DE102012204675B4 - Systeme und Verfahren zum Initialisieren eines Ladesystems - Google Patents

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Abstract

Verfahren zum Initiieren eines Ladesystems, welches ein Energiewandlungsmodul aufweist, welches dazu ausgebildet ist, basierend auf einem Taktverhältnis eine Verstärkungsfunktion bereitzustellen, aufweisend:Bereitstellen, durch das Ladesystem, einer inkrementell steigenden Spannung an eine Batterie bis zu einem ersten vorgegebenen Schwellwert, während das Energiewandlungsmodul ein Taktverhältnis von 0 % hat;Bereitstellen, durch das Ladesystem, einer inkrementell steigenden Spannung an die Batterie von einem initialen Spannungsniveau der Batterie bis zu einer Spitzenspannung einer Spannungsquelle, während das Energiewandlungsmodul ein Taktverhältnis von 0 % hat; undBereitstellen, durch das Ladesystem, einer inkrementell steigenden Spannung an die Batterie, durch das inkrementelle Erhöhen des Taktverhältnisses des Energiewandlungsmoduls.

Description

  • Diese Erfindung wurde mit Unterstützung der Regierung unter Vereinbarung Nr. DE-FC26-07NT43123 gemacht, welche von dem Energieministerium der Vereinigten Staaten zugeteilt wurde. Die Regierung hat bestimmte Rechte an dieser Erfindung.
  • TECHNISCHES GEBIET
  • Ausführungsformen des Gegenstandes, welche hierin beschrieben ist, beziehen sich im Allgemeinen auf elektrische Systeme in automobilen Fahrzeugen, und insbesondere beziehen sich Ausführungsformen des Gegenstandes auf eine Steuerstrategie, welche ein Energieliefersystem initiiert.
  • HINTERGRUND
  • Plug-in-Hybrid- und vollelektrische Fahrzeuge sind in den letzten Jahren immer populärer geworden. Diese Fahrzeuge haben üblicherweise ein großes Batteriesystem, welches zum Laden viele Stunden benötigt und welches dabei große Mengen an Leistung verbraucht. Aktuelle Ladesysteme für die Batteriesysteme sind dazu ausgebildet, in ein elektrisches Netz eines Hauses oder in ein kommerzielles elektrisches Netz angeschlossen zu werden. Jedoch können, wenn das Ladesystem zum ersten Mal eingesteckt wird, große Spannungsspitzen erzeugt werden, welche möglicherweise das Ladesystem und das Batteriesystem schädigen können.
  • KURZE ZUSAMMENFASSUNG
  • In Übereinstimmung mit einer Ausführungsform wird ein Verfahren zum Initiieren eines Ladesystems bereitgestellt, welches ein Energiewandlungsmodul hat, welches dazu ausgebildet ist, basierend auf einem Tastverhältnis eine Schnellladefunktion bereitzustellen. Das Verfahren kann aufweisen, ist aber nicht darauf beschränkt, Bereitstellen, durch das Ladesystem, einer inkrementell ansteigenden Spannung an die Batterie bis zu einem ersten vorgegebenen Schwellwert, während das Energiewandlungsmodul ein 0%-Tastverhältnis aufweist, Bereitstellen, durch das Ladesystem, einer inkrementell ansteigenden Spannung an die Batterie von einem initialen Spannungsniveau der Batterie bis zu einer Spitzenspannung einer Spannungsquelle, während das Energiewandlungsmodul einen 0%-Taktzyklus aufweist, und Bereitstellen, durch das Ladesystem, einer inkrementell ansteigenden Spannung an die Batterie durch das inkrementelle Erhöhen des Taktzyklusses des Energiewandlungsmoduls.
  • In Übereinstimmung mit einer weiteren Ausführungsform wird ein Ladesystem bereitgestellt. Das Ladesystem kann aufweisen, ist aber nicht darauf beschränkt, eine erste Schnittstelle, welche dazu ausgebildet ist, eine Spannungsquelle zu erhalten, ein Energiewandlungsmodul, welches elektrisch mit der Schnittstelle gekoppelt ist, und eine Steuerung, welche kommunikativ mit dem Energiewandlungsmodul verbunden ist. Die Steuerung kann dazu ausgebildet sein, das Energiewandlungsmodul derart zu steuern, dass dieses einer Batterie eine inkrementell steigende Spannung bis zu einem ersten vorgegebenen Schwellwert bereitstellt, während das Energiewandlungsmodul einen 0%-Taktzyklus aufweist, dass dieses der Batterie eine inkrementell steigende Spannung von einem initialen Spannungsniveau der Batterie bis zu einer Spitzenspannung der Spannungsquelle bereitstellt, während das Energiewandlungsmodul einen 0%-Taktzyklus aufweist, und dass dieses der Batterie eine inkrementell ansteigende Spannung durch das inkrementelle Erhöhen des Taktzyklusses des Energiespannungsmoduls bereitstellt.
  • In Übereinstimmung mit noch einer weiteren Ausführungsform wird ein Verfahren zum Initiieren eines Ladesystems, welches ein Energiewandlungsmodul aufweist, welches elektrisch mit einer Wechselstrom (AC)-Schnittstelle gekoppelt ist, bereitgestellt. Das Verfahren kann aufweisen, ist aber nicht darauf beschränkt, Synchronisieren, durch ein Steuermodul, des Ladesystems mit einer AC-Spannungsquelle, welche mit der AC-Schnittstelle verbunden ist, Bestimmen, durch das Steuermodul, einen nächsten Nulldurchgang der AC-Spannungsquelle, Berechnen, durch das Steuermodul, einer Startzeit für jeden Halbzyklus der AC-Quelle, um ein pulsweitenmoduliertes (PWM) Steuersignal zu initiieren, wobei das Steuersignal dazu ausgebildet ist, das Energiewandlungsmodul dazu zu veranlassen, Spannung zu einer Batterie zu übertragen, und Erzeugen, durch das Steuermodul, des PWM-Steuersignals von der Startzeit an bis zu einem geschätzten Ende eines Halbzyklusses der AC-Spannungsquelle.
  • Diese Zusammenfassung wird bereitgestellt, um eine Auswahl von Konzepten in einer vereinfachten Form einzuführen, welche im Folgenden in der detaillierten Beschreibung weiter beschrieben werden. Diese Zusammenfassung ist nicht dazu gedacht, Kernmerkmale oder essentielle Merkmale des beanspruchten Gegenstandes zu identifizieren und ist nicht dazu gedacht, als eine Hilfe beim Bestimmen des Geltungsbereichs des beanspruchten Gegenstandes genutzt zu werden.
  • Figurenliste
  • Ein umfassenderes Verständnis des Gegenstandes kann durch Bezugnahme auf die detaillierte Beschreibung und die Ansprüche, wenn diese in Verbindung mit den folgenden Figuren betrachtet werden, erlangt werden, wobei ähnliche Bezugszeichen sich auf ähnliche Elemente in den Figuren beziehen.
    • 1 ist ein schematisches Diagramm eines elektrischen Systems, welches zur Verwendung in einem Fahrzeug in Übereinstimmung mit einer Ausführungsform geeignet ist;
    • 2 ist ein Flussdiagramm, welches eine erste Phase zum Initiieren eines elektrischen Systems in Übereinstimmung mit einer Ausführungsform darstellt;
    • 3 illustriert beispielhafte Steuersignale, welche während der ersten Phase verwendet werden können, um ein elektrisches System zu initialisieren, in Übereinstimmung mit einer Ausführungsform;
    • 4 ist ein Flussdiagramm, welches eine zweite Phase zum Initialisieren eines elektrischen Systems in Übereinstimmung mit einer Ausführungsform illustriert; und
    • 5 ist ein Flussdiagramm, welches eine dritte Phase zum Initialisieren eines elektrischen Systems in Übereinstimmung mit einer Ausführungsform darstellt.
  • DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
  • Die folgende detaillierte Beschreibung ist lediglich darstellend in ihrer Natur und ist nicht dazu gedacht, die Ausführungsformen des Gegenstandes oder die Anwendung und Verwendungen solcher Ausführungsformen zu begrenzen. So wie hierin verwendet, bedeutet das Wort „beispielhaft“ „dient als Beispiel, Instanz oder Darstellung“. Jede Implementierung, welche hierin als beispielhaft beschrieben wird, ist nicht notwendigerweise als bevorzugt oder vorteilhaft gegenüber anderen Implementierungen anzusehen. Ferner besteht keine Intention, an irgendeine ausgedrückte oder implizierte Theorie, welche in dem vorangegangenen technischen Gebiet, dem Hintergrund, der kurzen Zusammenfassung und der folgenden detaillierten Beschreibung präsentiert wird, gebunden zu sein.
  • Die folgende Beschreibung bezieht sich auf Elemente oder Knoten oder Merkmale, welche „verbunden“ oder „gekoppelt“ sind. So wie hierin verwendet, solange nicht anders ausgedrückt, bedeutet „verbunden“, dass ein Element/Knoten/Merkmal direkt mit einem anderen Element/Knoten/Merkmal verbunden ist (oder direkt mit diesem kommuniziert), und dies nicht notwendigerweise mechanisch. Auf ähnliche Weise bedeutet, solange dies nicht ausdrücklich anders angegeben ist, „gekoppelt“, dass ein Element/Knoten/Merkmal direkt oder indirekt mit einem anderen Element/Knoten/Merkmal gekoppelt ist (oder direkt oder indirekt mit diesem kommuniziert), und dies nicht notwendigerweise mechanisch. Daher können, auch wenn die Figuren eine beispielhafte Anordnung von Elementen zeigen, zusätzliche dazwischenliegende Elemente, Vorrichtungen, Merkmale oder Komponenten in einer Ausführungsform des dargestellten Gegenstandes vorhanden sein. Zusätzlich wird eine bestimmte Terminologie in der folgenden Beschreibung lediglich zum Zweck der Bezugnahme verwendet und ist daher nicht als einschränkend gedacht. Die Begriffe „erster“, „zweiter“ und andere solche numerischen Begriffe, welche sich auf Strukturen beziehen, implizieren keine Reihenfolge oder Anordnung, solange dies nicht eindeutig durch den Kontext hervorgeht.
  • So wie hierin verwendet, bedeutet „Knoten“ jeder interne oder externe Referenzpunkt, Verbindungspunkt, Kreuzung, Signallinie, leitendes Element oder dergleichen, bei welchem ein gegebenes Signal, Logikpegel, Spannung, Datenmuster, Strom oder Menge vorhanden ist. Ferner können zwei oder mehr Knoten als ein physikalisches Element realisiert sein (und zwei oder mehr Signale können gemultiplext, moduliert oder anderweitig unterschieden werden, auch wenn diese über einen gemeinsamen Knoten empfangen oder ausgegeben werden).
