 und der
Low-Side 58 insgesamt 24 Volt. Somit stellen die Hilfsbatterien 70, 80 zusammen
effektiv eine 24-Volt-Batterie zur Verwendung durch das Wechselrichtermodul 30 (und
damit den zweiphasigen AC-Induktionsmotor 12) bereit, wodurch
der Bedarf für eine separate Antriebsbatterie beseitigt
wird, die üblicherweise bei vielen HEVs benötigt
wird, um den zweiphasigen AC-Induktionsmotor 12 mit Leistung
zu versorgen.
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Die
elektrischen Lasten 62, 72 können allgemein
ein beliebiges Modul und/oder Untermodul darstellen, welches durch
Leistung von den DC-Hilfs-Niederspannungsquellen 70, 80 angetrieben
wird oder diese verbraucht. Beispiele der elektrischen Kraftfahrzeuglasten 62, 72 umfassen
beispielsweise Zubehör, Module, Einrichtungen, Komponenten
oder Schaltungen des Kraftfahrzeugs, wie etwa Leuchten, Audiosysteme,
Unterhaltungssysteme, eine Servolenkung, eine ECU, einen Starter/Anlasser,
elektrisch betätigte Pumpen, Lüfter, Sensoren,
Controller, Aktoren, Ventile und andere elektronische Komponenten.
Viele elektrische Lasten 62 sind komplexe Einrichtungen,
welche von der nahezu universellen ”negativen Massenkonvention” abhängen. Die
elektrische Lasten 62 sind über die Batterie 70 mit
negativer Masse an der High-Side 56 angeschlossen. Andere
elektrische Lasten, bei denen die Spannungsrichtung der Erdung keine
Rolle spielt (z. B. Einrichtungen wie etwa Lampen) können
entweder über die Hilfsbatterie 80 mit positiver
Masse an der Low-Side 58 oder über die Hilfsbatterie 70 mit
negativer Masse an der High-Side 56 angeschlossen sein.
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Im
Idealfall sind die elektrischen Lasten 62, 72 derart
aufgeteilt, dass die Leistung, die von den elektrischen Lasten 62 an
der High-Side 56 und von den elektrischen Lasten 72 an
der Low-Side 58 entnommen wird, annähernd gleich
ist (zumindest im Durchschnitt). Da es jedoch unmöglich
ist, die genaue Verwendung der elektrischen Einrichtungen, die den
elektrischen Lasten 62, 72 entsprechen, vorherzusagen,
stellen andere Ausführungsformen Techniken bereit, um ein
Regeln der Ladung und damit der Spannung, die an jeder der DC-Hilfs-Niederspannungsquellen 70, 80 aufrechterhalten
wird, zu unterstützen. Wenn beispielsweise die Last 62 ein Ventilator
ist und die Last 72 ein Radiomodul ist und der Fahrer den
Ventilator laufen lässt, aber kein Radio hört,
dann ist die Ladung, die aus der Batterie 70 mit negativer
Masse an der High-Side 56 verbraucht wird, viel größer
als diejenige, die von der Batterie 80 mit positiver Masse
an der Low-Side 58 verbraucht wird. Wenn dieses Verwendungsmuster
regelmäßig fortgesetzt wird, kann dies zu einem
großen Ladungsungleichgewicht bei den Hilfsbatterien 70, 80 führen.
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Wie
in 1 veranschaulicht ist, ist gemäß dieser
Ausführungsform der Erfindung das Kopplungsgebilde 20d bereitgestellt,
das einen Neutralpunkt N des zweiphasigen AC-Induktionsmotors 12 mit
dem Knoten G des VES 60 koppelt. Das Kopplungsgebilde 20d kann
ein Verbinder, ein Draht oder ein beliebiges weiteres elektrisch
leitendes Gebilde sein, das verwendet werden kann, um zwei Punkte miteinander
elektrisch zu koppeln oder zu verbinden. Durch das Koppeln des Neutralpunkts
N des zweiphasigen AC-Induktionsmotors 12 mit dem gemeinsamen
Knoten G des VES 60 über das Kopplungsgebilde 20d kann
die Spannung an dem Kopplungsgebilde 20d gesteuert werden,
um die jeweiligen Spannungen zu regeln, die an den DC-Spannungsquellen 70, 80 aufrechterhalten
werden. Die Durchschnittsspannung an jeder der DC-Niederspannungsquellen 70, 80 ist über
die Zeit gleich einer Hälfte der Verbundspannung (VIN) an dem Wechselrichtermodul 30.
Zur weiteren Erläuterung schwankt die Spannung an jeder
der DC-Niederspannungsquellen 70, 80 über
die Zeit in Abhängigkeit von dem Öffnungs-/Schließstatus
von (nicht gezeigten) Schaltern in den Wechselrichteruntermodulen 35, 37 des Wechselrichtermoduls 30,
ist aber im Durchschnitt gleich der Spannung (VIN),
die an das Wechselrichtermodul 30 geliefert wird (d. h.
auf halbem Weg zwischen den Eingängen +, – an
das Wechselrichtermodul 30). Mit anderen Worten wird die
Spannung des Neutraldrahts 20d (durchschnittlich) auf halbem
Weg zwischen der Spannung der positiven Seite der High-Side-Hilfsbatterie 70 und
der negativen Seite der Low-Side-Hilfsbatterie 80 gehalten.
Dies verhindert, dass die High-Side-Hilfsbatterie 70 oder
die Low-Side-Hilfsbatterie 80 vollständig entladen
wird.
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Der
zweiphasige AC-Induktionsmotor 12 führt eine Ladungsausgleichsfunktion
aus, um Niveaus der Ladung, die bei den DC-Spannungsquellen 70, 80 gespeichert
ist, unabhängig von der Verwendung der DC-Spannungsquellen 70, 80 durch
die jeweilige(n) Last(en) 62, 72, die über
jede der DC-Spannungsquellen 70, 80 gekoppelt
sind, auf den im Wesentlichen gleichen Niveaus zu halten. Folglich
werden die jeweiligen Spannungen (Vbat)
bei den jeweiligen DC-Spannungsquellen 70, 80 unabhängig
von der Verwendung auf den im Wesentlichen gleichen Niveaus gehalten.
