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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Gebiet der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung betrifft ein elektrisches Leistungssystem bzw. ein elektrisches Energiesystem (Engl.: electric power system), welches zum Übertragen und Empfangen von elektrischer Leistung bzw. elektrischer Energie zu und von einem elektrischen Fahrzeug geeignet ist.
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Beschreibung der verwandten Technik
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Heutzutage kann in einem elektrischen Fahrzeug, welches elektrische Leistung, welche in einer Batterie geladen ist, als eine Antriebsquelle zum Antreiben eines Motors verwendet, um hierdurch Leistung zu erlangen, die Batterie durch eine Haushaltsenergieversorgung bzw. Haushaltsleistungsversorgung durch ein Kabel geladen werden. In den letzten Jahren setzen mehr und mehr Haushalte private Leistungserzeugung unter Verwendung von photovoltaischer Leistungserzeugung oder Windleistungserzeugung ein. In einem Fall, in welchem die Haushalte einen elektrischen Leistungsüberschuss haben, wird der elektrische Leistungsüberschuss an eine Stromversorgerfirma bzw. ein Elektrizitätswerk verkauft, und in den Fällen, in welchen die Menge von Leistungserzeugung ungenügend ist, verwenden die Haushalte kommerzielle elektrische Leistung bzw. elektrische Energie (Elektrische Systemleistung), welche von einem elektrischen Leistungsversorgungssystem eines Elektrizitätswerks vereitgestellt bzw. zugeführt wird (engl. supply). Eine moderne Variante eines solchen Systems ist ein elektrischer Leistungsnetz der nächsten Generation (Engl.: next-generation electric power nework), welches Smart Grid genannt wird.
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In der derzeitigen Situation, in welcher Haushalte elektrische Leistungsversorgung bzw. elektrische Energieversorgung basierend auf privater Leistungserzeugung einsetzen, kann eine Batterie eines elektrischen Fahrzeugs mit elektrischer Leistung geladen werden, welche durch photovoltaische Leistungserzeugung oder Windleistungserzeugung erlangt wurde.
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Eine Konfiguration des Ladens einer Batterie eines elektrischen Fahrzeugs mit elektrischer Energie, welche durch photovoltaische Leistungserzeugung erlangt wird, wird zum Beispiel in der
japanischen Patentanmeldung mit der Offenlegungsnummer 1996-19193 offenbart.
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Die
japanische Patentanmeldung mit der Offenlegungsnummer 1996-19193 offenbart: einen Haushalt-Leistungskonditionierer (Engl.: household power conditioner) zum Umwandeln von elektrischer DC-Leistung, die durch ein Solarzellenmodul erzeugt wird in elektrische AC-Leistung und Bereitstellen der elektrischen AC-Leistung an eine häusliche (engl. domestic) Last; und ein System zum Wiederumwandeln von elektrischer AC-Leistung bzw. Wechselleistung bzw. Wechselstrom, die von dem Leistungskonditionierer bereitgestellt wird, in elektrische DC-Leistung und Speichern der elektrischen DC-Leistung bzw. Gleichleistung bzw. Gleichstrom in einer Batterie eines Benzinfahrzeugs oder eines elektrischen Fahrzeugs, und Umwandeln der gespeicherten elektrischen Leistung in elektrische AC-Leistung und Bereitstellen der elektrischen AC-Leistung an die Haushaltslast.
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Die
japanische Patentanmeldung mit der Offenlegungsnummer 1996-19193 beschreibt keine interne Konfiguration des Leistungskonditionierers, daher ist es nicht klar, welche Art von Leistungsversorgung zum Steuern einer Steuerschaltung verwendet wird, welche notwendig ist für die DC-Umwandlung und die AC-Umwandlung in dem Leistungskonditionierer. Die
japanischen Patentanmeldung mit der Offenlegungsnummer 1996-19193 beschreibt, dass, in einem Fall, in welchem die Versorgung von Elektrischer Systemleistung (Engl.: system electric power) für eine lange Zeit gestoppt wird, ein Steuermodus des Leistungskonditionierers zu einem Spannungssteuermodus geschaltet wird, um einen autonomen Betrieb des Leistungskonditionierers aufzubauen. Hier wird, in jedem der Fälle, in welchem die Leistungsversorgung an die Steuerschaltung in dem autonomen Betrieb von der Fahrzeugbatterie oder von dem Solarzellenmodul erlangt wird, das Bedürfnis für ein Abwärtsspannungsmittel (Engl.: voltage Stepp-down means) erwartet, damit die Leistungsversorgung zu der Steuerschaltung, welche in etwa einige Volt ist, von einer Hochspannung von 100 Volt oder mehr erlangt werden kann. Jedoch verursacht das Durchführen eines Verringerns bzw. Abwärtsschreitens bzw. Abwärtsprozesses (Engl.: step-down) mit einer großen Eingangs-/Ausgangs-Differenz ein Problem eines erhöhten Schaltverlusts und eines erhöhten Schaltrauschens (Engl.: switching noise).
