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TECHNISCHES GEBIET
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Die vorliegende Erfindung betrifft einen DC/DC-Leistungswandler und ein Fahrzeug zum Bereitstellen von Niederspannungsleistung an Bord eines Fahrzeugs während einer transienten Niederspannungsbedingung.
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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Ein Verfahren zur Verringerung des Kraftstoffverbrauchs eines Fahrzeugs besteht darin, den Motor selektiv auszuschalten, wenn ein Motorausgabedrehmoment nicht benötigt wird, etwa wenn das Fahrzeug bei einem Stopplicht temporär angehalten ist oder bei dichtem Verkehr im Leerlauf läuft. Eine von einem motorgetriebenen Generator an fahrzeugeigene Niederspannungslasten (LV-Lasten) gelieferte Leistung wird unterbrochen, wenn der Motor ausgeschaltet ist. Daher werden LV-Lasten typischerweise von einer 12-Volt-Batterie, einer anderen LV-Leistungsquelle und/oder einer LV-Batterie/einem Standardleistungsbus des Fahrzeugs versorgt.
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Verschiedene fahrzeugeigene Steuermodule werden verwendet, um eine korrekte Funktionalität und Steuerung des Fahrzeugs sicherzustellen. Derartige Module können ein Antriebsleistungs-Wechselrichtermodul oder TPIM, das ausgelegt ist, um Gleichstromleistung (DC-Leistung) in Wechselstromleistung (AC-Leistung) und umgekehrt umsetzen, ein Fahrzeugintegrationssteuermodul oder VICM, das ausgelegt ist, um Leistung an einen Satz von Hochspannungs-Batterierelais (HV-Batterierelais) oder HV-Schützen, d. h. zur HV-Schätzsteuerung, zu liefern, Motorcontroller, Fahrzeugbremsmodule, Fahrzeuglenkungsmodule usw. umfassen. Einige oder alle diese Fahrzeugmodule können immer dann automatisch zurückgesetzt werden, wenn ein Spannungsniveau am Standardleistungsbus des Fahrzeugs unter eine minimale Schwellenwertspannung fällt.
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Die Druckschrift
DE 10 2007 037 937 A1 offenbart ein Kraftfahrzeugbordnetz mit zwei durch einen DC/DC-Wandler koppelbaren oder gekoppelten Zweigen, wobei ein erster Verbraucher im ersten Zweig parallel zu einer Spannungsquelle gekoppelt ist und zweite und dritte Verbraucher durch jeweilige Schalteinrichtungen mit dem ersten oder dem zweiten Zweig gekoppelt werden können.
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In der Druckschrift
DE 10 2007 029 025 A1 ist ein Kraftfahrzeugbordnetz mit zwei durch einen DC/DC-Wandler koppelbaren oder gekoppelten Zweigen offenbart, wobei ein erster Verbraucher im ersten Zweig parallel zu einer Spannungsquelle gekoppelt ist und ein zweiter Verbraucher mit dem zweiten Zweig gekoppelt ist. Ein Hochspannungsbordnetz kann über einen weiteren DC/DC-Wandler und/oder einen Generator angeschlossen sein.
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Die Druckschrift
US 2010/0 001 523 A1 offenbart eine Vorrichtung zur Leistungsversorgungsregelung für Hybridfahrzeuge, bei der eine Kraftmaschine bei niedrigen Temperaturen gestartet wird und ein Steuerungsmodul einen DC/DC-Wandler so regelt, dass er eine geringere Ausgangsspannung als vorgesehen liefert, die aber dennoch ausreicht, um das Steuerungsmodul zu versorgen. Nach dem Kraftmaschinenstart wird die Ausgangsspannung des DC/DC-Wandlers erhöht und zuvor abgeschaltete Diagnoseroutinen werden aktiviert.