Somit kann der zweiphasige AC-Induktionsmotor 12 durch
das Koppeln des Neutralpunkts N des zweiphasigen AC-Induktionsmotors 12 mit
dem gemeinsamen Knoten G des VES 60 die DC-Spannungsquellen 70, 80 mit
Bezug zueinander bei ausgeglichener Ladung halten, so dass sie bei
etwa dem gleichen Ladezustand bleiben.
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Insbesondere
steuert der Motorregler 16 eine Sequenz, bei welcher die
(nicht gezeigten) Schalter in den Wechselrichteruntermodulen 35, 37 derart
eingeschaltet werden, dass die korrekten Leistungsmengen an die
High-Side 56 und die Low-Side 58 des elektrischen
Systems VES 60 bereitgestellt werden, um die Niveaus der
Ladung, die bei der DC-Spannungsquelle 70 und bei der DC-Spannungsquelle 80 gespeichert
ist, unabhängig von der Verwendung der elektrischen Last(en) 62 und
der elektrischen Last(en) 72 auf den im Wesentlichen gleichen
Niveaus zu halten, so dass die jeweiligen Spannungen an der DC-Spannungsquelle 70 und
der DC-Spannungsquelle 80 unabhängig von der Leistung,
die durch die elektrische(n) Last(en) 62 bzw. die elektrische(n)
Last(en) 72 verbraucht wird, auf den im Wesentlichen gleichen
Niveaus gehalten werden. Zum Beispiel steuert bei einigen Betriebsbedingungen
der Motorregler 16 die elektromagnetischen Wellenformen,
die an dem Neutralpunkt N erzeugt werden, während eines
Fahrens, Erzeugens oder während beidem von einem perfekten
Ausgleich weg, um aus derjenigen DC-Spannungsquelle 70, 80 mit
dem schwächeren Ladezustand weniger Leistung zu entnehmen
und/oder um an die gleiche DC-Leistungsquelle 70 mehr Leistung
zu senden. Beispielsweise können die Schalter in einem
der Wechselrichteruntermodule 35 für einen nicht
proportionalen Zeitbetrag (im Vergleich mit den anderen Schaltern
in dem anderen Wechselrichteruntermodul 37) eingeschaltet bleiben,
ohne die Ladung bei einer der DC-Spannungsquellen 70, 80 zu
erschöpfen. Beispielsweise empfängt die Low-Side
DC-Hilfs-Spannungsquelle 80 immer noch eine angemessene
Ladungsmenge, um sie aufgeladen zu halten, auch wenn die Last 72 mehr
Energie/Leistung verbraucht als die Last 62. Selbst wenn
die gepufferten Lasten 62, 72 von dem Bediener
des Kraftfahrzeugs nicht auf gleichmäßige Weise
verwendet werden, bleiben daher die DC-Spannungsquellen 70, 80 ausgeglichen.
Durch ein geeignetes Steuern der einzelnen (nicht gezeigten) Schalter
in dem Wechselrichtermodul 30 werden die High-Side DC-Hilfs-Spannungsquelle 70 und
die Low-Side DC-Hilfs-Spannungsquelle 80 auf im Wesentlichen
ausgeglichenen Ladungsniveaus bleiben. Folglich bleiben durch das
Verbinden des Neutraldrahts 20b zwischen dem Neutralpunkt
N des zweiphasigen AC-Induktionsmotors 12 und dem Knoten G
in dem VES 60 sowohl die High-Side DC-Hilfs-Spannungsquelle 70 als
auch die Low-Side DC-Hilfs-Spannungsquelle 80 auf zufrieden
stellende Weise geladen.
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Darüber
hinaus werden keine zusätzlichen Schaltungen oder Einrichtungen
zwischen der High-Side DC-Hilfs-Spannungsquelle 70 und
der Low-Side DC-Hilfs-Spannungsquelle 80 benötigt,
um die Spannung (VIN) über diese
DC-Spannungsquellen 70, 80 zu verwalten (z. B.
um sicherstellen, dass sich keine der DC-Spannungsquellen 70, 80 vollständig
entlädt). Folglich wird der Bedarf für eine separate Einrichtung
beseitigt, welche einen Ladungsausgleich zwischen den Batterien
der High-Side DC-Hilfs-Spannungsquelle 70 und der Low-Side DC-Hilfs-Spannungsquelle 80 ausführt.
Dies verringert oder beseitigt den Bedarf für zusätzliche
elektrische Komponenten oder Einrichtungen, welche relativ kostspielig
sein können. Folglich wird ein kostengünstiges
Hybridsystem bereitgestellt, das für kostengünstige
kleine Autos angemessen ist, wobei es viele der Vorteile teurerer
Hybridsysteme mit einer optimierten Kosten-Nutzen-Beziehung anbietet.
Kleine Autos erzeugen beim Bremsen relativ niedrige Leistungsmengen,
so dass eine MGU, die 24 Volt verwendet, einen Groß-teil
der Bremsenergie beim gewöhnlichen Fahren mit elektrischen
Strömen auffangen kann, die sich innerhalb der Kapazität
typischer Anlasserkabel befinden.
