DE102012212755A1 - Systeme und Verfahren zur Bereitstellung von Energie für eine Last auf Grundlage einer Steuerungsstrategie - Google Patents

Systeme und Verfahren zur Bereitstellung von Energie für eine Last auf Grundlage einer Steuerungsstrategie Download PDF

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Christopher P. Lawrence
Ray M. Ransom
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Abstract

Es werden Systeme und Verfahren für ein elektrisches System bereitgestellt. Das elektrische System umfasst beispielsweise eine erste Last, eine Schnittstelle, welche eingerichtet ist, um eine Spannung von einer Spannungs-Quelle zu empfangen, und eine Steuerung, welche eingerichtet ist, um die Spannung über die Schnittstelle zu empfangen und eine Spannung und einen Strom für die erste Last bereitzustellen. Die Steuerung kann weiterhin eingerichtet sein, um Information über eine zweite elektrisch mit der Spannungs-Quelle verbundene Last zu empfangen, einen Betrag eines Blindstromes festzustellen, um diesen an die Spannungs-Quelle zurückzugeben, so dass ein über das elektrische System und die zweite Last von der Spannungs-Quelle entnommener Strom im Wesentlichen eine Wirkleistung ist, und den festgestellten Blindstrom der Spannungs-Quelle bereitzustellen.

Description

  • Hinweis bezüglich staatlich geförderter Forschung und Entwicklung
  • Diese Erfindung wurde mit Unterstützung der Regierung unter der Vertragsnummer DE-FC26-07NT43123 gemacht, welche vom Ministerium für Energie der US-Regierung vergeben wurde. Die Regierung besitzt gewisse Rechte an dieser Erfindung.
  • Technisches Gebiet
  • Ausführungsformen des hierin beschriebenen Gegenstandes betreffen allgemein elektrische Systeme in automobilen Fahrzeugen, und insbesondere betreffen Ausführungsformen des Gegenstandes eine Steuerungsstrategie für Energieversorgungssysteme.
  • Hintergrund
  • In den letzten Jahren sind Plug-in-Hybrid- und vollständig elektrische Fahrzeuge zunehmend populär geworden. Diese Fahrzeuge weisen typischerweise große Batteriesysteme auf, welche zum Aufladen viele Stunden benötigen können, während sie große Mengen an Energie verbrauchen. Aktuelle Ladesysteme weisen eine feste Ladestrategie auf, welche erfordert, dass das Fahrzeug mit einem Stromnetz eines Wohngebietes oder mit einem kommerziellen Stromnetz verbunden ist.
  • Dementsprechend ist es wünschenswert, ein flexibles und wirksames elektrisches System und Verfahren zum Bereitstellen von Energie für eine Last zu haben. Weitere wünschenswerte Merkmale und Eigenschaften werden aus der nachfolgenden detaillierten Beschreibung und den beigefügten Ansprüchen in Verbindung mit den begleitenden Zeichnungen und diesem Hintergrund ersichtlich.
  • Kurze Zusammenfassung
  • Gemäß einer Ausführungsform wird ein Ladesystem bereitgestellt. Das Ladesystem umfasst eine wiederaufladbare Batterie, eine Schnittstelle, welche eingerichtet ist, um eine Spannung von einer Spannungs-Quelle aufzunehmen, sowie eine Steuerung, welche eingerichtet ist, um die Spannung von der Spannungs-Quelle über die Schnittstelle aufzunehmen und die wiederaufladbare Batterie unter Verwendung der aufgenommenen Spannung wieder aufzuladen. Die Steuerung ist weiterhin eingerichtet, um Information über eine Wechselstrom(AC)-Last, welche elektrisch mit der Spannungs-Quelle verbunden ist, zu erhalten, einen Betrag eines Blindstromes zu bestimmen, um diesen der Spannungs-Quelle zurückzugeben, so dass ein Strom, welcher durch das Ladesystem und die AC-Last von der Spannungs-Quelle entnommen wird, im Wesentlichen eine Wirkleistung ist, und den festgestellten Blindstrom der Spannungs-Quelle bereitzustellen, während die wiederaufladbare Batterie wieder aufgeladen wird.
  • Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird ein elektrisches System bereitgestellt. Das elektrische System umfasst eine erste Last, eine Schnittstelle, welche eingerichtet ist, um eine Spannung von einer Spannungs-Quelle zu empfangen, sowie eine Steuerung, welche eingerichtet ist, um die erste Last mit einer Spannung und einem Strom zu versorgen. Weiterhin kann die Steuerung eingerichtet sein, um Information über eine zweite elektrisch mit der Spannungs-Quelle verbundene Last zu erhalten, einen Betrag eines Blindstromes zu bestimmen, um diesen der Spannungs-Quelle zurückzugeben, so dass ein durch das elektrische System und die zweite Last von der Spannungs-Quelle entnommener Strom im Wesentlichen eine Wirkleistung ist, und die Spannungs-Quelle mit dem festgestellten Blindstrom zu versorgen.
  • In noch einer weiteren Ausführungsform wird ein Verfahren zum Bereitstellen einer Spannung und eines Stromes für eine erste Last mittels einer Steuerung bereitgestellt. Das Verfahren umfasst ein Bereitstellen, wenn die Steuerung sich in einer Konstantstrombetriebsart befindet, einer Konstantstromladung für die erste Last, ein Bereitstellen, wenn die Steuerung sich in einer Konstantspannungsbetriebsart befindet, einer Konstantspannung für die erste Ladung, ein Bereitstellen, wenn die Steuerung sich in einer Konstantleistungsbetriebsart befindet, einer Konstantleistungsladung für die erste Last, und ein Bereitstellen, wenn die Steuerung sich in der Konstantstrombetriebsart, der Konstantspannungsbetriebsart oder der Konstantleistungsbetriebsart befindet, eines Blindstromes für die Spannungs-Quelle, so dass der von der Spannungs-Quelle entnommene Strom im Wesentlichen eine Wirkleistung ist.
  • Diese Zusammenfassung wird bereitgestellt, um eine Auswahl an Konzepten in einer vereinfachten Form darzustellen, welche weiter unten in detaillierterer Weise beschrieben werden. Diese Zusammenfassung soll nicht Hauptmerkmale oder wesentliche Merkmale des beanspruchten Gegenstandes hervorheben, noch soll diese Zusammenfassung als ein Hilfsmittel beim Bestimmen des Umfanges des beanspruchten Gegenstandes verwendet werden.
  • Kurze Zusammenfassung der Zeichnungen
  • Ein vollständigeres Verständnis des Gegenstandes kann mit Bezugnahme auf die detaillierte Beschreibung und die Ansprüche in Verbindung mit den folgenden Figuren gewonnen werden, wobei gleiche Bezugszeichen gleiche Elemente in den Figuren bedeuten.
  • 1 ist ein Blockdiagramm eines elektrischen Systems gemäß einer Ausführungsform;
  • 2 ist ein schematisches Diagramm eines weiteren elektrischen Systems, welches zur Verwendung in einem Fahrzeug gemäß einer Ausführungsform geeignet ist;
  • 3 ist ein Flussdiagramm eines Verfahrens, welches zur Verwendung mit dem elektrischen System aus 2 gemäß einer Ausführungsform geeignet ist; und
  • 4 zeigt eine Steuerungsstrategie zur Verwendung mit dem elektrischen System aus 2 gemäß einer Ausführungsform.
  • Detaillierte Beschreibung
  • Die folgende detaillierte Beschreibung hat lediglich darstellenden Charakter und soll die Ausführungsformen des Gegenstandes oder die Anwendung und Verwendungen solcher Ausführungsformen nicht beschränken. Wie hierin verwendet, hat das Wort „beispielhaft” die Bedeutung „als ein Beispiel, Umstand oder Darstellung dienend”. Jegliche hierin als beispielhaft beschriebene Umsetzung soll nicht notwendigerweise als bevorzugt oder vorteilhaft über andere Umsetzungen bzw. Ausführungsformen betrachtet werden. Weiterhin soll es keine Beschränkung durch irgendeine explizit oder implizit in dem vorangegangenen technischen Gebiet, Hintergrund, kurzen Zusammenfassung oder der folgenden detaillierten Beschreibung dargestellten Theorie geben.
  • Die folgende Beschreibung bezieht sich auf Elemente oder Knoten oder Merkmale, welche zusammen „verbunden” oder „gekoppelt” sind. Wie hierin verwendet, bedeutet, es sei denn, es wird explizit darauf hingewiesen, „verbunden”, dass ein Element/Knoten/Merkmal direkt mit einem anderen Element/Knoten/Merkmal verbunden ist (oder in direkter Kommunikation damit steht), und zwar nicht notwendigerweise in mechanischer Hinsicht. Ebenso bedeutet, es sei denn, dass explizit darauf hingewiesen wird „gekoppelt”, dass ein Element/Knoten/Merkmal direkt oder indirekt mit einem anderen Element/Knoten/Merkmal verbunden ist (oder direkt oder indirekt in Kommunikation damit steht), und zwar nicht notwendigerweise in mechanischer Hinsicht. Somit können, obwohl die Figuren eine beispielhafte Anordnung von Elementen zeigen können, zusätzliche wechselwirkende Elemente, Vorrichtungen, Merkmale oder Komponenten in einer Ausführungsform des dargestellten Gegenstandes vorhanden sein. Zusätzlich kann eine bestimmte Terminologie in der folgenden Beschreibung lediglich zum Zwecke der Bezugnahme verwendet werden, und soll somit nicht beschränkend sein. Die Ausdrücke „erster”, „zweiter” und weitere solcher numerischen Ausdrücke, welche sich auf Strukturen beziehen, implizieren keine Sequenz oder Reihenfolge, es sei denn, es wird ausdrücklich durch den Zusammenhang darauf hingewiesen.
  • Wie hierin verwendet, bedeutet ein „Knoten” ein beliebiger interner oder externer Bezugspunkt, Verbindungspunkt, Verbindung, Signalleitung, leitfähiges Element oder dergleichen, bei welchem ein gegebenes Signal, Logik-Niveau, Spannung, Datenmuster, Strom oder Größe vorhanden ist. Weiterhin können zwei oder mehrere Knoten durch ein physisches Element ausgeführt werden (wobei zwei oder mehrere Signale gemultiplext, moduliert oder sonstwie unterschieden werden können, selbst wenn sie bei einem gemeinsamen Knoten empfangen oder ausgegeben worden sind).
  • 1 zeigt eine beispielhafte Ausführungsform eines elektrischen Systems 100. Das elektrische System 100 umfasst eine Spannungs- oder Strom-Quelle 110, ein elektrisches Steuerungssystem 120 sowie eine Last 130.
  • Die Spannungs- oder Strom-Quelle 110 kann beispielsweise ein elektrisches Stromnetz sein, wie zum Beispiel für ein Wohnhaus oder Bürogebäude, ein Generator, wie zum Beispiel ein Dieselmaschinen-Generator, ein Solarenergie-System, eine Windkraftanlage oder eine beliebige andere Art von Energieerzeugungssystem, ein Batteriesystem oder eine beliebige Kombination davon. Die Spannungs- oder Strom-Quelle versorgt das Steuerungssystem 120 mit einer Spannung, dargestellt durch einen Pfeil 112, und mit einem Strom, dargestellt durch einen Pfeil 114.
  • Das Steuerungssystem 120, welches beispielsweise einen Energieumwandler und eine Steuerung umfassen kann, ist zwischen die Spannungs- bzw. Strom-Quelle 110 und die Last 130 geschaltet und versorgt die Last, wie weiter unten detaillierter beschrieben ist, mit einer Spannung, dargestellt durch einen Pfeil 150, und einen Strom, dargestellt durch einen Pfeil 140.