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Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, sicherzustellen, dass der Betrieb von wichtigen Modulen eines Fahrzeugs beim Starten eines Verbrennungsmotors des Fahrzeugs trotz dabei auftretender transienter Spannungsschwankungen gewährleistet bleibt.
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Diese Aufgabe wird durch das Fahrzeug gemäß Anspruch 1 sowie den DC/DC-Leistungswandler gemäß Anspruch 6 gelöst.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Entsprechend wird hier ein Fahrzeug bereitgestellt, das einen Motor, ein Hochspannungs-Energiespeichersystem (HV-ESS), einen HV-Leistungsbus, der mit dem ESS elektrisch verbunden ist, einen Niederspannungs-Batterieleistungsbus (LV-Batterieleistungsbus) und einen DC/DC-Leistungswandler enthält, der mit dem HV-Leistungsbus elektrisch verbunden ist. Der DC/DC-Wandler weist einen HV-Busverbinder und ein Paar verschiedene LV-Busverbinder, d. h. eine Leistungseinspeisung vom LV-Batterieleistungsbus und eine unabhängige gepufferte Versorgung, auf, wodurch redundante LV-Leistung bereitgestellt wird. Außerdem enthält das Fahrzeug ein oder mehrere Fahrzeugmodule, die jeweils mit den verschiedenen LV-Busverbindern des DC/DC-Wandlers elektrisch verbunden sind, wobei der LV-Batterieleistungsbus mit dem DC/DC-Leistungswandler und dem/den Fahrzeugmodul(en) elektrisch verbunden ist. An Bord des Fahrzeugs steuert ein Controller, der einen Leistungsfluss-Steueralgorithmus aufweist, den DC/DC-Leistungswandler. Insbesondere versorgt der Controller das/die Fahrzeugmodul(e) während einer vorbestimmten transienten LV-Bedingung über die verschiedenen LV-Busverbinder mit Leistung.
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Es wird auch ein DC/DC-Leistungswandler für ein Fahrzeug bereitgestellt, das ein HV-ESS, einen HV-Leistungsbus, einen LV-Batterieleistungsbus und ein Fahrzeugmodul, das mit dem DC/DC-Leistungswandler elektrisch verbunden ist, aufweist. Der Wandler enthält HV- und LV-Busverbinder wie vorstehend angemerkt und versorgt das/die Fahrzeugmodul(e) während der transienten LV-Bedingung über eine andere LV-Einspeisung, und über den anderen LV-Verbinder, wenn die vorbestimmte transiente LV-Bedingung nicht länger vorhanden ist.
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Es wird auch ein Verfahren zur Steuerung eines DC/DC-Leistungswandlers an Bord eines Fahrzeugs bereitgestellt, das ein HV-ESS, einen HV-Leistungsbus, einen LV-Batterieleistungsbus und ein Fahrzeugmodul, das mit dem Wandler elektrisch verbunden ist, aufweist. Das Verfahren umfasst, dass das Vorhandensein einer vorbestimmten transienten LV-Bedingung an Bord des Fahrzeugs ermittelt wird, dass das Fahrzeugmodul während der transienten LV-Bedingung über einen eines Paars von LV-Busverbindern mit LV versorgt wird, und dass das Fahrzeugmodul über den anderen LV-Busverbinder mit Leistung versorgt wird, wenn die transiente LV-Bedingung nicht länger vorhanden ist.
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Die vorstehenden Merkmale und Vorteile und andere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich leicht aus der folgenden genauen Beschreibung der besten Arten zum Ausführen der Erfindung, wenn sie in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen gelesen wird.
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KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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1 ist eine schematische Darstellung eines Fahrzeugs, das einen DC/DC-Leistungswandler aufweist, und eines Controllers, der zum Steuern eines Betriebs des DC/DC-Leistungswandlers ausgelegt ist;
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2 ist ein elektrischer Logikschaltplan für ein Fahrzeugmodul, der mit dem in 1 gezeigten Fahrzeug verwendet werden kann;
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3 ist eine Tabelle, die mögliche Niederspannungsniveaus für die Fahrzeugmodule des in 1 gezeigten Fahrzeugs beschreibt; und
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4 ist ein Flussdiagramm, das einen Algorithmus zum Steuern des DC/DC-Leistungswandlers an Bord des in 1 gezeigten Fahrzeugs beschreibt.