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein elektrisches Leistungssystem bzw. ein Elektrische-Leistung-System bereitzustellen, welches eine Übertragung und einen Empfang von elektrischer Leistung zwischen einem elektrischen Fahrzeug und einem elektrischen Leistungsversorgungssystem durchführt, wobei das elektrische Leistungssystem für Spannungsumwandlung mit einem reduzierten Schaltverlust und einem reduzierten Schaltrauschen geeignet ist, um dadurch eine Spannung, welche für eine Steuerschaltung notwendig ist, welche DC-Umwandlung und AC-Umwandlung steuert, bereitzustellen.
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In einem ersten Aspekt eines elektrischen Leistungssystems nach der vorliegenden Erfindung stellt das elektrische Leistungssystem zum Übertragen und Empfangen von elektrischer Leistung zwischen einem elektrischen Leistungsversorgungssystem, welches elektrische AC-Leistung zu einer Last und einem Fahrzeug bereitstellt, welches mittels eines Motors fährt, welcher unter Verwendung von elektrischer Leistung angetrieben wird, welche in einer Batterie als eine Antriebsquelle geladen ist. Das elektrische Leistungssystem beinhaltet eine elektrische Leistungsumwandlungsvorrichtung bzw. Leistungswandlungsvorrichtung (engl. power converting apparatus), die zwischen dem elektrischen Leistungsversorgungssystem und der Batterie des Fahrzeugs verbunden ist. Die elektrische Leistungsumwandlungsvorrichtung beinhaltet: eine Lade-/Entladeschaltung zum Laden/Entladen der Batterie; eine bidirektionale Umrichterschaltung (engl. bidirectional inverter circuit), die zwischen der Lade-/Entladeschaltung und dem elektrischen Leistungsversorgungssystem verbunden bzw. geschaltet ist, zum bidirektionalen Umwandeln zwischen elektrischer AC-Leistung und elektrischer DC-Leistung; und eine Steuerschaltung zum Steuern der Lade-/Entladeschaltung und der bidirektionalen Umrichterschaltung. Die Steuerschaltung wählt eine von einer ersten Spannung und einer zweiten Spannung als eine Betriebsspannung aus, wobei die erste Spannung auf einer AC-Spannung basiert, die von dem elektrischen Leistungsversorgungssystem bereitgestellt wird, und die zweite Spannung auf einer DC-Spannung basiert, die von einer DC-Leistungsversorgung des Fahrzeugs bereitgestellt wird.
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In dem ersten Aspekt kann die zweite Spannung, die auf der DC-Spannung basiert, die von der DC-Leistungsversorgung in dem Fahrzeug bereitgestellt wird, als die Betriebsspannung für die Steuerschaltung ausgewählt werden. Dies benötigt eine Verringerung bzw. einen Abwärtsprozess bzw. Herunterschaltungsprozess (Engl.: step-down) mit lediglich einer kleinen Eingangs-/Ausgangs-Differenz, welches eine Spannungsumwandlung mit einem kleinen Schaltverlust und einem kleinen Schaltrauschen ermöglicht. Daher kann der elektrische Leistungsverbrauch unterdrückt werden und eine stabile Spannung erzeugt werden.
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Diese und andere Aufgaben, Merkmale, Aspekte und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der nachfolgenden detaillierten Beschreibung der vorliegenden Erfindung ersichtlicher, wenn sie in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen betrachtet werden.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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1 ist ein Blockdiagramm, welches eine Konfiguration eines elektrischen Leistungssystems nach einer bevorzugten Ausführungsform 1 der vorliegenden Erfindung zeigt;
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2 ist ein Diagramm zum Erklären einer Konfiguration und eines Betriebs einer bidirektionalen Umrichterschaltung;
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3 ist ein Diagramm zum Erklären einer Konfiguration und eines Betriebs einer Lade-/Entladeschaltung;
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4 ist ein Blockdiagramm, welches eine Konfiguration eines elektrischen Leistungssystems nach einer Modifikation der bevorzugten Ausführungsform 1 der vorliegenden Erfindung darstellt;
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5 ist ein Blockdiagramm, welches eine Konfiguration eines elektrischen Leistungssystems nach einer bevorzugten Ausführungsform 2 der vorliegenden Erfindung zeigt;
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6 ist ein Diagramm zum Erklären einer Konfiguration eines DC-DC-Umwandlers; und
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7 ist eine Querschnittsansicht eines speziellen Kabels, in welchem eine Vielzahl von Kabeln in einem einzelnen Kabel gebündelt sind.
