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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Kraftfahrzeugelektroantriebssystem mit einem Leistungswandler.
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DC-DC-Wandler können eine Gleichstromquelle von einem Spannungspegel auf einen anderen umwandeln. Gewisse DC-DC-Wandler wandeln einen Gleichstromspannungspegel in einen anderen um, indem die eingegebene Energie vorübergehend gespeichert wird und dann diese Energie mit einer anderen Spannung zu dem Ausgang freigegeben wird. Die Speicherung kann entweder in Magnetfeld-Speicherkomponenten (Induktionsspulen, Transformatoren) oder in Speicherkomponenten für ein elektrisches Feld (Kondensatoren) erfolgen. Durch Einstellen des Tastverhältnisses der ladenden Spannung (das Verhältnis der Ein/Aus-Zeit) kann die übertragene Leistungsmenge gesteuert werden. Eine derartige Umwandlung kann leistungseffizienter sein (oftmals 75% bis 98%) als die lineare Spannungsregelung (die unerwünschte Leistung als Wärme abführt). Dieser Effizienzgrad kann für das Erhöhen der Laufzeit von batteriebetriebenen Einrichtungen günstig sein.
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Die Effizienz einiger DC-DC-Wandler ist in vergangenen Jahrzehnten aufgrund des Einsatzes von Leistungsfeldeffekttransistoren gestiegen, die mit hohen Frequenzen und effizienter als Leistungsbipolartransistoren schalten können, bei denen größere Schaltverluste entstehen können und die komplizierte Ansteuerschaltungen erfordern können.
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Batteriebetriebene (oder andere, alternativ betriebene) Kraftfahrzeuge können einen Wandler enthalten, der so ausgelegt ist, dass eine von einer Batterie ausgegebene Spannung erhöht und/oder eine in die Batterie einzugebende Spannung gesenkt wird.
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Die
WO 2005/ 036 297 A1 offenbart einen bi-direktionalen Gleichstromleistungswandler zum Einstellen eines Spannungsniveaus eines Gleichspannungszwischenkreises und einer Versorgungsbatterie in einem hybriden Antriebsstrang, umfassend einen Elektromotor und einen Verbrennungsmotor.
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Die
US 6 271 651 B1 offenbart einen Gleichstromwandler mit einem Filter, der eine Drossel und eine Kapazität umfasst sowie einen bi-direktionalen Schalter, welcher parallel zur Drossel angeordnet ist.
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Die
US 2008 / 0 258 687 A1 offenbart ein Batterieladegerät, das als geschaltetes und als lineares Ladegerät arbeiten kann.
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Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Kraftfahrzeugantriebssystem mit einem DC-DC-Leitungswandler anzugeben, welcher effizient arbeitet und so das Erhöhen der Laufzeit der batteriebetriebenen Einrichtungen ermöglicht.
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Diese Aufgabe wird durch ein Kraftfahrzeugelektroantriebssystem gemäß Anspruch 1 gelöst. Weitere Vorteile und Merkmale ergeben sich aus den Unteransprüchen sowie der Beschreibung und den beigefügten Figuren.
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Vorschlagsgemäß kann ein Kraftfahrzeugelektroantriebssystem einen Controller, eine elektrische Stromquelle, eine elektrische Maschine und einen Leistungswandler enthalten. Der Leistungswandler kann elektrisch zwischen die elektrische Stromquelle und die elektrische Maschine geschaltet sein und eine Induktionsspule und einen ersten Schalter, einen zweiten Schalter und einen dritten Schalter enthalten, die jeweils in einem anderen Stromweg angeordnet sind, der die elektrische Stromquelle und die elektrische Maschine verbindet, wobei die Stromwege elektrisch parallel verlaufen. Der erste Schalter kann einen Anschluss enthalten, der elektrisch zwischen die Induktionsspule und den zweiten Schalter geschaltet ist.
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Die Induktionsspule und der erste Schalter können elektrisch parallel sein.
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Der DC-DC-Leistungswandler kann weiterhin einen zweiten und dritten Schalter enthalten, die konfiguriert sind zu bewirken, dass eine Eingangsspannung steigt oder sinkt, wenn der zweite und dritte Schalter selektiv ein- und ausgeschaltet werden.
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Das System kann weiterhin einen Wechselrichter enthalten, der elektrisch zwischen den DC-DC-Leistungswandler und die elektrische Maschine geschaltet ist.