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BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Mit Bezug auf die Zeichnungen, bei denen gleiche Bezugszeichen gleichen oder ähnlichen Komponenten in den verschiedenen Figuren entsprechen, zeigt 1 ein Fahrzeug 10. Das Fahrzeug 10 kann als ein beliebiges Fahrzeug ausgestaltet sein, das eine sekundäre Leistungsquelle aufweist, einschließlich, aber nicht begrenzt auf ein Hybridelektrofahrzeug (HEV). Das Fahrzeug 10 enthält einen Verbrennungsmotor (E) 14 mit einem Ausgabeelement 20. Das Fahrzeug 10 enthält auch ein Getriebe (T) 16 mit einem Eingabeelement 22 und einem Ausgabeelement 24. Das Ausgabeelement 20 des Motors 14 kann über eine Kupplung 18 mit dem Eingabeelement 22 des Getriebes 16 selektiv verbunden sein. Das Getriebe 16 kann als ein stufenloses elektrisches Getriebe oder als ein beliebiges anderes geeignetes Getriebe ausgestaltet sein, das in der Lage ist, Drehmoment über das Ausgabeelement 24 an Räder 17 zu übertragen.
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Das Fahrzeug 10 enthält einen Controller (C) 12 auf hoher Ebene mit einem Leistungsfluss-Steueralgorithmus 100, der nachstehend mit Bezug auf 4 im Detail beschrieben wird. Der Controller 12 ist ausgelegt, um einen Leistungsfluss an Bord des Fahrzeugs 10 zu steuern und insbesondere, um über einen DC/DC-Leistungswandler 28 eine sekundäre LV-Leistungsausgabe oder einen Busverbinder unabhängig von der Hauptfunktionalität des Wandlers zu koordinieren, und dies ermöglicht, dass dedizierte Leistungseinspeisungen an vorgesehene Fahrzeugsteuermodule geleitet werden. Leistung kann zu diesen Modulen während einer vorbestimmten transienten LV-Bedingung geleitet werden, gemäß einer möglichen Ausführungsform z. B. während eines Ankurbel- und Startereignisses eines kalten Motors.
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Das Fahrzeug 10 enthält auch mindestens eine HV-Elektromotor/Generatoreinheit (MGU), z. B. eine mehrphasige elektrische Maschine mit etwa 60 Volt bis etwa 300 Volt oder mehr in Abhängigkeit von der Fahrzeugkonstruktion. Bei der in 1 gezeigten Ausführungsform ist das Fahrzeug 10 als ein HEV mit zwei Modi ausgestaltet, das erste und zweite MGUs, d. h. MGU 26A bzw. 26B aufweist. Jede MGU ist mit einem HV-DC-Leistungsbus 29 über einen HV-Wechselstrom-Leistungsbus (AC-Leistungsbus) 29A, ein Antriebsleistungs-Wechselrichtermodul (TPIM) 27, d. h. ein Steuermodul, das ausgelegt ist, um nach Bedarf DC-Leistung in AC-Leistung und umgekehrt umzusetzen, und ein Fahrzeugintegrationssteuermodul (VICM) 31, d. h. ein Steuermodul, das ausgelegt ist, um Leistung an HV-Batterieschütze 11 zu liefern, elektrisch verbunden. Das Fahrzeug 10 enthält ein HV-Energiespeichersystem (ESS) 25, z. B. eine wiederaufladbare Batterie, die unter Verwendung der MGUs 26A und/oder 26B selektiv wiederaufgeladen werden kann, wenn die MGUs als Generatoren arbeiten, beispielsweise durch Auffangen von Energie während eines regenerativen Bremsereignisses.
