DE102011008199A1

DE102011008199A1 - Ein verbesserter variabler Spannungswandler mit integriertem Batterieladegerät

Info

Publication number: DE102011008199A1
Application number: DE102011008199A
Authority: DE
Inventors: Lihua Mich. Chen
Original assignee: Ford Global Technologies LLC
Current assignee: Ford Global Technologies LLC
Priority date: 2010-01-12
Filing date: 2011-01-10
Publication date: 2011-07-14
Also published as: US20110170318A1; CN102130626A; US8575778B2; CN102130626B

Abstract

Ein variabler Spannungswandler (VVC – Variable Voltage Converter) ist konfiguriert, ein bidirektionales Spannungs-Boost und Buck von einer Eingangsseite zu einer Ausgangsseite zu liefern. Ein VVC kann einen Spannungssteuerabschnitt und einen Batterieladeabschnitt enthalten. Der VVC kann bei Integrierung in einen Umrichtersystemcontroller (ISC) für ein Hybridelektrofahrzeug konfiguriert sein, eine Batterie sowohl während hoher als auch niedriger Bus-ISC-Gleichspannungszustände zu laden. Ein VVC kann konfiguriert sein, Strom von einer Wechselstromquelle durch einen Stecker zu empfangen, der über einen Sanftstart-Gleichrichter an den VVC gekoppelt ist. Dementsprechend kann der VVC mit integriertem Batterieladegerät dazu verwendet werden, eine Batterie für ein Plug-in-Hybridelektrofahrzeug (PHEV) von einer Standardwechselstromsteckdose zu laden.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein Leistungsumwandlungsschaltungen und insbesondere einen variablen Spannungswandler in Leistungsumwandlungsschaltungen, die in elektrischen Antriebssystemen für Hybridelektrofahrzeuge eingesetzt werden.
Hybridelektrofahrzeuge können sowohl ein elektrisches Vortriebssystem als auch ein Verbrennungsantriebssystem verwenden, um die Kraftstoffeinsparung zu verbessern und um Kohlenstoffemissionen zu reduzieren. Der elektrische Vortrieb kann durch ein Elektroantriebssystem durchgeführt werden, das eine Anzahl von Komponenten enthalten kann, in der Regel mit mindestens einer Leistungsumwandlungsschaltung und einem Motor. Bei dieser Anordnung kann die Leistungsumwandlungsschaltung Leistung steuerbar von einer Stromquelle zum Motor transferieren, um eine Last anzutreiben. Als Stromquelle für das Elektroantriebssystem kann eine Hochspannungsbatterie verwendet werden. Die Leistungsumwandlungsschaltung liefert eine Schnittstelle zwischen der Hochspannungsbatterie und dem Elektromotor und kann eine von der Batterie gelieferte Gleichspannung zu einer höheren Spannung verstärken, die erforderlich ist, um den Motor für Hochgeschwindigkeitsfahrzeugoperationen anzutreiben. Bei Verwendung zum Verstärken einer Spannung von einer Eingangsseite zu einer Ausgangsseite wird der Wandler als ein Verstärkungswandler bezeichnet.
Ein Leistungswandler kann auch verwendet werden, um eine Spannung von einer Ausgangsseite zu einer Eingangsseite herunterzusetzen oder abzusenken. Beispielsweise kann die höhere Spannung auf einer Motor-/Generatorseite eines Leistungswandlers auf eine niedrigere Spannung heruntergesetzt werden, um eine Batterie auf einer gegenüberliegenden Seite des Wandlers zu laden. Auf dem Gebiet der Hybridfahrzeuge ist es übliche Praxis, eine Batterie durch regeneratives Bremsen zu laden, bei dem die mechanische Energie der Räder von einem Generator in elektrische Energie oder von einem als Generator arbeitenden Motor umgewandelt wird und über den Leistungswandler an die Batterie geliefert wird. Wenn der Wandler zum Heruntersetzen oder Reduzieren einer Spannung verwendet wird, wird der Wandler als ein Minderungswandler bezeichnet.
