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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Gebiet der Erfindung
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Diese Erfindung betrifft im Allgemeinen Ladeschaltungen für Hochvoltbatterien und insbesondere Hochspannungskreise für ein Fahrzeug mit einem elektrifizierten Antriebssystem.
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Technischer Hintergrund
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Elektrische und hybride Elektrofahrzeuge sind von einem wieder aufladbaren Energiespeichersystem (rechargeable energy storage system, RESS) abhängig, wie einer Hochvoltbatterie oder einem Batteriepack, um ein elektrisches Antriebssystem mit Leistung zu versorgen. Obschon ein regeneratives Abbremsen während des Fahrzeugbetriebs eine Hochvoltbatterie (HV-Batterie) in begrenztem Ausmaß wieder aufladen kann, ist ein zusätzliches Wiederaufladen der Batterie notwendig. Entsprechend kann ein typisches Hochvoltbatteriepack mit einer Ladevorrichtung zusammenwirken, die zu dessen Ankoppeln an eine Leistungsquelle wie eine elektrische Einrichtung konfiguriert ist. Zum Beispiel kann ein Ladegerät in eine Steckdose an einem Wohnort oder einer Ladestation eingesteckt werden, um das Wiederaufladen des Batteriepacks zu ermöglichen.
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Ein Ladevorgang wird typischerweise ausgeführt, während das Fahrzeug geparkt oder ausgeschaltet ist. In einer typischen elektrischen Architektur kann ein RESS mit einem oder mehreren Hauptschützen zum Koppeln des RESS mit einem elektrischen Hochspannungsbus für ein Fahrzeug assoziiert sein, und einem oder mehreren Ladeschützen zum Koppeln des RESS mit einer elektrischen Ladevorrichtung. Während eines typischen Ladevorgangs, der durchgeführt wird, während ein Fahrzeug ausgeschaltet ist, werden die Ladeschütze geschlossen, während die Hauptschütze geöffnet sind, wodurch der Energietransfer zu dem RESS ermöglicht wird und gleichzeitig der Energietransfer zu Fahrzeugsystemen und -vorrichtungen verhindert wird, die mit dem Hochspannungsbus gekoppelt sind. Auf die gleiche Weise sind während des Fahrzeugbetriebs die Hauptschütze geschlossen, wodurch das RESS mit einem Hochspannungs-Stromwandlungssystem und anderen elektrischen Lasten gekoppelt ist, während die Ladeschütze aber offen sind, sodass eine Ladevorrichtung während des Fahrzeugbetriebs nicht bestromt wird.
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Ein Elektrofahrzeugsystem kann einen DC/DC-Umsetzer aufweisen, der zum Abspannen der Hochspannung des RESS auf eine niedrigere Spannung konfiguriert ist. Es ist wünschenswert, dass der DC/DC-Umsetzer zum Bereitstellen der Abspannung während des Fahrzeugbetriebs konfiguriert ist, sodass das RESS eine Niederspannungsfahrzeugbatterie bestromen und verschiedene Niederspannungsfahrzeugvorrichtungen und -zubehörteile unterstützen kann. Entsprechend ist ein DC/DC-Umsetzer oftmals mit dem Hochspannungsbus auf der ”Fahrzeugseite” der Hauptschütze gekoppelt, sodass dieser mit dem RESS gekoppelt ist, wenn die Hauptschütze für den Fahrzeugbetrieb geschlossen sind.
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Dennoch kann der Ladevorgang selbst verschiedene Kommunikationen und Vorgänge von Niederspannungsvorrichtungen erfordern. Außerdem können die Vorkonditionierungsvorgänge, die eine Unterstützung der Niederspannungsbatterie erfordern, während des Aufladens des Fahrzeugs durchgeführt werden. Zum Beispiel kann ein Verbraucher wünschen, dass eine Fahrzeugkabine auf eine gewünschte Temperatur gebracht wird. Da die Hauptschütze typischerweise während des Ladevorganges geöffnet sind, kann ein DC/DC-Umsetzer, der mit einem Hochspannungsbus auf der Fahrzeugseite der Hauptschütze gekoppelt ist, während des Ladevorganges nicht von dem RESS bestromt werden und dadurch die Niederspannungsbatterie und Fahrzeuglasten in Zusammenhang mit den Lade- und Vorkonditionierungsprozessen nicht unterstützen. Als Ergebnis kann die Niederspannungsfahrzeugbatterie entleert werden, während der Vorkonditionierungsprozess während des Wiederaufladens des RESS unterstützt wird.