  • 1 zeigt eine beispielhafte Ausführungsform eines elektrischen Systems 100 (oder alternativ ein Ladesystem, Ladegerät oder Lademodul), welches zur Verwendung in einem Fahrzeug geeignet ist, wie zum Beispiel einem elektrischen und/oder Hybridfahrzeug. Während die folgende Beschreibung sich auf ein Ladesystem für ein elektrisches und/oder Hybridfahrzeug bezieht, wird ein Fachmann erkennen, dass andere elektrische Systeme hergestellt oder modifiziert werden können, um die hierin diskutierten Merkmale vorteilhaft zu nutzen.
  • Das elektrische System 100 weist auf, ohne Limitierung, eine erste Schnittstelle 102, ein erstes Energiewandlungsmodul 104, ein Isolationsmodul 106, ein zweites Energiewandlungsmodul 108, ein induktives Element 110, ein kapazitives Element 112, eine zweite Schnittstelle 114 und ein Steuermodul 116. Die erste Schnittstelle 102 repräsentiert im Allgemeinen die physikalische Schnittstelle (zum Beispiel Anschlüsse, Stecker und dergleichen) zum Koppeln des elektrischen Systems 100 an eine DC-Energiequelle 118 und die zweite Schnittstelle 114 repräsentiert im Allgemeinen die physikalische Schnittstelle (zum Beispiel Anschlüsse, Stecker und dergleichen) zum Koppeln des elektrischen Systems 100 an eine Wechselstrom (AC)-Energiequelle 120. Dementsprechend kann der Einfachheit halber die erste Schnittstelle 102 hierin als die DC-Schnittstelle und die zweite Schnittstelle 114 als die AC-Schnittstelle bezeichnet werden. In einer beispielhaften Ausführungsform ist das Steuermodul 116 mit den Wandlungsmodulen 104, 108 gekoppelt und betreibt die Wandlungsmodule 104, 108 um einen gewünschten Leistungsfluss von der AC-Energiequelle 120 zu der DC-Energiequelle 118 zu erreichen, wie im Folgenden im größeren Detail beschrieben.
  • In einer beispielhaften Ausführungsform ist die DC-Energiequelle 118 (oder alternativ Energiespeicherquelle oder ESS) dazu in der Lage, einen Gleichstrom (iDC) (angezeigt durch Pfeil 150) von dem elektrischen System 100 bei einem bestimmten DC-Spannungsniveau (VDC) (angezeigt durch Pfeil 160) zu erhalten. In Übereinstimmung mit einer Ausführungsform ist die DC-Energiequelle 118 als wiederaufladbares Hochspannungsbatteriepaket realisiert, welches einen nominellen DC-Spannungsbereich von ungefähr zweihundert bis ungefähr fünfhundert Volt DC aufweist. In diesem Zusammenhang kann die DC-Energiequelle 118 die primäre Energiequelle für ein anderes elektrisches System und/oder einen elektrischen Motor in einem Fahrzeug aufweisen. Zum Beispiel kann die DC-Energiequelle 118 mit einem Leistungswechselrichter gekoppelt sein, welcher dazu ausgebildet ist, dem elektrischen Motor eine Spannung und/oder einen Strom bereitzustellen, welcher mit einem Getriebe gekoppelt sein kann, um das Fahrzeug in einer konventionellen Weise anzutreiben. In anderen Ausführungsformen kann die DC-Energiequelle 118 als Batterie, als Brennstoffzelle, als Ultrakondensator oder als jedes andere geeignete Energiespeicherelement ausgebildet sein.
  • Die AC-Energiequelle 120 (oder Leistungsquelle) ist dazu ausgebildet, dem Ladesystem 100 einen AC-Strom (iAC) (dargestellt durch Pfeil 170) bei einem bestimmten AC-Spannungsniveau (VAC) (angezeigt durch Pfeil 180) bereitzustellen und kann als Stromversorgungsnetz oder elektrisches System für ein Gebäude, eine Wohnanlage oder eine andere Struktur in einem elektrischen Stromversorgungsnetz (zum Beispiel das elektrische Netz des Stromversorgers oder ein Versorgungsnetz) ausgebildet sein. In Übereinstimmung mit einer Ausführungsform weist die AC-Energiequelle 120 eine Einphasenenergiequelle auf, wie in den meisten Wohnstrukturen üblich, welche aber in Abhängigkeit von der geographischen Region variiert. Zum Beispiel kann in den Vereinigten Staaten die AC-Energiequelle 120 als 220 Volt (RMS) oder 240 Volt (RMS) oder 240 Volt (RMS) bei 60 Hz ausgeführt sein, während in anderen Regionen die AC-Energiequelle 120 als 210 Volt (RMS) oder 220 Volt (RMS) bei 50 Hz ausgebildet sein kann. In weiteren Ausführungsformen kann die AC-Energiequelle 120 als jede AC-Energiequelle ausgebildet sein, welche zum Betrieb mit dem Ladesystem 100 geeignet ist.
  • Wie im Folgenden im größeren Detail beschrieben, ist die DC-Schnittstelle 102 mit dem ersten Wandlungsmodul 104 gekoppelt und die AC-Schnittstelle 114 ist mit dem zweiten Energiewandlungsmodul 108 über das induktive Element 110 gekoppelt. Das Isolationsmodul 106 ist zwischen die Energiewandlungsmodule 104, 108 gekoppelt und stellt eine galvanische Isolation zwischen den zwei Wandlungsmodulen 104, 108 bereit. Das Steuermodul 116 ist mit den Wandlungsmodulen 104 und 108 gekoppelt und betreibt das zweite Wandlungsmodul 108, um Energie von der AC-Energiequelle 120 in Hochfrequenzenergie über das Isolationsmodul 106 zu wandeln, welche dann an der DC-Schnittstelle 102 durch das Wandlungsmodul 104 in DC-Energie gewandelt wird. Es sollte verstanden werden, dass, auch wenn der Gegenstand hierin in dem Zusammenhang einer Versorungsnetz-zu-Fahrzeug-Anwendung (zum Beispiel die AC-Energiequelle 120 liefert Energie an die DC-Energiequelle 118) zu Zwecken der Erklärung beschrieben wird, der Gegenstand, welcher hierin beschrieben wird, in anderen Ausführungsformen in Fahrzeug-zu-Netzanwendungen (zum Beispiel die DC-Energiequelle 118 liefert Energie an die AC-Schnittstell 114 und/oder AC-Energiequelle 120) implementiert und/oder benutzt werden kann.
  • Um die DC-Energiequelle 118 zu laden, wandelt das erste Wandlungsmodul 104 Hochfrequenzenergie bei Knoten 122 und 124 in DC-Energie, welche der DC-Energiequelle 118 an der DC-Schnittstelle 102 bereitgestellt wird. In diesem Zusammenhang arbeitet das erste Wandlungsmodul 104 beim Konvertieren von Hochfrequenz-AC-Energie in DC-Energie als Gleichrichter. In der dargestellten Ausführungsform weist das erste Wandlungsmodul 104 vier Schaltelemente (52, 54, 56 und 58) auf, wobei jedes Schaltelement eine Diode (60, 62, 64 und 68) hat, welche anti-parallel zu dem entsprechenden Schaltelement angeordnet ist, um eine bidirektionale Energieabgabe zu ermöglichen. Wie gezeigt, wird Kondensator 126 elektrisch parallel über die DC-Schnittstelle 102 angeordnet, um Spannungswelligkeit an der DC-Schnittstelle 102 zu verringern, wie aus dem Stand der Technik bekannt ist.
  • In einer beispielhaften Ausführungsform sind die Schaltelemente (52, 54, 56 und 58) Transistoren und können unter Verwendung jedes geeigneten Halbleitertransistorschalters realisiert werden, wie zum Beispiel ein Bipolartransistor mit isolierter Gate-Elektrode, eine Metalloxidhalbleiter-Feldeffekttransistor (z.B. ein MOSFET) oder jede andere vergleichbare im Stand der Technik bekannte Vorrichtung. Die Schalter und Dioden sind antiparallel, was bedeutet, dass die Schalter und die Dioden mit verkehrter oder inverser Polarität elektrisch parallel geschaltet sind. Die antiparallele Konfiguration erlaubt einen bidirektionalen Stromfluss, während Spannung unidirektional blockiert wird, wie aus dem Stand der Technik bekannt ist. In dieser Anordnung ist die Richtung des Stroms durch die Schalter entgegengesetzt zu der Richtung des durch die entsprechenden Dioden erlaubten Stroms. Die antiparallelen Dioden sind über jeden Schalter angeordnet, um einen Pfad für Strom zu der DC-Energiequelle 118 bereitzustellen, um die DC-Energiequelle 118 zu laden, wenn der entsprechende Schalter aus ist. Wie im Folgenden im größeren Detail beschrieben, betreibt das Steuermodul 116 in einer beispielhaften Ausführungsform die Schalter des ersten Wandlungsmoduls 104, um einen Pfad für Strom von der DC-Energiequelle 118 zu dem Isolationsmodul 106 bereitzustellen, um einen Injektionsstrom am Knoten 134, 136 des zweiten Wandlungsmoduls 108 bereitzustellen.
  • In der dargestellten Ausführungsform ist Schalter 52 zwischen Knoten 128 der DC-Schnittstelle 102 und Knoten 122 angeordnet und ist dazu ausgebildet, einen Pfad für Stromfluss von Knoten 128 zu Knoten 122 bereitzustellen, wenn Schalter 52 geschlossen ist. Diode 60 ist zwischen Knoten 122 und Knoten 128 angeschlossen und ist dazu ausgebildet, einen Pfad für Stromfluss von Knoten 122 zu Knoten 128 bereitzustellen (zum Beispiel Diode 60 ist antiparallel zu Schalter 52). Schalter 54 ist zwischen Knoten 130 der DC-Schnittstelle 102 und Knoten 122 angeordnet und ist dazu ausgebildet, einen Pfad für Stromfluss von Knoten 122 zu Knoten 130 bereitzustellen, wenn Schalter 54 geschlossen ist, während Diode 62 zwischen Knoten 122 und Knoten 130 angeschlossen ist und dazu ausgebildet, einen Pfad für Stromfluss von Knoten 130 zu Knoten 122 bereitzustellen. Auf eine ähnliche Art und Weise ist Schalter 56 zwischen Knoten 128 und Knoten 124 angeordnet und ist dazu ausgebildet, einen Pfad für Stromfluss von Knoten 128 zu Knoten 124 bereitzustellen, wenn Schalter 56 geschlossen ist, Diode 64 ist zwischen Knoten 124 und die DC-Schnittstelle 102 angeschlossen und ist dazu ausgebildet, einen Pfad für Stromfluss von Knoten 124 zu Knoten 128 bereitzustellen, Schalter 58 ist zwischen Knoten 130 und Knoten 124 angeschlossen und ist dazu ausgebildet, einen Pfad für Stromfluss von Knoten 124 zu Knoten 130 bereitzustellen, wenn Schalter 58 geschlossen ist, und Diode 66 ist zwischen Knoten 124 und die DC-Schnittstelle 102 angeschlossen und dazu ausgebildet, einen Pfad für Stromfluss von Knoten 130 zu Knoten 124 bereitzustellen.