Während ein einzelner Leistungswandler sowohl als Boost-Wandler als auch als Buck-Wandler arbeiten und deshalb einen bidirektionalen Leistungsfluß unterstützen kann, ist der Leistungswandler bei Hybridfahrzeuganwendungen in der Regel ein unidirektionaler Verstärkungswandler von der Batterieseite zur Motorseite und ein unidirektionaler Verminderungswandler von der Motorseite zur Batterieseite. Eine typische Leistungsumwandlungsschaltung kann eine Stromquelle wie etwa eine Batterie, einen variablen Spannungswandler (VVC – Variable Voltage Converter), einen Umrichter und eine Maschine, beispielsweise einen Motor oder Generator, umfassen. Allgemein ist die Leistungsumwandlungsschaltung für ein Hybridfahrzeug derart ausgelegt, dass die Spannung V_I an dem Umrichter oder der Motor-Generatorseite des VVC höher bleiben muß als die Spannung V_B auf der Batterieseite des VVC. Wenn die Spannung V_B höher wird als V_I kann es zu einem Verlust an VVC-Steuerung kommen, wodurch sich Einschaltströme auf einer VVC-Induktionsspule innerhalb von Millisekunden aufbauen und dadurch eine unerwünschte Systemabschaltung durch Überstromschutzmechanismen auslösen können. Das Aufrechterhalten einer V_I, die größer ist als V_B, kann jedoch leider unter Fahrbedingungen bei niedriger Geschwindigkeit die Stromabgabe verzerren, was wiederum die Fahrzeugsteuerung reduzieren und die Fahrzeugleistung herabsetzen kann. Der Zustand mit hohem V_I kann auch Schaltleistungsverluste vergrößern und die Umrichterfähigkeiten begrenzen.
Weil Elektro- und Hybridelektrofahrzeuge zum Liefern von Leistung für einen Elektromotor eine Batterie verwenden, muß die Batterie wieder geladen werden, um als Stromquelle effektiv zu bleiben. Wenn das Fahrzeug bei hohen Geschwindigkeiten betrieben wird, liefert in der Regel ein Generator in dem Elektroantriebssystem Energie an die Batterie. Außerdem kann die Batterie während eines regenerativen Bremsens wieder aufgeladen werden, wenn die kinetische Energie des Fahrzeugs in elektrische Energie umgewandelt und an die Batterie geliefert wird. Weil jedoch V_I des VVC in einem höheren Zustand als V_B des VVC gehalten werden muß, kann Energie zu keiner Zeit zur Batterie übertragen werden, wenn die Spannung V_I niedriger ist als V_B.
Plug-in-Hybridelektrofahrzeuge (PHEV) können unter Verwendung einer Haussteckdose wieder aufgeladen werden. Eine Wiederaufladungseinheit kann an die Batterie angeschlossen und auch in eine Standardsteckdose gesteckt werden, wodurch ein Bediener die Batterie über Nacht, oder während das Fahrzeug geparkt ist, wieder aufladen kann. Die PHEV-Wiederaufladeeinheit ist jedoch voluminös und relativ teuer. Die Wiederaufladeeinheit kann zudem nur verwendet werden, wenn das Fahrzeug abgeschaltet ist und nicht betrieben wird.
Die vorliegende Erfindung liefert ein Leistungsumwandlungssystem, das konfiguriert ist, einen bidirektionalen Spannungsverstärkung- und verminderungsbetrieb bereitzustellen. Bei einem Ausführungsbeispiel enthält ein Leistungsumwandlungssystem eine Stromversorgung, die an eine Umrichtersystemsteuerschaltung (ISC – Inverter System Control) gekoppelt ist, die konfiguriert ist, Leistung an eine Maschine wie etwa eine permanenterregte Synchronmaschine (PMSM – Permanent Magnet Synchronous Machine) zu liefern. Bei mindestens einem Ausführungsbeispiel umfaßt die ISC einen ersten Phasenzweig zum Koppeln mit einem Umrichter und, gekoppelt an den ersten Phasenzweig, einen zweiten Phasenzweig zum Koppeln mit der Stromversorgung, wobei die ISC konfiguriert ist, eine bidirektionale Spannungsverstärkung und Spannungsreduktion durchzuführen. Bei einem Ausführungsbeispiel kann die Stromversorgung eine Batterie wie etwa eine Hochspannungsbatterie umfassen. Die ISC kann an eine Sanftstart-Diode und einen Wechselstromstecker gekoppelt sein, so dass von einer Wechselstromquelle empfangene Leistung an die Stromversorgung geliefert werden kann.