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Eine mögliche Lösung kann das Schließen der Hauptschütze zum Bestromen der Hochspannungsbusse sein, wobei der DC/DC-Umsetzer und andere Fahrzeugsysteme mit dem RESS gekoppelt werden. Diese Lösung würde jedoch, zusätzlich zu dem Koppeln des DC/DC-Umsetzers, andere Systeme wie das Antriebssystem, die Fahrzeugheizungs- und -belüftungssysteme und andere verschiedene Systeme während des Ladevorganges ankoppeln. Eine Lösung, die Lasten hinzunimmt, welche die Effizienz des Ladevorganges reduzieren, ist im Allgemeinen nicht wünschenswert. Eine weitere Lösung kann das Versetzen des DC/DC-Umsetzers auf die RESS-Seite der Hauptschütze sein; bei dieser Konfiguration würde jedoch der DC/DC-Umsetzer die ganze Zeit bestromt werden, es sei denn, dies würde durch zusätzliche Schütze oder Schutzvorrichtungen verhindert. Eine solche Bedingung ist im Allgemeinen nicht wünschenswert, weil ein Eigenverbrauch des DC/DC-Umsetzers Energie aus der Hochvoltbatterie abführen würde. Außerdem kann eine solche Konfiguration die Wartungsbetriebe erschweren. Schließlich kann eine Lösung die Aufnahme eines dedizierten DC/DC-Umsetzers mit darin integrierter Ladevorrichtung umfassen, die zum Betrieb während eines Ladevorgangs konfiguriert ist. Dennoch erfordert dieser Ansatz eine Verdopplung einer komplizierten Schaltung und Steuerung, was redundant und damit nicht kosteneffizient ist.
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KURZDARSTELLUNG DER ERFINDUNG
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Es werden Systeme und Vorrichtungen vorgestellt, die einem DC/DC-Umsetzer, der mit einem wieder aufladbaren Energiespeichersystem (RESS) gekoppelt und zum Unterstützen einer Niederspannungslast konfiguriert ist, ermöglichen, während eines Aufladens des RESS betrieben zu werden, sowie betrieben zu werden, während das RESS nicht geladen wird, um eine Hochspannungslast zu unterstützen. Gleichzeitig kann ein System eine unnötige Bestromung des DC/DC-Umsetzers, Ladegeräts und/oder anderer Einrichtungen einschränken oder verhindern, um die Sicherheit und Effizienz insgesamt zu verbessern. Zum Beispiel kann eine elektrische Schaltung für ein Fahrzeug ein RESS aufweisen, das mit ersten und zweiten Spannungsbussen entgegengesetzter Polarität gekoppelt ist, wobei ein Ladegerät zum Koppeln des RESS mit einer Energiequelle während eines RESS-Ladeereignisses konfiguriert ist und ein DC/DC-Umsetzer mit dem ersten und dem zweiten Spannungsbus gekoppelt ist, wobei der DC/DC-Umsetzer zum Betrieb während des Ladevorgangs und während des Fahrzeugantriebs konfiguriert ist.