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Wie der Fachmann versteht, übt das Ankurbeln und Starten eines Motors eine wesentliche, wenn auch transiente, elektrische LV-Last auf die fahrzeugeigenen Leistungsversorgungen aus, was verursacht, dass ein Hilfsspannungsniveau an Bord des Fahrzeugs 10 rapide fällt. Das reduzierte LV-Niveau kann nach der Einleitung des Ankurbel- und Startereignisses für bis zu 100 Millisekunden beibehalten werden. Ein derartiges LV-Niveau kann verursachen, dass das TPIM 27 und/oder das VICM 31 oder andere Fahrzeugmodule oder HV-Lasten 33 bei einem temporären Verlust ihrer jeweiligen Funktionalitäten automatisch zurückgesetzt werden, wie vorstehend erwähnt wurde.
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Immer noch mit Bezug auf die 1 ist der DC/DC-Leistungswandler 28 über den HV-Leistungsbus 29 mit dem HV-ESS 25 elektrisch verbunden. Der Wandler 28 ist auch mit einer Hilfsbatterie 41, z. B. einer 12-Volt-DC-Batterie, über einen LV-Batterieleistungsbus 19, der der Einfachheit halber auch als ein LV-Bus bezeichnet wird, elektrisch verbunden, welcher schließlich ein oder mehrere LV-Hilfssysteme 45 mit Energie versorgt, z. B. Scheibenwischer, Radio, Sitzheizungen usw. Der Wandler 28 enthält interne LV-Busverbinder 50a, 50b, die ohne die Möglichkeit zur Rückwärtseinspeisung parallel verbunden sind, wie auf dem Gebiet verstanden wird, und welche den LV-Bus 19, d. h. den Standardbus, und eine unabhängige gepufferte LV-Versorgung 99 speisen. Die LV-Versorgung 99 stellt eine festgelegte Spannung bereit, die vorgesehene Fahrzeugmodule über den DC/DC-Leistungswandler 28 mit Leistung versorgen kann.
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Wie vorstehend angemerkt, können die vorgesehenen Fahrzeugmodule gemäß einer möglichen Ausführungsform das TPIM 27 und/oder VICM 31 umfassen, wobei andere Fahrzeugmodule in Abhängigkeit von der Konstruktion des Fahrzeugs 10 mit dem DC/DC-Leistungswandler 28 verwendet werden können. Der Wandler 28 kann entweder als Abwärts-/niedertransformierender Wandler oder als Aufwärts-/hochtransformierender Wandler oder als beides ausgestaltet sein. Der Wandler 28 liefert redundante LV-Leistung an die vorgesehenen Fahrzeugmodule über die LV-Busverbinder 50A, 50B, den LV-Leistungsbus 19 bzw. die LV-Versorgung 99. Die Komplexität von Hardware und Software sowie ein auf die Abwärtsschaltung bezogener Leistungsverlust können ausreichend verringert werden, indem eine LV-Verstärkungsschaltung entfernt wird, die andernfalls benötigt würde.
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Der Controller 12 kann als eine einzige oder eine verteilte Steuereinrichtung ausgestaltet sein, die mit dem Motor 14, den MGUs 26A und 26B, dem ESS 25, dem DC/DC-Wandler 28, dem TPIM 27, dem VICM 31 und der Hilfsbatterie 41 über einen oder mehrere Steuerkanäle (Pfeil 51) elektrisch verbunden ist oder damit anderweitig in einer fest verdrahteten oder drahtlosen Verbindung steht. Die Steuerkanäle 51 können beliebige benötigte Übertragungsleitungen enthalten, z. B. fest verdrahtete oder drahtlose Steuerkopplungen oder Pfade, die zum Übertragen und Empfangen der notwendigen elektrischen Steuersignale zur korrekten Steuerung und Koordination des Leistungsflusses an Bord des Fahrzeugs geeignet sind. Der Controller 12 kann Module und Fähigkeiten derart enthalten, wie es notwendig sein kann, um die gesamte benötigte Leistungsfluss-Steuerfunktionalität an Bord des Fahrzeugs 10 in der gewünschten Weise auszuführen.