Bei einem Ausführungsbeispiel liefert die vorliegende Erfindung eine Umrichtersystemsteuerung (ISC) mit einem integrierten Batterieladegerät. Eine ISC der Erfindung kann einen variablen Spannungswandler (VVC) mit integriertem Batterieladegerät umfassen, an einen Umrichter gekoppelt, der konfiguriert ist, Strom an eine Maschine wie etwa eine PMSM zu liefern. Der VVC ist konfiguriert, einen bidirektionalen Spannungs-Verstärkungs und Verminderungs-Betrieb von einer Eingangsseite zu einer Ausgangsseite des VVC zu liefern. Ein beispielhaftes System kann weiterhin eine an den VVC gekoppelte Batterie wie etwa eine in einem Hybridelektrofahrzeug verwendete Hochspannungsbatterie enthalten. Der VVC mit integriertem Batterieladegerät ist konfiguriert, eine bidirektionale Spannungsverstärkung und Spannungsreduktion zwischen der Batterie- und Umrichterseite des VVC zu liefern. Bei Einbau in ein Elektroantriebssystem eines Elektrofahrzeugs ist der VVC mit integriertem Batterieladegerät konfiguriert, eine an ihn gekoppelte Batterie sowohl bei Betrieb bei hoher Fahrzeuggeschwindigkeit als auch niedriger Fahrzeuggeschwindigkeit zu laden. Bei einem Ausführungsbeispiel umfaßt das integrierte Batterieladegerät einen Phasenzweig mit einer ersten Schalteinheit, die einen mit einer ersten Diode gepaarten ersten Transistor umfaßt, und eine zweite Schalteinheit, die einen mit einer zweiten Diode gepaarten zweiten Transistor umfaßt.
Eine beispielhafte Vorrichtung der Erfindung ist ein VVC, der konfiguriert ist, eine bidirektionale Spannungsverstärkung zu liefern. Der VVC kann einen Batterieladegerätabschnitt und einen über eine Induktanz an den Batterieladegerätabschnitt gekoppelten Spannungssteuerabschnitt enthalten. Der Betrieb des Batterieladegerätabschnitts und des Spannungssteuerabschnitts kann unabhängig gesteuert werden, um eine gewünschte VVC-Ausgangsspannung zu erhalten, was einen bidirektionalen Stromfluß gestattet, bei dem die Spannung in beide Richtungen über den VVC heraufgesetzt werden kann. Bei mindestens einem Ausführungsbeispiel umfaßt der Spannungssteuerabschnitt einen ersten Phasenzweig mit einer ersten und zweiten Schalteinheit, und der Batterieladegerätabschnitt umfaßt einen zweiten Phasenzweig mit einer dritten und vierten Schalteinheit. Der Batterieladegerätabschnitt ist konfiguriert, eine an den VVC gekoppelte Batterie zu laden, und der Spannungssteuerabschnitt ist konfiguriert, eine Bus-Gleichspannung zwischen dem VVC und einem an den VVC gekoppelten Umrichter zu steuern. Dementsprechend kann Leistung von einer Batterie an eine durch den Umrichter gekoppelte Maschine geliefert werden, und Leistung kann von der Maschine bei Fahrzeugbetrieb bei hoher Geschwindigkeit und niedriger Geschwindigkeit an die Batterie geliefert werden. Außerdem kann der WC konfiguriert werden, Strom von einer Wechselstromquelle von einem Stecker zu empfangen, der über einen Gleichrichter mit einem Sanftstart an den VVC gekoppelt ist. Der Stecker kann in eine Wechselstromsteckdose eingeführt werden, so dass der VVC die Batterie direkt laden kann, ohne die Notwendigkeit für eine separate Batterieladeeinheit.