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Obwohl 1 eine
Implementierung beschreibt, bei der die MGU einen zweiphasigen AC-Induktionsmotor
verwendet, kann die MGU bei anderen Ausführungsformen ein
beliebiger anderer Typ von AC-Motor mit einer beliebigen Anzahl
von Phasen sein. Beispielsweise kann die MGU alternativ einen Permanentmagnetrotor
verwenden, entweder mit oberflächenmontierten oder mit
innenliegenden Magneten, einen Motortyp, der manchmal als ein ”bürstenloser
DC-Motor” bezeichnet wird, speziell wenn der Wechselrichter
relativ einfache Schaltsequenzen verwendet. Die MGU kann eine oder
mehr Wicklungen auf dem Rotor zusätzlich zu Permanentmagneten
(z. B. einen Lundel-Generator) oder anstelle von Permanentmagneten
(z. B. Generator mit gewickeltem Rotor) verwenden. Die MGU kann
einen Rotor aufweisen, welcher anstelle oder zusätzlich
zu Permanentmagneten, Wicklungen oder einer Kombination daraus einen
Rotor mit Eisen oder einem anderen Material verwendet, welcher von
dem rotierenden Magnetfeld von dem Stator angezogen wird (z. B.
geschaltete Reluktanz oder synchrone Reluktanz). Gleichzeitig kann
der Stator von einem beliebigen Typ sein, der Fachleuten auf dem
Gebiet der Elektromotorkonstruktion bekannt ist, einschließlich
einer drahtgewickelten Konstruktion mit Schleifenwicklungen oder
Wellenwicklungen oder einer stabgewickelten Konstruktion.
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Spezielle
Ausführungsformen von diesen sind nachstehend mit Bezug
auf 2A–3 beschrieben,
wobei die MGU einen dreiphasigen AC-Induktionsmotor verwendet. Zudem
kann, während die Ausführungsform von 1 so
veranschaulicht ist, dass sie zwei Wechselrichteruntermodule 35, 37 enthält,
das Wechselrichtermodul 30 bei weiteren Ausführungsformen,
wie etwa denjenigen, die nachstehend mit Bezug auf 2A–3 beschrieben
sind, ein beliebiger anderer Typ einer Wechselrichter-Controllereinheit-Konfiguration
(ICU-Konfiguration) (manchmal auch als ein Fahrcont roller mit variabler Frequenz
bezeichnet) sein und kann eine beliebige andere Anzahl von Wechselrichteruntermodulen
enthalten. Zum Beispiel kann das Wechselrichtermodul 30,
wie nachstehend mit Bezug auf 2A und 2B beschrieben
ist, als ein Zweiwege-Brückenwechselrichter implementiert
sein, der drei Wechselrichteruntermodule 135, 137, 139 enthält,
oder das Wechselrichtermodul 30 kann, wie nachstehend mit Bezug
auf 3 beschrieben ist, als Delta-Wechselrichter implementiert
sein, der ebenfalls drei vereinfachte Wechselrichteruntermodule
enthält. Darüber hinaus können bei weiteren
Ausführungsformen, wie etwa denjenigen, die nachstehend
mit Bezug auf 3 beschrieben sind, mehr als
zwei (2) Hilfsbatterien vorgesehen sein und die elektrischen Lasten
des VES können in mehr als zwei (2) gleiche Teile aufgeteilt
sein (z. B. drei Hilfsbatterien, von denen jede ein Drittel der
elektrischen Lasten handhabt und die eine kombinierte DC-Spannung
von 36 Volt zur Verwendung durch das Wechselrichtermodul und die
MGU bereitstellen).
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2A und 2B sind
vereinfachte Blockdiagramme eines Leistungssystems 200 für
ein Hybridelektrokraftfahrzeug (HEV), das gemäß einer
weiteren beispielhaften Implementierung der vorliegenden Erfindung
in einem Hybridelektrokraftfahrzeug (HEV) implementiert sein kann.
Bei diesen Ausführungsformen besteht der Hauptunterschied
darin, dass die Motor-/Generatoreinheit (MGU) ein dreiphasiger AC-Motor 112 mit
drei Motorwicklungen 20a, 20b, 20c ist
und die Wechselrichter-Controllereinheit (ICU) einen Motorregler 16 enthält
und ein Wechselrichtermodul 30 einen Kondensator 133 und
drei Wechselrichteruntermodule 135, 137, 139 enthält. Bei
dieser Ausführungsform ist das Wechselrichteruntermodul 135 mit
der Motorwicklung 20a gekoppelt, das Wechselrichteruntermodul 137 ist
mit der Motorwicklung 20b gekoppelt und das Wechselrichteruntermodul 139 ist
mit der Motorwicklung 20c gekoppelt. Der dreiphasige AC-Motor 112 umfasst
drei Motorwicklungen A, B, C (20a, 20b, 20c),
die an einem Neutralpunkt N zusammengeschaltet sind. Der Strom in
die Motorwicklung A 20a fließt aus den Motorwicklungen
B 20b und C 20c, der Strom in die Motorwicklung
B 20b fließt aus den Motorwicklungen A 20a und
C 20c und der Strom in die Motorwicklung C 20c fließt
aus den Motorwicklungen A 20a und B 20b.
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2B veranschaulicht
weitere Details des dreiphasigen AC-Motors 112 und der
Wechselrichteruntermodule 135, 137, 139 von 2A gemäß einer Implementierung.
In 2B umfasst die MGU einen dreiphasigen Elektromotor 112 (der
manchmal auch als ein bürstenloser Gleichstrommotor (BDCM)
bezeichnet wird) in Sternschaltung oder Y-Schaltung, und das Wechselrichtermodul 30 ist
ein Zweiwege-Brückenwechselrichter 130.
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Der
dreiphasige Motor
112 in Sternschaltung umfasst einen Permanentmagnetrotor
16 und
drei Statorwicklungen
20a,
20b und
20c,
die zwischen den Motoranschlüssen A, B und C in einer Y-
oder Sternkonfiguration verbunden sind. Phasenströme I
a, I
b und I
c fließen durch jeweilige Statorwicklungen
20a,
20b und
20c.