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Ein Beispielsystem kann ein RESS aufweisen, das eine erste Polaritätsklemme aufweist, die mit einem ersten Spannungsbus gekoppelt ist und eine zweite Klemme entgegengesetzter Polarität, die mit einem zweiten Spannungsbus gekoppelt ist; ein erstes Primärschütz, das zum Koppeln eines ersten Abschnitts des ersten Spannungsbus mit einem zweiten Abschnitt des ersten Spannungsbus konfiguriert ist; und ein zweites Primärschütz, das zum Koppeln eines ersten Abschnitts des zweiten Spannungsbusses mit einem zweiten Abschnitt des zweiten Spannungsbusses konfiguriert ist. Auf diese Weise kann jedes Primärschütz einen energieseitigen (ersten) Abschnitt eines Spannungsbusses mit einem lastseitigen (zweiten) Abschnitt des Spannungsbusses koppeln. Ein System kann ferner einen DC/DC-Umsetzer aufweisen, der zum Abspannen der Spannung des RESS zum Unterstützen einer Niederspannungslast konfiguriert ist. In einem Beispielsystem kann der DC/DC-Umsetzer mit einem ersten (Energie-)Abschnitt von einem der Spannungsbusse gekoppelt sein und mit einem zweiten (lastseitigen) Abschnitt des anderen Spannungsbusses. Zum Beispiel kann ein System für ein elektrisches oder hybrides Elektrofahrzeug einen DC/DC-Umsetzer aufweisen, der mit einem RESS-Abschnitt eines HV-Bus gekoppelt ist, und mit einem Fahrzeug(last-)abschnitt eines zweiten HV-Busses (mit entgegengesetzter Polarität). Während beide Primärschütze geschlossen sind, können die Fahrzeugseiten der HV-Busse bestromt werden, um verschiedene HV-Fahrzeuglasten zu unterstützen, während der DC/DC-Umsetzer Niederspannungslasten unterstützt. Durch das gesteuerte Schließen ausgewählter Schütze eines Systems kann ein DC/DC-Umsetzer eine Niederspannungslast ohne unnötige Bestromung einer HV-Fahrzeuglast unterstützen. Zum Beispiel ermöglicht die Erfindung einem DC/DC-Umsetzer, ein Niederspannungssystem während Fahrzeugvorkonditionierungsprozessen, während der Niederspannungsbatteriewartung und in Zeiträumen des Wiederaufladens der HV-Batterie zu unterstützen.
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In einer Beispielsausführungsform kann ein DC/DC-Umsetzer steuerbar mit einem Lastabschnitt eines von zwei Spannungsbussen über einen Hilfsschütz gekoppelt sein. Als Beispiel kann ein Ladegerät auch steuerbar mit dem Lastabschnitt von einem Spannungsbus über einen Hilfsschütz gekoppelt sein, und außerdem steuerbar mit einem Energieabschnitt des anderen Spannungsbus über einen Ladeschütz gekoppelt sein. Ein Vorladeschaltung kann angeordnet sein, um eine Lastseite eines Spannungsbusses steuerbar zu laden. In einer Beispielsausführungsform kann der DC/DC-Umsetzer angeordnet sein, um die Vorladeschaltung zum Verhindern von Beschädigungen seiner Komponenten, die von einem Einschaltstrom mit hoher Ladung verursacht werden, auszunutzen.
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KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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1 zeigt ein Beispielsystem der Erfindung.
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2A zeigt ein Beispielsystem der Erfindung.
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2B zeigt ein Beispielsystem der Erfindung.
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3 zeigt eine Beispielschaltung der Erfindung.
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4 zeigt Kontaktzustände, die verschiedenen Betriebsarten für eine Ausführungsform der Erfindung zugeordnet sind.
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5 zeigt eine Beispielschaltung der Erfindung.
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6 zeigt eine Beispielschaltung der Erfindung.
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AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG BEISPIELHAFTER AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Wie erforderlich, werden beispielhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung offenbart. Die verschiedenen Ausführungsformen sollen nicht einschränkende Beispiele von verschiedenen Arten der Umsetzung der Erfindung sein und man wird verstehen, dass die Erfindung in alternativen Formen ausgeführt werden kann. Die vorliegende Erfindung wird hierin mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen ausführlicher beschrieben, wobei gleiche Bezugszahlen gleiche Elemente in den verschiedenen Figuren bezeichnen, in denen beispielhafte Ausführungsformen dargestellt sind. Die Figuren sind nicht unbedingt maßstabsgetreu, einige Merkmale können übertrieben groß oder klein sein, um Details bestimmter Elemente hervorzuheben, während andere zugehörige Elemente ausgelassen sind, um die Verschleierung der neuartigen Aspekte zu verhindern. Die spezifischen hierin offenbarten strukturellen und funktionellen Details sind daher nicht als einschränkend auszulegen, sondern nur als repräsentative Grundlage, um einen Fachmann verschiedene Anwendungen der vorliegenden Erfindung zu lehren. Zum Beispiel wird man verstehen, dass, obschon beispielhafte Ausführungsformen im Kontext mit einem Fahrzeug beschrieben werden, die vorliegende Erfindung nicht auf diese bestimmte Anordnung beschränkt ist.