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Der Controller 12 kann als ein universeller Digitalcomputer ausgestaltet sein, der allgemein einen Mikroprozessor oder eine zentrale Verarbeitungseinheit, einen Festwertspeicher (ROM), einen Speicher mit wahlfreiem Zugriff (RAM), einen elektrisch löschbaren programmierbaren Festwertspeicher (EEPROM), einen Hochgeschwindigkeitstaktgeber, Analog/Digital-(A/D-) und Digital/Analog-(D/A-)Schaltungen, und Eingabe/Ausgabe-Schaltungen und -Einrichtungen (I/O) sowie geeignete Signalaufbereitungs- und Pufferschaltungen umfasst. Beliebige Algorithmen, die im Controller 12 vorhanden sind oder für diesen zugänglich sind, einschließlich des Algorithmus 100 gemäß der Erfindung, der nachstehend mit Bezug auf 4 beschrieben ist, können im ROM gespeichert sein und von dem Controller 12 ausgeführt werden, um die jeweilige Funktionalität bereitzustellen.
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Mit Bezug auf 2 ist das vorgesehene Fahrzeugmodul, das mit LV-Leistung versorgt werden soll, als das TPIM 27 oder das VICM 31 dargestellt. Intern sind die Spannungsverbindungen identisch und daher kann das tatsächliche Fahrzeugmodul variieren, ohne den beabsichtigten erfinderischen Schutzumfang zu verlassen. Das Fahrzeugmodul wird über LV-Busverbinder 50A, 50B versorgt, welche das Modul über den LV-Bus 19 bzw. über die redundante LV-Leistungsversorgung 99 mit Leistung versorgen. Ein erstes Spannungsniveau (V1) ist über den LV-Verbinder 50A und den LV-Bus 19 vorhanden, während ein zweites Spannungsniveau (V2) am LV-Busverbinder 50B und der Versorgung 99 vorhanden ist. Die Spannungen (V1, V2) können durch ein Oder-Gatter 61 oder eine andere geeignete Logik vergleichend verarbeitet werden. Das Gatter 61 speist eine Leistungsversorgung 64 des/der vorgesehenen Fahrzeugmoduls/e. Das Gatter 61 kann ausgestaltet sein, um sicherzustellen, dass die Spannung von einem der LV-Busverbinder 50A, 50B die Leistungsversorgung 64 des/der vorgesehenen Fahrzeugmoduls/e mit zumindest einem Schwellenwert-Spannungsniveau speist.
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Mit Bezug auf 3 zeigt eine Spannungstabelle 70 mögliche Werte für V1 und V2 am LV-Leistungsbus 19 bzw. der Versorgung 99, wie in 2 gezeigt ist. Wenn bei einem Schwellenwert von 9,0 VDC V1 beispielsweise 4,5 VDC beträgt und V2 13,0 VDC beträgt, kann die Leistungsversorgung 64 des/der vorgesehenen Fahrzeugmoduls/e bei einer Ausführungsform durch V2 und die LV-Versorgung 99 gespeist werden, d. h. eine Versorgung mit festgelegten 13,0 VDC, bis zu etwa 16,0 VDC bei einer anderen Ausführungsform. Wenn V1 am LV-Leistungsbus 19 13,8 VDC beträgt und V2 an der Versorgung 99 ein beliebiger anderer Wert ist, kann die Leistungsversorgung 64 des/der vorgesehenen Fahrzeugmoduls/e durch V1 gespeist werden, d. h. durch den LV-Busverbinder 50A, der mit dem LV-Leistungsbus 19 verbunden ist, wodurch die DC/DC-Wandelverluste verringert werden.