  • In einer beispielhaften Ausführungsform ermöglicht das zweite Wandlungsmodul 108 den Fluss von Strom (oder Energie) von der AC-Energiequelle 120 und/oder dem induktiven Element 110 zu dem Isolationsmodul 106. In der dargestellten Ausführungsform ist das zweite Wandlungsmodul 108 als Einphasenfrontendmatrixkonverter ausgebildet, welcher acht Schaltelemente (20, 22, 24, 26, 28, 30, 32 und 34) aufweist, wobei jedes Schaltelement eine zu dem entsprechenden Schaltelement antiparallel angeordnete Diode (36, 38, 40, 42, 44, 46, 48 und 50) aufweist, in einer ähnlichen Art und Weise, wie dies in Bezug auf das erste Wandlungsmodul 104 oben beschrieben wurde. Zur Einfachheit, aber ohne Limitierung, kann das zweite Wandlungsmodul 108 alternativ hierin als ein Matrixwandlungsmodul (oder ein Matrixkonverter) oder ein Zyclokonverter bezeichnet werden. Wie im Folgenden im größeren Detail beschrieben, moduliert das Steuermodul 116 (z.B. öffnet und/oder schließt) die Schalter (20, 22, 24, 26, 28, 30, 32 und 34) des Matrixkonverters 108, um eine Hochfrequenzspannung an Knoten 122, 124 zu erzeugen, welche einen gewünschten Leistungsfluss an die DC-Schnittstelle 102 und/oder DC-Energiequelle 118 bewirkt.
  • In der dargestellten Ausführungsform der 1 sind ein erstes Paar von Schaltern (20 und 22) und Dioden (36 und 38) zwischen Knoten 132 und Knoten 134 gekoppelt, wobei das erste Paar von Schalter und antiparalleler Diode (z.B. 20 und 36) mit zu dem zweiten Paar von Schaltern und antiparalleler Diode (z.B. 22 und 38) entgegengesetzter Polarität ausgebildet sind. Auf diese Art sind Schalter 20 und Diode 38 dazu ausgebildet, einen Pfad für Stromfluss von Knoten 134 durch Schalter 20 und Diode 38 zu Knoten 132 bereitzustellen, wenn Schalter 20 geschlossen, angeschaltet oder anderweitig aktiviert ist und die Spannung an Knoten 134 positiver ist, als die Spannung an Knoten 132. Schalter 22 und Diode 36 sind dazu ausgebildet, einen Pfad für Stromfluss von Knoten 132 durch Schalter 22 und Diode 36 zu Knoten 34 bereitzustellen, wenn Schalter 22 geschlossen, eingeschaltet oder anderweitig aktiviert ist und die Spannung an Knoten 132 positiver ist als die Spannung an Knoten 134. Auf ähnliche Art und Weise ist ein zweites Paar von Schaltern (24 und 26) und Dioden (40 und 42) zwischen Knoten 136 und Knoten 138 gekoppelt, ein drittes Paar von Schaltern (28 und 30) und Dioden (44 und 46) sind zwischen Knoten 132 und Knoten 136 gekoppelt, ein viertes Paar von Schaltern (32 und 34) und Dioden (48 und 50) sind zwischen Knoten 134 und 138 gekoppelt.
  • In der dargestellten Ausführungsform weisen Schalter 20, 24, 28 und 32 einen ersten Satz von Schaltern auf, welche dazu in der Lage sind, jeden Strom durch das induktive Element 110 (iL) (dargestellt durch Pfeil 190) von Knoten 132 Knoten 138 zu kommutieren, wenn der Strom durch das induktive Element 110 in eine negative Richtung (z.B. iL < 0) fließt, und Schalter 22, 26, 30 und 34 weisen einen zweiten Satz von Schaltern auf, welcher dazu in der Lage sind, den Strom durch das induktive Element 110 von Knoten 138 zu Knoten 132 zu kommutieren, wenn der Strom durch das induktive Element 110 in einer positiven Richung (z.B. iL > 0) fließt, wie im Folgenden im größereren Detail beschrieben. In anderen Worten sind Schalter 20, 24, 28 und 32 dazu in der Lage, zumindest einen Teil von Strom, welcher in einer negativen Richtung durch das induktive Element 110 (z.B. iL < 0) fließt, zu leiten, und Schalter 22, 26, 30 und 34 sind dazu in der Lage, zumindest einen Teil von Strom, welcher in einer positiven Richtung durch das induktive Element 110 (z.B. iL > 0) fließt, zu leiten. So wie hierin verwendet, sollte unter Kommutieren der Prozess des zyklischen Schaltens von Strom durch das induktive Element 110 durch Schalter und Dioden des Matrixkonverters 108 verstanden werden, so dass der Fluss von Strom durch das induktive Element 110 nicht unterbrochen wird.
  • In einer beispielhaften Ausführungsform weist das Isolationsmodul 106 einen ersten Satz von Windungen 144 auf, welche zwischen Knoten 122 und 124 des ersten Wandlungsmoduls 104 angeschlossen sind, und einen zweiten Satz von Windungen 146, welche zwischen dem Knoten 134 und 136 angeschlossen sind. Zum Zweck der Erklärung können die Windungen 146 hierin als den primären Windungssatz (oder die primären Windungen) aufweisend bezeichnet werden, und der Satz von Windungen 144 kann hierin als den zweiten Windungssatz (oder die sekundären Windungen) aufweisend bezeichnet werden. Die Windungen 144 und 146 stellen induktive Elemente bereit, welche magnetisch in einer üblichen Art gekoppelt sind, um einen Transformator zu bilden, wie aus dem Stand der Technik bekannt. In einer beispielhaften Ausführungsform ist das Isolationsmodul 106 als Hochfrequenztransformator realisiert. In diesem Zusammenhang weist das Isolationsmodul 106 einen Transformator auf, welcher für ein bestimmtes Leistungsniveau bei einer hohen Frequenz ausgelegt ist, so wie die Schaltfrequenz der Schalter der Wandlungsmodule 104 und 108 (z.B. 50 kHz), was in einer Reduzierung der physikalischen Größe des Transformators gegenüber einem Transformator, welche für das gleiche Leistungsniveau bei einer niedrigeren Frequenz dimensioniert ist, resultiert, wie zum Beispiel der Frequenz der AC-Energiequelle 120 (z.B. der Netzfrequenz).
  • In einer beispielhaften Ausführungsform ist das induktive Element 110 als Induktivität realisiert, welche elektrisch in Serie zwischen Knoten 132 des Matrixkonverters 108 und einem Knoten 140 der AC-Schnittstelle 114 angeordnet ist.
  • Dementsprechend wird, ohne Limitierung, zum Zweck der Bequemlichkeit das induktive Element 110 hierin als Induktivität bezeichnet. Die Induktivität 110 funktioniert als ein induktives Hochfrequenzenergiespeicherelement während dem Betrieb des elektrischen Systems 100. Das kapazitive Element 112 ist als Kondensator realisiert, welcher zwischen Knoten 140 und 142 der AC-Schnittstelle 114 angeordnet ist und der Kondensator 112 und Induktivität 110 sind kooperativ dazu ausgebildet, einen Hochfrequenzfilter bereitzustellen, um Spannungswelligkeit an der AC-Schnittstelle 114 zu minimieren, wie aus dem Stand der Technik bekannt.
  • Das Steuermodul 116 repräsentiert allgemein die Hardware, Firmware und/oder Software, welche dazu ausgebildet ist, die Schalter der Wandlungsmodule 104 und 108 zu betreiben und/oder zu modulieren, um einen gewünschten Leistungsfluss von der AC-Energiequelle 120 zu der DC-Energiequelle 118 zu erreichen. In Abhängigkeit von der Ausführungsform kann das Steuermodul 116 mit einem Allzweckprozessor, einem Mikroprozessor, einem Mikrocontroller, einem Assoziativspeicher, einem digitalen Signalprozessor, einem anwendungsspezifischen integrierten Schaltkreis, einem feldprogrammierbaren Gate-Array, jedem geeigneten programmierbaren Logikgerät, diskreter Gatter oder Transistorlogik, diskreten Hardware-Komponenten oder jeder Kombination davon implementiert oder realisiert werden, welche dazu ausgebildet sind, die Funktionen, welche hierin beschrieben werden, zu unterstützen und/oder auszuführen.
  • Während dem normalen Betrieb, nach der Startperiode, für Netz-zu-Fahrzeug-Anwendungen, bestimmt das Steuermodul 116 pulsweitenmodulierte (PWM)-Steuersignale, welche das Timing und das Taktverhältnis der Schalter (20-34) des Matrixkonverters 108 steuern, um eine Hochfrequenz-AC-Spannung über den primären Windungen 146 des Isolationsmoduls 106 zu erzeugen, was eine Spannung über die sekundärgen Windungen 144 an Knoten 122 und 124 induziert, was in einem gewünschten Strom (iDC) resultiert, welcher zu der DC-Schnittstelle 102 fließt, um die DC-Energiequelle 118 zu laden. Zum Beispiel erzeugt das Steuermodul 116 in Übereinstimmung mit einer Ausführungsform ein sinusförmiges PWM-Steuersignal mit variablem Taktverhältnis, welche Übergänge einer Zustandsmaschine steuert und dadurch das Taktverhältnis der Schalter (20-34) steuert, um das geeignete Schaltmuster während einem Schaltintervall (z.B. dem inversen der Schaltfrequenz) zu implementieren. Das Steuermodul 16 erhält, überwacht oder erfasst anderweitig die Spannung an der DC-Schnittstelle 102 (VDC) und vergleicht die erhaltene DC-Spannung mit einer Referenzspannung (z.B. der gewünschten Spannung an der DC-Schnittstelle 102), um ein Fehlersignal zu erhalten, welches mit einem Hochfrequenzträgersignal verglichen wird, welches der Schaltfrequenz (z.B. 50 kHz) entspricht, um das sinusförmige PWM-modulierte Taktverhältnis zu erhalten. Wenn das Fehlersignal kleiner ist als das Trägersignal, betreibt das Steuermodul 116 die Schalter 20-34 um Knoten 132 und 138 effektiv kurz zu schließen und Energie durch den Matrixkonverter 108 zu schalten, um eine Spannung über Induktivität 110 anzulegen. Wenn das Fehlersignal größer ist als das Trägersignal, betreibt das Steuermodul 116 die Schalter (20-34), um die gespeicherte Energie und/oder Spannung der Induktivität 110 (alternativ die Fly-Back-Spannung) freizulassen. Die Summe der Fly-Back-Spannung und der Spannung an der AC-Schnittstelle 114 wird an die primären Windungen 146 des Isolationsmoduls 106 angelegt, was in einem Leistungstransfer zu Knoten 122 und 124 und/oder zu der DC-Energiequelle 118 resultiert. Das Steuermodul 116 wiederholt die Schritte des Betreibens der Schalter (20-34), um Energie durch den Matrixkonverter 108 zu schalten, wenn das Fehlersignal geringer als das Trägersignal wird und um gespeicherte Energie der Induktivität 110 freizusetzen, wenn das Fehlersignal größer als das Trägersignal ist. Auf diese Art wechselt der Matrixkonverter 108 zwischen dem Schalten von Energie durch die Induktivität 110 und dem Liefern von Energie an das Isolationsmodul 106 und/oder die DC-Schnittstelle 102, wie während dem Betrieb des Ladesystems 100 benötigt.