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Mit Bezugnahme auf die verschiedenen Zeichnungen, in denen gleiche Bezugszahlen gleiche Elemente bezeichnen, zeigt 1 ein Blockdiagramm eines Beispielsystems 10 mit einem wieder aufladbaren Energiespeichersystem (RESS) 12, das zum Unterstützen einer Primärlast 14 konfiguriert ist. Ein DC/DC-Umsetzer 28 kann zum Abspannen seiner Spannung und zum Unterstützen einer sekundären Last 29 mit dem RESS 12 gekoppelt sein. Das System 10 ist zum Betreiben des DC/DC-Umsetzers 28 konfiguriert, während das RESS die primäre Last 14 bestromt, sowie zum Betrieb während des Aufladens des RESS 12.
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Das RESS 12 kann zum Beispiel, aber nicht darauf beschränkt, als Hochvoltbatterie (HV-Batterie) oder als andere Energiespeichervorrichtung für ein Elektrofahrzeug (EV), Hybridelektrofahrzeug (HEV) oder Plug-in-Hybridelektrofahrzeug (PHEV) ausgeführt sein und die primäre Last 14 kann als HV-Last für das Fahrzeug ausgeführt sein. Zum Beispiel kann die HV-Batterie eine mehrzellige 300-V-Lithiumionenbatterie umfassen. In einer Beispielsausführungsform kann die primäre Last 14 einen Leistungselektronikkonverter umfassen und kann ferner andere HV-Systeme und Zubehörteile in Verbindung mit einem elektrisch betriebenen Fahrzeug aufweisen. Das RESS 12 kann mit einem ersten Spannungsbus 16 und einem zweiten Spannungsbus 18 entgegengesetzter Polarität gekoppelt sein, um die primäre Last 14 zu bestromen. Die ersten und zweiten primären Koppler 20, 24 können angeordnet sein, um eine Kopplung und Abkopplung des RESS 12 von der primären Last 14 zu ermöglichen. Zum Beispiel kann der primäre Koppler 20 zum Koppeln eines ersten Abschnitts 21 des Spannungsbusses 16 mit einem zweiten Abschnitt 22 des Spannungsbusses 16 konfiguriert sein. Auf die gleiche Weise kann der zweite primäre Koppler 24 zum Koppeln eines ersten Abschnitts 25 des Spannungsbusses 18 mit einem zweiten Abschnitt 26 des Spannungsbusses 18 konfiguriert sein. Durch das Schließen der primären Koppler 20 und 24 kann das RESS 12 die Last 14 bestromen. In einer Beispielsausführungsform können die primären Koppler Schalter umfassen, die als Schütze mit Spulen ausgebildet sind, die elektrisch bestromt oder abgeschaltet werden können, um eine elektrische Verbindung bereitzustellen.
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In einer Beispielsausführungsform kann der DC/DC-Umsetzer 28 mit dem ersten Abschnitt 25 des Spannungsbusses 18 gekoppelt sein und mit dem zweiten Abschnitt 22 des Spannungsbusses 16. In dieser Konfiguration ist der DC/DC-Umsetzer 28 mit einem ”Energie”-Abschnitt des Spannungsbusses 18 und mit einem ”Last”-Abschnitt des Spannungsbusses 16 gekoppelt. Wenn die primären Koppler 20, 24 geschlossen werden, um die Last 14 mit dem RESS 12 zu verbinden, kann der DC/DC-Umsetzer 28 von dem RESS 12 zum Unterstützen der sekundären Last 29 bestromt werden. Als Beispiel kann die sekundäre Last 29 Niederspannungssysteme und eine Vorrichtung wie eine Niederspannungs-Fahrzeugbatterie und andere Niederspannungsmodule und Fahrzeugzubehörteile umfassen.