  • In einer Ausführungsform kann die Last 130 eine Batterie sein, wobei das elektrische Steuerungssystem 120 steuern kann, wie die Batterie unter Verwendung der Spannungs- bzw. Strom-Quelle 110 aufgeladen wird. In einer weiteren Ausführungsform kann die Last 130 beispielsweise ein Stromnetz oder eine elektronische Einrichtung sein, wobei das elektrische Steuerungssystem 120 steuert, wie die Last 130 mit Energie versorgt wird.
  • Das elektrische Steuerungssystem 120 weist drei Betriebsarten auf, welche auf Grundlage einer Art von Last 130, eines Zustandes der Last 130, einer Art der Spannungs- oder Strom-Quelle 110 und einem Zustand der Spannungs- oder Strom-Quelle 110 umgesetzt werden können. Der Zustand der Last 130 kann beispielsweise eine momentane Spannung an der Last 130 sein. Der Zustand der Spannungs- oder Strom-Quelle kann beispielsweise eine Gebühr für das Entnehmen von Energie von der Spannungs- oder Strom-Quelle 110 sein und/oder eine momentan verfügbare Energiemenge von der Spannungs- oder Strom-Quelle 110. Die Betriebsart, in welcher sich das elektrische Steuerungssystem befindet, kann ebenso durch einen Nutzer, Systemadministrator oder dergleichen eingestellt werden.
  • In einer ersten Betriebsart versorgt das elektrische Steuerungssystem 120 die Last 130 mit einem konstanten Strom (angedeutet durch Pfeil 140). Eine Konstantstrombetriebsart ist beispielsweise zum Aufladen einer Batterie nützlich, wenn der Batterieladezustand gering ist. In einer zweiten Betriebsart versorgt das elektrische Steuerungssystem 120 die Last 130 mit einer konstanten Spannung (dargestellt durch Pfeil 150). Eine konstante Spannung ist beispielsweise nützlich, um eine Batterie aufzuladen, wenn die Batterie fast vollständig aufgeladen ist und für eine Vielzahl von elektronischen und passiven Lasten, welche eine Spannungsversorgung benötigen. In einer Ausführungsform kann, falls die Last 130 eine Batterie ist, das elektrische Steuerungssystem 120 auf Grundlage des Zustandes der Batterie zwischen der ersten und der zweiten Betriebsart hin- und herschalten, und beispielsweise in Abhängigkeit vom Ladezustand der Batterie. In vielen Fällen wird eine Batterie am Wirksamsten aufgeladen durch Bereitstellen eines konstanten Stromes, wenn die Batterieladung gering ist, und durch Bereitstellen einer konstanten Spannung, wenn die Batterie fast vollständig aufgeladen ist.
  • In einer dritten Betriebsart versorgt das elektrische Steuerungssystem die Last 130 mit einer konstanten Leistung, wobei die der Last 130 bereitgestellte Energiemenge gleich der Menge an Strom 140 ist, mit welchem die Last 130 versorgt wird, multipliziert mit der Spannungsmenge 150, mit welcher die Last 130 versorgt wird. Wie weiter unten detailliert erläutert wird, kann die konstante Leistung durch Bereitstellen eines festen Stromes 140 und einer festen Spannung 150 für die Last 130 bereitgestellt werden oder durch Steuern des Produkts aus Strom 140 und Spannung 150, mit welchem die Last 130 versorgt wird.
  • Durch Bereitstellen einer konstanten Leistung für die Last 130 kann das elektrische Steuerungssystem 120 die der Spannungs- bzw. Strom-Quelle 110 entnommene Energiemenge begrenzt werden. Diese Betriebsart hat vielfältige Vorteile und Verwendungen. Falls beispielsweise die Spannungs-Quelle bzw. Strom-Quelle 110 ein Stromnetz ist, kann ein Nutzer eine maximale Energiemenge auswählen, welche dem Stromnetz zu einer beliebigen gegebenen Zeit entnommen werden kann. Falls beispielsweise die Gebühr der Entnahme von Energie aus dem Stromnetz variiert (zum Beispiel in Abhängigkeit von der Tageszeit), kann der Nutzer eine maximale Entnahme während der Spitzenzeiten reduzieren und die maximale Entnahme während der Nebenzeiten erhöhen, um seine Stromrechnung zu reduzieren. In einer weiteren Ausführungsform, falls die Spannungs- bzw. Strom-Quelle 110 eine variable Energiemenge zur Verfügung stellt (das heißt, falls die Spannungs- bzw. Strom-Quelle 110 ein Solar-, Wind- oder Batterie-System ist), kann die elektrische Systemsteuerung die Energiemenge, welche der Last 130 zur Verfügung gestellt wird, auf Grundlage der zur Verfügung stehenden Energie einstellen.
  • Wie oben bereits erwähnt, kann die Spannungs- bzw. Strom-Quelle 110 ein Stromnetz für ein Wohngebiet bzw. ein kommerzielles Stromnetz sein, welches Wechselstrom(AC)-Energie zur Verfügung stellt. Wenn das Steuerungssystem 120 die Last 130 mit Strom und Spannung nach einer beliebigen der oben diskutierten Betriebsarten versorgt, wird eine Wirkleistung (oder aktive Leistung) der Spannungs- bzw. Strom-Quelle 110 als auch eine Blindleistung entnommen. Eine Scheinleistung ist der Betrag der Vektorsumme aus Wirkleistung und Blindleistung. Der Leistungsfaktor für das elektrische System 100 ist ein Verhältnis der Wirkleistung zu der Scheinleistung, und ist gewöhnlich ein Wert zwischen Null und Eins. Wenn sich der Leistungsfaktor dem Wert Eins annähert, nähert sich die Blindleistung, oder nicht-leistende Energie, dem Wert Null an, was bedeutet, dass weniger Energie in dem Energieverteilungssystem verwendet wird.
  • Wie detaillierter weiter unten beschrieben wird, kann das Steuerungssystem zusätzliche Blindleistung von der Spannungs- bzw. Strom-Quelle 110 ziehen oder zusätzliche Blindleistung an die Spannungs- bzw. Strom-Quelle 110 zurückgeben, so dass im Wesentlichen lediglich eine Wirkleistung durch die Last 130 von der Spannungs- bzw. Strom-Quelle 110 entnommen wird (das heißt, der Energiefaktor ist Eins bzw. ist fast Eins).
  • Weiterhin kann das elektrische System 100 ebenso eine weitere AC-Last 160 umfassen, welche eine Spannung 162 und einen Strom 164 von der Spannungs- bzw. Strom-Quelle 110 aufnimmt.
  • Die AC-Last 160 kann ebenso eine Wirkleistung und eine Blindleistung von der Spannungs- bzw. Strom-Quelle 110 entnehmen. Der Energiefaktor für das gesamte elektrische System 100 ist vorzugsweise fast Eins, wo fast keine Energie verschwendet wird. Die Last 130 und die AC-Last 160 können unterschiedliche Mengen an Blindleistung von der Spannungs- bzw. Strom-Quelle 110 entnehmen. Dementsprechend kann in einer Ausführungsform beispielsweise das Steuerungssystem zusätzliche Blindleistung von der Spannungs- bzw. Strom-Quelle 110 entnehmen oder zusätzliche Blindleistung an die Spannungs- bzw. Strom-Quelle 110 abgeben, so dass lediglich eine Wirkleistung als von der Spannungs- bzw. Strom-Quelle 110 sowohl von der Last 130 als auch von der AC-Last 160 entnommen scheint. In weiteren Ausführungsformen kann eine beliebige Anzahl von AC-Lasten 160 mit der Spannungs- bzw. Strom-Quelle 110 verbunden sein. Dementsprechend kann das Steuerungssystem 120 derart eingerichtet sein, um zusätzliche Blindleistung zu der Spannungs- bzw. Strom-Quelle 110 zurückzugeben oder zusätzliche Blindleistung von der Spannungs- bzw. Strom-Quelle 110 zu entnehmen, so dass die von der Spannungs- bzw. Strom-Quelle 110 entnommene Scheinleistung von Last 130 und allen AC-Lasten 160 im Wesentlichen lediglich eine Wirkleistung ist.
  • In einer Ausführungsform könnte beispielsweise die AC-Last 160 innerhalb des gleichen Netzwerkkomplexes für ein Wohngebiet oder ein Bürogebäude sein wie die Last 130. Beispielsweise kann die AC-Last 160 ein Gerät sein, wie zum Beispiel ein Kühlschrank oder eine Waschmaschine, oder jede andere AC-Last in dem gleichen Stromnetz wie die Last 130, welche Wechselstrom verwendet. In einer weiteren Ausführungsform kann die AC-Last 160 in einem unterschiedlichen Stromnetzkomplex für ein Wohngebiet bzw. ein Bürogebäude sein als die Last 130, jedoch mit der gleichen Spannungs- bzw. Strom-Quelle 110 wie die Last 130 verbunden sein.
  • 2 zeigt eine beispielhafte Ausführungsform eines elektrischen Systems 200 (oder alternativ eines Ladesystems, Ladegeräts oder Lademoduls), welches für eine Verwendung in einem Fahrzeug geeignet ist, wie zum Beispiel in einem Elektro- und/oder Hybrid-Fahrzeug. Während sich die Beschreibung unten auf ein Ladesystem für ein Elektro- und/oder Hybrid-Fahrzeug bezieht, sollte ein Fachmann erkennen, dass weitere elektrische Systeme erzeugt bzw. modifiziert werden könnten, um die hierin beschriebenen Merkmale vorteilhaft zu nutzen.
  • Das elektrische System 200 umfasst, und zwar ohne Beschränkung, eine erste Schnittstelle 202, ein erstes Energieumwandlungsmodul 204, ein Isolationsmodul 206, ein zweites Energieumwandlungsmodul 208, ein induktives Element 201, ein kapazitives Element 212, eine zweite Schnittstelle 214 sowie ein Steuerungsmodul 216. Die erste Schnittstelle 202 stellt allgemein die physische Schnittstelle (zum Beispiel Anschlüsse, Verbinder und dergleichen) zum Koppeln des elektrischen Systems 200 mit einer DC-Energiequelle 218 dar, und die zweite Schnittstelle 214 stellt allgemein die physische Schnittstelle (zum Beispiel Anschlüsse, Verbinder und dergleichen) zum Koppeln des elektrischen Systems 200 mit einer Wechselstrom(AC)-Energiequelle 220 dar. Dementsprechend kann der Einfachheit halber die erste Schnittstelle 202 hierin als die DC-Schnittstelle und die zweite Schnittstelle 214 als die AC-Schnittstelle bezeichnet werden. In einer beispielhaften Ausführungsform ist das Steuerungsmodul 216 mit den Umwandlungsmodulen 204, 208 gekoppelt und betreibt die Umwandlungsmodule 204, 208, um einen gewünschten Energiefluss von der AC-Energiequelle 220 zu der DC-Energiequelle 218 zu erzielen, wie unten detaillierter erläutert ist.
  • In einer beispielhaften Ausführungsform ist die DC-Energiequelle 218 (oder alternativ die Energiespeicherquelle bzw. ESS) in der Lage, einen Gleichstrom (iDC) (angedeutet durch Pfeil 250) von dem elektrischen System 200 bei einem bestimmten DC-Spannungsniveau (VDC) (angedeutet durch Pfeil 260) aufzunehmen. Gemäß einer Ausführungsform ist die DC-Energiequelle 218 als ein wiederaufladbares Hochspannungs-Batteriepack mit einem Nenn-DC-Spannungsbereich von etwa 200 bis etwa 500 Volt Gleichspannung ausgebildet. In dieser Hinsicht kann die DC-Energiequelle 218 die primäre Energiequelle für ein weiteres elektrisches System und/oder einen Elektromotor in einem Fahrzeug umfassen. Beispielsweise kann die DC-Energiequelle 218 mit einem Energiewechselrichter gekoppelt sein, welcher eingerichtet ist, um den Elektromotor mit einer Spannung und/oder einem Strom zu versorgen, welcher wiederum ein Getriebe antreibt, um das Fahrzeug auf eine herkömmliche Art und Weise anzutreiben. In weiteren Ausführungsformen kann die DC-Energiequelle 218 als eine Batterie, eine Brennstoffzelle, einem Ultrakondensator oder ein anderes geeignetes Energiespeicherelement ausgebildet sein.