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Der erste Schalter kann ein IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor), ein Metalloxidhalbleiter-Feldeffekttransistor oder ein Relais sein.
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Der DC-DC-Leistungswandler kann ein bidirektionaler DC-DC-Leistungswandler sein.
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Ein Kraftfahrzeugstromsystem kann einen DC-DC-Leistungswandler enthalten, der Folgendes enthält: einen ersten und zweiten elektrischen Stromweg elektrisch parallel, einen in dem ersten elektrischen Stromweg angeordneten ersten Schalter und eine in dem zweiten elektrischen Stromweg angeordnete Induktionsspule. Das Kraftfahrzeugstromsystem kann weiterhin einen Controller enthalten, der konfiguriert ist, den ersten Schalter einzuschalten, wenn bewirkt wird, dass eine Eingangsspannung und eine Ausgangsspannung des DC-DC-Leistungswandlers ungefähr gleich sind.
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Der Controller kann weiterhin konfiguriert sein, den ersten Schalter auszuschalten, wenn bewirkt wird, dass eine Eingangsspannung und Ausgangsspannung des DC-DC-Leistungswandlers ungleich sind.
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Der erste Schalter und die Induktionsspule können elektrisch parallel sein.
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Der DC-DC-Leistungswandler kann weiterhin einen zweiten und dritten Schalter enthalten. Der Controller kann weiterhin konfiguriert sein, den zweiten und dritten Schalter selektiv ein- und auszuschalten, um zu bewirken, dass der DC-DC-Leistungswandler eine in den DC-DC-Leistungswandler eingegebene Spannung erhöht oder senkt.
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Der erste Schalter kann einen Anschluss enthalten, der elektrisch zwischen die Induktionsspule und den zweiten Schalter geschaltet ist.
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Das System kann weiterhin einen Wechselrichter enthalten, der elektrisch mit dem DC-DC-Leistungswandler verbunden ist.
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Ein Kraftfahrzeugstromsystem kann einen DC-DC-Leistungswandler enthalten. Der DC-DC-Leistungswandler kann einen ersten und zweiten elektrischen Stromweg elektrisch parallel, einen in dem ersten Stromweg angeordneten ersten Schalter, eine in dem zweiten Stromweg angeordnete Induktionsspule und einen zweiten und dritten Schalter enthalten, die beim selektiven Ein- und Ausschalten bewirken, dass der DC-DC-Leistungswandler eine in den DC-DC-Leistungswandler eingegebene Spannung erhöht oder senkt.
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Der erste Schalter und die Induktionsspule können elektrisch parallel sein.
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Der erste Schalter kann einen Anschluss enthalten, der elektrisch zwischen die Induktionsspule und den zweiten Schalter geschaltet ist.
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Der erste Schalter kann ein IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor), ein Metalloxidhalbleiter-Feldeffekttransistor oder ein Relais sein.
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Weitere Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den Zeichnungen.
- 1 ist ein Blockdiagramm eines nicht erfindungsgemäßen Kraftfahrzeugelektroantriebssystems.
- 2 ist ein Blockdiagramm eines erfindungsgemäßenLeistungswandlers.
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Wie erforderlich, werden hier ausführliche Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung offenbart; es versteht sich jedoch, dass die offenbarten Ausführungsformen für die Erfindung lediglich beispielhaft sind, die in unterschiedlichen und alternativen Formen verkörpert werden kann. Die Figuren sind nicht notwendigerweise maßstabsgetreu; einige Merkmale können übertrieben oder minimiert sein, um Details von bestimmten Komponenten zu zeigen. Deshalb sind spezifische strukturelle und funktionelle Details, die hierin offenbart sind, nicht als beschränkend auszulegen, sondern lediglich als eine repräsentative Basis, um einem Fachmann zu lehren, wie er die vorliegende Erfindung unterschiedlich einsetzen kann.
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Unter Bezugnahme auf ein Beispiel gemäß 1 kann ein Elektroantriebssystem 10 für ein Kraftfahrzeug 12 (z.B. batterieelektrisches Fahrzeug, Hybridfahrzeug usw.) eine elektrische Stromquelle 14 (z.B. eine Antriebsbatterie, Brennstoffzelle usw.), eine elektrische Maschine 16 (die zum Generieren von Antriebsleistung für das Fahrzeug 12 verwendet werden kann), einen Leistungswandler 18 und einen oder mehrere Controller 19 enthalten. Der Leistungswandler 18 ist in dieser Ausführungsform konfiguriert zum Umwandeln von von der Antriebsbatterie 14 ausgegebene Gleichstromleistung in Wechselstromleistung für die Eingabe in die elektrische Maschine 16 und umgekehrt. Der Leistungswandler 18 ist auch konfiguriert, eine von der Antriebsbatterie 14 eingegebene Spannung zur Ausgabe zu der elektrischen Maschine 16 zu erhöhen und eine von der elektrischen Maschine 16 eingegebene Spannung zur Ausgabe zu der Antriebsbatterie 14 zu senken.