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AUSFÜHRUNGSFORMEN ZUM AUSFÜHREN DER ERFINDUNG
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Bevorzugte Ausführungsform 1
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1 ist ein Blockdiagramm, welches eine Konfiguration eines Backup-Systems 100 für elektrische Systemleistung (Engl.: System electric power) zeigt, welche häuslich bereitgestellt wird, als ein elektrisches Leistungssystem nach einer bevorzugten Ausführungsform 1 der vorliegenden Erfindung.
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In einer Konfiguration des Backup-Systems 100, welches in 1 gezeigt wird, wird eine Batterie 1, welche als eine Antriebsquelle für einen Motor (nicht gezeigt) zum Fahren eines elektrischen Fahrzeugs (beinhaltend ein Einsteck-Hybridfahrzeug (Engl.: plug-in hybrid vehicle), welches sowohl einen Benzinmotor und einen Motor verwendet) EV als ein Backup-Leistungssystem für elektrische Systemleistung verwendet wird und elektrische Leistung kann von der Batterie 1 zu einer Haushaltslast 21 über eine elektrische Leistungsumwandlungsvorrichtung 10 bereitgestellt werden.
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Die elektrische Leistungsumwandlungsvorrichtung (engl. electric power converting apparatus) 10 ist eine bidirektionale Leistungsumwandlungsvorrichtung, welche elektrische AC-Leistung von 100 bis 200 Volt, bereitgestellt von einem elektrischen Leistungsversorgungssystem 22 über einen Schalter SW, in elektrische DC-Leistung umwandelt und die elektrische DC-Leistung in der Batterie speichert, und ebenfalls elektrische DC-Leistung, die in der Batterie 1 gespeichert ist, in elektrische AC-Leistung von 100 bis 200 Volt umwandelt (diese Spannung hängt von dem Land oder der Region ab) und die elektrische AC-Leistung zu der Haushaltslast 21 über den Schalter SW bereitstellt.
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Die elektrische Leistungsumwandlungsvorrichtung 10 beinhaltet als Hauptkomponente eine erste Leistungsversorgungsschaltung 11, eine zweite Leistungsversorgungsschaltung 12, eine Auswahlschaltung 14, eine Steuerschaltung 15, eine bidirektionale Umrichterschaltung 16, und eine Lade-/Entladeschaltung 17.
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Ein Betrieb der elektrischen Leistungsumwandlungsvorrichtung 10 wird durch eine Steuerschaltung 15 gesteuert, die einen Mikrocomputer und einen Mikroprozessor, wie z. B. einen DSP (Digital signal Processor) beinhaltet. Eine elektrische Spannung für die Steuerschaltung 15 wird durch die erste elektrische Leistungsversorgungsschaltung 11 oder die zweite elektrische Leistungsschaltung 12 bereitgestellt. Die erste Leistungsversorgungsschaltung 11 erzeugt die Betriebsspannung für die Steuerschaltung basierend auf der AC-Leistung, die von dem Elektrische-Leistungsversorgungssystem 22 bereitgestellt wird. Die zweite Leistungsversorgungsschaltung 12 erzeugt die Betriebsspannung für die Steuerschaltung 15 basierend auf der DC-Spannung, die von einer DC-Leistungsversorgung 2 in dem elektrischen Fahrzeug EV bereitgestellt wird.
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Die DC-Leistungsversorgung 2 ist eine Batterie, welche eine Spannung von etwa 12 Volt erzeugt, die in einem Steuersystem des elektrischen Fahrzeugs EV verwendet wird. Eine Ausgangsspannung der Batterie 1, welche etwa 300 Volt ist, wird herabgesetzt zu etwa 12 Volt durch eine Abwärtsschaltung (Engl.: step-down circuit) 3, und hierdurch wird elektrische Leistung gespeichert. Ein DC-DC-Umwandler, welcher später beschrieben wird, ist annehmbar als die Abwärtsschaltung 3. In einer möglichen Konfiguration kann die Abwärtsschaltung 3 als die DC-Leistungsversorgung 2 dienen, ohne Verwendung einer Batterie von 12 Volt.