  • Die AC-Energiequelle 220 (bzw. Leistungsquelle) ist dazu eingerichtet, das Ladesystem 200 bei einem bestimmten AC-Spannungsniveau (VAC) (angedeutet durch Pfeil 280) mit einem AC-Strom (iAC) (angedeutet durch Pfeil 270) zu versorgen und kann als eine Hauptstromversorgung oder ein elektrisches Hauptsystem für ein Gebäude, Wohnhaus oder eine andere Struktur innerhalb eines elektrischen Stromnetzes (zum Beispiel Netz-Stromversorgung oder Stromnetz) ausgebildet sein. Gemäß einer Ausführungsform umfasst die AC-Energiequelle 220 eine einphasige Energieversorgung, wie es in den meisten Wohngebieten üblich ist, und in Abhängigkeit der geographischen Region variiert. Beispielsweise kann in den Vereinigten Staaten die AC-Energiequelle 220 mit 220 V (RMS) oder 240 V (RMS) bei 60 Hz ausgebildet sein, während in anderen Regionen die AC-Energiequelle 220 mit 210 V (RMS) oder 220 V (RMS) bei 50 Hz ausgebildet sein kann. In alternativen Ausführungsformen kann die AC-Energiequelle 220 als eine AC-Energiequelle ausgebildet sein, welche für einen Betrieb mit dem Ladesystem 200 geeignet ist.
  • Wie detaillierter weiter unten erläutert ist, ist die DC-Schnittstelle 202 mit dem ersten Umwandlungsmodul 204 gekoppelt und die AC-Schnittstelle 214 ist mit dem zweiten Umwandlungsmodul 208 durch das induktive Element 210 gekoppelt. Das Isolationsmodul 206 ist zwischen die Umwandlungsmodule 204, 208 geschaltet und stellt eine galvanische Isolation zwischen den zwei Umwandlungsmodulen 204, 208 bereit. Das Steuerungsmodul 216 ist mit den Umwandlungsmodulen 204, 208 gekoppelt und betreibt das zweite Umwandlungsmodul 208, um Energie von der AC-Energiequelle 220 mittels des Isolationsmoduls 206 in Hochfrequenzenergie umzuwandeln, welche dann durch das Umwandlungsmodul 204 über die DC-Schnittstelle 204 in DC-Energie umgewandelt wird. Es wird darauf hingewiesen, dass, obwohl der Gegenstand hierin im Zusammenhang mit einer Stromnetz-zu-Fahrzeug-Anwendung zum Zwecke der Erläuterung beschrieben werden kann (zum Beispiel, dass die AC-Energiequelle 220 die DC-Energiequelle 218 mit Energie versorgt), in anderen Ausführungsform der hierin beschriebene Gegenstand in Fahrzeug-zu-Stromnetz-Anwendungen umgesetzt und/oder verwendet werden kann (zum Beispiel, dass die DC-Energiequelle 218 die AC-Schnittstelle 214 und/oder die AC-Energiequelle 220 mit Energie versorgt.
  • Um die DC-Energiequelle 218 aufzuladen, wandelt das erste Umwandlungsmodul 204 Hochfrequenzenergie bei Knoten 222 und 224 in DC-Energie um, welche der DC-Energiequelle 218 über die DC-Schnittstelle 202 bereitgestellt wird. In dieser Hinsicht funktioniert das erste Umwandlungsmodul 204 als ein Gleichrichter, wenn Hochfrequenz-AC-Energie in DC-Energie umgewandelt wird. In der dargestellten Ausführungsform umfasst das erste Umwandlungsmodul 204 vier Schaltelemente 52, 54, 56 und 58, wobei jedes Schaltelement eine Diode 60, 62, 64 und 68 aufweist, welche antiparallel zu dem entsprechenden Schaltelement ausgebildet sind, um einen Energiefluss in beiden Richtungen zu ermöglichen. Wie dargestellt ist, ist ein Kondensator 226 elektrisch parallel an der DC-Schnittstelle 202 ausgebildet, um ein Spannungsrauschen an der DC-Schnittstelle 202 zu reduzieren, wie es im Stand der Technik bevorzugt wird.
  • In einer beispielhaften Ausführungsform sind die Schaltelemente 52, 54, 56 und 58 Transistoren, und können unter Verwendung eines geeigneten Halbleiter-Transistorschalters ausgebildet sein, wie zum Beispiel ein Bipolartransistor mit isolierter Mittelelektrode, ein Metalloxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor (zum Beispiel ein MOSFET) oder irgendeine andere vergleichbare Einrichtung, welche im Stand der Technik bekannt ist. Die Schalter und Dioden sind antiparallel angeordnet, was bedeutet, dass die Schalter und Dioden parallel mit umgekehrter oder inverser Polarität ausgebildet sind. Die antiparallele Anordnung lässt einen Stromfluss in beiden Richtungen zu, während Spannung in einer Richtung blockiert wird, wie es im Stand der Technik bevorzugt ist. In dieser Anordnung ist die Richtung des Stromes durch die Schalter entgegengesetzt zu der Richtung von zulässigem Strom durch die entsprechenden Dioden. Die antiparallelen Dioden sind an jedem Schalter angeordnet, um einen Pfad für den Strom zu der DC-Energiequelle 218 zum Laden der DC-Energiequelle 218 bereitzustellen, wenn sich der entsprechende Schalter in der Aus-Stellung befindet. Wie weiter unten detaillierter beschrieben ist, betreibt in einer beispielhaften Ausführungsform das Steuerungsmodul 216 die Schalter des ersten Umwandlungsmodules 104 derart, um einen Pfad für Strom von der DC-Energiequelle 218 zu dem Isolationsmodul 206 bereitzustellen, um einen Injektionsstrom an den Knoten 234, 236 bei dem zweiten Umwandlungsmodul 208 bereitzustellen.
  • In der dargestellten Ausführungsform ist der Schalter 52 zwischen Knoten 228 der DC-Schnittstelle 202 und Knoten 222 geschaltet und dazu eingerichtet, um einen Pfad für Stromfluss von Knoten 228 zu Knoten 222 bereitzustellen, wenn der Schalter geschlossen ist. Diode 60 ist zwischen Knoten 222 und Knoten 228 geschaltet und dazu eingerichtet, um einen Pfad für Stromfluss von Knoten 222 zu Knoten 228 (zum Beispiel ist Diode 60 antiparallel zu Schalter 52 angeordnet) bereitzustellen. Schalter 54 ist zwischen Knoten 230 der DC-Schnittstelle 202 und Knoten 222 geschaltet und dazu eingerichtet, um einen Pfad für Stromfluss von Knoten 222 zu Knoten 230 bereitzustellen, wenn Schalter 54 geschlossen ist, während Diode 62 zwischen Knoten 222 und Knoten 230 geschaltet ist und dazu eingerichtet ist, um einen Pfad für Stromfluss von Knoten 230 zu Knoten 222 bereitzustellen. Auf eine ähnliche Weise ist Schalter 56 zwischen Knoten 228 und Knoten 224 geschaltet und dazu eingerichtet, um einen Pfad für Stromfluss von Knoten 228 zu Knoten 224 bereitzustellen, wenn Schalter 56 geschlossen ist, Diode 64 ist zwischen Knoten 224 und der DC-Schnittstelle 202 geschaltet und dazu eingerichtet, um einen Pfad für Stromfluss von Knoten 224 zu Knoten 228 bereitzustellen, Schalter 58 ist zwischen Knoten 230 und Knoten 224 geschaltet und dazu eingerichtet, um einen Pfad für Stromfluss von Knoten 224 zu Knoten 230 bereitzustellen, wenn Schalter 58 geschlossen ist, und Diode 66 ist zwischen Knoten 224 und der DC-Schnittstelle 202 geschaltet und dazu eingerichtet, um einen Pfad für Stromfluss von dem Knoten 230 zu Knoten 224 bereitzustellen.
  • In einer beispielhaften Ausführungsform ermöglicht das zweite Umwandlungsmodul 208 den Fluss von Strom (oder Energie) von der AC-Energiequelle 220 und/oder dem induktiven Element 210 zu dem Isolationsmodul 206. In der dargestellten Ausführungsform ist das zweite Umwandlungsmodul 208 als ein einphasiger Frontend-Matrixumwandler ausgebildet, umfassend acht Schaltelemente 20, 22, 24, 26, 28, 30, 32 und 34, wobei jedes Schaltelement eine Diode 36, 38, 40, 42, 44, 46, 48 und 50 aufweist, welche antiparallel zu dem entsprechenden Schaltelement angeordnet sind, und zwar auf eine ähnliche Art und Weise wie oben hinsichtlich des ersten Umwandlungsmodules 204. Aus Gründen der Übersichtlichkeit, jedoch ohne Beschränkung, kann das zweite Umwandlungsmodul 208 alternativ hierin als ein Matrix-Umwandlungsmodul (oder Matrix-Umwandler) oder ein Zyklokonverter bezeichnet werden. Wie unten detaillierter beschrieben wird, moduliert das Steuerungsmodul 216 (zum Beispiel öffnet und/oder schließt) die Schalter 20, 22, 24, 26, 28, 30, 32 und 34 des Matrix-Umwandlers 208, um eine Hochfrequenzspannung an Knoten 222, 224 zu erzeugen, was zu einem gewünschten Energiefluss zu der DC-Schnittstelle 202 und/oder der DC-Energiequelle 218 führt.
  • In der dargestellten Ausführungsform aus 2 sind ein erstes Paar von Schaltern 20 und 22 und Dioden 36 und 38 zwischen Knoten 232 und Knoten 234 geschaltet, wobei das erste Paar von Schaltern und antiparallelen Dioden (zum Beispiel 20 und 36) mit einer entgegengesetzten Polarität zu dem zweiten Paar von Schaltern und antiparallelen Dioden (zum Beispiel 22 und 38) ausgebildet ist. Auf diese Weise sind der Schalter 20 und die Diode 38 ausgebildet, um einen Pfad für Stromfluss von Knoten 234 durch Schalter 20 und Diode 38 zu Knoten 232 bereitzustellen, wenn Schalter 20 geschlossen ist, eingeschaltet ist, oder sonstwie aktiviert ist und die Spannung am Knoten 234 positiver als die Spannung bei Knoten 232 ist. Schalter 22 und Diode 36 sind eingerichtet, um einen Pfad für Stromfluss von Knoten 232 durch Schalter 22 und Diode 36 zu Knoten 234 bereitzustellen, wenn Schalter 22 geschlossen ist, eingeschaltet ist, oder sonstwie aktiviert ist und die Spannung bei Knoten 232 positiver als die Spannung bei Knoten 234 ist. Auf eine ähnliche Art und Weise ist ein zweites Paar von Schaltern 24 und 26 und Dioden 40 und 42 zwischen Knoten 236 und Knoten 238 geschaltet, ein drittes Paar von Schaltern 28 und 30 und Dioden 44 und 46 zwischen Knoten 232 und Knoten 236 geschaltet, ein viertes Paar von Schaltern 32 und 34 und Dioden 48 und 50 zwischen Knoten zwischen Knoten 234 und Knoten 238 geschaltet.