  • Es sollte verstanden werden, dass 1 eine vereinfachte Darstellung eines elektrischen Systems 100 zum Zwecke der Erklärung ist, und nicht dazu gedacht ist, den Geltungsbereich oder die Anwendbarkeit des Gegenstandes, welcher hierin beschrieben wird, zu beschränken. Auch wenn 1 direkte elektrische Verbindungen zwischen Schaltungselementen und/oder Anschlüssen zeigt, können daher alternative Ausführungsformen dazwischenliegende Schaltungselemente und/oder Komponenten aufweisen, welche in einer im Wesentlichen ähnlichen Art und Weise funktionieren. Zusätzlich ist der Gegenstand nicht dazu gedacht, auf Fahrzeug- und/oder Automobilanwendungen beschränkt zu sein, auch wenn das elektrische System 100 hierin im Zusammenhang des Matrixkonverters 108 für ein Fahrzeug beschrieben wird, und der Gegenstand, welcher hierin beschrieben wird, kann in jeder Anwendung eingesetzt werden, in der ein Energiewandlungsmodul (z.B. ein Buck-Konverter, Boost-Konverter, Leistungswechselrichter, Stromquellenwechselrichter und/oder Wandler, Spannungsquellenwechselrichter und/oder Wandler und dergleichen) verwendet wird, um Energie unter Verwendung von Schaltelementen zu übertragen.
  • 2 ist ein Flussdiagramm 200 für eine beispielhafte initiale Startphase für das elektrische System 100, welches in 1 dargestellt ist. Die initiale Startphase kann, ebenso wie die folgende Startphase, wie unten beschrieben, zum Beispiel auch das Steuermodul 116 gesteuert werden. Die initiale Startphase beginnt mit dem Synchronisieren des elektrischen Systems 100 mit der AC-Energiequelle 120 (Schritt 202). Wie im Folgenden im größeren Detail beschrieben, gibt das Steuermodul 116 während der Startphase PWM-Steuersignale aus, welche auf einem Nulldurchgang der AC-Energiequelle 120 basieren. In einer Ausführungsform beinhaltet das Steuermodul 116 zum Beispiel einen Phasenregelkreis (PLL), um das elektrische System 100 mit der AC-Energiequelle 120 zu synchronisieren. In anderen Ausführungsformen kann das Steuermodul Hardware, Software oder jede Kombination davon verwenden, um den Nulldurchgang der AC-Energiequelle 120 zu bestimmen.
  • Das Steuermodul initialisiert den initialen Startzyklus (Schritt 204). Um das elektrische System 100 sicher zu starten, um den Kondensator 126 und/oder die DC-Energiequelle 118 zu laden, verwendet das Steuermodul 116 PWM-Signale, um die Schalter 20-34 und 52-58 zu steuern, um langsam eine Ladung über Kondensator 126 und/oder DC-Spannungsquelle 118 aufzubauen. Wie oben beschrieben, wird die Summe der Fly-Back-Spannung und die Spannung an der AC-Schnittstelle 114 an den primären Windungen 146 des Isolationsmoduls 106 angelegt, was in einem Leistungstransferzu-Knoten 122 und 124 und/oder der DC-Energiequelle 118 resultiert. Das elektrische System 100 ist dazu ausgebildet, während der initialen Startphase ein Null-Prozent-Taktverhältnis zu haben, so dass die Fly-Back-Spannung 0 V beträgt (das heißt, es gibt keine Spannungsverstärkung). Zum Beispiel kann das elektrische System 100 in einem beispielhaften halben Zyklus, wenn ein Null-Prozent-Taktverhältnis bereitgestellt wird, die Schalter 20, 24, 30 und 34 öffnen, während gleichzeitig die Schalter 22, 26, 28 und 32 geschlossen werden. In einem darauffolgenden Halbzyklus werden Schalter 22, 26, 28 und 32 geöffnet, während Schalter 20, 24, 30 und 34 geschlossen werden. Wenn eine Verstärkung bereitgestellt wird, wird das Steuermodul 116 alle der Schalter 20-34 für eine vorgegebene Zeit öffnen, basierend auf dem gewünschten Taktverhältnis, wie im Folgenden im größeren Detail beschrieben wird.
  • Die Initialisierung in Schritt 204 kann zum Beispiel in Abhängigkeit von der Konfiguration des elektrischen Systems und der Rate, mit welcher die Spannung erhöht wird, so dass das elektrische System 100 sicher starten kann, variieren. Das Steuermodul 116 kann einen Startzähler erzeugen und initialisieren, um eine Regelschleife zu steuern (Schritte 206-226, wie im Folgenden im größeren Detail beschrieben) und kann eine Spannungsinkrementmenge bestimmen, um die Spannung, welche durch die Regelschleife fließt und welche an den Kondensator 126 und/oder die DC-Energiequelle 118 übertragen werden soll, jeden kompletten Zyklus zu erhöhen.
  • Das Steuermodul 116 bestimmt eine maximale Spannung für die Startphase und/oder einen entsprechenden maximalen Zählerwert. In einer Ausführungsform kann das Spannungsinkrement zum Beispiel ein Volt sein, die maximale Spannung kann zum Beispiel zwanzig Volt sein und der entsprechende maximale Zählwert würde zwanzig sein. In anderen Ausführungsformen kann das Spannungsinkrement zum Beispiel ein Zehntel Volt sein, die maximale Spannung kann zum Beispiel zwanzig Volt sein und der entsprechende maximale Zählerwert wäre zweihundert. Das Spannungsinkrement und die maximale Spannung können jedoch in Abhängigkeit von der Konfiguration des elektrischen Systems 100, der Spannung der DC-Energiespannungsquelle 118 und der Spannung der AC-Schnittstelle 114 variieren. In anderen Ausführungsformen kann der maximale Wert für den Zähler in der ersten Phase zum Beispiel der Spitzenspannung der AC-Quelle 120 entsprechen.
  • Das Steuermodul 116 wartet dann auf den nächsten Null-Durchgang (Schritt 206). Das Steuermodul 116 berechnet dann, wann der nächste Null-Durchgang erfolgen wird (Schritt 208). Wie oben beschrieben, kann die AC-Schnittstelle 114 mit einer AC-Energiequelle gekoppelt sein. In den Vereinigten Staaten arbeitet die Standard-AC-Energiequelle zum Beispiel bei 60 Hertz. Entsprechend kann in einer Ausführungsform der Null-Durchgang der AC-Schnittstelle zum Beispiel ungefähr alle 8,3333 ms erfolgen; jedoch können andere Frequenzen verwendet werden.
  • Das Steuermodul 116 berechnet dann eine Startzeit für das PWM-Signal, um das PWM-Signal vor dem nächsten berechneten Null-Durchgang zu starten. (Schritt 210). In anderen Worten werden in der Startphase PWM-Signale nur am Ende jedes AC-Halbzyklusses erzeugt. Am Ende jedes AC-Halbzyklusses ist die Spannung von der AC-Schnittstelle 114 gering und nähert sich Null an. Entsprechend wird jeder Strom, welcher in die Induktivität 110 von der AC-Schnittstelle 114 fließt, sich Null annähern. Da sich der Strom durch die Induktivität 110 Null annähert, wenn die PWM-Signale enden, gibt es keinen überschüssigen Strom in dem elektrischen System 100, welcher behandelt werden müsste. In einer Ausführungsform berechnet das Steuermodul 116 zum Beispiel die Startzeit basierend auf der folgenden Gleichung: S t a r z e i t ( x ) = N u l l − D u r c h g a n g ( x + 1 ) − a r c s i n ( S t e u e r s p a n n u n g ( x ) A C − S p i t z e n s p a n n u n g )
    Figure DE102012204675B4_0001
  • Wobei Null-Durchgang (x+1) der von Schritt 208 berechnete nächste Null-Durchgang ist und eine Steuerspannung (x) die Multiplikation des momentanen Startzählerwertes und der Spannungsinkrementmenge, welche in Schritt 204 bestimmt wurde, ist. Während das beispielhafte Flussdiagramm das Steuermodul als die nächste Startzeit in Echtzeit berechnend darstellt, während das elektrische System 100 initialisiert wird, können die Startzeiten zu jeder Zeit berechnet werden. In einem anderen Ausführungsbeispiel kann das Steuermodul 116 die Startzeiten zum Beispiel im voraus berechnen.
  • Das Steuermodul 116 wartet dann auf die berechnete Startzeit (Schritt 212). Zu der berechneten Startzeit startet das Steuermodul 116 die PWM-Signale mit einem Null-Prozent-Taktverhältnis (Schritt 214). Wie oben beschrieben, gibt das Steuermodul 116 PWM-Signale mit einem Null-Prozent-Taktzyklus aus, welche keine Spannungsverstärkungsfunktion bereitstellen, in der initialen und zweiten Phase. Wie im Folgenden in größerem Detail beschrieben, können die Schalter 20-34 dazu ausgebildet sein, eine Fly-Back-Spannung von der Induktivität 110 durch das Isolationsmodul 106 an den Kondensator 126 und/oder die DC-Spannungsquelle 118 bereitzustellen. Die Verstärkungsfunktion erlaubt es dem elektrischen System 100, eine höhere Spannung bereitzustellen, als die Spannung der AC-Schnittstelle 114, um den Kondensator 126 und/oder die DC-Spannungsspannung 118 zu laden. In einer Ausführungsform ist die DC-Spannungsquelle zum Beispiel eine wiederaufladbare Batterie in einem elektrischen oder Hybrid-Fahrzeug. In dieser Ausführungsform kann die wiederaufladbare Batterie eine Spitzenspannung von 300 Volt haben. Im Gegensatz dazu kann die AC-Quelle 120 eine Standard U.S. Leistungssteckdose in einem Haus sein, welche eine Spitzenspannung von 170 Volt bereitstellt.