Ein beispielhafter VVC kann einen ersten Transistor und eine erste Diode enthalten, die ausgelegt sind, die erste Schalteinheit zu bilden, und einen zweiten Transistor und eine zweite Diode, die ausgelegt sind, die zweite Schalteinheit zu bilden. Der zweite Phasenzweig eines beispielhaften VVC kann einen dritten Transistor und eine dritte Diode enthalten, die ausgelegt sind, die dritte Schalteinheit zu bilden, und einen vierten Transistor und eine vierte Diode, die ausgelegt sind, die vierte Schalteinheit zu bilden. Die verschiedenen Schalteinheiten können individuell gesteuert werden, um eine gewünschte VVC-Ausgangsspannung zu erhalten, was die ISC sowie die HEV-Leistung verbessern und optimieren kann. Bei einem Ausführungsbeispiel kann ein VVC eine bidirektionale Spannungsreduktion sowie eine bidirektionale Spannungsverstärkung ausführen.
Die Figuren zeigen:
1 zeigt ein Schemadiagramm eines beispielhaften Fahrzeugs mit einem Elektroantriebssystem, das eine Umrichtersystemsteuerung mit integriertem Batterieladegerät enthält.
2 zeigt ein Blockdiagramm eines beispielhaften Elektroantriebsystems, das eine Umrichtersystemsteuerung mit integriertem Batterieladegerät zeigt.
3 zeigt einen beispielhaften variablen Spannungswandler (VVC) mit integriertem Batterieladegerät.
4 zeigt einen beispielhaften variablen Spannungswandler (VVC) mit integriertem Batterieladegerät, der einen bidirektionalen Boost- und Buck-Betrieb liefert.
Es werden hier Ausführungsbeispiele der Erfindung vorgelegt; die Erfindung kann jedoch in einer Vielzahl alternativer Formen verkörpert werden, wie für den Fachmann ersichtlich ist. Zur Erleichterung des Verständnisses der Erfindung und zum Liefern einer Basis für die Ansprüche sind in der Spezifikation verschiedene Figuren enthalten. Die Figuren sind nicht maßstabsgetreu gezeichnet, und verwandte Elemente können weggelassen worden sein, um die neuartigen Merkmale der Erfindung hervorzuheben. In den Figuren gezeigte strukturelle und funktionale Details sind zu dem Zweck angegeben, dem Fachmann die Praxis der Erfindung zu lehren und sind nicht als Beschränkungen auszulegen. Beispielsweise können Steuermodule für verschiedene Systeme unterschiedlich ausgelegt und/oder kombiniert werden und sind möglicherweise in Darstellungen von Ausführungsbeispielen hierin nicht gezeigt, damit neuartige Aspekte der Erfindung besser hervorgehoben werden.
1 veranschaulicht ein Schemadiagramm eines beispielhaften Fahrzeugs 100. Das Fahrzeug 100 kann von einem beliebigen geeigneten Typ sein, wie etwa ein Elektro-, Hybridelektro- (HEV) oder ein Plug-in-Hybridelektrofahrzeug (PHEV) sein. Bei mindestens einer Ausführungsform kann das Fahrzeug 100 einen ersten Radsatz 112, einen zweiten Radsatz 114, einen Motor 116, ein HEV-Achsgetriebe 118 und ein Elektroantriebssystem 120 enthalten. Das Elektroantriebssystem 120 kann konfiguriert sein, Drehmoment an den ersten und/oder zweiten Radsatz 112, 114 zu liefern. Das Elektroantriebssystem 120 kann eine beliebige geeignete Konfiguration aufweisen. Zudem kann bei einem Hybridelektrofahrzeug das Elektroantriebssystem 120 ein Parallelantrieb, ein Serienantrieb oder ein verzweigter Hybridantrieb sein, wie dem Fachmann bekannt ist. Beispielsweise kann das Elektroantriebssystem 120 einen Leistungselektronikwandler (PEC – Power Electronics Converter) 122 enthalten, der an eine permanenterregte Synchronmaschine (PMSM) 134 gekoppelt ist. Es wird in Betracht gezogen, dass die PMSM 134 als ein Motor funktionieren kann, wobei sie elektrische Energie in kinetische Energie umwandelt, oder als ein Generator, wobei sie kinetische Energie in elektrische Energie umwandelt. Bei einem Ausführungsbeispiel kann der PEC 122 an eine als Motor funktionierende erste PMSM und an eine als Generator funktionierende zweite PMSM angeschlossen sein.