  • In der dargestellten Ausführungsform umfassen Schalter 20, 24, 28 und 32 einen ersten Satz an Schaltern, welche in der Lage sind, den Strom durch das induktive Element 210 (iL) (angedeutet durch Pfeil 290) von Knoten 232 zu Knoten 238 umzukehren, wenn der Strom durch das induktive Elemente 210 in eine negative Richtung (zum Beispiel iL < 0) fließt, und Schalter 22, 26, 30 und 34 umfassen einen zweiten Satz an Schaltern, welche in der Lage sind, den Strom durch das induktive Element 210 von Knoten 238 zu Knoten 232 umzukehren, wenn der Strom durch das induktive Element 210 in eine positive Richtung (zum Beispiel iL > 0) fließt, wie unten detaillierter beschrieben wird. Mit anderen Worten, Schalter 20, 24, 28 und 32 sind in der Lage, wenigstens einen Abschnitt des Stromes, welcher in eine negative Richtung durch das induktive Element 210 (zum Beispiel iL < 0) fließt, zu leiten, und Schalter 22, 26, 30 und 34 sind in der Lage, wenigstens einen Abschnitt des Stromes, welcher in eine positive durch das induktive Element 210 (zum Beispiel iL > 0) fließt, zu leiten. Wie hierin verwendet, sollte der Begriff „umkehren” verstanden werden als das Verfahren des Zyklierens des Stromes durch das induktive Element 210 durch die Schalter und Dioden des Matrix-Umwandlers 208, so dass der Stromfluss durch das induktive Element 210 nicht unterbrochen ist.
  • In einer beispielhaften Ausführungsform umfasst das Isolationsmodul 206 einen ersten Satz an Wicklungen 244, welche zwischen Knoten 222, 224 des ersten Umwandlungsmodules 204 geschaltet sind, und einen zweiten Satz an Wicklungen 246, welche zwischen Knoten 234, 236 geschaltet sind. Zum Zwecke der Erläuterung können die Wicklungen 246 hierin dahingehend bezeichnet werden, dass sie den primären Wicklungsabschnitt (oder die primären Wicklungen) umfassen, und die Sätze an Wicklungen 244 können hierin dahingehend bezeichnet werden, dass sie den sekundären Wicklungsabschnitt (oder die sekundären Wicklungen) umfassen. Die Wicklungen 244, 246 stellen induktive Elemente bereit, welche auf eine herkömmliche Art und Weise magnetisch gekoppelt sind, um einen Transformator zu bilden, wie es im Stand der Technik bevorzugt ist. In einer beispielhaften Ausführungsform ist das Isolationsmodul 206 als ein Hochfrequenz-Transformator ausgebildet. In dieser Hinsicht umfasst das Isolationsmodul 206 einen Transformator, welcher für ein bestimmtes Energieniveau bei einer Hochfrequenz ausgebildet ist, wie zum Beispiel die Schaltfrequenz der Schalter der Umwandlungsmodule 204, 208 (zum Beispiel 50 KHz), was dazu führt, dass die physische Größe des Transformators im Vergleich zu einem Transformator reduziert ist, welcher für das gleiche Energieniveau bei einer geringeren Frequenz ausgelegt ist, wie zum Beispiel die Frequenz der AC-Energiequelle 220 (zum Beispiel die Netzfrequenz).
  • In einer beispielhaften Ausführungsform ist das induktive Element 210 als eine Spule ausgebildet, welche elektrisch in Reihe zwischen Knoten 232 des Matrix-Umwandlers 208 und einem Knoten 240 der AC-Schnittstelle 214 geschaltet ist. Dementsprechend wird aus Gründen der Einfachheit, jedoch ohne Beschränkung, das induktive Element 210 hierin als eine Spule bezeichnet. Die Spule 210 funktioniert als ein Hochfrequenz-Induktiv-Energiespeicherelement während des Betriebes des elektrischen Systems 200. Das kapazitive Element 212 ist als ein Kondensator ausgebildet, welcher zwischen Knoten 240 und Knoten 242 der AC-Schnittstelle 214 geschaltet ist, wobei der Kondensator 212 und die Spule 210 gemeinsam dazu eingerichtet sind, um einen Hochfrequenzfilter bereitzustellen, um ein Spannungsrauschen an der AC-Schnittstelle 214 zu minimieren, wie im Stand der Technik bevorzugt ist.
  • Das Steuerungsmodul 216 stellt allgemein die Hardware, Firmware und/oder Software dar, welche eingerichtet ist, um die Schalter der Umwandlungsmodule 204, 208 zu betreiben und/oder zu modulieren, um einen gewünschten Energiefluss von der AC-Energiequelle 220 zu der DC-Energiequelle 218 zu erzielen. In Abhängigkeit von der Ausführungsform kann das Steuerungsmodul 216 mit einem allgemeinen Prozessor, einem Mikroprozessor, einer Mikrosteuerung, einem Inhalts-adressierbaren Speicher, einem digitalen Signalprozessor, einem anwendungsspezifischen integrierten Schaltkreis, einem feldprogrammierbaren Gate-Array, einer beliebigen geeigneten programmierbaren Logik-Einrichtung, einer diskreten Gate- oder Transistor-Logik, diskreten Hardwarekomponenten oder einer beliebigen Kombination davon umgesetzt bzw. ausgeführt sein, welche dazu ausgebildet sind, um das Ausführen der hierin beschriebenen Funktionen zu unterstützen.
  • Während normalen Betriebs für Stromnetz-zu-Fahrzeug-Anwendungen bestimmt das Steuerungsmodul 216 pulsbreitenmodulierte (PWM) Befehlssignale, welche das zeitliche Verhalten und die Betriebszyklen der Schalter 20–34 des Matrix-Umwandlers 208 steuern, um eine Hochfrequenz-AC-Spannung an den primären Wicklungen 246 des Isolationsmoduls 106 zu erzeugen, was eine Spannung an den sekundären Wicklungen 244 bei den Knoten 222, 224 induziert, was zu einem gewünschten Strom (iDC) führt, welcher zu der DC-Schnittstelle 202 fließt, um die DC-Energiequelle 218 aufzuladen. Gemäß einer Ausführungsform erzeugt beispielsweise das Steuerungsmodul 216 ein sinusförmiges PWM-variierbares Betriebszyklus-Steuersignal, welches die Zustandsmaschinenübergänge steuert, und somit den Betriebszyklus der Schalter (20–34), um das geeignete Schaltmuster während eines Schaltintervalls umzusetzen (zum Beispiel die Inverse der Schaltfrequenz). Das Steuerungsmodul 216 nimmt auf, überwacht oder überprüft sonstwie eine Spannung an der DC-Schnittstelle 202 (VDC) und vergleicht die aufgenommene DC-Spannung mit einer Referenzspannung (zum Beispiel der gewünschten Spannung der DC-Schnittstelle 202), um ein Fehlersignal zu erhalten, welches mit einem Hochfrequenzträgersignal verglichen wird, welches der Schaltfrequenz (zum Beispiel 50 KHz) entspricht, um den sinusförmigen PWM-modulierten Betriebszyklus zu erhalten. Wenn das Fehlersignal kleiner als das Trägersignal ist, dann betreibt das Steuerungsmodul 216 die Schalter 20–34, um in effektiver Weise die Knoten 232, 238 kurzzuschließen und Energie durch den Matrix-Umwandler 208 zu zirkulieren, um eine Spannung an der Spule 210 anzulegen. Wenn das Fehlersignal größer als das Trägersignal ist, betreibt das Steuerungsmodul 216 die Schalter (20–34) derart, um die gespeicherte Energie und/oder Spannung der Spule 210 freizusetzen (alternativ auch die Fly-Back-Spannung). Die Summe aus der Fly-Back-Spannung und der Spannung an der AC-Schnittstelle 214 wird an den primären Wicklungen 246 des Isolationsmoduls 206 angelegt, was zu einem Energieübergang zu den Knoten 222, 224 und/oder der DC-Energiequelle 218 führt. Das Steuerungsmodul 216 wiederholt die Schritte des Betreibens der Schalter (20–34), um Energie durch den Matrix-Umwandler 208 zu zirkulieren, wenn das Fehlersignal kleiner wird als das Trägersignal und setzt die gespeicherte Energie der Spule 210 frei, wenn das Fehlersignal größer als das Trägersignal ist. Auf diese Weise alterniert der Matrix-Umwandler 208 zwischen einem Zirkulieren von Energie durch die Spule 210 und einem Versorgen des Isolationsmodules 206 und/oder der DC-Schnittstelle 202 mit Energie, und zwar nach Bedarf während des Betriebs des Ladesystems 200.
  • Die AC-Energiequelle 220 ist ebenso mit einer AC-Last 292 verbunden. Wie oben bereits erläutert, kann die AC-Last 292 eine beliebige elektrische Einrichtung sein, welche Wechselstrom verwendet, und ist mit der gleichen AC-Energiequelle 220 wie das elektrische System 200 verbunden. Wie weiter unten detaillierter erläutert wird, bestimmt das Steuerungsmodul 216 die Wirk- und Blindleistung, welche von dem elektrischen System 200 und der AC-Last 292 verwendet wird, und entnimmt entweder mehr Blindleistung oder gibt mehr Blindleistung zurück, so dass die von dem elektrischen System 200 und der AC-Last 292 entnommene Energie im Wesentlichen eine Wirkleistung ist, und zwar aus der Perspektive der AC-Energiequelle.
  • Es wird darauf hingewiesen, dass 2 eine vereinfachte Darstellung eines elektrischen Systems 200 zum Zwecke der Erläuterung ist und den Umfang bzw. die Anwendbarkeit des hierin beschriebenen Gegenstandes in keinster Weise beschränken soll. Obwohl daher 2 direkte elektrische Verbindungen zwischen Schaltkreiselementen und/oder Anschlüssen zeigt, können alternative Ausführungsformen wechselwirkende Schaltkreiselemente und/oder Komponenten verwenden, während die Funktion im Wesentlichen die gleiche ist. Zusätzlich soll, obwohl das elektrische System 200 hierin im Zusammenhang eines Matrix-Umwandlers 208 für ein Fahrzeug beschrieben ist, der Gegenstand nicht auf Fahrzeug- und/oder automobile Anwendungen beschränkt sein, wobei der hierin beschriebene Gegenstand in einer beliebigen Anwendung umgesetzt werden kann, wo ein Energieumwandlungsmodul verwendet wird (zum Beispiel Abwärtswandler, Verstärkungswandler, Energiewechselrichter, Stromquellenwechselrichter und/oder -umwandler, Spannungsquellenwechselrichter und/oder -umwandler und dergleichen), um Energie unter Verwendung von Schaltelementen zu übertragen.
  • Nunmehr mit Bezug auf 3 kann in einer beispielhaften Ausführungsform ein elektrisches System eingerichtet sein, um ein Steuerungsverfahren 300 und zusätzliche Aufgaben, Funktionen und unten erläuterte Operationen auszuführen. Die verschiedenen Aufgaben können durch Software, Hardware, Firmware oder jede Kombination davon ausgeführt werden. Für darstellende Zwecke kann sich die folgende Beschreibung auf Elemente beziehen, welche oben in Verbindung mit 2 erwähnt worden sind. In der Praxis können die Aufgaben, Funktionen und Operationen durch unterschiedliche Elemente des beschriebenen Systems ausgeführt werden, wie zum Beispiel das erste Umwandlungsmodul 204, das Isolationsmodul 206, den Matrix-Umwandler 208 und/oder das Steuerungsmodul 216. Es wird bevorzugt, dass eine beliebige Anzahl von zusätzlichen oder alternativen Aufgaben enthalten sein kann, und in ein umfassenderes Verfahren mit zusätzlicher Funktionalität eingegliedert sein kann, welches hier nicht im Detail beschrieben ist.