  • Wenn die PWM-Signale einmal begonnen haben, überwacht das Steuermodul 116 die Menge an Strom 190, welche durch die Induktivität 110 fließt. Wenn der Strom über einem vorgegebenen Schwellwert ist, stoppt das Steuermodul die PWM-Signale (Schritt 222). Der vorgegebene Schwellwert kann zum Beispiel basierend auf einem Schwellwert festgelegt sein, bei welchem Schaden an dem elektrischen System 100 auftreten könnte. In einer Ausführungsform ist der vorgegebene Schwellwert beispielsweise 10 Ampere. In anderen Ausführungsformen kann der vorgegebene Schwellwert zum Beispiel basierend auf der vorhandenen Steuerspannung variieren.
  • Wenn der Strom 190 durch die Induktivität 110 nicht über dem vorgegebenen Schwellwert liegt, bestimmt das Steuermodul dann, ob eine PWM-Auszeit erreicht wurde (Schritt 218). In einer Ausführungsform kann die PWM-Auszeit zum Beispiel die Null-Durchgangszeit sein, welche in Schritt 208 berechnet wurde. Wenn die PWM-Auszeit nicht erreicht wurde, kehrt das Steuermodul 116 zu Schritt 216 zurück und fährt mit dem Überwachen des Stroms 190 durch die Induktivität 110 fort. Wenn die PWM-Auszeit erreicht wurde, inkrementiert das Steuermodul 116 den Startzähler (Schritt 220). Das Steuermodul beendet dann die PWM-Signale (Schritt 222). In einer Ausführungsform kann das Steuermodul 116 zum Beispiel die PWM-Signale an dem Null-Durchgang beenden. In anderen Ausführungsformen kann das Steuermodul 116 die PWM-Signale an dem Null-Durchgang oder an einem anderen vorgelegten Punkt nach dem Null-Durchgang beenden.
  • Das Steuermodul 116 bestimmt dann, ob der Startzähler seinen Endwert erreicht hat, was das Ende der initialen Startphase signalisiert (Schritt 224). Wenn der Startzähler geringer ist als der Endwert, kehrt das Steuermodul zu Schritt 208 zurück, um zu bestimmen, wann der nächste Null-Durchgang auftreten wird. Wenn der Zähler gleich dem Endwert ist, geht das Steuermodul zu der zweiten Phase über, welche im größeren Detail im Folgenden beschrieben wird (Schritt 226).
  • 3 illustriert ein Timing-Diagramm 300 für einen beispielhaften Zyklus während einer initialen Startphase. Es sollte beachtet werden, das 3 nicht maßstabsgetreu gezeichnet ist. Wie in 3 zu sehen, hat ein Signal 314, welches der Spannung der AC-Schnittstelle 114 entspricht, bei Zeitpunkt 302 einen Null-Durchgang. Wie oben beschrieben, bestimmt das Steuermodul eine Startzeit 304 vor dem Null-Durchgang 302, zu welcher das Steuermodul 116 die PWM-Signale 320-334 initiiert, welche den Schaltern 20-34 entsprechen. Unter der Annahme, dass der Strom 190, welcher durch die Induktivität 110 fließt, den vorgegebenen Schwellwert nicht übersteigt, wie oben beschrieben, würden darauffolgende Zyklen der initialen Startphase frühere Startzeiten haben, als die vorherigen Zyklen. Zum Beispiel könnte eine folgende Startzeit bei Zeitpunkt 306 sein.
  • 4 ist ein Flussdiagramm 400 für eine beispielhafte zweite Startphase für das elektrische System 100, welches in 1 dargestellt ist. In der zweiten Startphase lädt das Steuermodul 116 den Kondensator und/oder die DC-Spannungsquelle 118 bis zu der Spitzenspannung der AC-Spannungsschnittstelle 114. Diese zweite Startphase kann in Abhängigkeit von der Spannung über den Kondensator nach der ersten Startphase optional sein. Wie oben beschrieben, kann der Zähler in der ersten Startphase ausgewählt werden, um die Ladung über dem Kondensator und/oder der DC-Spannungsquelle 118 bis zu der maximalen Spannung von der AC-Spannungsschnittstelle 114 zu erhöhen.
  • Das Steuermodul 116 wartet zuerst auf eine Null-Durchgang an der AC-Leitung (Schritte 102). Das Steuermodul berechnet dann den nächsten Null-Durchgang und speichert die Zeit als den nächsten PWM-Aus-Event in der gleichen Art und Weise, wie dies in Bezug auf die initiale Startphase beschrieben wurde (Schritt 404).
  • Das Steuermodul 116 berechnet dann eine Startzeit für das PWM-Signal, um das PWM-Signal vor dem nächsten berechneten Null-Durchgang zu starten und eine Steuerspannung. (Schritt 406). Im Gegensatz zu der initialen Startphase, bei welcher die Startzeit auf einem Zähler basierte, basiert in der zweiten Startphase die Startzeit auf einer Ausgangsspannung. Die Ausgangsspannung kann zum Beispiel die Spannung des Kondensators 126 und/oder die Spannung der Spannungsquelle 118 sein. In einer Ausführungsform misst das Steuermodul 116 die Spannung über der DC-Spannungsquelle 118. Das Steuermodul bestimmt dann die Steuerspannung durch das Hinzufügen einer vorgegebenen Konstante zu der gemessenen Spannung über die DC-Spannungsquelle 118. In einer Ausführungsform kann die vorgegebene Konstante zum Beispiel in dem Bereich von 2-6 Volt sein; jedoch könnte die vorgegebene Konstante außerhalb der 2-6 Volt variieren, basierend auf der Konfiguration des elektrischen Systems 100 und basierend darauf wie schnell das elektrische System die Spannung mit einem Null-Prozent-Taktverhältnis erhöhen kann. Ferner kann in anderen Ausführungsformen die Menge an Spannung, welche der Steuerspannung in jedem Zyklus der zweiten Phase hinzugefügt wird basierend auf der gemessenen Ausgangsspannung variieren. Ferner kann in anderen Ausführungsformen die Menge an Spannung, welche der Steuerspannung hinzugefügt wird, basierend auf einem berechneten Spannungsabfall über die Halbleitervorrichtungen des elektrischen Systems 100 (z.B. Schalter 20-34) berechnet werden.
  • Das Steuermodul wartet dann auf die berechnete PWM-Startzeit (Schritt 408). Wenn einmal die berechnete PWM-Startzeit erreicht wurde, startet das Steuermodul 116 das Ausgeben der PWM-Signale um die Schalter 20-34 zu steuern, so dass eine Spannung zu dem Kondensator 126 und/oder der DC-Spannungsquelle 118 mit einem Null-Prozent-Taktverhältnis übertragen wird. Wie oben dargestellt, können die Schalter 20-34 durch das Steuermodul 116 gesteuert werden, um eine Spannung an dem Kondensator 126 und/oder der DC-Spannungsquelle 118 bereitzustellen, welche größer als die Spitzenspannung der AC-Schnittstelle 114 ist (das heißt durch das Bereitstellen von Verstärkung), bereitzustellen. Jedoch wird in dem zweiten Startzyklus ein Null-Prozent-Taktverhältnis verwendet, welches keine Verstärkung bereitstellt. Während andere Konfigurationen verwendet werden können, ist ein Vorteil der Konfiguration des elektrischen Systems, welches in 1 dargestellt ist, das auch wenn das Steuermodul 116 das zweite Energiewandlungsmodul 108 konfiguriert, um einen Null-Prozent-Taktzyklus zu haben, trotzdem Spannung über das Isolationsmodul 106 übertragen wird, was es dem Steuermodul 116 erlaubt, Spannung an dem Kondensator 126 und/oder die DC-Spannungsquelle 118 bereitzustellen.
  • Nachdem das Steuermodul 116 begonnen hat, die entsprechenden PWM-Signale auszugeben, überwacht das Steuermodul die Menge an Strom 190 durch die Induktivität 110 (Schritt 412). Wenn der Strom 190 über einem vorgegebenen Schwellwert liegt, bei welchem Schaden in dem elektrischen System 100 auftreten könnte, reduziert das Steuermodul die Steuerspannung für darauf folgende Zyklen der zweiten Startphase (Schritt 416).
  • Wenn der Strom 190 durch die Induktivität 110 nicht über dem vorgegebenen Schwellwert liegt, bestimmt das Steuermodul, ob der PWM-Aus-Zeitpunkt erreicht wurde (Schritt 414). Wie oben beschrieben, kann die PWM-Aus-Zeit an dem Null-Durchgang der AC-Schnittstelle 114 liegen. In anderen Ausführungsformen könnte die PWM-Aus-Zeit zum Beispiel kurz vor oder nach dem Null-Durchgang sein. Wenn die PWM-Aus-Zeit nicht erreicht wurde, kehrt das Steuermodul 116 zu Schritt 412 zurück und fährt damit fort, den Strom 190 durch die Induktivität 110 zu überwachen. Wenn der PWM-Aus-Zeitpunkt erreicht wurde, misst das Steuermodul die Ausgangsspannung (zum Beispiel die Spannung über dem Kondensator 126 und/oder der DC-Spannungsquelle 118) (Schritt 418). Wenn die Ausgangsspannung größer oder gleich der Spitzenspannung der AC-Schnittstelle 114 ist, fährt das Steuermodul mit einer dritten Phase der Startprozedur fort (Schritt 420). Wenn die Ausgangsspannung geringer als die Spitzenspannung der AC-Schnittstelle 114 ist, kehrt das Steuermodul zu Schritt 402 zurück und kehrt zu Schritt 404 zurück, um den darauf folgenden Nulldurchgang zu berechnen, wie oben dargestellt.
  • 5 ist ein Flussdiagramm 500 für eine beispielhafte dritte Startphase für das elektrische System 100, welches in 1 dargestellt ist. Im Gegensatz zu der initialen und der zweiten Phase, in denen das Steuermodul 116 nur die PWM-Signale während einem Teil des Zyklusses generierte, werden die PWM-Signale in der dritten Phase kontinuierlich generiert. Wie oben dargestellt, erzeugt das Steuermodul 116 für die initiale Startphase und die zweite Startphase PWM-Signale, um Schalter 20-34 derart zu steuern, dass ein Null-Prozent-Taktverhältnis vorhanden war. In der dritten Phase erhöht das Steuermodul das Taktverhältnis von 0 % auf einen maximalen Wert, was eine Verstärkungsfunktion durch das Erzeugen von Spannungsspitzen bereitstellt, wie im Folgenden im größeren Detail beschrieben.