Die PMSM 134 kann so konfiguriert sein, daß sie zum Antreiben der Fahrzeugtraktionsräder durch eine oder mehrere Stromquellen bestromt wird. Die PMSM 134 kann von einem beliebigen geeigneten Typ sein, wie etwa ein Motor, Motor-Generator oder eine Anlasser-Lichtmaschine. Außerdem kann die PMSM 134 mit einem regenerativen Bremssystem zum Wiedergewinnen von Energie assoziiert sein.
Das EDS 120 kann an eine Leistungsübertragungseinheit 140 gekoppelt sein, die wiederum an ein Differential 145 zum Steuern des Radsatzes 114 gekoppelt sein kann. Die Leistungsübertragungseinheit 140 kann selektiv an mindestens eine PMSM 134 gekoppelt sein. Die Leistungsübertragungseinheit 140 kann von einem beliebigen geeigneten Typ sein, wie etwa ein Mehrgang-Stufengetriebe, ein stufenloses Getriebe oder ein elektronisches wandlerloses Getriebe, wie dem Fachmann bekannt ist. Die Leistungsübertragungseinheit 140 kann dafür ausgelegt sein, ein oder mehrere Fahrzeugräder anzutreiben. Bei der in 1 gezeigten Ausführungsform ist die Leistungsübertragungseinheit 140 auf eine beliebige geeignete Weise wie etwa mit einer Antriebswelle oder einer anderen mechanischen Einrichtung an ein Differential 145 angeschlossen. Das Differential 145 kann durch eine Welle 147 wie etwa eine Achse oder eine Halbwelle an jedes Rad des zweiten Radsatzes 14 angeschlossen sein.
Das Fahrzeug 100 kann auch ein Fahrzeugsteuersystem (VCS – Vehicle Control System) 150 zum Überwachen und/oder Steuern verschiedener Aspekte des Fahrzeugs 100 enthalten. Das VCS 150 kann mit dem Elektroantriebssystem 120 und der Leistungsübertragungseinheit 140 und ihren verschiedenen Komponenten kommunizieren, um den Betrieb und die Leistung zu überwachen und zu steuern. Das VCS 150 kann eine beliebige geeignete Konfiguration aufweisen und kann einen oder mehrere Controller oder Steuermodule enthalten.
Bei dem Ausführungsbeispiel von 1 enthält der PEC 122 eine Stromversorgung 123 und eine Umrichtersystemsteuerung (ISC) 124 mit einem integrierten Batterieladegerät. Als ein Beispiel kann die Stromversorgung 123 in Form einer Hochspannungsbatterie vorliegen. Die ISC 124 kann eine Hardwareschaltungsanordnung enthalten, die konfiguriert ist, Strom von der Stromversorgung 123 an die PMSM 134 zu liefern. Die ISC 124 kann an einen nicht gezeigten ISC-Controller gekoppelt sein, der in Form einer mikroprozessorbasierten Einrichtung vorliegen kann, die konfiguriert ist, den Betrieb der ISC 124 zu steuern, und Hardware, Software, Firmware oder eine bestimmte Kombination davon umfassen. Ein ISC-Controller kann elektrisch an das VCS 150 gekoppelt sein, von wo aus er Signale von anderen Steuereinheiten hinsichtlich Fahrzeugsystembetrieb und -steuerung empfangen kann.