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In dieser Weise kann, wenn die Batterie und die Abwärtsschaltung 3, die in dem Steuersystem des elektrischen Fahrzeugs EV verwendet werden, als die DC-Leistungsversorgung 2 verwendet werden, eine Spannung, die zu der zweiten Leistungsversorgungsschaltung 12 gegeben wird, herabgesetzt werden, so dass die zweite Leistungsversorgungsschaltung 12 als eine Abwärtsschaltung mit einer kleinen Eingangs-Ausgangs-Differenz konfiguriert sein kann.
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Die Betriebsspannungen von etwa 5 Volt für die Steuerschaltung 12, welche durch die erste Leistungsversorgungsschaltung 11 und die zweite Leistungsversorgungsschaltung 12 erzeugt werden, werden zu der Auswahlschaltung 14 gegeben, und eine von denen wird ausgewählt und zu der Steuerschaltung 15 bereitgestellt bzw. damit versorgt (Engl.: supplied). Die Auswahlschaltung 14 führt die Auswahl derart durch, dass die Betriebsspannung, die von der ersten Leistungsversorgungsschaltung 11 gegeben wird, in einem Fall ausgewählt wird, in welchem die elektrische Leistung von dem elektrischen Leistungsversorgungssystem 22 bereitgestellt wird, während die Betriebsspannung, die von der zweiten Leistungsversorgungsschaltung 12 gegeben wird, in einem Fall ausgewählt wird, in welchem die elektrische Leistungsversorgung von dem elektrischen Leistungsversorgungssystem 22 gestoppt ist.
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Die Auswahlschaltung 14 kann die Auswahl basierend auf einem Schaltmittel durchführen. Ein mechanisches Relais oder ein MOSFET (Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect-Transistor) kann als ein Schaltmittel verwendet werden und ein EIN/AUS-Befehl davon kann von der Steuerschaltung 15 geliefert werden.
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Die Steuerschaltung 15 steuert EIN/AUS der bidirektionalen Umrichterschaltung 16, der Lade-/Entladeschaltung 17 und Ähnliches. Diese fundamentalen Schaltoperationen werden durch eine Untersteuerschaltung (nicht gezeigt) gesteuert.
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Wie in Teil (a) von 2 gezeigt, kann die bidirektionale Umrichterschaltung 16 als eine Vollbrückenschaltung (engl full-bridge circuit) konfiguriert sein, welche vier Schaltelemente T21, T22, T23, und T24 beinhaltet. Die Schaltelemente T21 bis T24 sind jeweils Rücken-an-Rücken (Engl.: back-to-back) mit Dioden D21, D22, D23 und D24 verbunden.
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Ein MOSFET oder ein IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) wird für jedes der Schaltelemente verwendet und die Schaltelemente werden durch PWM gesteuert bzw. angetrieben (Engl.: driven). Eine Ausgangswellenform der Vollbrückenschaltung wird durch Drosseln (Engl.: reactors) L21 und L22 geglättet und wird im Wesentlichen in der Form einer Sinuswelle ausgegeben.
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In einem Fall, in welchem ein elektrisches Leistungsversorgungssystem zu einer AC-Seite der bidirektionalen Umrichterschaltung 16 verbunden ist, wird eine Ausgangsspannung der bidirektionalen Umrichterschaltung 16 durch eine Spannung des elektrischen Leistungsversorgungssystems 22 bestimmt, und die bidirektionale Umrichterschaltung 16 arbeitet als ein Stromquellenumrichter, dessen Ausgangsstrom so gesteuert wird, dass die DC-Seitenspannung konstant sein kann.
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In einem Fall, in welchem ein elektrisches Leistungsversorgungssystem nicht zu der AC-Seite verbunden ist und nur eine AC-Last, wie z. B. eine Haushaltslast 21, dazu verbunden ist, arbeitet die bidirektionale Umrichterschaltung 16 als ein Spannungsquellenumrichter, der gesteuert wird, so dass eine Ausgangsspannung der Umrichterschaltung konstant sein kann und die DC-Seitenspannung konstant sein kann.
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MOSFETs und IGPTs werden für die Schaltelemente der bidirektionalen Umrichterschaltung 16 verwendet. Daher arbeitet, wenn alle der Schaltelemente immer in einem AUS-Zustand sind, die Vollbrückenschaltung als eine Diodenbrücke, wie in einem Teil (b) von 2 gezeigt. Daher kann ein Betrieb der AC-DC-Umwandlung von der elektrischen Leistungsversorgungssystem 22-Seite zu der Eingangsseite durchgeführt werden.