Die Spannungen von Phase an Neutral über jeder der Statorwicklungen
20a–
20c sind
jeweils als V
an, V
bn,
V
cn bezeichnet, wobei die Gegen-EMK-Spannungen,
die in jeder Statorwicklung
20a–
20c erzeugt
werden, jeweils als die Spannungen E
a, E
b und E
c gezeigt
sind, die durch ideale Spannungsquellen erzeugt werden, von denen
jede jeweils mit einer Statorwicklung
20a–
20c in
Reihe geschaltet gezeigt ist. Wie gut bekannt ist, sind diese Gegen-EMK-Spannungen
E
a, E
b und E
c die Spannungen, die durch die Rotation
des Permanentmagnetrotors
18 in den jeweiligen Statorwicklungen
20a–
20c induziert
werden. Obwohl es nicht bei allen Anwendungen notwendig ist, ist
der Motor
112 auch ausgestattet mit einem Rotorpositionssensor
22 gezeigt,
welcher ein Rotorpositionsausgangssignal θ
m bereitstellt,
das die mechanische Drehwinkelposition des Rotors
16 relativ
zu den Statorwicklungen
20a–
20c darstellt.
Der Positionssensor
22 kann ein Halleffektsensor oder ein
beliebiger weiterer in der Technik bekannter Typ von Positionsmessfühler
sein. Fachleute werden erkennen, dass zur Ermittlung der Winkelposition
des Rotors
18 andere Techniken ohne die Verwendung eines
Rotorpositionssensors
22 existieren (siehe z. B. das
US-Patent mit der Nr. 5,949,204 ,
das an Huggett et al. erteilt wurde). Der Motor
112 ist
mit einer Brennkraftmaschine (ICE) über eine Antriebswelle
192 gekoppelt.
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Der
Zweiwege-Brückenwechselrichter
130 umfasst einen
Kondensator
133, ein erstes Wechselrichteruntermodul
35,
das einen dualen Schalter
24/
36,
26/
38 umfasst,
ein zweites Wechselrichteruntermodul
37, das einen dualen
Schalter
28/
40,
30/
42 umfasst,
und ein drittes Wechselrichteruntermodul
39, das einen
dualen Schalter
32/
44,
34/
46 umfasst. Folglich
weist der Zweiwege-Brückenwechselrichter
130 sechs
Halbleiterschalteinrichtungen
24,
26,
28,
30,
32,
34 und
sechs Dioden
36,
38,
40,
42,
44,
46 auf,
um die Verbundspannung (V
IN) geeignet zu schalten
und eine dreiphasige Erregung der Statorwicklungen
20a,
20b,
20c des
BDCM 112 bereitzustellen (siehe z. B. das
US-Patent Nr. 4,544,868 , das am 1.
Oktober 1985 an Murty erteilt wurde und dem Anmelder der vorliegenden
Anmeldung gehört).
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Der
Motorregler 16 oder die ”Steuerungseinheit” empfangt
Motorbefehlssignale 50 und Motorbetriebssignale 49 von
dem Motor 112 und erzeugt Steuerungssignale 52 zum
Steuern des Schaltens der Halbleiterschalteinrichtungen 24, 26, 28, 30, 32, 34 in
den Wechselrichteruntermodulen 135, 137, 139.
Durch das Liefern geeigneter Steuerungssignale 52 an die
einzelnen Wechselrichteruntermodule 135, 137, 139 steuert
der Motorregler 16 das Schalten der Halbleiterschalteinrichtungen 24, 26, 28, 30, 32, 34 innerhalb
dieser Wechselrichteruntermodule 135, 137, 139 und
steu ert dadurch die Ausgänge der Wechselrichteruntermodule 135, 137, 139,
die an die Motorwicklungen 20a bzw. 20b geliefert
werden.
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Gemäß Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung ist ein Kopplungsgebilde 20d bereitgestellt,
die einen Neutralpunkt N des Motors 112 mit einem Knoten
G des VES 60 verbindet, welcher auf Massepotential liegt.
Bei dieser Ausführungsform ist der Knoten G mit dem Chassis
derart verbunden, dass die zwei DC-Niederspannungsquellen 70, 80 über
eine gemeinsame Masse verfügen. Die DC-Spannungsquellen 70, 80 sind
bei einem gemeinsamen Knoten G derart zusammen in Reihe geschaltet,
dass die Spannungsquellen 70, 80 eine Verbundspannung
(VIN) erzeugen, die gleich einer Summe der
Spannung (Vbat) der Low-Side DC-Spannungsquelle 80 und
der Spannung (Vbat) der High-Side DC-Spannungsquelle 70 ist.
Diese Verbundspannung (VIN) kann nicht nur
zur Leistungsversorgung der elektrischen Lasten, sondern auch zur
Leistungsversorgung der ICU 130 verwendet werden, wodurch der
Bedarf für eine separate Nicht-Hilfsbatterie, die bei HEVs
häufig verwendet wird, beseitigt wird.
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Wie
in 2A und 2B veranschaulicht ist,
koppelt das Kopplungsgebilde 20d gemäß dieser Ausführungsform
der Erfindung einen Neutralpunkt N des Motors 112 mit dem
Knoten G des VES 60. Die Spannung an dem Kopplungsgebilde 20d schwankt im
Lauf der Zeit in Abhängigkeit von dem Offen/Geschlossen-Zustand
der Schalter 24, 26, 28, 30, 32, 34 in
den Wechselrichteruntermodulen 135, 137, 139 des
Wechselrichtermoduls 130. Im Durchschnitt jedoch ist die
Spannung an dem Kopplungsgebilde 20d gleich der Spannung
(VIN) über dem Wechselrichtermodul 130 (der
halbe Weg zwischen den Eingängen +, – des Wechselrichtermoduls 130).
Dies verhindert, dass die High-Side Hilfsbatterie 70 oder
die Low-Side Hilfsbatterie 80 vollständig entladen
wird.