  • Das Taktverhältnis korreliert mit einem Teil eines PWM-Zyklusses, wenn Strom durch die Induktivität 110 fließt. Wenn zum Beispiel das Steuermodul 116 das Taktverhältnis auf 10 % festlegt, steuert das Steuermodul 116 die Schalter 20-34, um einen Stromfluss durch die Induktivität 116 für 10 % des AC-Halbzyklusses zu ermöglichen, wodurch Energie in der Induktivität gespeichert wird. Wenn das Steuermodul 116 den Strompfad von der AC-Schnittstelle 114 unterbricht, indem einige der Schalter 20-34 geöffnet werden, entlässt die Induktivität die gespeicherte Energie, was eine Verstärkung bereitstellt (das heißt was die Spannung der an den Kondensator 126 und/oder die Energiequelle 118 übertragenen Energie erhöht).
  • In der Ausführungsform, welche in 1 dargestellt ist, ist die Eingangsspannungsquelle die AC-Energiequelle 120, welche an AC-Schnittstelle 114 angeschlossen ist. Da die Spannung der AC-Energiequelle 120 gemäß einer Sinuswelle moduliert, ist die Menge an Verstärkung, welche proportional zu dem Taktverhältnis ist, abhängig von einem Phasenwinkel der AC-Energiequelle 120. Die Verstärkung, welche benötigt wird, um eine gegebene Ausgangsspannung zu erzeugen, ist invers proportional zu der momentanen AC-Spannung. In anderen Worten ist die benötigte Verstärkung im Null-Durchgang der AC-Energiequelle 120 unendlich, während bei der Spitze des AC-Halbzyklusses die benötigte Verstärkung bei einem relativen Minimum ist.
  • Das Steuermodul 116 berechnet zuerst das PWM-Taktverhältnis, welches benötigt wird, um die Ausgangsspannung, welche in der zweiten Phase erreicht wurde, zu halten (Schritt 502). Für den ersten Durchlauf der dritten Startphase kann das anfängliche Taktverhältnis zum Beispiel 0 % sein. Das Steuermodul 116 vergleicht dann das berechnete Taktverhältnis mit einem maximalen Tastverhältnisklemmwert. (Schritt 504). Der maximale Tastverhältnisklemmwert entspricht dem maximalen Tastverhältnis, welches das Steuermodul 116 für den vorliegenden AC-Halbzyklus erlauben würde. Für den ersten Durchlauf durch die dritte Startphase kann der maximale Klemmwert zum Beispiel auf 0 % gesetzt sein. In anderen Ausführungsformen kann der maximale initiale Klemmwert auf einen nominalen Wert gesetzt sein, zum Beispiel 2 %. Der maximale Klemmwert wird nach jedem Halbzyklus nach oben angepasst, indem kein Über-Strom vorhanden war, wie im Folgenden im größeren Detail beschrieben. Während dieser Taktverhältnisklemmwert-Erhöhungsperiode wird ein einzelnes Taktverhältnis berechnet und wird verwendet, bis der Klemmwert auf seinen Endwert erhöht wurde. Dieses Taktverhältnis ist eine Schätzung, basierend auf bekannten Systemparametern, welche ausgebildet ist, um die Kondensatorspannung auf ihren Zielwert zu verstärken.
  • Wenn der berechnete PWM-Taktzyklus (aus Schritt 502) größer ist als der maximale Taktzyklusklemmwert, klemmt das Steuermodul 116 den PWM-Taktzyklus auf den Klemmwert (Schritt 506). Die Energie, welche in der Induktivität 110 gespeichert ist, ist proportional zu dem Taktverhältnis. Diese Energie wird in jedem PWM-Zyklus freigelassen. Ob der Strom aus der Induktivität 110 zu dem Kondensator 126 und/oder der DC-Energiequelle 118 fließt, hängt von der Spannung über dem Kondensator 126 und/oder der DC-Energiequelle 118 ab.
  • Das Steuermodul 116 fährt dann damit fort, PWM-Signale basierend auf dem berechneten PWM-Taktverhältnis und basierend darauf, ob das berechnete PWM-Taktverhältnis größer als der maximale Taktverhältnisklemmwert für den aktuellen AC-Halbzyklus ist, zu erzeugen (Schritt 508). Wenn das berechnete PWM-Taktverhältnis größer als der maximale Taktverhältnisklemmwert für den aktuellen AC-Halbzyklus ist, erzeugt das Steuermodul 116 PWM-Signale, um das aktuelle Taktverhältnis beizubehalten. Wenn das berechnete PWM-Taktverhältnis kleiner ist als der maximale Taktverhältnisklemmwert für den aktuellen AC-Halbzyklus, erzeugt das Steuermodul 116 PWM-Signale, um das aktuelle Taktverhältnis zu erhöhen. In anderen Worten berechnet das Steuermodul 116 ein Taktverhältnis, welches ein Ergebnis liefert, welches nahe der gewünschten Ausgangsspannung liegt. Dieses Taktverhältnis wird während der gesamten dritten Startphase verwendet. Nach dem Berechnen des Taktverhältnisses berechnet die Steuerung den Endklemmwert, zum Beispiel das aktuelle Taktverhältnis plus 5 %. Wenn zum Beispiel das berechnete Taktverhältnis 10 % ist, würde der Endwert 15 % sein.
  • Das Steuermodul 116 würde beginnen, den Klemmwert von 0 nach oben zu fahren. Da das Taktverhältnis nicht größer als der Klemmwert sein kann, würde das Taktverhältnis dem Klemmwert bis hoch zu 10 % folgen. Während der Klemmwert weiter ansteigt, bleibt das Taktverhältnis bei 10 %, was eine Ausgangsspannung ergeben sollte, welche ungefähr bei der gewünschten Ausgangsspannung liegt.
  • Das Steuermodul 116 überwacht dann die Menge an Strom, welche in das elektrische System 100 fließt (Schritt 510). Wenn die Menge an Strom über einem vorgegebenen Schwellwert ist, setzt das Steuermodul 116 eine Über-Stromkennzeichnung (Schritt 512).
  • Das Steuermodul 116 bestimmt dann, ob ein AC-Halbzyklus beendet ist (Schritt 514). In anderen Worten überwacht das Steuermodul, ob ein Null-Durchgang an der AC-Schnittstelle 114 stattgefunden hat. Wenn ein Null-Durchgang nicht stattgefunden hat, kehrt das Steuermodul zu Schritt 502 zurück, um das PWM-Taktverhältnis zu berechnen, welches benötigt wird, um die Ausgangsspannung, welche über dem Kondensator 126 und/oder der DC-Spannungsquelle 118 gemessen wurde, beizubehalten.
  • Wenn ein Null-Durchgang stattgefunden hat, bestimmt das Steuermodul 116, ob eine Über-Stromkennzeichnung während dem AC-Halbzyklus gesetzt wurde (Schritt 516). Wenn eine Über-Stromkennzeichnung während dem AC-Halbzyklus gesetzt wurde, löscht das Steuermodul die Über-Stromkennzeichnung und kehrt zu Schritt 504 zurück.
  • Wenn eine Über-Stromkennzeichnung während dem letzten AC-Halbzyklus nicht gesetzt wurde, erhöht das Steuermodul 116 den maximalen Taktzyklusklemmwert (Schritt 520). In einer Ausführungsform wird der maximale Taktverhältnisklemmwert für jeden AC-Halbzyklus, in dem keine Über-Spannungskennzeichnung gesetzt wurde, um einen vorgegebenen Wert erhöht. Zum Beispiel kann in einer Ausführungsform der maximale Taktverhältnisklemmwert für jeden AC-Halbzyklus, in dem keine Über-Stromkennzeichnung gesetzt wurde, um 0,5 % erhöht werden. Die Menge, um die der maximale Taktverhältnisklemmwert erhöht wird, kann in Abhängigkeit von der Konfiguration des elektrischen Systems 100 und in Abhängigkeit davon, wie schnell das Taktverhältnis ohne einen Schaden an dem elektrischen System 100 zu riskieren erhöht werden kann, erhöht werden.
  • Das Steuermodul bestimmt dann, ob der maximale Taktverhältnisklemmwert größer oder gleich einem maximalen gewünschten Taktverhältnis ist (Schritt 522). In einer Ausführungsform kann das maximale gewünschte Taktverhältnis zum Beispiel 94 % betragen. Das maximal gewünschte Taktverhältnis kann jedoch basierend auf der Konfiguration des elektrischen Systems variieren. Zum Beispiel kann in anderen Ausführungsformen das maximale gewünschte Taktverhältnis zwischen 90 und 95 % variieren. Das Taktverhältnis benötigt eine gewisse Auszeit, um die Fly-Back-Spannung zu erzeugen, welche den Ausgang des elektrischen Systems 100 verstärkt. Wenn der maximale Taktverhältnisklemmwert kleiner ist als das maximale gewünschte Taktverhältnis, kehrt der Prozess zu Schritt 502 zurück. Wenn der maximale Taktverhältnisklemmwert größer oder gleich dem maximalen gewünschten Taktverhältnis ist, ist der Start beendet und das elektrische System beginnt den normalen Betrieb (Schritt 524). In anderen Ausführungsformen kann das Steuermodul 116 das maximal gewünschte Taktverhältnis für die dritte Phase auf einen niedrigeren Wert setzen, als ein maximales allgemeines Taktverhältnis. In dieser Ausführungsform kann das Steuermodul 116 dazu ausgebildet sein, das Taktverhältnis während dem normalen Betrieb bis zu dem allgemeinen maximalen Taktverhältnis zu erhöhen.
  • Aus Gründen der Kürze, werden allgemein bekannte Techniken, welche sich auf elektrische Energie und/oder Leistungswandlung, elektrische Ladesysteme, Leistungswandler, Pulsweitenmodulation (PWM) und andere funktionale Aspekte des Systems (und die individuellen Betriebskomponenten des Systems) beziehen, hierin nicht im Detail beschrieben werden. Ferner sind die Verbindungslinien, welche in den Figuren, welche hierin beinhaltet sind, dazu gedacht, beispielhafte funktionale Beziehungen und/oder physikalische Kopplungen zwischen der Vielzahl von Elementen darzustellen. Es sollte verstanden werden, dass alternative oder zusätzliche funktionale Verbindungen oder physikalische Verbindungen in einer Ausführungsform des Gegenstandes vorhanden sein können.