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Die Lade-/Entladeschaltung 17 ist ein bidirektionaler DC-DC-Umwandler, welcher die DC-Ausgangsspannung der Batterie 1 von etwa 300 Volt bis zu etwa 350 Volt erhöht (Engl.: step-up). Zum Beispiel ist ein bidirektionaler Chopper (Engl.: chopper), der in 3 gezeigt ist, als der bidirektionale DC-DC-Umwandler annehmbar.
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Ein Teil (a) von 3 zeigt ein Schaltungsdiagramm, ein Teil (b) von 3 zeigt die Schaltung während eines Entladebetriebs, und ein Teil (c) von 3 zeigt die Schaltung während eines Ladebetriebs.
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Wie in dem Teil (a) von 3 gezeigt, beinhaltet der bidirektionale Chopper Schaltelemente T31 und T32, die in Serie miteinander verbunden sind und Dioden D31 und D32, die jeweils Rücken an Rücken mit den Schaltelementen T31 und T32, verbunden sind. Die Batterie ist über ein Impedanzelement L31 zu einem Verbindungspunkt zwischen den Schaltelementen T31 und T32 verbunden. Ein Kondensator C31 ist zwischen beiden Enden der Schaltelemente T31 und T32 zwischengeschaltet, so dass die bidirektionale Umrichterschaltung 16 dazu verbunden ist.
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In dem Entladebetrieb, wie in Teil (b) von 3 gezeigt, ist das Schaltelement T31 immer aus und das Schaltelement T32 wird durch PWM (pulse-width modulation) gesteuert bzw. angetrieben, so dass der bidirektionale Chopper als ein Aufwärts-Chopper (Engl.: step-up chopper) operiert. Als ein Ergebnis dieses Betriebs ist die DC-Spannung, die an der Ausgangsseite (Umrichterschaltungsseite) erlangt wird, höher als diese an der Eingangsseite (Batterieseite).
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In dem Ladebetrieb, wie in 3C gezeigt, ist das Schaltelement T32 immer AUS, und das Schaltelement T31 wird PWM-angetrieben bzw. angesteuert, so dass der bidirektionale Chopper als ein Verringerungs-Chopper bzw. Abwärts-Chopper operiert, welcher einen Betrieb des Erniedrigens bzw. Verringerns (Engl.: step-down) von der Umrichterschaltungsseite in Richtung der Batterie-1-Seite durchführt, operiert.
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Hier werden MOSFETs oder IGBTs für die Schaltelemente T31 und T32 verwendet. Daher funktionieren in einem Fall, in welchem das Schaltelement immer AUS ist, die Dioden D31 und D32 und die Schaltelemente T31 und T32 sind immer in dem AUS-Zustand.
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In der elektrischen Leistungsumwandlungsvorrichtung 10 wird die Betriebsspannung von etwa 5 Volt für die Steuerschaltung 15, welche die bidirektionale Umrichterschaltung 16 und die Lade-/Entladeschaltung 17 steuert, unter Verwendung der ersten Leistungsversorgungsschaltung 11 und der zweiten Leistungsversorgungsschaltung 12 erzeugt, von welchen die zweiten Leistungsversorgungsschaltung 12 als eine Abwärtsschaltung bzw. Verringerungsschaltung (Engl.: step-down circuit) konfiguriert sein kann, mit einer kleinen Eingangs-/Ausgangs-Differenz, da die zweite Leistungsversorgungsschaltung 12 die Betriebsspannung für die Steuerschaltung 15 basierend auf der DC-Spannung erzeugt, die von der DC-Leistungsversorgung 2 in dem elektrischen Fahrzeug EV bereitgestellt wird. Dies ermöglicht eine Spannungsumwandlung mit einem kleinen Schaltverlust und einem kleinen Schaltrauschen. Daher kann der elektrische Leistungsverbrauch unterdrückt werden und eine stabile Spannung kann erzeugt werden.
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Modifikation
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4 ist ein Blockdiagramm, welches eine Konfiguration für ein Backup-System 100A für elektrische Systemleistung (Engl.: System electric power) nach einer Modifikation der bevorzugten Ausführungsform 1 zeigt. Dieselben Teile der Konfiguration wie die des Backup-Systems 100, welches in 1 gezeigt ist, sind mit den gemeinsamen entsprechenden Bezugszeichen bezeichnet, und Wiederholungen der Beschreibung werden vernachlässigt.