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Der Leistungswandler 18 kann einen Wechselrichter 20 und einen bidirektionalen DC/DC-Buck/Boost-Wandler 22 enthalten. Es sind jedoch auch andere Leistungswandleranordnungen möglich. Beispielsweise fehlen möglicherweise Leistungswandlern von gewissen Ausführungsformen die Wechselrichter; die DC-DC-Wandler können unidirektional sein usw. Der Wechselrichter 20 enthält einen Kondensator 24 und mehrere Schalter 26, wie dies in der Technik üblich ist. Als solches kann von dem DC-DC-Wandler 22 empfangene Gleichstromleistung in Wechselstrom leistung zur Zufuhr zu der elektrischen Maschine 16 und umgekehrt umgewandelt werden. Der DC-DC-Wandler 22 enthält einen Kondensator 28, eine Induktionsspule 30 und Schalter 32, 34, 36 (zum Beispiel IGBTs, Metalloxidhalbleiter-Feldeffekttransistoren, Relais usw.). Vorausgesetzt, der Schalter 36 ist ausgeschaltet, können die Schalter 32, 34 selektiv ein- und ausgeschaltet werden, wie in der Technik bekannt ist (unter dem Befehl der Controller 19), um entweder eine Erhöhung der von der Antriebsbatterie 14 eingegebenen Spannung zur Ausgabe zu dem Wechselrichter 20 oder eine Senkung der von dem Wechselrichter 20 eingegebenen Spannung zur Ausgabe zu der Antriebsbatterie 14 zu bewirken. Die Induktionsspule 30 widersteht im Allgemeinen Stromänderungen (da sie eine Energiespeichereinrichtung ist). Während des Ladens wirkt die Induktionsspule 30 als eine Last und absorbiert Energie (ungefähr wie ein Widerstand). Beim Entladen wirkt die Induktionsspule 30 als eine Energiequelle (etwa wie eine Batterie). (Die Verstärkungsspannung wird gesteuert, indem das Verhältnis des Ladens und Entladens der Induktionsspule 30 gesteuert wird. Die Spannung, die sie während der Entladephase erzeugt, steht zu der Stromänderungsrate in Beziehung und nicht zu der ursprünglichen Ladespannung, was verschiedene Eingangs- und Ausgangsspannungen gestattet). Somit kann ein signifikanter Leitungsverlust durch die Induktionsspule 30 immer dann auftreten, wenn Strom durch sie fließt (was die Effizienz des Elektroantriebssystems beeinflusst), was sich auf die Reichweite und/oder den Kraftstoffverbrauch des Fahrzeugs 12 auswirken kann. Dieser signifikante Leitungsverlust kann unter solchen Umständen unvermeidlich sein, wenn der DC-DC-Wandler 22 so betrieben wird, ein Eingangsspannung zu erhöhen oder zu senken, was für die meisten Fahrzyklen nur für begrenzte Zeiten der Fall ist. Oftmals wirkt der DC-DC-Wandler 22 lediglich als ein Stromweg zwischen der Antriebsbatterie 14 und dem Wechselrichter 20 (d.h. die Eingangs- und Ausgangsspannung des DC-DC-Wandlers 22 sind ungefähr gleich). Die selektive Aktivierung des Schalters 36 während solcher Zeiten kann den Leitungsverlust durch den DC-DC-Wandler 22 reduzieren und somit die Reichweite und/oder den Kraftstoffverbrauch des Fahrzeugs 12 verbessern, wie unten erläutert.