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Mit Bezug auf 4 in Verbindung mit dem in 1 gezeigten Fahrzeug 10 beginnt der Algorithmus 100 bei Schritt 102, bei dem eine vorbestimmte transiente LV-Bedingung detektiert wird. Wenn beispielsweise der Motor 14 angekurbelt und gestartet wird, geht der Algorithmus 100 zu Schritt 104 weiter, wobei er andernfalls in einer Schleife bleibt, bis die transiente LV-Bedingung detektiert wird.
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Bei Schritt 104 ermittelt der Algorithmus 100, ob die LV-Niveaus für das/die vorgesehene(n) Fahrzeugmodul(e) hoch genug sind. Wenn dem so ist, geht der Algorithmus 100 zu Schritt 108 weiter. Wenn nicht, geht der Algorithmus 100 zu Schritt 106 weiter.
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Bei Schritt 106 wird LV-Leistung über den LV-Leistungsbus 19 über den Busverbinder 50A vorgesehen. Der Algorithmus geht dann zu Schritt 110 weiter.
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Bei Schritt 108 versorgt der LV-Busverbinder 50B des DC/DC-Leistungswandlers 28 das vorgesehene Fahrzeugmodul, bei einer Ausführungsform beispielsweise das TPIM 27 oder das VICM 31, über die LV-Leistungsversorgung 99 mit Leistung. Der Algorithmus 100 geht dann zu Schritt 110 weiter.
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Bei Schritt 110 werden LV-Spannungen und andere LV-Lasten kontinuierlich überwacht, wobei der Algorithmus periodisch Schritt 104 wiederholt, um zu ermitteln, ob es eine Änderung gegeben hat.
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Unter Verwendung des Algorithmus 100 kann der DC/DC-Leistungswandler 28 eine Spannung im Bereich von etwa 9,0 VDC bis etwa 16,0 VDC und mit einem Nennausgang von etwa 13,8 VDC unter Verwendung des LV-Leistungsbusses 19 und der Versorgung 99 an beliebige vorgesehene Module ausgeben. Wenn das HV-Niveau des HV-Leistungsbusses 29 unter einen Schwellenwert fällt, der durch die Untergrenze des Betriebsbereichs des DC/DC-Leistungswandlers 28 bestimmt sein kann, ermöglicht der LV-Busverbinder 50A, dass der LV-Leistungsbus 19 im Wesentlichen die gesamte Leistung alleine liefert, die zum Erhalten der vorgesehenen Fahrzeugmodule am LV-Leistungsbus benötigt wird. Die LV-Busverbinder 50A, 50B können zur Verwendung von Vorwärts-Vorspannungs-/Rückwärts-Vorspannungs-Diodeneigenschaften ausgelegt sein, um den Wandler 28 nach Bedarf ein- und auszuschalten, um die vorgesehenen Fahrzeugmodule selektiv zu versorgen oder um die Module mit dem LV-Leistungsbus 19 zu verbinden.
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Während der gesamten Ausführung des Algorithmus 100 können die vorgesehenen Fahrzeugmodule die Spannung am LV-Leistungsbus 19, d. h. die Standard-Fahrzeugbusspannung, an der Anodenseite der LV-Busverbinder 50A, 50B überwachen, wodurch sie verifizieren und eine Rückmeldung bereitstellen, dass der DC/DC-Leistungswandler 28 immer noch eine Spannungsausgabe an diese Module bereitstellt, und dass die Standard-LV-Busspannung noch verfügbar ist. Somit stellt der DC/DC-Wandler 28 eine unabhängige Einspeisung für vorgesehene Fahrzeugmodule bereit, sodass die LV-Niveaus am LV-Bus 99 nicht nach unten gezogen werden, wenn der DC/DC-Wandler 28 beim Bereitstellen von Leistung an den LV-Leistungsbus 19 versagt und ein transientes Ereignis auftritt.