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In der Konfiguration der Backup-Systems 100A, welches in 4 gezeigt ist, wird eine Ausgangsspannung von ca. 5 Volt von einer DC-Leistungsversorgung 2A in einer elektrischen Steuereinheit (ECU) zum Steuern des gesamten elektrischen Fahrzeugs EV als eine Betriebsspannung für die Steuerschaltung 15 verwendet. Die Ausgangsspannung, die von der DC-Leistungsversorgung 2A ausgegeben wird, wird direkt zu der Auswahlschaltung 14 einer elektrischen Leistungsumwandlungsvorrichtung (engl. electric power converting apparatus) 10A gegeben. Daher ist die zweite Leistungsversorgungsschaltung 12 der elektrischen Leistungsumwandlungsvorrichtung 10, die in 1 gezeigt ist, nicht notwendig, und die Konfiguration der Vorrichtung kann vereinfacht werden.
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Eine DC-Leistungsversorgung mit einer Ausgangsspannung von etwa 5 Volt, welche als eine Betriebsspannung für einen Mikrocomputer und einen Mikroprozessor, wie z. B. einen DSP, dient, ist innerhalb der ECU des elektrischen Fahrzeugs EV bereitgestellt. Diese DC-Leistungsversorgung wird als die DC-Leistungsversorgung 2A verwendet.
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Das Backup-System 100A ist besodners effektiv in einem Fall, in welchem eine Betriebsspannung für die ECU gleich der Betriebsspannung für die Steuereinheit 15 in der elektrischen Leistungsumwandlungsvorrichtung bzw. Elektrische-Leistung-Umwandlungsvorrichtung ist. Wenn eine Differenz zwischen der Betriebsspannung für die ECU und die Steuerschaltung 15 besteht, kann dies durch Durchführen von Verringern oder Erhöhen (Engl.: step-down or step-up) unter Verwendung der zweiten Leistungsversorgungsschaltung 12, die in der Beschreibung der Elektrische-Leistungsumwandlungsvorrichtung 12 gezeigt ist, bewältigt werden. In diesem Fall verringert sich die Eingangs-/Ausgangs-Differenz, um eine Spannungsumwandlung mit einem kleinen Schaltverlust und einem kleinen Schaltrauschen zu ermöglichen. Daher kann der elektrische Leistungsverbrauch unterdrückt werden und eine stabile Spannung kann erzeugt werden.
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Bevorzugte Ausführungsform 2
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5 ist ein Blockdiagramm, welches eine Konfiguration eines Backup-Systems 200 für elektrische Systemleistung zeigt, dargestellt als ein elektrisches Leistungssystem nach einer bevorzugten Ausführungsform 2 der vorliegenden Erfindung. Das Backup-System 200 beinhaltet einen Leistungskonditionierer (Engl.: power conditioner) 200, welcher eine elektrische AC- oder DC-Leistung, die durch eine Solarzelle, eine Brennstoffzelle, einen Windleistungserzeuger oder Ähnliches erzeugt wird, in elektrische AC-Leistung einer kommerziellen Frequenz umwandelt, und die elektrische AC-Leistung zu einem elektrischen Leistungsversorgungssystem und einer Haushaltslast bereitstellt bzw. zuführt (engl. supply). Dieselben Teile der Konfiguration wie die des Backup-Systems 100, das in 1 gezeigt ist, sind durch die gemeinsamen entsprechenden Bezugszeichen gekennzeichnet und Wiederholungen in der Beschreibung werden vernachlässigt.
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In der Konfiguration des Backup-Systems 200, das in 5 gezeigt ist, kann die Batterie 1, welche als eine Antriebsquelle für einen Motor (nicht gezeigt) zum Fahren des elektrischen Fahrzeugs EV dient, als eine Backup-Leistungsversorgung für elektrische Systemleistung verwendet werden, und zusätzlich kann die elektrische DC-Leistung, die in einem Leistungserzeugungssystem 30 erzeugt wird, in eine elektrische AC-Leistung von 100 bis 200 Volt durch einen DC-DC-Umwandler 18 und die bidirektionale Umrichterschaltung 16 umgewandelt werden und dann zu der Haushaltslast 21 über den Schalter SW bereitgestellt bzw. zugeführt werden.
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Eine Ausgabe des DC-DC-Wandlers 18 kann in der Batterie über eine Lade-/Entladeschaltung 17 geladen werden.
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In der elektrischen AC-Leistung, die über den Schalter SW ausgegeben wird, bildet elektrische Überschussleistung (Engl.: surplus electric power), die in der Haushaltslast 21 nicht verbraucht wird, einen umgekehrten Leistungsfluss in Richtung der Elektrisches-Leistungsversorgungssystem-Seite. Da ein Mechanismus des umgekehrten Leistungsflusses wenig zu der vorliegenden Anmeldung zugehörig ist, wird eine Beschreibung hiervon vernachlässigt.