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Der
Motor 112 führt eine Ladungsausgleichsfunktion
aus, um Niveaus der Ladung, die bei den DC-Spannungsquellen 70, 80 gespeichert
ist, auf den im Wesentlichen gleichen Niveaus zu halten unabhängig
von der Verwendung der DC-Spannungsquellen 70, 80 durch
die jeweilige(n) Last(en) 62, 72, die über
jede der DC-Spannungsquellen 70, 80 gekoppelt
sind. Durch das Koppeln des Neutralpunkts N des Motors 112 mit
dem gemeinsamen Knoten G des VES 60 kann der Motor 112 die
DC-Spannungsquellen 70, 80 mit Bezug aufeinander
im Ladungsgleichgewicht halten, so dass sie bei in etwa dem gleichen Ladezustand
bleiben. Folglich werden die jeweiligen Spannungen (Vbat)
an den jeweiligen DC-Spannungsquellen 70, 80 unabhängig
von der Verwendung auf den im Wesentlichen gleichen Niveaus gehalten.
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Der
Motorregler 16 steuert eine Sequenz, mit welcher die Schalter 24, 26, 28, 30, 32, 34 in
den Wechselrichtermodulen 135, 137, 139 so
eingeschaltet werden, dass die korrekten Energiemengen an die High-Side 56 und
die Low-Side 58 des elektrischen Systems VES 60 geliefert
werden, um die Niveaus der Ladung, die bei der DC-Spannungsquelle 70 und der
DC-Spannungsquelle 80 gespeichert ist, auf den im Wesentlichen
gleichen Niveaus unabhängig von der Verwendung der elektrischen
Last(en) 62 und der elektrischen Last(en) 72 zu
halten, so dass die jeweiligen Spannungen an jeder der DC-Spannungsquellen 70, 80 auf
den im Wesentlichen gleichen Niveaus unabhängig von der
Leistung gehalten werden, die von den elektrischen Lasten 62 bzw. 72 verbraucht wird.
Zum Beispiel steuert bei einigen Betriebsbedingungen der Motorregler 16 die
elektromagnetischen Wellenformen, die an dem Neutralpunkt N erzeugt werden,
beim Fahren, beim Erzeugen oder bei beidem aus einem perfekten Gleichgewicht
weg, um weniger Leistung aus derjenigen DC-Spannungsquelle 70, 80 zu
entnehmen, die den schwächeren Ladezustand aufweist, und/oder
um mehr Leistung an die gleiche DC-Spannungsquelle 70 zu
senden. Bei spielsweise können die Schalter in einem Untermodul
des Wechselrichtermoduls 130 einen nicht proportionalen
Zeitbetrag lang (im Vergleich zu den anderen Schaltern in den anderen
Wechselrichteruntermodulen des Wechselrichtermoduls 130)
eingeschaltet gelassen bleiben, ohne die Ladung bei einer DC-Spannungsquelle 70, 80 zu
erschöpfen. Zum Beispiel wird bei einem Szenario die Low-Side DC-Hilfs-Spannungsquelle 80 immer
noch eine angemessene Ladungsmenge empfangen, um sie geladen zu
halten, auch wenn die Last 72 mehr Energie/Leistung als
die Last 62 verbraucht. Selbst wenn die gepufferten Lasten 62, 72 von
dem Bediener des Kraftfahrzeugs nicht auf eine gleichmäßige
Weise verwendet werden, werden daher die DC-Spannungsquellen 70, 80 ausgeglichen
bleiben. Durch ein geeignetes Steuern der einzelnen Schalter in
dem Wechselrichtermodul 130 werden die High-Side DC-Hilfs-Spannungsquelle 70 und
die Low-Side DC-Hilfs-Spannungsquelle 80 bei oder in der
Nähe eines optimalen Ladungsniveaus bleiben. Somit bleiben
durch das Verbinden des Neutraldrahts 20b zwischen dem
Neutralpunkt N des Motors 112 und dem Knoten G in dem VES 60 sowohl
die High-Side DC-Hilfs-Spannungsquelle 70 als auch die
Low-Side DC-Hilfs-Spannungsquelle 80 ausreichend aufgeladen.
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Wie
bei der Ausführungsform von 1 werden
zwischen der High-Side DC-Hilfs-Spannungsquelle 70 und
der Low-Side DC-Hilfs-Spannungsquelle 80 keine zusätzlichen
Schaltungen oder Einrichtungen benötigt, um die Spannung
(VIN) über diesen DC-Spannungsquellen 70, 80 zu
verwalten und einen Ladungsausgleich zwischen der High-Side DC-Hilfs-Spannungsquelle 70 und
der Low-Side DC-Hilfs-Spannungsquelle 80 auszuführen.
Durch das Beseitigen des Bedarfs für zusätzliche
elektrische Komponenten oder Einrichtungen wird ein sehr kostengünstiges
Hybridsystem bereitgestellt, das viele der Vorteile kostspieligerer
Hybridsysteme bietet.
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Wenn
AC-Elektromotoren als ein Mittel zum Antreiben in HEVs verwendet
werden, muss die Kapazität der Motoren und Wechselrichter
aufgrund der großen Leistungsanforderungen erheblich sein.
Bei derartigen Anwendungen können die Wechselrichter einen
wesentlichen Teil der Kosten, der Masse und der Einbaugröße
des HEV-Antriebssystems darstellen. Zudem ist die Zuverlässigkeit
von Steuerungseinrichtungen, die derartige Wechselrichter verwenden,
umgekehrt proportional zu der benötigten Anzahl von Halbleiterschalteinrichtungen
und Dioden in dem Wechselrichter. Es wäre daher bei einigen
Ausführungsformen vorteilhaft, wenn weniger Halbleiterschalteinrichtungen
und Dioden bei der Herstellung von Wechselrichtern in Steuerungseinrichtungen
verwendet werden könnten, die zum Antreiben des AC-Elektromotors
verwendet werden. Gemäß Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung, die in 3 veranschaulicht
sind, wird ein dreiphasiger AC-Induktionsmotor 113, wie
derjenige in 2A und 2B, bereitgestellt,
der von einem Wechselrichtermodul eines Deltatyps angetrieben wird,
das nur die Hälfte der Halbleiterschalteinrichtungen 112, 114, 116 und
Dioden 124, 126, 128 verwendet, die bei
einem herkömmlichen Wechselrichtermodul vom Zweiwege-Brückentyp
benötigt werden, wie es z. B. in 2B beschrieben
ist.