  • Techniken und Technologien können hierin in Begriffen von funktionalen und/oder logischen Blockkomponenten und mit Bezug auf symbolische Repräsentationen von Operationen, Verarbeitungsaufgaben und Funktionen beschrieben werden, welche durch eine Vielzahl von Computerkomponenten oder Vorrichtungen durchgeführt werden können. Es sollte verstanden werden, dass eine Vielzahl von Blockkomponenten, welche in den Figuren gezeigt sind, als eine beliebige Anzahl von Hardware-, Software- und/oder Firmware-Komponenten realisiert werden können, welche dazu ausgebildet sind, die spezifizierten Funktionen durchzuführen. Zum Beispiel kann eine Ausführungsform eines Systems oder einer Komponente eine Vielzahl von integrierten Schaltungskomponenten (z.B. Speicherelementen, digitalen Signalprozessorelementen, Logikelementen, Look-up-Tabellen oder dergleichen einsetzen, welche eine Vielzahl von Funktionen unter der Steuerung eines oder mehrerer Mikroprozessoren oder anderer Steuervorrichtungen durchführen können.
  • Während zumindest eine beispielhafte Ausführungsform in der vorangegangenen detaillierten Beschreibung dargestellt wurde, sollte verstanden werden, dass eine große Anzahl von Variationen existiert. Es sollte auch verstanden werden, dass die beispielhafte Ausführungsform oder Ausführungsformen, welche hierin beschrieben wurden, nicht dazu gedacht sind, den Geltungsbereich, die Anwendbarkeit oder die Konfiguration des beanspruchten Gegenstandes in irgendeiner Weise einzuschränken. Ferner wird die vorangegangene detaillierte Beschreibung dem Fachmann eine geeignete Anleitung geben, um die beschriebene Ausführungsform oder Ausführungsformen zu implementieren. Es sollte verstanden werden, dass eine Vielzahl von Änderungen an der Funktion und der Anordnung der Elemente durchgeführt werden kann, ohne von dem Geltungsbereich, wie er durch die Ansprüche, was auch bekannte und absehbare Äquivalente zum Zeitpunkt der Anmeldung dieser Patentanmeldung beinhaltet, definiert wird, abzuweichen.
  • Weitere Ausführungsformen
    1. 1. Verfahren zum Initiieren eines Ladesystems, welches ein Energiewandlungsmodul aufweist, welches dazu ausgebildet ist, eine Verstärkungsfunktion basierend auf einem Taktverhältnis bereitzustellen, aufweisend:
      • Bereitstellen, durch ein Ladesystem, einer inkrementell steigenden Spannung für eine Batterie bis zu einem vorgegebenen ersten Schwellwert, während das Energiewandlungsmodul ein Null-Prozent-Taktverhältnis hat;
      • Bereitstellen, durch das Ladesystem, einer inkrementell steigenden Spannung an die Batterie, beginnend bei einem initialen Spannungsniveau der Batterie bis zu einer Spitzenspannung der Spannungsquelle, während das Energiewandlungsmodul ein Taktverhältnis von 0 % hat; und
      • Bereitstellen, durch das Ladesystem, einer inkrementell steigenden Spannung an die Batterie, durch das inkrementelle Erhöhen des Taktverhältnisses des Energiewandlungsmoduls.
    2. 2. Verfahren nach Ausführungsform 1, wobei die Spannungsquelle eine Wechselstrom (AC)-Spannungsquelle ist und das Verfahren ferner das inkrementelle Erhöhen der Spannung, welche der Batterie bereitgestellt wird, zu jedem Halbzyklus der AC-Spannungsquelle aufweist.
    3. 3. Verfahren nach Ausführungsform 2, ferner aufweisend das Bereitstellen einer inkrementell steigenden Spannung an die Batterie zu jedem Halbzyklus der AC-Spannungsquelle, wenn ein Strom, welcher durch das Ladesystem fließt unter einem vorgegebenen Schwellwert liegt.
    4. 4. Verfahren nach Ausführungsform 3, wobei das Bereitstellen, durch das Ladesystem, einer inkrementell steigenden Spannung an die Batterie bis zu einem ersten vorgegebenen Schwellwert während das Energiewandlungsmodul ein Null-Prozent-Taktverhältnis aufweist, ferner aufweist:
      • Berechnen, durch das Ladesystem, eines Zeitpunktes des nächsten Null-Durchgangsevents, welches einem Null-Durchgang der AC-Spannungsquelle entspricht;
      • Berechnen, durch das Ladesystem, einer Startzeit relativ zu der Zeit des nächsten Nulldurchgangs, basierend auf einer inkrementell steigenden Steuerspannung; und
      • Generieren pulsweitenmodulierter Steuersignale aus der berechneten Startzeit bis ungefähr zu dem Zeitpunkt des nächsten Null-Durchgangs.
    5. 5. Verfahren nach Ausführungsform 3, wobei das Bereitstellen, durch das Ladesystem, einer inkrementell steigenden Spannung an die Batterie von einem initialen Spannungsniveau der Batterie bis zu einer Spitzenspannung der Spannungsquelle, während das Energiewandlungsmodul ein Taktverhältnis von 0 % aufweist, ferner aufweist:
      • Berechnen, durch das Ladesystem, eines Zeitpunktes eines nächsten Null-Durchgangsevents, welches einem Null-Durchgang der AC-Spannungsquelle entspricht;
      • Berechnen, durch das Ladesystem, einer Startzeit, relativ zu der Zeit des nächsten Null-Durchgangs, um ein Steuersignal zu initiieren und basierend auf einer Spannung, welche über der Batterie gemessen wurde; und
      • Erzeugen pulsweitenmodulierter Steuersignale von der berechneten Startzeit bis ungefähr zu dem Zeitpunkt des nächsten Null-Durchgangs.
    6. 6. Verfahren nach Ausführungsform 3, wobei das Bereitstellen, durch das Ladesystem, einer inkrementell steigenden Spannung an die Batterie durch das inkrementelle Erhöhen des Taktverhältnisses des Energiewandlungsmoduls ferner aufweist:
      • Kontinuierliches Erzeugen pulsweitenmodulierter Steuersignale über jeden Halbzyklus der AC-Spannungsquelle,
      • wobei die erzeugten pulsweitenmodulierten Steuersignale ein Taktverhältnis des Energiewandlungsmoduls steuern.
    7. 7. Ladesystem, aufweisend:
      • eine erste Schnittstelle, welche dazu ausgebildet ist, eine Spannungsquelle aufzunehmen;
      • ein Energiewandlungsmodul, welches elektrisch mit der Schnittstelle gekoppelt ist; und
      • eine Steuerung, welche kommunikativ mit dem Energiewandlungsmodul gekoppelt ist, wobei die Steuerung dazu ausgebildet ist, das Energiewandlungsmodul zu steuern, um:
        • eine inkrementell steigende Spannung einer Batterie bis zu einem ersten vorgegebenen Schwellwert bereitzustellen, während das Energiewandlungsmodul ein Null-Prozent-Taktverhältnis hat;
        • eine inkrementell steigende Spannung der Batterie von einem initialen Spannungsniveau der Batterie bis zu einer Maximalspannung einer Spannungsquelle bereitzustellen, während das Energiewandlungsmodul ein Null-Prozent-Taktverhältnis hat; und
        • Bereitstellen einer inkrementell steigenden Spannung an die Batterie, durch das inkrementelle Erhöhend es Taktverhältnisses des Energiewandlungsmoduls.
    8. 8. Ladesystem nach Ausführungsform 7, wobei die Spannungsquelle eine Wechselstrom (AC)-Spannungsquelle ist und die Steuerung ferner dazu ausgebildet ist, das Energiewandlungsmodul zu steuern, um inkrementell die Spannung, welche der Batterie jeden Halbzyklus der AC-Spannungsquelle bereitgestellt wird, zu erhöhen.
    9. 9. Ladesystem nach Ausführungsform 8, wobei die Steuerung ferner dazu ausgebildet ist, das Energiewandlungsmodul zu steuern, um die Spannung an der Batterie jeden Halbzyklus der AC-Spannungsquelle zu erhöhen, wenn ein Strom, welcher durch das Ladesystem fließt, unter einem vorgegebenen Schwellwert liegt.
    10. 10. Ladesystem nach Ausführungsform 9, wobei die Steuerung beim Steuern des Energiewandlungsmoduls, um die inkrementell steigende Spannung der Batterie bis zu einem ersten vorgegebenen Schwellwert bereitzustellen, während das Energiewandlungsmodul ein Null-Prozent-Taktverhältnis hat, ferner dazu ausgebildet ist:
      • Berechnen eines Zeitpunktes eines nächsten Null-Durchgangsevents, welches einem Null-Durchgang der AC-Spannungsquelle entspricht;
      • Berechnen einer Startzeit, relativ zu dem Zeitpunkt eines nächsten Null-Durchgangs und basierend auf einer inkrementell steigenden Steuerspannung, und
      • Erzeugen pulsweitenmodulierter Steuersignale von der berechneten Startzeit bis ungefähr zu dem Zeitpunkt des nächsten Null-Durchgangs, um das Energiewandlungsmodul dazu zu veranlassen, eine Spannung an die Batterie zu übertragen.
    11. 11. Ladesystem nach Ausführungsform 9, wobei die Steuerung beim Steuern des Energiewandlungsmoduls, um eine inkrementell steigende Spannung der Batterie von einem initialen Spannungsniveau der Batterie bis zu einer Spitzenspannung einer Spannungsquelle, während das Energiewandlungsmodul
      • ein Null-Prozent-Taktverhältnis hat, ferner dazu ausgebildet ist:
        • eine Zeit eines nächsten Null-Durchgangsevents, welches einem Null-Durchgang der AC-Spannungsquelle entspricht, zu berechnen;
        • Berechnen einer Startzeit relativ zu dem Zeitpunkt des nächsten Null-Durchgangs, um ein Steuersignal zu initiieren, und basierend auf einer über der Batterie gemessenen Spannung; und
        • Erzeugen pulsweitenmodulierter Steuersignale von dem berechneten Startzeitpunkt bis ungefähr zu dem Zeitpunkt des nächsten Null-Durchgangs, um das Energiewandlungsmodul dazu zu veranlassen, eine Spannung an die Batterie zu übertragen.
    12. 12. Ladesystem nach Ausführungsform 9, wobei die Steuerung beim Steuern des Energiewandlungsmoduls, um eine inkrementell steigende Spannung der Batterie bereitzustellen, indem das Taktverhältnis des Energiewandlungsmoduls inkrementell erhöht wird, ferner dazu ausgebildet ist:
      • Kontinuierliches Erzeugen pulsweitenmodulierter Steuersignale über jeden Halbzyklus der AC-Spannungsquelle, um das Energiewandlungsmodul dazu zu veranlassen, der Batterie eine Spannung zu übertragen,
      • wobei die erzeugten pulsweitenmodulierten Steuersignale ein Taktverhältnis des Energiewandlungsmoduls steuern.