  • Mit Bezug auf 3 und weiterhin mit Bezug auf 2 initialisiert bzw. beginnt das Steuerungsverfahren 300 durch Erhalten der Spannung an der DC-Schnittstelle und Erhalten des Spulenstroms (Schritte 302, 304). Beispielsweise kann das Steuerungsmodul 216 erhalten, abfragen oder auf sonstige Weise die Spannung bei der DC-Schnittstelle 202 messen und den Strom durch die Spule 210 (zum Beispiel mittels eines Stromsensors, welcher zwischen der Spule 210 und dem Knoten 232 oder dem Knoten 240 angeordnet ist). Das Verfahren 300 fährt fort durch Bestimmen von PWM-Befehlssignalen für die Schalter des Matrix-Umwandlers (Schritt 306). In dieser Hinsicht verwendet das Steuerungsmodul 216 Hochfrequenz-PWM, um die Schalter 20–34 des Matrix-Umwandlers 208 zu modulieren oder in sonstiger Weise zu betreiben, um am Ausgang 222, 224 der Sekundärwicklungen 244 eine gewünschte Spannung, Strom oder Energie bereitzustellen, wie auf ähnliche Weise oben im Zusammenhang mit 2 beschrieben wurde. Die PWM-Befehlssignale steuern das zeitliche Verhalten der entsprechenden Schalter 20–34 des Matrix-Umwandlers 208 über ein Schaltintervall (oder PWM-Zyklus), das heißt, wenn ein entsprechender Schalter geschlossen, eingeschaltet oder sonstwie aktiviert wird.
  • Wenn beispielsweise mit Bezug auf 2 der Spulenstrom in eine positive Richtung (zum Beispiel iL > 0) fließt, dann schließt (oder schaltet ein) das Steuerungsmodul 216 gleichzeitig die Schalter 22, 26, 30 und 34, um den Spulenstrom (iL) durch den Matrix-Umwandler 208 zu zirkulieren oder sonstwie fließen zu lassen, um eine Spannung an der Spule 210 anzulegen. Um die gespeicherte Energie und/oder Spannung der Spule 210 freizusetzen und eine positive Spannung an (bzw. einen positiven Strom durch) den (bzw. die) Sekundärwicklungen 244 anzulegen, öffnet (oder schaltet aus) das Steuerungsmodul 216 die Schalter 22 und 26, während die Schalter 30 und 34 in einem geschlossenen Zustand gehalten werden, so dass lediglich Schalter 30 und 34 den Spulenstrom (iL) von Knoten 232 zu Knoten 238 über die Primärwicklungen 246 leiten, um an den Primärwicklungen 246 eine positive Spannung anzulegen. Nach einer bestimmten Zeitdauer schließt das Steuerungsmodul 216 die Schalter 22 und 26, um Energie durch den Matrix-Umwandler 208 zirkulieren zu lassen, wie oben bereits erwähnt. Um eine negative Spannung an (oder einen negativen Strom durch) den (bzw. die) sekundären Wicklungen 244 anzulegen, öffnet (bzw. schaltet aus) das Steuerungsmodul 216 die Schalter 30 und 34, während Schalter 22 und 26 in einem geschlossenen Zustand aufrechterhalten werden, so dass lediglich Schalter 22 und 26 den Spulenstrom (iL) von Knoten 232 zu Knoten 238 über die primären Wicklungen 246 leiten, um eine negative Spannung an den primären Wicklungen 246 anzulegen. Der Zeitpunkt, wenn die Schalter 22, 26, 30 und 34 geschlossen werden, als auch die Dauer, während welcher die Schalter 22, 26, 30 und 34 geschlossen sind (das heißt die Betriebszyklen) werden durch das Steuerungsmodul 216 festgelegt, um eine gewünschte Spannung (oder Strom) an den Ausgängen 222, 224 der sekundären Wicklungen 244 bereitzustellen, wie oben erläutert wurde.
  • Auf eine ähnliche Art und Weise schließt, wenn der Spulenstrom sich in einer negativen Richtung befindet (zum Beispiel iL < 0), das Steuerungsmodul 216 gleichzeitig die Schalter 20, 24, 28 und 32 (bzw. schaltet diese ein), um den Spulenstrom (iL) durch den Matrix-Umwandler 208 zu zirkulieren oder sonstwie fließen zu lassen. Um die gespeicherte Energie und/oder Spannung der Spule 210 freizusetzen und eine positive Spannung an den sekundären Wicklungen 244 anzulegen (bzw. einen positiven Strom da hindurch fließen zu lassen), öffnet (bzw. schaltet aus) das Steuerungsmodul 216 die Schalter 28 und 32, während Schalter 20 und 24 in einem geschlossenen Zustand gehalten werden, so dass lediglich Schalter 20 und 24 den Spulenstrom von Knoten 238 zu Knoten 232 mittels der primären Wicklungen 246 leiten, um die gespeicherte Energie der Spule 210 freizusetzen und eine positive Spannung an den primären Wicklungen 246 anzulegen. Nach einer bestimmten Zeitdauer schließt das Steuerungsmodul 216 die Schalter 28 und 32, um Energie durch den Matrix-Umwandler 208 zu zirkulieren, wie oben bereits erläutert wurde. Um eine negative Spannung an den sekundären Wicklungen 244 anzulegen (bzw. einen negativen Strom dadurch fließen zu lassen), öffnet (bzw. schaltet aus) das Steuerungsmodul 216 die Schalter 20 und 24, während Schalter 28 und 32 in einem geschlossenen Zustand gehalten werden, so dass lediglich Schalter 28 und 32 den Spulenstrom von Knoten 238 zu Knoten 232 über die primären Wicklungen 246 leiten, um die gespeicherte Energie der Spule 210 freizusetzen und eine negative Spannung an den primären Wicklungen 246 anzulegen. Der Zeitpunkt, wenn die Schalter 20, 24, 28 und 32 geschlossen werden, als auch die Dauer, während welcher die Schalter 20, 24, 28 und 32 geschlossen sind (das heißt die Betriebszyklen), werden durch das Steuerungsmodul 216 festgelegt, um eine gewünschte Spannung (bzw. Strom) an den Ausgängen 222, 224 der sekundären Wicklungen 244 bereitzustellen, wie es oben beschrieben ist.
  • Nochmals mit Bezug auf 3 und weiterhin mit Bezug auf 2 bestimmt das Verfahren 300 gemäß einer Ausführungsform, ob eine Strominjektion aktiviert werden sollte (Schritt 308). In dieser Hinsicht kann das Steuerungsmodul 216 den erhaltenen Spulenstrom (iL) mit einem oder mehreren Schwellenwerten vergleichen, um zu bestimmen, ob eine Strominjektion aktiviert bzw. deaktiviert werden sollte. Beispielsweise nimmt in einer Ausführungsform das Steuerungsmodul 216 einen Messwert des Spulenstromes (iL) (zum Beispiel durch Abtasten und/oder Ablesen eines Wertes vom Stromsensor) und bestimmt einen gleitenden Durchschnitt (i L) für den Spulenstrom auf Grundlage des zuletzt erhaltenen Wertes des Spulenstromes (iL) und zuvor erhaltener Werte für den Spulenstrom. Ein Bestimmen eines gleitenden Durchschnittes reduziert die Geräuscheffekte auf den gemessenen Werten für den Spulenstrom, wie im Stand der Technik bevorzugt ist. Wenn eine Strominjektion nicht zuvor für ein vorangegangenes Schaltintervall aktiviert war, dann vergleicht das Steuerungsmodul 216 den Betrag des bleibenden Durchschnittes des Spulenstromes mit einem ersten Schwellenwert, und aktiviert eine Strominjektion, wenn der Betrag des gleitenden Durchschnittes größer als der erste Schwellenwert ist. In dieser Hinsicht wird der erste Schwellenwert als ein Wert für einen Betrag eines Stromes durch die Spule 210 ausgewählt, welcher mit ausreichender Wahrscheinlichkeit vorübergehende Spannungsspitzen an den Schaltern des Matrix-Umwandlers 208 erzeugen würde, was die Durchbruchsspannungen der Schalter 20–34 überschreiten würde. Wenn eine Strominjektion für ein vorangegangenes Schaltintervall aktiviert war, dann vergleicht das Steuerungsmodul 216 den Betrag des gleitenden Durchschnittes mit einem zweiten Schwellenwert, und deaktiviert eine Strominjektion, wenn der Betrag des gleitenden Durchschnittes kleiner als der Schwellenwert ist. In einer beispielhaften Ausführungsform ist der erste Schwellenwert größer als der zweite Schwellenwert, um eine Hysterese bereitzustellen, und zu vermeiden, dass das Verfahren 300 zwischen einer Aktivierung und einer Deaktivierung einer Strominjektion hin und her oszilliert. Beispielsweise wird der erste Schwellenwert gemäß einer Ausführungsform zu etwa 4 Ampere gewählt und der zweite Schwellenwert zu etwa 2 Ampere. Es wird darauf hingewiesen, dass in einigen Ausführungsformen eine Strominjektion zu jeder Zeit aktiviert sein kann, unabhängig von dem Betrag des Spulenstromes.
  • In einer beispielhaften Ausführungsform fährt das Verfahren 300 in Antwort auf ein Bestimmen fort, dass eine Strominjektion nicht aktiviert werden sollte (oder alternativ, dass eine Strominjektion deaktiviert werden sollte), und zwar durch Betreiben des Matrix-Umwandlers auf Grundlage der PWM-Befehlssignale für die Schalter des Matrix-Umwandlers (Schritt 310). Auf diese Weise betreibt, wenn die Strominjektion deaktiviert ist, das Steuerungsmodul 216 die Schalter 20–34 des Matrix-Umwandlers 208 gemäß der zuvor bestimmten PWM-Befehlssignale, um zwischen einem Zyklieren des Spulenstromes durch den Matrix-Umwandler 208 und einem Zuführen von Energie zu der DC-Schnittstelle 202 und/oder der DC-Energiequelle 218 hin und her zu wechseln, wie oben beschrieben ist. Die durch die Schritte 302, 304, 306, 308 definierten Schleifen können sich während des Betriebs des elektrischen Systems 200 wiederholen, bis der Spulenstrom den ersten Schwellenwert überschreitet und das Steuerungsverfahren 300 festlegt, dass eine Strominjektion aktiviert werden sollte.
  • In Antwort auf eine Bestimmung, dass eine Strominjektion aktiviert werden sollte, fährt das Steuerungsverfahren 300 durch Bestimmen von PWM-Befehlssignalen zum Injizieren von Strom durch die primären Wicklungen des Isolationsmoduls zu dem Matrix-Umwandler fort (Schritt 312). In einer beispielhaften Ausführungsform bestimmt auf Grundlage der Spannung (VDC) an der DC-Schnittstelle 202 und dem Spulenstrom das Steuerungsmodul 216 das zeitliche Verhalten und die Betriebszyklen (bzw. Pulsbreiten) zum Betreiben der Schalter 52–58 des ersten Umwandlungsmoduls 204, um einen Injektionsstrom durch die primären Wicklungen 246 bereitzustellen, um den Strom durch einen oder mehrere der geschlossenen Schalter des Matrix-Umwandlers 208 zu reduzieren und vorübergehende Spannungsspitzen zu vermeiden, welche die Durchbruchsspannungen der Schalter 20–34 überschreiten, wenn einer oder mehrere Schalter des Matrix-Umwandlers 208 in der Folge geöffnet sind. In einer beispielhaften Ausführungsform implementiert das Steuerungsmodul 216 eine zweidimensionale Look-Up-Tabelle und bestimmt das zeitliche Verhalten und die Betriebszyklen für die Schalter 52–58 auf Grundlage des absoluten Wertes des Spulenstromes (iL) und der Spannung (VDC) an der DC-Schnittstelle 202. In dieser Hinsicht besteht die Look-Up-Tabelle aus Werten für die Betriebszyklen (bzw. Pulsbreiten) für ein gleichzeitiges Einschalten von entsprechenden Schalterpaaren 52–58 und das zeitliche Verhalten dafür, wenn die entsprechenden Schalter 52–58 ein- bzw. ausgeschaltet werden sollten, und zwar relativ zu einem Öffnen von Schalterpaaren des Matrix-Umwandlers 208, um die DC-Schnittstelle 202 mit Energie zu versorgen. Das Steuerungsmodul 216 identifiziert oder bestimmt auf sonstige Weise die gleichzeitig zu schließenden Paare von Schaltern 52–58, um den Injektionsstrom auf Grundlage der gewünschten Richtung des Stromes durch das Isolationsmodul 206 bereitzustellen. Beispielsweise identifiziert das Steuerungsmodul 216 auf Grundlage der Richtung des Spulenstromes (iL) und/oder der PWM-Befehlssignale für die Schalter 20–34 des Matrix-Umwandlers 208, Schalter 52 und 58 als das zu schließende Paar, um den Injektionsstrom durch die primären Wicklungen 246 von Knoten 234 zu Knoten 236 bereitzustellen, bevor der Matrix-Umwandler 208 betrieben wird, um eine negative Spannung an den primären Wicklungen 246 anzulegen, und identifiziert Schalter 54 und 56 als das zu schließende Paar von Schaltern, um den Injektionsstrom durch die primären Wicklungen 246 von Knoten 236 zu Knoten 234 bereitzustellen, bevor der Matrix-Umwandler 208 betrieben wird, um eine positive Spannung an den primären Wicklungen 246 anzulegen, wie detaillierter weiter unten beschrieben wird.