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3 ist
ein vereinfachtes Blockdiagramm eines Leistungssystems 300 für
ein Hybridelektrokraftfahrzeug (HEV), welches gemäß einer
beispielhaften Implementierung der vorliegenden Erfindung in einem
Hybridelektrokraftfahrzeug (HEV) implementiert sein kann. Das HEV-Leistungssystem 300 umfasst
eine Motor-/Generatoreinheit (MGU), die einen dreiphasigen AC-Induktionsmotor 113 enthält, eine
Wechselrichter-Controllereinheit (ICU), die einen Motorregler 16 und
ein Delta-Wechselrichtermodul 102 umfasst, mehrere DC-Spannungsquellen 118, 120, 122 und
ein elektrisches Fahrzeugsystem (VES), das mehrere elektrische Lasten 162, 172, 182 enthält.
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Obwohl
es nicht veranschaulicht ist, ist der dreiphasige AC-Induktionsmotor 113 über
eine Antriebswelle mit einer ICE gekoppelt. Unterschiedliche elektrische
Fahrzeuglasten 162, 172, 182 werden mit unabhängigen
DC-Hilfs-Niederspannungsquellen 118, 120, 122 (z.
B. 12-Volt-Batterien) versorgt, wobei der Bedarf für zusätzliche
Einrichtungen oder Schaltungen zum Verwalten oder Steuern der Spannung
der mehreren DC-Niederspannungsquellen 118, 120, 122 beseitigt
ist. Wie zuvor können die elektrischen Lasten 162, 172, 182 allgemein
jedes beliebige Modul und/oder Untermodul darstellen, welches durch
Leistung von den DC-Hilfs-Niederspannungsquellen 118, 120, 122 angetrieben
wird oder diese verbraucht. Elektrische Lasten 162, 172, 182 des
Kraftfahrzeugs können in verschiedene Gruppen aufgeteilt
sein, und jede dieser Gruppen ist mit ihrer eigenen DC-Hilfs-Niederspannungsquelle 118, 120, 122 derart
gekoppelt, dass die Lasten in separate elektrische Schaltungen ”aufgeteilt” sind.
Insbesondere sind bei dieser Ausführungsform drei DC-Hilfs-Niederspannungsquellen 118, 120, 122 so implementiert,
dass die elektrischen Lasten 162, 172, 182 in
Gruppen unterteilt und separat mit Leistung versorgt werden können.
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Das
Delta-Wechselrichtermodul 102 ist in dem gestrichelten
Dreieck veranschaulicht und umfasst drei Wechselrichteruntermodule 112/124, 114/128, 116/126.
Um das Delta-Wechselrichtermodul 102 mit Leistung zu versorgen,
ist eine DC-Spannungsquelle 118 zwischen die Wechselrichteruntermodule 112/124, 116/126 gekoppelt,
eine weitere DC-Spannungsquelle 120 ist zwischen die Wechselrichteruntermodule 112/124, 114/128 gekoppelt
und eine weitere DC-Spannungsquelle 122 ist zwischen die
Wechselrichteruntermodule 114/128, 116/126 gekoppelt.
Das Delta-Wechselrichtermodul 102 ist über einen
(nicht veranschaulichten) Bus mit dem dreiphasigen AC-Induktionsmotor 113 gekoppelt.
Bei dieser speziellen Ausführungsform enthält
die ICU ein dreiphasiges Delta- Wechselrichtermodul 102,
das drei Wechselrichteruntermodule 112/124, 114/128, 116/126 enthält,
weil die MGU einen dreiphasigen AC-Induktionsmotor 113 implementiert.
Bei dieser Ausführungsform umfasst jedes Wechselrichteruntermodul 112/124, 114/128, 116/126 einen
Schalter (z. B. einen Feldeffekttransistor (FET)), der parallel zu
einer Diode geschaltet ist. Die Wechselrichteruntermodule 112/124, 114/128, 116/126 sind
mit Motorwicklungen A, B, C des dreiphasigen AC-Induktionsmotors 113 unter
Verwendung beliebiger in der Technik bekannter Techniken oder Mechanismen
gekoppelt. Die von den Wechselrichteruntermodulen erzeugten Ausgänge
werden an die Motorwicklungen A, B, C des dreiphasigen AC-Induktionsmotors 113 angelegt,
um den dreiphasigen AC-Induktionsmotor 113 anzutreiben.
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Die
DC-Spannungsquelle 118 versorgt das erste Wechselrichteruntermodul 112/124 mit
Leistung, die DC-Spannungsquelle 120 versorgt das Wechselrichteruntermodul 114/128 mit
Leistung und die DC-Spannungsquelle 122 versorgt das Wechselrichteruntermodul 116/126 mit
Leistung. Die DC-Spannungsquelle 122 ist bei einem gemeinsamen
Knoten 108 auch mit dem Wechselrichteruntermodul 114/128 gekoppelt.
Bei dieser Ausführungsform sind alle Segmente des Delta-Wechselrichtermoduuls 102 (und
die Lasten 162, 172, 182, die durch diese
Segmente unterstützt werden), von dem Chassis des HEV elektrisch
isoliert. Dies trägt dazu bei, einen Kurzschluss der DC-Spannungsquellen 118, 120, 122 mit
dem Chassis oder der Struktur des Kraftfahrzeugs zu verhindern,
indem es erfordert, dass zwei Verbindungen mit dem Chassis hergestellt werden
müssen, um den Kurzschluss zu schaffen. Die Ladung und
damit die Spannung wird an jeder der DC-Hilfs-Niederspannungsquellen 118, 120, 122 durch
Verändern der Schaltzeiten der Transistoren 112, 114, 116 beibehalten,
während die MGU 113 generiert und fährt.