    13. 13. Verfahren zum Initiieren eines Ladesystems, welches ein Energiewandlungsmodul aufweist, welches elektrisch mit einer Wechselstrom (AC)-Schnittstelle gekoppelt ist, aufweisend:
      • Synchronisieren, durch ein Steuermodul, des Ladesystems mit einer AC-Spannungsquelle, welche mit der AC-Schnittstelle verbunden ist;
      • Bestimmen, durch das Steuermodul, eines nächsten Null-Durchgangs der AC-Spannungsquelle;
      • Berechnen, durch das Steuermodul, einer Startzeit für jeden Halbzyklus der AC-Quelle, um ein pulsweitenmoduliertes (PWM)-Steuersignal zu initiieren, wobei das Steuersignal dazu ausgebildet ist, das Energiewandlungsmodul dazu zu veranlassen, einer Batterie eine Spannung zu übertragen; und
      • Erzeugen, durch das Steuermodul, der PWM-Steuersignale von der Startzeit bis ungefähr zu dem Ende eines Halbzyklusses der AC-Spannungsquelle.
    14. 14. Verfahren nach Ausführungsform 13, wobei das Berechnen ferner aufweist:
      • Berechnen einer Steuerspannung basierend auf einem Zähler und einer ersten vorgegebenen Spannungserhöhung; und
      • Bestimmen der Startzeit basierend darauf, wann die AC-Spannungsquelle ungefähr gleich der Steuerspannung ist, und Erniedrigen von einer relativen Spitzenspannung für den entsprechenden Halbzyklus der AC-Quelle.
    15. 15. Verfahren nach Ausführungsform 14, wobei das Verfahren, nach dem die Steuerspannung größer oder gleich einer vorbestimmten Schwelle ist, ferner aufweist:
      • Messen, durch das Steuermodul, einer Spannung über der Batterie;
      • Berechnen, durch das Steuermodul, einer Startzeit für jeden Halbzyklus der AC-Quelle, basierend auf der über der Batterie gemessenen Spannung und einer zweiten vorgegebenen Spannungserhöhung; und
      • Erzeugen, durch das Steuermodul, der PWM-Steuersignale von dem Startzeitpunkt bis ungefähr zu dem Ende jedes Halbzyklusses der AC-Spannungsquelle.
    16. 16. Verfahren nach Ausführungsform 15, wobei die Startzeit basierend auf einem Spannungsabfall durch die elektrischen Komponenten des Ladesystems modifiziert wird.
    17. 17. Verfahren nach Ausführungsform 15, wobei nachdem eine über der Batterie gemessene Spannung größer oder gleich einer Spitzenspannung der AC-Spannungsquelle ist, das Verfahren ferner aufweist:
      • Erzeugen, durch das Steuermodul, kontinuierlicher PWM-Steuersignale durch jeden Halbzyklus der AC-Spannungsquelle,
      • wobei ein Tastverhältnis des PWM-Steuersignals inkrementell von einem initialen Wert bis zu einem maximalen Tastverhältnis für jeden Halbzyklus der AC-Spannungsquelle erhöht wird.
    18. 18. Verfahren nach Ausführungsform 17, wobei das Taktverhältnis des PWM-Steuersignals inkrementell von dem initialen Wert bis zu dem maximalen Taktverhältnis für jeden Halbzyklus der AC-Spannungsquelle erhöht wird, wenn ein Strom, welcher durch das Ladesystem fließt, unter einem vorgegebenen Schwellwert liegt.
    19. 19. Verfahren nach Ausführungsform 13, wobei der Null-Durchgang ein Null-Durchgang der AC-Spannungsquelle ist.
    20. 20. Verfahren nach Ausführungsform 13, wobei der Null-Durchgang ein Null-Durchgang der AC-Spannungsquelle ist.

Claims (10)

  1. Verfahren zum Initiieren eines Ladesystems, welches ein Energiewandlungsmodul aufweist, welches dazu ausgebildet ist, basierend auf einem Taktverhältnis eine Verstärkungsfunktion bereitzustellen, aufweisend: Bereitstellen, durch das Ladesystem, einer inkrementell steigenden Spannung an eine Batterie bis zu einem ersten vorgegebenen Schwellwert, während das Energiewandlungsmodul ein Taktverhältnis von 0 % hat; Bereitstellen, durch das Ladesystem, einer inkrementell steigenden Spannung an die Batterie von einem initialen Spannungsniveau der Batterie bis zu einer Spitzenspannung einer Spannungsquelle, während das Energiewandlungsmodul ein Taktverhältnis von 0 % hat; und Bereitstellen, durch das Ladesystem, einer inkrementell steigenden Spannung an die Batterie, durch das inkrementelle Erhöhen des Taktverhältnisses des Energiewandlungsmoduls.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Spannungsquelle eine Wechselstrom-(AC)-Spannungsquelle ist und das Verfahren ferner das inkrementelle Erhöhen der Spannung, welche der Batterie bereitgestellt wird, in jedem Halbzyklus der AC-Spannungsquelle aufweist.
  3. Verfahren nach Anspruch 2, ferner aufweisend das Bereitstellen der inkrementell steigenden Spannung an die Batterie zu jedem Halbzyklus der AC-Spannungsquelle, wenn ein Strom, welcher durch das Ladesystem fließt, unter einem vorgegebenen Schwellwert liegt.
  4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, wobei das Bereitstellen, durch das Ladesystem, einer inkrementell steigenden Spannung an die Batterie bis zu einem ersten vorgegebenen Schwellwert, während das Energiewandlungsmodul ein Taktverhältnis von 0 % hat, ferner aufweist: Berechnen durch das Ladesystem, eines Zeitpunktes eines nächsten Null-Durchgangsevents, welches einem Null-Durchgang der AC-Spannungsquelle entspricht; Berechnen, durch das Ladesystem, einer Startzeit relativ zu dem Zeitpunkt des nächsten Null-Durchgangs und basierend auf einer sich inkrementell erhöhenden Steuerspannung; und Erzeugen pulsweitenmodulierter Steuersignale von dem berechneten Startzeitpunkt bis ungefähr zu dem Zeitpunkt des nächsten Null-Durchgangs.
  5. Verfahren entsprechend einem der Ansprüche 2 bis 4, wobei das Bereitstellen, durch das Ladesystem, einer inkrementell steigenden Spannung an eine Batterie von einem initialen Spannungsniveau der Batterie bis zu einer Spitzenspannung einer Spannungsquelle, während das Energiewandlungsmodul ein Null-Prozent-Taktverhältnis hat, ferner aufweist: Berechnen, durch das Ladesystem, eines Zeitpunktes eines nächsten Null-Durchgangsevents, welches einem Null-Durchgang der AC-Spannungsquelle entspricht; Berechnen, durch das Ladesystem, eines Startzeitpunktes relativ zu dem Zeitpunkt des nächsten Null-Durchgangsevents, um ein Steuersignal zu initiieren, und basierend auf einer über der Batterie gemessenen Spannung; und Erzeugen pulsweitenmodulierter Steuersignale von dem berechneten Startzeitpunkt bis ungefähr zu dem Zeitpunkt des nächsten Null-Durchgangs.
  6. Verfahren entsprechend einem der Ansprüche 2 bis 5, wobei das Bereitstellen, durch das Ladesystem, einer inkrementell steigenden Spannung an die Batterie durch das inkrementelle Erhöhen des Taktverhältnisses des Energiewandlungsmoduls ferner aufweist: kontinuierliches Erzeugen pulsweitenmodulierter Steuersignale in jedem Halbzyklus der AC-Spannungsquelle, wobei die erzeugten pulsweitenmodulierten Steuersignale ein Taktverhältnis des Energiewandlungsmoduls steuern.
  7. Ladesystem, aufweisend: eine erste Schnittstelle, welche dazu ausgebildet ist, eine Spannungsquelle zu erhalten; ein Energiewandlungsmodul, welches elektrisch mit der Schnittstelle verbunden ist; und eine Steuerung, welche kommunikativ mit dem Energiewandlungsmodul gekoppelt ist, wobei die Steuerung dazu ausgebildet ist, das Energiewandlungsmodul zu steuern, zum: Bereitstellen einer inkrementell steigenden Spannung an eine Batterie bis zu einem ersten vorgegebenen Schwellwert, während das Energiewandlungsmodul ein Tastverhältnis von 0 % hat; Bereitstellen einer inkrementell steigenden Spannung an die Batterie von einem initialen Spannungsniveau der Batterie bis zu einer Spitzenspannung einer Spannungsquelle, während das Energiewandlungsmodul ein Null-Prozent-Tastverhältnis hat; und Bereitstellen einer sich inkrementell erhöhenden Spannung an die Batterie durch das inkrementelle Erhöhen des Tastverhältnisses des Energiewandlungsmoduls.
  8. Ladesystem nach Anspruch 7, wobei die Spannungsquelle eine Wechselstrom (AC)-Spannungsquelle ist und die Steuerung ferner dazu ausgebildet ist, das Energiewandlungsmodul zu steuern, um die Spannung, welche der Batterie jeden Halbzyklus der AC-Spannungsquelle bereitgestellt wird, inkrementell zu erhöhen.
  9. Ladesystem nach Anspruch 8, wobei die Steuerung ferner dazu ausgebildet ist, das Energiewandlungsmodul zu steuern, um die Spannung für die Batterie jeden Halbzyklus der AC-Spannungsquelle inkrementell zu erhöhen, wenn ein Strom, welcher durch das Ladesystem fließt, unter einer vorgegebenen Schwelle ist.
  10. Ladesystem nach Anspruch 8 oder 9, wobei die Steuerung beim Steuern des Energiewandlungsmoduls, zum Bereitstellen der sich inkrementell erhöhenden Spannung an die Batterie bis zu einem ersten vorgegebenen Schwellwert, während das Energiewandlungsmodul ein Tastverhältnis von 0 % hat, ferner dazu ausgebildet ist: Berechnen eines Zeitpunktes eines nächsten Null-Durchgangsevents, welches einem Null-Durchgang der AC-Spannungsquelle entspricht; Berechnen eines Start-Zeitpunktes relativ zu dem Zeitpunkt eines nächsten Null-Durchgangs und basierend auf einer sich inkrementell erhöhenden Steuerspannung; und Erzeugen pulsweitenmodulierter Steuersignale von dem berechneten Startzeitpunkt bis ungefähr zu dem Zeitpunkt des nächsten Null-Durchgangs, um das Energiewandlungsmodul dazu zu veranlassen, eine Spannung an die Batterie zu übertragen.
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