  • Nach Bestimmen der PWM-Befehlssignale zum Bereitstellen eines Injektionsstromes durch primären Wicklungen des Isolationsmoduls fährt das Steuerungsverfahren 300 fort durch Betreiben des Matrix-Umwandlers auf Grundlage der PWM-Befehlssignale für die Schalter des Matrix-Umwandlers und durch Bereitstellen des Injektionsstromes durch die primären Wicklungen, bevor die DC-Schnittstelle und/oder die DC-Energiequelle mit Energie versorgt wird (Schritt 314, 316). Auf diese Weise betreibt das Steuerungsmodul 216 die Schalter 20–34 des Matrix-Umwandlers 208 gemäß der zuvor bestimmten PWM-Befehlssignale, um zwischen einem Zyklieren des Spulenstromes (iL) durch den Matrix-Umwandler 208 und einem Versorgen der DC-Schnittstelle 202 und/oder der DC-Energiequelle 218 mit Energie hin und her zu wechseln. Das Steuerungsmodul 216 betreibt die Schalter 52–58 des ersten Umwandlungsmoduls 204 gemäß der zuvor bestimmten PWM-Befehlssignale zum Injizieren eines Stromes durch die primären Wicklungen 246 des Isolationsmodules 206, um einen Strom durch die sekundären Wicklungen 244 zu leiten, und den Injektionsstrom durch die primären Wicklungen 246 zu induzieren oder sonstwie bereitzustellen, bevor ein oder mehrere Schalter des Matrix-Umwandlers 208 geöffnet werden, um die DC-Schnittstelle 202 und/oder die DC-Energiequelle 218 mit Energie zu versorgen. Die durch die Schritte 302, 304, 306, 308, 310, 312, 314 und 316 definierte Schleife wiederholt sich nach Belieben während des Betriebs des elektrischen Systems 200.
  • 4 zeigt eine beispielhafte Steuerungsstrategie 400, welche beispielsweise durch das Steuerungsmodul 216 umgesetzt werden könnte. Die Steuerungsstrategie beinhaltet eine Konstantspannungsbetriebsart, eine Konstantstrombetriebsart und eine Konstantleistungsbetriebsart. Jede der Steuerungsstrategien (das heißt Konstantspannung, -strom oder -leistung) erzeugt einen Referenzstrom Iref, welcher dann verwendet wird, um ein Abschaltzeit-Betriebsverhältnis Uref zu berechnen. Uref wird dann in das Steuerungsmodul 216 eingegeben und verwendet, um die PWM-Befehlssignale für die Schalter 20–34 und 52–58 des Matrix-Umwandlers zu erzeugen, wie oben beschrieben wurde. Weiterhin ist das Steuerungsmodul 216 dazu eingerichtet, um entweder mehr Blindstrom von der AC-Schnittstelle 214 in jeder der Steuerungsbetriebsarten zu entnehmen oder zusätzlichen Blindstrom zurückzuführen, so dass die von der AC-Energiequelle 220 durch das elektrische System 200 und die AC-Last 292 entnommene Leistung im Wesentlichen eine Wirkleistung ist, und zwar vom Gesichtspunkt der AC-Energiequelle, wie detaillierter weiter unten erläutert werden wird.
  • Um den Referenzstrom Iref bei einem Betrieb in der Konstantspannungsbetriebsart zu bestimmen, bestimmt das Steuerungsmodul 216 zunächst eine Spannung Vref, welche erforderlich ist, um die Batterie aufzuladen und misst die momentane Spannung an der Batterie Vout. Die Steuerung berechnet dann bei Block 410 das Ergebnis von Gleichung (1).
    Figure 00300001
  • Die Spannungsausgabe bei Block 410 wird dann in den Spannungsregulierer 412 eingegeben. Der Spannungsregulierer 412 kann auf eine Art und Weise ausgebildet sein, um eine Tiefpass-Funktionalität für den skalierten Energiefehler bereitzustellen, welcher in Gleichung (1) aufgeführt ist (zum Beispiel unterhalb 30 Hz), während eine Phasenverstärkung für die äußere Spannungsschleifen-Bandbreitenfrequenz bereitgestellt wird, um eine gewünschte Phasenbreite zu erzielen (zum Beispiel größer 45°). Der Spannungsregulierer 412 gibt eine Leistung Pref auf Grundlage der Ausgabe von Block 410 aus.
  • Die Steuerung multipliziert dann bei Block 414 die Leistung Pref mit einem Verhältnis aus Eingabe-AC-Spannung und der quadrierten RMS-AC-Spannung, und zwar gemäß Gleichung (2).
    Figure 00300002
  • Die Ausgabe von Block 414 ist ein Referenzstrom Iref, welcher verwendet wird, um das Abschaltzeit-Betriebsverhältnis zu erzeugen, wie detaillierter weiter unten beschrieben wird.
  • Um den Referenzstrom Iref bei Betrieb in der Konstantstrombetriebsart zu bestimmen, bestimmt das Steuerungsmodul 216 zunächst einen gewünschten Batteriestrom Idcref und den tatsächlichen Batteriestrom Ibattery. Der Abschätzer 420 berechnet dann einen Strom Iacmax entsprechend einem Strom, welcher von der AC-Energiequelle 220 entnommen worden ist, und zwar gemäß der Gleichungen (3) bis (5).
    Figure 00310001
  • Gleichung (3) definiert einen anfänglichen Maximalstrom, welcher der AC-Energiequelle 220 entnommen werden kann, wobei Vout einer momentanen Spannung an der Batterie 218 entspricht, Vacmax einer maximalen Spannung entspricht, welche der AC-Energiequelle 220 entnommen werden kann (die Maximal-Spannung Vacmax kann in Abhängigkeit vom Land variieren und/oder auf Grundlage der Art der Spannungsquelle), und Icapmax ist der Maximal-Strom, welcher vom Kondensator 212 gehandhabt werden kann.
  • Die Steuerung erhöht dann den Maximal-Strom auf Grundlage von Gleichung (4), wobei kTs eine momentane Zeit (in Minuten, Sekunden usw.) darstellt, (k + 1)Ts eine nächste Zeit darstellt, kp eine Verstärkung darstellt und Ibatteryrms ein Root-Mean-Square (RMS) des momentanen Batteriestromes darstellt. Die Verstärkung kp wird durch das Steuerungsmodul 216 bestimmt und verwendet, um zu steuern, wie schnell der Strom Iacmax zulässigerweise änderbar ist. In einer Ausführungsform ist kp beispielsweise bestimmt durch Überwachung der dynamischen Antwort der Wechselstrom-Bezugs-Änderung. In einigen Fällen kann zum Beispiel angenommen werden, dass eine schrittweise Änderung im AC-Strombefehl auf einen bestimmten Wert beschränkt ist und dass kp in sich anpassender Weise ändern kann, um sich an diese Begrenzung anzupassen. In einer weiteren Ausführungsform kann kp durch experimentelles Ausprobieren bestimmt werden, um unnötige Übergänge im Batteriestrom zu vermeiden.
  • Das Steuerungsmodul 216 überwacht während einer Erhöhung des Maximal-Stromes Iacmax diesen, um sicherzustellen, dass der Strom einen Maximalbetrag des Stromes bei Verwendung von Gleichung (5) nicht überschreitet.
  • Die Strom-Iacmax-Ausgabe von Abschätzer 420 wird dann bei Block 422 mit einer Verstärkung entsprechend einem Verhältnis der momentanen Spannung Vac von der AC-Energiequelle 220 und der maximalen Spannung Vacmax multipliziert, welche der AC-Energiequelle 220 entnommen werden kann, und zwar entsprechend Gleichung (6). Iref = Iacmax × ( Vac / Vacmax) (6)
  • Die Ausgabe bei Block 422 entspricht dem Strom Iref, welcher verwendet wird, um zu bestimmen, welcher Strom verwendet wird, um das Abschaltzeit-Betriebsverhältnis zu erzeugen, wie detaillierter weiter unten beschrieben wird.
  • Um den Referenzstrom Iref bei Betrieb in der Konstantleistungsbetriebsart zu bestimmen, multipliziert das Steuerungsmodul 216 bei Block 430 die gewünschte konstante Leistung Pconst mit einem Verhältnis aus der momentanen Spannungsausgabe Vac von der AC-Energiequelle 220 und der RMS-Spannungsausgabe Vacrms von der AC-Energiequelle 220 gemäß Gleichung (7).
    Figure 00330001
  • Das Steuerungsmodul nimmt dann den Referenzstrom Iref, welcher entweder für die Konstantspannungsbetriebsart, die Konstantstrombetriebsart oder die Konstantleistungsbetriebsart erzeugt worden ist, und erzeugt das Abschaltzeit-Betriebsverhältnis Uref, um Schalter 20–34 und 52–58 zu steuern, während ein beliebiger Blindstrom kompensiert wird, welcher durch das elektrische System 200 entnommen wird, wie detaillierter weiter unten beschrieben wird.
  • In einer Ausführung bestimmt das Steuerungsmodul beispielsweise einen Betrag des Blindstromes Ir, um diesen der AC-Schnittstelle 214 bereitzustellen bzw. davon zu entnehmen, so dass der scheinbar von der AC-Schnittstelle 214 entnommene Strom im Wesentlichen eine Wirkleistung ist. Das Steuerungsmodul 216 kann bei Block 442 eine unmittelbare Spannung Vac der AC-Energiequelle 220 empfangen, als auch die Menge an Leistung Pbattery, welche erwünscht ist, um die DC-Energiequelle 218 zu versorgen, sowie Information über die AC-Last 292. Die Information kann beispielsweise eine abgeschätzte Ladung Qacload der AC-Last 292 beinhalten. In einer Ausführungsform kann beispielsweise die abgeschätzte Ladung Qacload durch ein entsprechendes Messgerät bereitgestellt werden. In einer weiteren Ausführungsform kann eine Utility Advanced Metering Infrastructure(AMI)-Einrichtung, wobei die AMI-Einrichtung den Energieverbrauch von einem elektrischen Messgerät (nicht dargestellt) der AC-Schnittstelle 214 misst, sammelt und analysiert, die Ladung Qacload abschätzen. Das Steuerungsmodul schätzt dann den Blindstrom Ir gemäß Gleichungen (8) bis (10) ab.
    Figure 00340001
    wobei:
    • t
    die Zeit ist;
    T
    eine Periode für einen Zyklus der AC-Schnittstelle 214;
    ω
    die momentane Winkelfrequenz der AC-Quelle 220 ist (ω bezieht sich auf die Netzwerk-Frequenz f als 2·π·f); und
    Vac
    eine momentane Spannung ist.