Mit anderen Worten wird bei dieser Ausführungsform ein
Ladungsausgleich erreicht, indem Leistung von der MGU 113,
wenn sie als Generator wirkt, zu denjenigen Segmenten des Delta-Wechselrichtermoduls 102 tendenziell
gesandt wird, bei denen die angelegten Lasten 162, 172, 182 größer
sind, und in dem tendenziell Leistung von den gleichen Segmenten
an die MGU 113 gesandt wird, wenn diese als Motor wirkt.
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Die
DC-Spannungsquellen 118, 120, 122 können
unter Verwendung einer beliebigen steuerbaren DC-Spannungsquelle
implementiert sein, welche in den meisten Fällen 12-Volt-Niederspannungs-Autobatterien
sind. Wenn jede der DC-Spannungsquellen 118, 120, 122 eine
12-Volt-Batterie ist, können die DC-Spannungsquellen 118, 120, 122 zusammen
36 Volt zum Antreiben des dreiphasigen AC-Induktionsmotors 113 liefern
(d. h. der Verbundspannungsabfall an dem Wechselrichtermodul 102 beträgt
insgesamt 36 Volt). Somit können die DC-Hilfs-Niederspannungsquellen 118, 120, 122 zusammen
effektiv eine 36-Volt-Batterie zur Verwendung durch das Wechselrichtermodul 102 (und
damit den dreiphasigen AC-Induktionsmotor 113) bereitstellen,
wodurch der Bedarf für eine Hochspannungsbatterie beseitigt
wird, die bei vielen HEVs gewöhnlich benötigt
wird, um den dreiphasigen AC-Induktionsmotor 113 mit Leistung zu
versorgen.
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Der
dreiphasige AC-Induktionsmotor 113 umfasst Motorwicklungen
A, B, C. Die Motorwicklung A ist bei Knoten 106 zwischen
das Wechselrichteruntermodul 112/124 und die DC-Spannungsquelle 120 gekoppelt,
die Motorwicklung B ist bei dem gemeinsamen Knoten 108 zwischen
das Wechselrichteruntermodul 114/128 und die DC-Spannungsquelle 122 gekoppelt
und die Motorwicklung C ist bei Knoten 110 zwischen das
Wechselrichteruntermodul 116/126 und die DC-Spannungsquelle 118 gekoppelt.
Bei dieser Implementierung fließt der Strom Ia in
die Wicklung A aus der Wicklung B und der Wicklung C als Ströme
Ib bzw. Ic, der
Strom Ib in die Wicklung B fließt aus
der Wicklung A und der Wicklung C als Ströme Ia bzw.
Ic und der Strom Ic in
die Wicklung C fließt aus der Wicklung A und der Wicklung
B als Ströme Ia bzw. Ib.
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Bei
der in 3 veranschaulichten beispielhaften Ausführungsform
sind die elektrischen Lasten 162, 172, 182 in
drei (3) gleiche Teile aufgeteilt (z. B. jeweils ein Drittel), indem
separate DC-Spannungsquellen 118, 120, 122 für
jede Gruppe von Lasten bereitgestellt sind. Die elektrischen Fahrzeuglasten 162, 172, 182 umfassen
eine erste elektrische Last 162 (oder eine erste Gruppe
elektrischer Lasten), die mit der DC-Spannungsquelle 118 gekoppelt
ist und von dieser mit Leistung versorgt wird, eine zweite elektrische
Last 172 (oder eine zweite Gruppe elektrischer Lasten),
die mit der DC-Spannungsquelle 120 gekoppelt ist und von
dieser mit Leistung versorgt wird, und eine dritte elektrische Last 182 (oder eine
Gruppe elektrischer Lasten) ist mit der DC-Spannungsquelle 122 gekoppelt
und wird von dieser mit Leistung versorgt. Die elektrischen Lasten 162, 172, 182 sind
so verteilt, dass die relativen Lasten an jedem Zweig des Delta-Wechselrichtermoduls 102 einander
bei dem erwarteten Durchschnittsstrom und der erwarteten Durchschnittsleistung
im Wesentlichen gleichen, so dass jede der DC-Spannungsquellen 118, 120, 122 ein
Drittel der elektrischen Gesamtlasten, die von dem VES unterstützt
werden, mit Leistung versorgt.
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Bei
dieser speziellen Ausführungsform ist die DC-Niederspannungs-Spannungsquelle 118 mit
einem Kondensator 163, einer nicht gepufferten Last 168,
einem Pufferfilter 165 und einer elektrischen Last 162,
die entweder eine einzige elektrische Last oder eine Gruppe verschiedener
elektrischer Lasten sein kann, parallel geschaltet. Die nicht gepufferte Last 168 und
das Pufferfilter 165 sind optionale Komponenten. Wenn das
Pufferfilter 165 implementiert ist, führt es eine
Zwischenspeicher- oder Pufferfunktion zwischen der elektrischen
Last 162 und der nicht gepufferten Last 168 aus,
um sicherzustellen, dass plötzliche oder kurzzeitige Spannungsabfälle
an der DC-Spannungsquelle 118 die Spannung an der elektrischen
Last 162 nicht wesentlich beeinträchtigen. Bei
einer beispielhaften Implementierung umfasst das Pufferfilter 165 eine
Diode 166 und einen Kondensator 164, der Zeit
benötigt, um sich aufzuladen und die Spannung an der Last 162 temporär
auf ihrem aktuellen Niveau hält. Der Kondensator 164 trägt dazu
bei, sicherzustellen, dass die Spannung an der Last 162 sich
nicht dramatisch verändern wird, wenn eine Spannungsänderung
z. B. an der DC-Spannungsquelle 118 auftritt. Die anderen
Zweige können ähnliche Kondensatoren 173, 183 und
Pufferschaltungen 175/178 bzw. 185/188 enthalten.