2 zeigt ein beispielhaftes System 200. Als Beispiel kann das System 200 als ein EDS für ein Fahrzeug verwendet werden. Das System 200 kann einen PEC 202 zum Liefern und Umwandeln von Strom für ein Motor-/Generatormittel 220 enthalten. Es versteht sich, dass ein Fahrzeug-EDS auch zusätzliche Komponenten wie etwa einen ISC-Controller, zusätzliche Steuereinheiten und andere Elemente und Schnittstellen enthalten kann, die für die Verwendung, für das es gedacht ist, notwendig sind. Diese zusätzlichen Elemente sind jedoch in 2 nicht dargestellt, um die neuartigen Merkmale der vorliegenden Erfindung besser hervorzuheben. Der PEC 202 kann eine in diesem Beispiel als Batterie 205 verkörperte Stromversorgung und eine ISC 210 mit einem integrierten Batterieladegerät enthalten. Die ISC 210 enthält einen variablen Spannungswandler (VVC) 212 und ein Umrichtermittel 218. Der VVC 212 ist konfiguriert, Strom von der Batterie 205 an das Umrichtermittel 218 zu liefern, das konfiguriert ist, Strom an das Motor-/Generatormittel 220 zu liefern. Das Motor-/Generatormittel 220 kann als mindestens eine PMSM verkörpert sein, die als ein Motor zum Antreiben der Räder eines HEV betrieben werden kann. Dementsprechend ist der VVC 212 konfiguriert, die Spannung V_B auf eine höhere Spannung V_I zu verstärken, wie dies erforderlich ist, um das als Motor verkörperte Motor-/Generatormittel 220 anzutreiben. Das Motor-/Generatormittel 220 kann eine PMSM umfassen, die konfiguriert sein kann, zusätzlich zum Arbeiten als Motor als Generator zu arbeiten. Der VVC 212 ist auch konfiguriert, Strom von dem Motor-/Generatormittel 220 durch das Umrichtermittel 218 an die Batterie 205 zu liefern, um sie zu laden. Der VVC 212 ist konfiguriert, stabil zu bleiben, wenn die Spannung V_I auf der Umrichterseite des VVC 212 niedriger ist als die Spannung V_B auf der Batterieseite des VVC 212. Dementsprechend enthält der beispielhafte VVC 212 einen Batterieladegerätabschnitt 214 und ein Spannungssteuermittel 216, die steuerbar kooperieren, um die Spannungen V_B und V_I zu steuern. Der VVC 212 kann während Fahrzeugbetriebsbedingungen bei hoher Geschwindigkeit und niedriger Geschwindigkeit eine bidirektionale Spannungsverstärkung und bidirektionale Spannungsreduktion liefern.
3 zeigt ein beispielhaftes System 300 der Erfindung, das in ein EDS für ein Elektrofahrzeug oder HEV integriert sein kann. Das System 300 enthält einen PEC 302, der an einen Maschinenabschnitt 303 gekoppelt ist, der, wie bei diesem Beispiel gezeigt, einen Motor 340 und einen Generator 342 umfassen kann. Bei mindestens einem Ausführungsbeispiel liegen der Motor 340 und der Generator 342 jeweils in Form einer PMSM vor. Der PEC 302 enthält eine Stromquelle oder Stromversorgung, bei diesem Beispiel als eine Hochspannungsbatterie 304 verkörpert, durch eine Eingangskapazität C_i an eine ISC 306 gekoppelt. Die ISC 306 enthält ein integriertes Batterieladegerät, das konfiguriert ist, Strom an die Batterie 304 zu liefern; beispielsweise von dem Generator 342 erzeugte elektrische Energie kann durch die ISC 306 zu der Batterie 304 übertragen werden.
Die ISC 306 enthält einen durch eine Ausgangskapazität C_o an einen Umrichter 330 gekoppelten VVC 310. Der VVC 310 enthält einen durch eine Induktanz 318 an einen Batterieladegerätabschnitt 320 gekoppelten Spannungssteuerabschnitt 312. Der Spannungssteuerabschnitt 312 umfaßt eine an eine zweite Schalteinheit 316 gekoppelte erste Schalteinheit 314. Der Batterieladegerätabschnitt 320 umfaßt eine dritte Schalteinheit 322 und eine vierte Schalteinheit 324. Die Induktionsspule 318 liefert ein Mittel zum Speichern von Energie in dem VVC 310, so dass variable Spannungen und Ströme als Ausgabe des VVC 310 geliefert werden können und eine gewünschte Leistungsfaktorkorrektur erreicht werden kann. Die Ausgangskapazität C_o kann auch als eine Energiespeichereinrichtung für die ISC 306 fungieren, wobei Energie steuerbar von dem VVC 310 zu dem Umrichter 330 übertragen wird. Wie bei dem beispielhaften System 300 gezeigt, kann der Umrichter 330 einen Motorumrichter 332 zum Liefern von Strom an den Motor 340 und einen Generatorumrichter 334 zum Liefern von Strom an den Generator 342 enthalten. Wie hier zuvor erörtert, ist der VVC 310 mit integriertem Batterieladegerät konfiguriert, stabil zu bleiben, wenn V_I kleiner als V_B ist, wodurch die Fähigkeit und Leistung der ISC 306 erhöht wird und ermöglicht wird, dass der VVC 310 die Batterie 304 während Fahrzeugbetrieb sowohl mit niedriger als auch hoher Geschwindigkeit geladen wird, da der VVC 310 konfiguriert ist, eine bidirektionale Spannungsverstärkung zu liefern.