  • In dieser Ausführungsform wird der Blindstrom Ir einmal während dreier Zyklen der AC-Schnittstelle 214 berechnet (das heißt, einmal alle 3 T). Jedoch könnte in weiteren Ausführungsformen der Blindstrom für jede Periode der AC-Schnittstelle oder für eine beliebige andere Anzahl von Perioden bestimmt werden. Der Betrag des Blindstromes Ir, welcher der AC-Schnittstelle 214 entnommen wird bzw. dieser durch das Steuerungsmodul 216 hinzugefügt wird, kann aufgrund eines maximalen Betrages des Stromes reduziert werden, welcher durch das elektrische System 200 in sicherer Weise entnommen werden kann, ohne einen Schaden an irgendeiner der Komponenten davon zu riskieren. In einer Ausführungsform beträgt der maximale Strom beispielsweise 25 Ampere RMS.
  • In einer weiteren Ausführungsform kann das Steuerungsmodul 216 beispielsweise ebenso die Harmonischen der von der AC-Last 292 oder dem elektrischen System 200 von der AC-Energiequelle 220 entnommenen Leistung ausgleichen. In dieser Ausführungsform bestimmt das Steuerungsmodul, während es den Blindstrom Ir berechnet, ebenso einen harmonischen Strom Ih, welcher auch zu dem Referenzstrom Iref bei Block 440 hinzugefügt werden kann. Der harmonische Strom Ih kann, ähnlich dem Blindstrom Ir, in die Berechnung für Idiff (Gleichung (11), wie unten erläutert) eingefügt werden, so dass der durch das elektrische System und die AC-Last 292 von der AC-Energiequelle 220 entnommene Strom im Wesentlichen frei von Harmonischen ist, und zwar vom Gesichtspunkt der AC-Energiequelle 220 gesehen.
  • Das Steuerungsmodul 216 berechnet dann die Differenz Idiff zwischen Iref, dem Strom Icap in dem Kondensator 212, dem Strom Iind (mit Strom 290 in 2 gekennzeichnet) in der Spule 210 und dem Spulenstrom bei Block 440 und dem festgestellten Blindstrom Ir gemäß Gleichung (11). Idiff = –Iref + Icap + Iind + Ir (11)
  • In der in 4 dargestellten Ausführungsform werden Icap und IR zunächst zusammen bei Block 444 hinzugefügt, bevor sie zu Iref und Iind bei Block 440 hinzugefügt werden, jedoch kann eine beliebige Anordnung von Hinzufügungen oder einer beliebigen anderen Logik verwendet werden.
  • Da Uref ein Abschaltzeit-Betriebsverhältnis ist, wird Idiff im Allgemeinen eine negative Zahl sein. In einer weiteren Ausführungsform könnte ein Abschaltzeit-Betriebsverhältnis dazu verwendet werden, beispielsweise Schalter 20–34 und 52–58 in 2 zu steuern, wobei ein positives Idiff verwendet würde.
  • Das Steuerungsmodul multipliziert dann bei Block 450 den Strom Idiff mit einer Verstärkung K1. Verstärkung K1 wird von der Steuerung festgelegt und kann in Abhängigkeit von den Anforderungen des Systems variieren. Die Verstärkung K1 beeinflusst direkt die Bandbreite des Systems, was wiederum beeinflusst, wie schnell Uref geändert wird. K1 ist eine Verstärkung, welche direkt proportional zu der Bandbreite der inneren Stromschleife ist. Größere Werte von K1 können unerwünschte Oszillationen in der Stromsteuerung mit sich bringen, und zwar aufgrund von einer kleinen Phasenbreite, welche durch Computer-bedingte Verzögerungen in dem Mikrocontroller beeinflusst wird. Die Ausgabe bei Block 450 ist ein Fehlerstromsignal mit einer dominanten fundamentalen Frequenzkomponente (zum Beispiel 60 Hz).
  • Das Steuerungsmodul 216 addiert dann bei Block 460 die momentane Spannungsausgabe Vac von der Spannungsquelle 220 zu der Spannungsausgabe von Block 450. Schließlich bestimmt das Steuerungsmodul 216 bei Block 470 Uref durch Teilen der Spannungsausgabe von Block 460 durch die momentane Spannung Vout an der Batterie 218.
  • Das Abschaltzeit-Betriebsverhältnis Uref wird dann verwendet, um die PWM-Befehlssignale zu erzeugen. Uref bestimmt ein Verhältnis einer wirksamen Zeit, welche für eine Leistungszufuhr im Vergleich zu einer PWM-Periode verwendet wird. Wie oben beschrieben worden ist, kann die Rate, bei welcher Uref aktualisiert wird, variieren. Jedoch können, wie oben beschrieben, die PWM-Signale bei einer Rate von 50 GHz aktualisiert werden.
  • Aus Gründen der Kürze sollen herkömmliche Techniken, welche sich auf Umwandlung elektrischer Energie und/oder Leistung, elektrische Ladesysteme, Leistungsumwandler, Pulsbreitenmodulation (PWM) und andere funktionale Aspekte der Systeme (und die individuellen Betriebskomponenten dieser Systeme) hier nicht im Detail beschrieben werden. Weiterhin sollen die in den verschiedenen Figuren dargestellten Verbindungslinien beispielhafte funktionelle Beziehungen und/oder physische Kopplungen zwischen den verschiedenen Elementen darstellen. Es wird darauf hingewiesen, dass viele alternative oder zusätzliche funktionale Beziehungen oder physische Verbindungen in einer Ausführungsform des Gegenstandes der Erfindung vorhanden sein können.
  • Techniken und Technologien können hierin in Begriffen von funktionellen und/oder logischen Blockkomponenten beschrieben werden, und mit Bezug auf symbolische Darstellungen von Betriebsweisen, Verfahrensschritten und Funktionen, welche durch verschiedene Computer-Komponenten oder -Einrichtungen ausgeführt werden können. Es wird bevorzugt, dass die verschiedenen in den Figuren dargestellten Blockkomponenten durch eine beliebige Anzahl von Hardware-, Software- und/oder Firmware-Komponenten ausgeführt werden können, welche eingerichtet sind, um die spezifizierten Funktionen auszuführen. Beispielsweise kann eine Ausführungsform eines Systems oder einer Komponente verschiedene integrierte Schaltkreiskomponenten verwenden, zum Beispiel Speicherelemente, digitale Signalverarbeitungselemente, Logik-Elemente, Look-Up-Tabellen oder dergleichen, welche eine Vielzahl von Funktionen unter der Steuerung eines oder mehrerer Mikroprozessoren oder anderer Steuerungseinrichtungen ausführen können.
  • Während wenigstens eine beispielhafte Ausführungsform in der vorangegangenen detaillierten Beschreibung dargestellt worden ist, wird bevorzugt, dass eine große Anzahl an Variationen existiert. Es wird ebenso bevorzugt, dass die beispielhafte Ausführungsform oder Ausführungsformen, wie hierin beschrieben, lediglich Beispiele sind, und den Umfang, die Anwendbarkeit oder Konfiguration des beanspruchten Gegenstandes in keinster Weise beschränken sollen. Vielmehr soll die vorangegangene detaillierte Beschreibung dem Fachmann eine nützliche Anleitung zur Umsetzung der beschriebenen Ausführungsform oder Ausführungsformen bereitstellen. Es wird davon ausgegangen, dass verschiedene Änderungen hinsichtlich Funktion und Anordnung der Elemente vorgenommen werden können, ohne den Umfang der Erfindung zu verlassen, wie er durch die Ansprüche definiert ist, welche bekannte Äquivalente und zum Zeitpunkt der Einreichung dieser Patentanmeldung vorhersehbare Äquivalente mit umfassen.
  • Weitere Ausführungsformen
    • 1. Ladesystem, umfassend: Eine wiederaufladbare Batterie; eine Schnittstelle, welche eingerichtet ist, um mit einer Einspannung bereitstellende Spannungs-Quelle gekoppelt zu werden; und eine Steuerung, welche eingerichtet ist, um die Spannung über die Schnittstelle aufzunehmen und die wiederaufladbare Batterie unter Verwendung der aufgenommenen Spannung wieder aufzuladen; wobei die Steuerung weiterhin eingerichtet ist: Information über eine Wechselstrom(AC)-Last zu erhalten, welche elektrisch mit der Spannungs-Quelle verbunden ist; einen Betrag eines Blindstroms zu bestimmen, um diesen zu der Spannungs-Quelle zurückzuführen, so dass ein von dem Ladesystem entnommener Strom und die AC-Last von der Spannungs-Quelle im Wesentlichen eine Wirkleistung sind; und den festgestellten Blindstrom der Spannungs-Quelle bereitzustellen, während die wiederaufladbare Batterie wieder aufgeladen wird.
    • 2. Ladesystem nach Ausführungsform 1, wobei, wenn die Steuerung sich in einer Konstantspannungsbetriebsart befindet, die Steuerung eine Konstantspannung für die wiederaufladbare Batterie bereitstellt, wenn die Steuerung sich in einer Konstantstrombetriebsart befindet, die Steuerung einen Konstantstrom für die wiederaufladbare Batterie bereitstellt, und wenn sich die Steuerung in einer Konstantleistungsbetriebsart befindet, die Steuerung eine konstante Leistung für die wiederaufladbare Batterie bereitstellt.
    • 3. Ladesystem nach Ausführungsform 1, wobei die Steuerung weiterhin eingerichtet ist: Einen Durchschnittsbetrag eines Blindstromes zu bestimmen, welcher von dem Ladesystem und der AC-Last über eine vorbestimmte Periode entnommen wird; und Bereitstellen eines Blindstromes für die Spannungs-Quelle auf Grundlage des festgestellten durchschnittlichen Betrages des Blindstromes für eine nachfolgende vorbestimmte Periode, insbesondere wenn die Periode drei Zyklen der Spannungs-Quelle beträgt.
    • 4. Ladesystem nach Ausführungsform 3, wobei die Steuerung weiterhin eingerichtet ist, einen Betrag eines Blindstromes, welcher der Spannungs-Quelle bereitgestellt ist, zu reduzieren, wenn der von dem Ladesystem entnommene Strom einen vorbestimmten Schwellenwert überschreitet.
    • 5. Ladesystem nach Ausführungsform 1, wobei die Steuerung weiterhin ein Matrix-Umwandlungsmodul umfasst, einschließlich einer Mehrzahl von Gattern, welche einen Stromfluss von der Spannungs-Quelle zu der wiederaufladbaren Batterie steuern, wobei die Steuerung die Gatter wahlweise betreibt, und zwar auf Grundlage der Betriebsart, in welcher sich die Steuerung befindet.
    • 6. Ladesystem nach Ausführungsform 1, wobei die Steuerung weiterhin eingerichtet ist, einen Referenzstrom zu erzeugen, und zwar in Abhängigkeit von der Betriebsart, in welcher sich die Steuerung befindet, und den Bezugsstrom zu verwenden, um ein außerbetriebliches Zeitverhältnis zu erzeugen, um die Mehrzahl an Gattern zu steuern.
    • 7. Ladesystem nach Ausführungsform 6, wobei die Steuerung weiterhin eingerichtet ist, einen Referenzstrom in Abhängigkeit von der Betriebsart der Steuerung zu erzeugen, und den Referenzstrom zu verwenden, um ein Abschaltzeitverhältnis zu erzeugen, um die Mehrzahl an Gattern zu steuern.
    • 8. Elektrisches System, umfassend: Eine erste Last; eine Schnittstelle, welche eingerichtet ist, eine Spannung von einer Spannungs-Quelle aufzunehmen; und eine Steuerung, welche eingerichtet ist, um die Spannung über die Schnittstelle aufzunehmen und eine Spannung und einen Strom für die erste Last bereitzustellen, wobei die Steuerung weiterhin eingerichtet ist: Information über eine zweite Last zu empfangen, welche elektrisch mit der Spannungs-Quelle verbunden ist; einen Betrag eines Blindstromes zu bestimmen, um diesen der Spannungs-Quelle zurückzugeben, so dass ein von dem elektrischen System und der zweiten Last von der Spannungs-Quelle entnommener Strom im Wesentlichen eine Wirkleistung ist; und den festgestellten Blindstrom für die Spannungs-Quelle bereitzustellen.