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Das Leistungserzeugungssystem 30 beinhaltet photovoltaische Leistungserzeugung, Windleistungserzeugung, eine Brennstoffzelle oder Ähnliches. In dieser bevorzugten Ausführungsform wird die photovoltaische Leistungserzeugung angenommen.
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In dem Leistungskonditionierer (Engl.: power conditioner) 20 wird die Betriebsspannung für die Steuerschaltung durch die erste Leistungsversorgungsschaltung 11, die zweite Leistungsversorgungsschaltung 12 und eine dritte Leistungsversorgungsschaltung 13 bereitgestellt. Die erste Leistungsversorgungsschaltung 11 erzeugt die Betriebsspannung für die Steuerschaltung 15 basierend auf der AC-Spannung, die von dem Elektrische-Leistungsversorgungssystem 22 bereitgestellt wird. Die zweite Leistungsversorgungsvorrichtung 12 erzeugt die Betriebsspannung für die Steuerschaltung 15 basierend auf der DC-Spannung, die von der DC-Leistungsversorgung 2 in dem elektrischen Fahrzeug EV bereitgestellt wird. Die dritte Leistungsversorgungsschaltung 13 erzeugt die Betriebsspannung für die Steuerschaltung basierend auf einer Ausgangsspannung von 100 bis 300 Volt von dem Leistungserzeugungssystem 30.
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Die Betriebsspannung von etwa 5 Volt für die Steuerschaltung 15, welche durch die erste Leistungsversorgungsschaltung 11, die zweite Leistungsversorgungsschaltung 12, und die dritte Leistungsversorgungsschaltung 13 erzeugt werden, werden zu der Auswahlschaltung 14 gegeben und eine davon wird ausgewählt und zu der Steuerschaltung 15 bereitgestellt.
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Die Auswahlschaltung 14 führt die Auswahl durch, so dass die Betriebsspannung, die von der ersten Leistungsversorgungsschaltung 11 gegeben wird, in einem Fall ausgewählt wird, in welchem elektrische Leistung von dem Elektrische-Leistungsversorgungssystem 22 bereitgestellt wird, während die Betriebsspannung, die von der zweiten Leistungsversorgungsschaltung 12 gegeben wird, in einem Fall ausgewählt wird, in welchem die elektrische Leistungsversorgung von dem elektrischen Leistungsversorgungssystem 22 gestoppt ist. In einem Fall, in welchem die elektrische Leistung von dem Leistungserzeugungssystem 30 bereitgestellt wird bzw. versorgt wird, wählt die Auswahlschaltung 14 immer die Betriebsspannung aus, die von der dritten Leistungsversorgungsschaltung gegeben wird.
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Die Steuerschaltung 15 steuert EIN/AUS der bidirektionalen Umrichterschaltung 16, der Lade-/Entladeschaltung 17, des DC-DC-Wandlers 18, und Ähnliches. Diese fundamentalen Schaltoperationen werden durch Untersteuerschaltungen (nicht gezeigt) gesteuert.
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Der DC-DC-Wandler 18 ist eine Spannungsumwandlerschaltung, welche die DC-Ausgangsspannung des Leistungserzeugungssystems 30 von 100 bis 300 Volt bis zu 350 Volt erhöht (Engl.: step-up). Zum Beispiel ist eine bekannte Schaltung, wie ein Erhöhungs-Chopper bzw. Aufwärts-Chopper (Engl.: step-up chopper), der in 6 gezeigt ist, angenommen, um den DC-DC-Wandler 18 zu konfigurieren.
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Der Aufwärts-Chopper, der in 6 gezeigt ist, beinhaltet ein Schaltelement T11, das zwischen zwei elektrischen Leistungsleitungen bzw. Stromleitungen (Engl.: power lines) verbunden ist; ein Kondensator C11, der zwischen den zwei elektrischen Leistungsleitungen an der Ausgangsseite des Schaltelements T11 bereitgestellt ist und parallel mit dem Schaltelement T11 verbunden ist; eine Diode D12, die in der elektrischen Leistungsleitung zwischengeschaltet ist, so dass dessen Kathode zu einem Verbindungspunkt einer Elektrode des Kondensators C11 an der Seite positiven Potentials verbunden ist und dessen Anode zu einem Verbindungspunkt des Schaltelements T11 verbunden ist; ein Impedanzelement L1, das an einer Position der elektrischen Leistungsleitung zwischen einem Eingangsende des Verbindungspunkts des Schaltelements T11 zwischengeschaltet ist; und eine Diode D11, die Rücken an Rücken mit dem Schaltelement T11 verbunden ist.