4 zeigt ein beispielhaftes System 400, das einen Leistungswandler mit integriertem Batterieladegerät zeigt. Das System 400 kann als Teil eines EDS für ein Elektrofahrzeug, beispielsweise ein HEV oder PHEV, verwendet werden. Das beispielhafte System 400 enthält einen Leistungsumwandlungsabschnitt 401, der konfiguriert ist, Strom an einen Maschinenabschnitt 403 zu liefern. Der Leistungsumwandlungsabschnitt 401 enthält eine Batterie 402, eine Eingangskapazität 404 und eine ISC 405 mit integriertem Batterieladegerät. Die ISC 405 umfaßt einen VVC 410, eine Ausgangskapazität 434 und einen Umrichter 435.
Bei einem Ausführungsbeispiel enthält der VVC einen durch eine Induktionsspule 413 an einen zweiten Phasenzweig 412 gekoppelten ersten Phasenzweig 411. Der erste Phasenzweig 411 liefert eine Spannungssteuerung durch eine erste Schalteinheit 414 und eine zweite Schalteinheit 415. Bei einem Ausführungsbeispiel ist ein erster Transistor 418 parallel mit einer ersten Diode 419 gepaart, um die erste Schalteinheit 414 zu bilden, und ein zweiter Transistor 420 ist parallel mit einer zweiten Diode 421 gepaart, um die zweite Schalteinheit 415 zu bilden. Der zweite Phasenzweig 412 fungiert als Batterieladegerätabschnitt und umfaßt eine dritte Schalteinheit 416 und eine vierte Schalteinheit 417. Bei einem Ausführungsbeispiel umfaßt die dritte Schalteinheit 416 einen parallel mit einer dritten Diode 423 gepaarten dritten Transistor 422, und die vierte Schalteinheit 417 umfaßt einen parallel mit einer vierten Diode 425 gepaarten vierten Transistor 424. Bei einem Ausführungsbeispiel umfassen die Transistoren 418, 420, 422 und 424 einen beliebigen Typ von steuerbaren Schaltern, zum Beispiel IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor), MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor) usw., und die Dioden 419, 421, 423, 425 umfassen einen beliebigen Typ von Diode, z. B. Siliziumdiode (Si), Siliziumcarbiddiode (SiC) usw.
Bei Betrieb kooperieren der erste Phasenzweig 411 und der zweite Phasenzweig 412, um Spannungen an dem Eingang und Ausgang des VVC 410 zu steuern. Jede der vier Schalteinheiten 414, 415, 416 und 417 kann individuell gesteuert werden, um die Ströme und Spannungen an dem VVC 410 zu steuern, so dass Strom an den Umrichter 435 geliefert werden kann, wie benötigt, um den Maschinenabschnitt 403 anzutreiben, und Energie kann an die Batterie 402 geliefert werden, wie benötigt, um sie wieder aufzuladen. Durch Steuern der Schalteinheiten 414–417 können die Bus-Gleichspannung V_I und die VVC-Eingangsspannung V_B separat gesteuert und unabhängig aufrechterhalten werden. Weil die Pegel V_I und V_B unabhängig gesteuert werden können, kann die Bus-Gleichspannung optimiert werden, um die Schaltleistungsverluste bei Bedingungen niedriger Fahrzeuggeschwindigkeit zu reduzieren, wodurch die Effizienz erhöht und die VVC-Betriebsperiode verlängert wird. Der VVC 410 bleibt selbst dann stabil, wenn die Bus-Gleichspannung V_I auf der Umrichterseite des VVC 410 niedriger ist als die Spannung V_B auf der Batterieseite des VVC 410.