    • 9. Elektrisches System nach Ausführungsform 8, wobei, wenn die Steuerung sich in einer Konstantspannungsbetriebsart befindet, die Steuerung eine konstante Spannung für die Last bereitstellt, wenn sich die Steuerung in einer Konstantstrombetriebsart befindet, die Steuerung einen Konstantstrom für die Last bereitstellt, und wenn sich die Steuerung in einer Konstantleistungsbetriebsart befindet, die Steuerung eine konstante Leistung für die Last bereitstellt.
    • 10. Elektrisches System nach Ausführungsform 8, wobei die Steuerung weiterhin eingerichtet ist: Einen durchschnittlichen Betrag eines Blindstromes zu bestimmen, welcher über eine vorbestimmte Periode von dem Ladesystem und der AC-Last entnommen ist; und einen Blindstrom für die Spannungs-Quelle bereitzustellen, und zwar auf Grundlage des festgestellten durchschnittlichen Betrages des Blindstromes für eine nachfolgende vorbestimmte Periode, insbesondere für drei Zyklen der Spannungs-Quelle.
    • 11. Elektrisches System nach Ausführungsform 10, wobei die vorbestimmte Periode drei Zyklen der Spannungsquelle beträgt.
    • 12. Elektrisches System nach Ausführungsform 8, wobei die Steuerung weiterhin eingerichtet ist, einen Betrag eines Blindstromes, welcher von der Spannungsquelle bereitgestellt ist, zu reduzieren, wenn der vom elektrischen System entnommene Strom einen vorbestimmten Schwellenwert überschreitet.
    • 13. Elektrisches System nach Ausführungsform 8, wobei die Steuerung weiterhin ein Matrix-Umwandlungs-Modul umfasst, einschließlich einer Mehrzahl von Gattern, welche einen Stromfluss von der Spannungsquelle zu der ersten Last steuern, wobei die Steuerung wahlweise die Gatter aufgrund steuert, und zwar aufgrund einer Betriebsart, in welcher sich die Steuerung befindet.
    • 14. Elektrisches System nach Ausführungsform 13, wobei die Steuerung weiterhin eingerichtet ist, einen Referenzstrom zu erzeugen, und zwar aufgrund der Betriebsart, in welcher sich die Steuerung befindet, und um den Referenzstrom zu verwenden, um ein außerbetriebliches Zeitverhältnis zu erzeugen, um die Mehrzahl der Gatter zu steuern.
    • 15. Elektrisches System nach Ausführungsform 8, wobei die Steuerung weiterhin eingerichtet ist: einen Betrag eines harmonischen Stroms zu bestimmen, um diesen an die Spannungsquelle zurückzugeben, so dass ein von dem elektrischen System entnommener Strom und die zweite Last von der Spannungsquelle im Wesentlichen frei von Harmonischen ist; und den festgestellten harmonischen Strom der Spannungsquelle bereitzustellen.
    • 16. Verfahren zum Bereitstellen einer Spannung und eines Stromes von einer Spannungs-Quelle für eine erste Last durch eine mit der Last gekoppelte Steuerung, umfassend: Bereitstellen, wenn die Steuerung sich in einer Konstantstrombetriebsart befindet, einer Konstantstromladung für die erste Last; Bereitstellen, wenn sich die Steuerung in einer Konstantspannungsbetriebsart befindet, einer Konstantspannung für die erste Last; Bereitstellen, wenn sich die Steuerung in einer Konstantleistungsbetriebsart befindet, einer Konstantleistungsladung für die erste Last; und Bereitstellen, wenn die Steuerung sich in der Konstantstrombetriebsart, der Konstantspannungsbetriebsart oder der Konstantleistungsbetriebsart befindet, eines Blindstromes für die Spannungs-Quelle, so dass der von der Spannungs-Quelle entnommene Strom im Wesentlichen eine Wirkleistung ist.
    • 17. Verfahren nach Ausführungsform 16, weiterhin umfassend ein Empfangen von Information über eine zweite Last, welche elektrisch mit der Spannungsquelle verbunden ist; und ein Bereitstellen, wenn die Steuerung sich in der Konstantstrom-Betriebsart, der Konstant-Spannungs-Betriebsart oder der Konstant-Leistungs-Betriebsart befindet, einen Blindstrom für die Spannungsquelle, so dass der Strom, welcher von der Spannungsquelle über die erste Last und die zweite Last entnommen wird, im Wesentlichen eine Wirkleistung ist.
    • 18. Verfahren nach Ausführungsform 16, weiterhin umfassend: Bestimmen eines Durchschnittsbetrags eines Blindstroms über eine vorbestimmte Anzahl von Perioden, so dass der von der Spannungsquelle entnommene Strom über die vorbestimmte Anzahl von Perioden im Wesentlichen eine Wirkleistung ist; und Bereitstellen des vorbestimmten durchschnittlichen Blindstroms für die Spannungsquelle basierend über eine nachfolgende vorbestimmte Anzahl von Perioden.
    • 19. Verfahren nach Ausführungsform 18, wobei die vorbestimmte Periode drei Zyklen der Spannungsquelle beträgt.
    • 20. Verfahren nach Ausführungsform 16, weiterhin umfassend ein Reduzieren eines Betrages eines Blindstromes, welcher der Spannungsquelle bereitgestellt wird, wenn der entnommene Strom einen vorbestimmten Schwellenwert überschreitet.

Claims (10)

  1. Ladesystem, umfassend: Eine wiederaufladbare Batterie; eine Schnittstelle, welche eingerichtet ist, um mit einer Einspannung bereitstellende Spannungs-Quelle gekoppelt zu werden; und eine Steuerung, welche eingerichtet ist, um die Spannung über die Schnittstelle aufzunehmen und die wiederaufladbare Batterie unter Verwendung der aufgenommenen Spannung wieder aufzuladen; wobei die Steuerung weiterhin eingerichtet ist: Information über eine Wechselstrom(AC)-Last zu erhalten, welche elektrisch mit der Spannungs-Quelle verbunden ist; einen Betrag eines Blindstroms zu bestimmen, um diesen der Spannungs-Quelle zurückzuführen, so dass ein von dem Ladesystem entnommener Strom und die AC-Last von der Spannungs-Quelle im Wesentlichen eine Wirkleistung sind; und den festgestellten Blindstrom der Spannungs-Quelle bereitzustellen, während die wiederaufladbare Batterie wieder aufgeladen wird.
  2. Ladesystem nach Anspruch 1, wobei, wenn die Steuerung sich in einer Konstantspannungsbetriebsart befindet, die Steuerung eine Konstantspannung für die wiederaufladbare Batterie bereitstellt, wenn die Steuerung sich in einer Konstantstrombetriebsart befindet, die Steuerung einen Konstantstrom für die wiederaufladbare Batterie bereitstellt, und wenn sich die Steuerung in einer Konstantleistungsbetriebsart befindet, die Steuerung eine konstante Leistung für die wiederaufladbare Batterie bereitstellt.
  3. Ladesystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Steuerung weiterhin eingerichtet ist: Einen Durchschnittsbetrag eines Blindstromes zu bestimmen, welcher von dem Ladesystem und der AC-Last über eine vorbestimmte Periode entnommen wird; und Bereitstellen eines Blindstromes für die Spannungs-Quelle auf Grundlage des festgestellten durchschnittlichen Betrages des Blindstromes für eine nachfolgende vorbestimmte Periode, insbesondere wenn die Periode drei Zyklen der Spannungs-Quelle beträgt.
  4. Ladesystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Steuerung weiterhin eingerichtet ist, einen Betrag eines Blindstromes, welcher der Spannungs-Quelle bereitgestellt ist, zu reduzieren, wenn der von dem Ladesystem entnommene Strom einen vorbestimmten Schwellenwert überschreitet.
  5. Ladesystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Steuerung weiterhin ein Matrix-Umwandlungsmodul umfasst, einschließlich einer Mehrzahl von Gattern, welche einen Stromfluss von der Spannungs-Quelle zu der wiederaufladbaren Batterie steuern, wobei die Steuerung die Gatter wahlweise betreibt, und zwar auf Grundlage der Betriebsart, in welcher sich die Steuerung befindet.
  6. Ladesystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Steuerung weiterhin eingerichtet ist, einen Referenzstrom zu erzeugen, und zwar in Abhängigkeit von der Betriebsart, in welcher sich die Steuerung befindet, und den Bezugsstrom zu verwenden, um ein außerbetriebliches Zeitverhältnis zu erzeugen, um die Mehrzahl an Gattern zu steuern.
  7. Elektrisches System, umfassend: Eine erste Last; eine Schnittstelle, welche eingerichtet ist, eine Spannung von einer Spannungs-Quelle aufzunehmen; und eine Steuerung, welche eingerichtet ist, um die Spannung über die Schnittstelle aufzunehmen und eine Spannung und einen Strom für die erste Last bereitzustellen, wobei die Steuerung weiterhin eingerichtet ist: Information über eine zweite Last zu empfangen, welche elektrisch mit der Spannungs-Quelle verbunden ist; einen Betrag eines Blindstromes zu bestimmen, um diesen der Spannungs-Quelle zurückzugeben, so dass ein von dem elektrischen System und der zweiten Last von der Spannungs-Quelle entnommener Strom im Wesentlichen eine Wirkleistung ist; und den festgestellten Blindstrom für die Spannungs-Quelle bereitzustellen.
  8. Elektrisches System nach Anspruch 7, wobei, wenn die Steuerung sich in einer Konstantspannungsbetriebsart befindet, die Steuerung eine konstante Spannung für die Last bereitstellt, wenn sich die Steuerung in einer Konstantstrombetriebsart befindet, die Steuerung einen Konstantstrom für die Last bereitstellt, und wenn sich die Steuerung in einer Konstantleistungsbetriebsart befindet, die Steuerung eine konstante Leistung für die Last bereitstellt.
  9. Elektrisches System nach Anspruch 7 oder 8, wobei die Steuerung weiterhin eingerichtet ist: Einen durchschnittlichen Betrag eines Blindstromes zu bestimmen, welcher über eine vorbestimmte Periode von dem Ladesystem und der AC-Last entnommen ist; und einen Blindstrom für die Spannungs-Quelle bereitzustellen, und zwar auf Grundlage des festgestellten durchschnittlichen Betrages des Blindstromes für eine nachfolgende vorbestimmte Periode, insbesondere für drei Zyklen der Spannungs-Quelle.
  10. Verfahren zum Bereitstellen einer Spannung und eines Stromes von einer Spannungs-Quelle für eine erste Last durch eine mit der Last gekoppelte Steuerung, umfassend: Bereitstellen, wenn die Steuerung sich in einer Konstantstrombetriebsart befindet, einer Konstantstromladung für die erste Last; Bereitstellen, wenn sich die Steuerung in einer Konstantspannungsbetriebsart befindet, einer Konstantspannung für die erste Last; Bereitstellen, wenn sich die Steuerung in einer Konstantleistungsbetriebsart befindet, einer Konstantleistungsladung für die erste Last; und Bereitstellen, wenn die Steuerung sich in der Konstantstrombetriebsart, der Konstantspannungsbetriebsart oder der Konstantleistungsbetriebsart befindet, eines Blindstromes für die Spannungs-Quelle, so dass der von der Spannungs-Quelle entnommene Strom im Wesentlichen eine Wirkleistung ist.
DE102012212755A 2011-08-31 2012-07-20 Systeme und Verfahren zur Bereitstellung von Energie für eine Last auf Grundlage einer Steuerungsstrategie Withdrawn DE102012212755A1 (de)

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US13/222,961 2011-08-31

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