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Der
Motorregler 16 oder die ”Steuerungseinheit” empfängt
Motorbefehlssignale 50 und Motorbetriebssignale 49 von
dem dreiphasigen AC-Induktionsmotor 113 und erzeugt Steuerungssignale 52 zum
Steuern des Schaltens der Schalter S1, S2, S3 innerhalb der
Wechselrichteruntermodule 112/124, 114/128, 116/126.
Durch Bereitstellung geeigneter Steuerungssignale 52 an
die einzelnen Wechselrichteruntermodule 112/124, 114/128, 116/126 steuert der
Motorregler 16 das Schalten von (nicht veranschaulichten)
Schaltern in diesen Wechselrichteruntermodulen 112/124, 114/128, 116/126 und
steuert dadurch die Ausgänge der Wechselrichteruntermodule 112/124, 114/128, 116/126,
die an die Motorwicklungen A, B bzw. C geliefert werden.
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Insbesondere
steuert der Motorregler 16 das Zeitverhalten der Schalter 112, 114, 116 in
dem Wechselrichtermodul 102, um sicherzustellen, dass die
jeder Last bereitgestellte Leistungsmenge im Durchschnitt ausgeglichen
ist, so dass die DC-Spannungsquellen 118, 120, 122 trotz
einer abweichenden Verwendung der Lasten 162, 172, 182 an
jeder der DC-Spannungsquellen 118, 120, 122 bei
der im Verhältnis gleichen Ladung gehalten werden können. Der
Motorregler 16 steuert eine Sequenz, mit welcher die Schalter
in den Wechselrichteruntermodulen 112/124, 114/128, 116/126 eingeschaltet
werden, so dass die korrekten Energiemengen geliefert werden, um
die Niveaus der Ladung, die bei den DC-Spannungsquellen 118, 120, 122 gespeichert
ist, unabhängig von der Verwendung der elektrischen Last(en) 162, 172, 182 auf
den im Wesentlichen gleichen Niveaus zu halten, so dass die jeweiligen
Spannungen an jeder der DC-Spannungsquellen 118, 120, 122 unabhängig
von der Leistung, die von den elektrischen Lasten 162, 172, 182 verbraucht
wird, auf den im Wesentlichen gleichen Niveaus gehalten werden.
Beispielsweise steuert bei einigen Betriebsbedingungen der Motorregler 16 die
elektromagnetischen Wellenformen, die in dem dreiphasigen AC-Induktionsmotor 113 erzeugt
werden, beim Fahren, beim Generieren oder bei beidem von einem perfekten
Gleichgewicht weg, um weniger Leistung aus der speziellen DC-Spannungsquelle 118, 120, 122 mit dem
schwächeren Ladezustand zu entnehmen und/oder um mehr Leistung
an die gleiche DC-Spannungsquelle 118, 120, 122 zu
senden. Zum Beispiel kann bei einem Betriebsszenario, bei dem die
Verwendung der Last(en) 162 größer als
die Verwendung der Last(en) 172, 182 ist, der
Schalter 112 in dem Wechselrichteruntermodul 112/124 dann
einen nicht proportionalen Zeitbetrag lang eingeschaltet gelassen
werden (im Vergleich zu den anderen Schaltern 114, 116 in
den anderen Wechselrichteruntermodulen 114/128, 116/126),
ohne die Ladung bei einer der DC-Spannungsquellen 118, 120, 122 zu
erschöpfen. Zum Beispiel empfängt die DC-Hilfs-Spannungsquelle 118 immer
noch eine angemessene Ladungsmenge, um sie aufgeladen zu halten,
obwohl die Last 162 mehr Energie/Leistung als die Lasten 172, 182 verbraucht.
Indem die einzelnen Schalter 112, 114, 116 in
dem Wechselrichtermodul 102 auf geeignete Weise gesteuert
werden, bleiben daher die Ladungsniveaus der DC-Hilfs-Spannungsquellen 118, 120, 122 ausgeglichen,
selbst wenn die gepufferten Lasten 162, 172, 182 von
dem Bediener des Kraftfahrzeugs nicht auf gleichmäßige
Weise verwendet werden.
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Einige
der Ausführungsformen und Implementierungen sind vorstehend
mit Hilfe von funktionalen und/oder logischen Blockkomponenten und verschiedenen
Verarbeitungsschritten beschrieben. Es ist jedoch festzustellen,
dass derartige Blockkomponenten durch eine beliebige Anzahl von
Komponenten realisiert sein können, die zum Ausführen
der angegebenen Funktionen ausgestaltet sind. Zudem werden Fachleute
feststellen, dass die hier beschriebenen Ausführungsformen
rein beispielhafte Implementierungen sind.
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In
diesem Dokument dürfen Bezugsausdrücke, wie etwa
erster und zweiter und dergleichen, nur zum Unterscheiden eines
Gebildes oder einer Aktion von einem anderen Gebilde oder einer
anderen Aktion verwendet werden, ohne unbedingt irgendeine tatsächliche
derartige Beziehung oder Reihenfolge zwischen derartigen Gebilden
oder Aktionen zu erfordern oder zu implizieren. Zudem implizieren
in Abhängigkeit von dem Kontext Wörter wie etwa ”verbinden” oder ”gekoppelt
mit”, die zur Beschreibung einer Beziehung zwischen verschiedenen
Elementen verwendet werden, nicht, dass eine direkte physikalische
Verbindung zwischen diesen Elementen bestehen muss. Zum Beispiel
können zwei Elemente miteinander physikalisch, elektronisch,
logisch oder auf irgendeine andere Weise durch eine oder mehrere zusätzliche
Elemente verbunden sein.
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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 beispielhafte Ausführungsform oder die beispielhaften
Ausführungsformen nur Beispiele sind und nicht dazu gedacht
sind, den Umfang, 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 den Umfang der Erfindung zu verlassen, wie er in den beigefügten
Ansprüchen und deren juristischen Äquivalenten
offen gelegt ist.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - US 5949204 [0033]
- - US 4544868 [0034]