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Um den Stromfluss durch die Induktionsspule 30 während Zeitperioden zu reduzieren, wenn der DC-DC-Wandler 22 lediglich als ein Stromweg zwischen der Antriebsbatterie 14 und dem Wechselrichter 20 wirkt, können die Controller 19 den Schaltern 34, 36 befehlen, zu schließen, und können dem Schalter 32 befehlen, zu öffnen. Strom kann somit in parallelen Wegen (durch den Weg mit der Induktionsspule 30 und dem Schalter 34 und durch den Weg mit dem Schalter 36) zwischen der Antriebsbatterie 14 und dem Wechselrichter 20 (und der elektrischen Maschine 16) fließen. In anderen Beispielen können die Controller 19 dem Schalter 36 befehlen, zu schließen, und können den Schaltern 32, 34 befehlen, zu öffnen. Strom kann somit insgesamt die Induktionsspule 30 umgehen, falls Strom von dem Wechselrichter 20 zu der Antriebsbatterie 14 fließt. (Der Schalter 34 enthält in der Ausführungsform von 1 eine Diode, die konfiguriert ist, bei offenem Schalter 34 den Stromfluss von dem Wechselrichter 20 zu der Antriebsbatterie 14 zu blockieren und einen Stromfluss von der Antriebsbatterie 14 zu dem Wechselrichter 20 zu gestatten).
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Die Induktionsspule
30 insgesamt zu umgehen, wie oben beschrieben, minimiert möglicherweise nicht die mit dem DC-DC-Wandler
22 assoziierten Leitungsverluste. Leitungsverluste können beispielsweise auch mit jedem der Schalter
32,
34,
36 assoziiert sein (wenngleich sie substantiell kleiner sind als die der Induktionsspule
30 für normalerweise durch den DC-DC-Wandler
22 durchgelassene Ströme). Zudem ist der äquivalente Parallelwiderstand der Induktionsspule
30 und der Schalter
34,
36 kleiner als der Widerstand des Schalters
36 durch sich selbst:
wobei R
30 der mit der Induktionsspule
30 assoziierte Widerstand ist, R
34 der mit dem Schalter
34 assoziierte äquivalente Widerstand ist und R
36 der mit dem Schalter
36 assoziierte äquivalente Widerstand ist. Somit kann die Summe der mit der Induktionsspule
30 und den Schaltern
34,
36 assoziierten Leitungsverluste, falls Strom durch sie fließt, kleiner sein als der mit dem Schalter
36 assoziierte Leitungsverlust, falls aller Strom durch ihn fließt. Anders ausgedrückt kann das Bereitstellen von parallelen Wegen für den Stromfluss zwischen der Antriebsbatterie
14 und dem Wechselrichter
20 den Leitungsverlust durch den DC-DC-Wandler
22 im Vergleich mit dem Bereitstellen eines einzelnen Wegs für den Stromfluss zwischen der Antriebsbatterie
14 und dem Wechselrichter
20 minimieren.
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Der Wechselrichter 20 und die Schalter 34, 36 teilen sich einen gemeinsamen Anschluss 38. Somit fließt Strom, der durch den Schalter 36 fließt, nicht durch den Schalter 34. Die 2 zeigt ein Ausführungsbeispiel. Unter Bezugnahme auf 2, wo Elemente mit gleichen Zahlen sich ähnliche Beschreibungen teilen, teilen sich die Induktionsspule 130 und der Schalter 136 einen gemeinsamen Anschluss 140. (Die Induktionsspule 130 und der Schalter 136 sind parallel). Strom, der durch den Schalter 136 fließt, fließt auch durch den Schalter 134. Somit können mit dem DC-DC-Wandler 122 assoziierte Leitungsverluste größer sein als die mit dem DC-DC-Wandler 22 von 1 assoziierten Leitungsverluste. Es sind jedoch auch andere Anordnungen möglich.
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Es wurden Computersimulationen eines Hybridfahrzeugs, das einen DC-DC-Leistungswandler ähnlich dem bezüglich 1 beschriebenen betreibt, durchgeführt. Relativ zu Computersimulationen eines Hybridfahrzeugs, das einen DC-DC-Leistungswandler betreibt, dem der Schalter 36 fehlt (wie in der Technik üblich ist), wurde beim Energieverbrauch eine Senkung um ungefähr 0,2% bis 1% beobachtet.
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Während oben Ausführungsbeispiele beschrieben sind, sollen diese Ausführungsformen nicht alle möglichen Formen der Erfindung beschreiben. Vielmehr sind die in der Patentschrift verwendeten Wörter Wörter der Beschreibung anstatt der Beschränkung, und es versteht sich, dass verschiedene Änderungen vorgenommen werden können, ohne von dem Gedanken und Schutzbereich der Erfindung abzuweichen. Außerdem können die Merkmale verschiedener implementierender Ausführungsformen kombiniert werden, um weitere Ausführungsformen der Erfindung auszubilden.