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In dieser Konfiguration kann, wenn das Schaltelement T11 durch PWM gesteuert bzw. getrieben wird, eine DC-Spannung höher als diese der Eingangsseite erlangt werden.
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In dem Leistungskonditionierer 20 werden die Betriebsspannung von etwa 5 Volt für die Steuerschaltung 15 zum Steuern der bidirektionalen Umrichterschaltung 16, der Lade-/Entladeschaltung 17, und des DC-DC-Umwandlers 18 unter Verwendung der ersten Leistungsversorgungsschaltung 11, der zweiten Leistungsversorgungsschaltung 12 und der dritten Leistungsversorgungsschaltung erzeugt, von welchen die zweite Leistungsversorgungsschaltung 12 als eine Verringerungsschaltung (Engl.: step-down circuit) konfiguriert sein kann mit einer kleinen Eingangs-/Ausgangs-Differenz, da die zweite Leistungsversorgungsschaltung 12 die Betriebsspannung für die Steuerschaltung 15 basierend auf der DC-Spannung erzeugt, die von der DC-Leistungsversorgung 2 in dem elektrischen Fahrzeug EV bereitgestellt wird. Dies ermöglicht eine Spannungsumwandlung mit einem geringen Schaltverlust und einem geringen Schaltrauschen. Daher kann ein elektrischer Leistungsverbrauch unterdrückt werden und eine stabile Spannung kann erzeugt werden.
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Es ist unnötig zu sagen, dass, ähnlich zu Backup-System 100A für die elektrische Systemleistung, das in 4 gezeigt ist, anstelle der DC-Leistungsversorgung 2 in dem elektrischen Fahrzeug EV, eine Ausgangsspannung von etwa 5 Volt von einer DC-Leistungsversorgung, die als eine Antriebsspannungsversorgung des Mikrocomputers und des Mikroprozessors, wie z. B. des DSPs in der ECU, als eine Betriebsspannung für die Steuerschaltung 15 verwendet werden kann, um hierdurch das Bedürfnis für die zweite Leistungsversorgungsschaltung 12 wegzulassen.
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In dem Backup-System 100 für elektrische Systemleistung nach den bevorzugten Ausführungsformen 1 und 2, die oben beschrieben sind, ist ein Kabel zum Verbinden der Lade-/Entladeschaltung 17 zu der Batterie 1 und ein Kabel zum Verbinden der zweiten Leistungsversorgungsschaltung 12 zu der DC-Leistungsversorgung 2 zwischen dem elektrischen Fahrzeug EV und der elektrischen Leistungsumwandlungsvorrichtung 10, dem Leistungskonditionierer 20 notwendig. Ein separates Vorbereiten der Kabel macht eine Verbindungsoperation mühsam. Daher stellt ein Bündeln der Kabel in ein einzelnes Kabel, so dass diese zu einer Zeit eingefügt und entfernt werden können, eine Benutzer-freundlich Konfiguration bereit.
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7 ist eine Querschnittansicht eines speziellen Kabels, in welchem eine Vielzahl von Kabeln in einem einzelnen Kabel gebündelt sind. Das Kabel zum Verbinden der Lade-/Entladeschaltung 17 zu der Batterie 1 ist konfiguriert unter Verwendung dicker elektrischer Leistungsleitungen PL1 und PL2 (Engl.: thick electric power lines), um eine große Menge von elektrischer Leistung laden und entladen zu können. Das Kabel zum Verbinden der zweiten Leistungsversorgungsschaltung 12 zu der DC-Leistungsversorgung 2 ist konfiguriert unter Verwendung von Einzelleitungen (Engl.: single lines) SL1 und SL2, da die Menge von elektrischer Leistung klein ist.
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Jede der Einzelleitungen SL1 und SL2 ist in verschiedenen Bündeln von Signalleitungen beinhaltet. Eine Konfiguration zum Bündeln einer Vielzahl von Leitungen in ein einzelnes Kabel ist nicht hierauf beschränkt.
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Obwohl die Betriebsspannung für die Steuerschaltung 15 etwa 5 Volt, in der obigen Beschreibung, ist, wird eine Schaltung mit einer Betriebsspannung von 3,3 Volt manchmal für den Zweck des Sparens elektrischer Leistung verwendet.
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Während die Erfindung im Detail gezeigt und beschrieben wurde, ist die vorangehende Beschreibung in allen Aspekten illustrativ und nicht beschränkend. Es soll daher verstanden werden, dass verschiedene Modifikationen und Variationen konstruiert werden können, ohne vom Gedanken der Erfindung abzuweichen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- JP 1996-19193 [0004, 0005, 0006, 0006]