Der Umrichter 435 umfaßt einen Motorumrichterabschnitt 436, der an eine PMSM 460 gekoppelt ist, die konfiguriert ist, als Motor zu arbeiten. Der Motorumrichterabschnitt 436 umfaßt drei Phasenzweige, wobei jeder mehrere Schaltelemente umfaßt und drei Phasenströme an die PMSM 460 liefert. Der Motorumrichterabschnitt 436 enthält einen ersten Zweig 441 mit einem Schaltteil 444 und einem Schaltteil 445. Gleichermaßen enthält der zweite Phasenzweig 442 ein Schaltteil 446 und ein Schaltteil 447, und ein dritter Phasenzweig 443 kann ein Schaltteil 448 und ein Schaltteil 449 enthalten. Bei einem Ausführungsbeispiel umfassen die verschiedenen Schaltteile einen parallel mit einer Diode gepaarten Transistor. Gleichermaßen kann der Generatorumrichterabschnitt 438 ebenfalls drei Phasenzweige enthalten, um drei Phasenströme an die PMSM 462 zu liefern. Bei dem Ausführungsbeispiel von 4 umfaßt ein erster Zweig 450 ein Schaltteil 453 und 454. Ein zweiter Zweig 451 umfaßt ein Schaltteil 455 und ein Schaltteil 456. Ein dritter Zweig 452 umfaßt ein Schaltteil 457 und ein Schaltteil 458. Bei einem Ausführungsbeispiel können die Schaltteile 453, 454, 455, 456, 457 und 458 jeweils einen mit einer Diode gepaarten Transistor umfassen. Bei einem Ausführungsbeispiel umfassen der Motorumrichterabschnitt 436 und der Generatorumrichterabschnitt 438 IGBT-Bauelemente (Insulated Gate Bipolar Transistor) als Schaltteilelemente.
Der VVC 410 mit dem integrierten Batterieladegerät kann als ein bidirektionaler Boost-Wandler verwendet werden, so dass die Batterie 403 selbst dann geladen werden kann, wenn die Bus-Gleichspannung V_I niedriger ist als die Spannung V_B. Somit ist eine ISC mit dem VVC 310 nicht nur eine Schnittstelle zwischen einer Hochspannungsbatterie und einem Umrichter, sondern kann auch als ein Batterieladegerät fungieren, wodurch die Notwendigkeit für eine separate Batterieladeeinheit entfällt. Ein Sanftstart-Gleichrichter 470 wie etwa ein Sanftstartdioden-Gleichrichter kann zusammen mit einem Stecker 472 bereitgestellt werden, der mit einer Standardwechselstromsteckdose kompatibel ist. Bei einem Ausführungsbeispiel besitzt der Gleichrichter mit Sanftstart 470 eine erste Verbindung an einem Knoten 432 und eine zweite Verbindung am Knoten 434. Somit kann ein PHEV, das mit einer ISC ausgestattet ist, die einen VVC 410 enthält, direkt in eine Wandsteckdose gesteckt werden und ohne eine separate unabhängige Wiederaufladeeinheit wiederaufgeladen werden, die sowohl voluminös als auch teuer sein kann. Zusätzlich zu dem Bereitstellen einer bidirektionalen Verstärkung kann der VVC 410 als ein bidirektionaler Buck-Wandler arbeiten. Eine Vielzahl von Betriebsmodi kann erhalten werden, indem die Schalteinheiten des VVC 410 gesteuert werden, d. h. gesteuert, ob die verschiedenen Transistoren 418, 420, 422 und 424 und Dioden 419, 421, 423 und 424 leitend oder nicht leitend sind.

Claims

System, umfassend: einen variablen Spannungswandler (VVC – Variable Voltage Converter) mit integriertem Batterieladegerät und einen Umrichter, der an den VVC gekoppelt und konfiguriert ist, Strom an eine permanenterregte Synchronmaschine (PMSM) zu liefern.
System nach Anspruch 1, weiterhin umfassend eine Sanftstartdiode, die an den VVC gekoppelt und konfiguriert ist, Wechselstrom über einen Wechselstromstecker zu empfangen.
System nach Anspruch 1, weiterhin umfassend eine an den VVC gekoppelte Batterie, wobei der VVC konfiguriert ist, die Batterie zu laden.
System nach Anspruch 1, wobei der VVC konfiguriert ist, einen bidirektionalen Spannungs-Boost- und Buck-Betrieb bereitzustellen.
System nach Anspruch 1, wobei das integrierte Batterieladegerät einen Phasenzweig mit einem parallel mit einer ersten Diode gepaarten ersten Transistor und einem parallel mit einer zweiten Diode gepaarten zweiten Transistor umfaßt.