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2A zeigt eine beispielhafte Ausführungsform 30, in der ein Ladegerät 32 enthalten ist. Das Ladegerät 32 kann zum Koppeln des RESS 12 an eine Energiequelle 34 zum Bestromen oder Laden konfiguriert sein. In einer Beispielausführungsform kann die Energiequelle 34 eine Steckdose umfassen, die einen Wechselstrom aus einer elektrischen Einrichtung bereitstellt, wie aus dem Stand der Technik bekannt. Wie in 2A dargestellt, kann das Ladegerät 32 mit dem (ersten) Energieabschnitt 25 des Spannungsbusses 18 und dem (zweiten) Lastabschnitt 22 des Spannungsbusses 16 gekoppelt sein. Das steuerbare Koppeln und Abkoppeln des Ladegeräts 32 von dem RESS 12 kann einen Lademodus bereitstellen, bei dem das RESS 12 geladen wird, aber die primäre Last 14 nicht bestromt wird, und einen Betriebsmodus, bei dem die Last 14 unterstützt und das Ladegerät 32 nicht bestromt wird. Zum Beispiel ermöglicht das Schließen des primären Kopplers 20, aber Öffnen des primären Kopplers 24 dem Ladegerät 32, das RESS 12 ohne Bestromen der primären Last 14 zu laden. Es ermöglicht dem DC/DC-Umsetzer 28 auch, die sekundäre Last 29 während des Ladevorgangs zu betreiben und zu unterstützen. Daher kann ein System die Entladung einer Niederspannungsfahrzeugbatterie verhindern, die zum Unterstützen verschiedener Aspekte eines Ladevorganges verwendet wird. Des Weiteren kann es eine Möglichkeit liefern, einer Niederspannungsbatterie selbst dann Energie zuzuführen, wenn diese nicht zum Unterstützen des Ladevorganges verwendet wird.
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2B zeigt ein Beispielsystem 36, das eine Vorladeschaltung 38 aufweist. In einer Beispielausführungsform kann die Vorladeschaltung 38 angeordnet sein, um einen Lastabschnitt des Spannungsbusses steuerbar zu bestromen und damit eine Last, die mit einem Spannungsbus gekoppelt ist, um Schäden und Komplikationen zu vermeiden, die durch einen hohen Einschaltstrom des RESS 12 über einen primären Koppler verursacht werden können. In einer Beispielausführungsform kann die Vorladeschaltung 38 angeordnet werden, um sowohl den ersten als auch den zweiten Abschnitt 21, 22 des Spannungsbusses 16 zu koppeln, sodass das Aufladen des zweiten Abschnitts 22 mit einer langsameren Geschwindigkeit durchgeführt werden kann, bis dieser vollständig aufgeladen wurde. Wie die Last 14 kann auch der DC/DC-Umsetzer 28 von der Vorladefunktion profitieren.
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3 zeigt einen beispielhaften Schaltplan 40 für ein System; es sei jedoch darauf hingewiesen, dass einem Fachmann verschiedene andere Anordnungen zum Unterstützen eines Systems der Erfindung einfallen werden. Der Einfachheit halber wird der Schaltplan 40 in dem Kontext zum Einsatz in einem Elektrofahrzeug beschrieben, man wird jedoch verstehen, dass ein System und eine Schaltung der Erfindung ganz unterschiedlich eingesetzt werden können. Eine Hochvoltbatterie 42 kann mit einem ersten Spannungsbus 44 gekoppelt werden und diesem so eine erste Polarität verleihen, und außerdem mit einem zweiten Spannungsbus 46, dem sie eine entgegengesetzte Polarität verleiht. In dem vorliegenden Beispiel sind die Hochvoltbatterie 42 und die Spannungsbusse 44, 46 derart angeordnet, dass der Spannungsbus 44 eine positive Polarität aufweist und der Spannungsbus 46 eine negative Polarität. Ein erstes Primärschütz 48 kann zum Koppeln eines ersten (energieseitigen) Abschnitts 47 des ersten Spannungsbusses 44 mit einem zweiten (lastseitigen) Abschnitt 48 des ersten Spannungsbusses 44 konfiguriert sein. Auf die gleiche Weise kann ein zweites Primärschütz 50 zum Koppeln eines ersten (energieseitigen) Abschnitts 51 des Spannungsbusses 46 mit einem zweiten (lastseitigen) Abschnitt 52 des Spannungsbusses 46 konfiguriert sein. Durch Schließen der Primärschütze 44, 46 können die Spannungsabschnitte 49 und 52 geladen werden, wodurch eine HV-Fahrzeuglast davon unterstützt wird (nicht dargestellt).
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Eine Vorladeschaltung kann zum Steuern und Verlangsamen des Spannungsbus-Bestromungsvorgangs aufgenommen werden, um einen Ladeeinschaltstrom von der Hochvoltbatterie 42 zu verhindern. Zum Beispiel kann eine Vorladeschaltung 54 parallel zu dem Primärschütz 48 angeordnet sein. Die Vorladeschaltung 54 kann ein Vorladeschütz oder -schalter 56 umfassen, die in Serie mit einem Vorladewiderstand 58 geschaltet sind. Wenn das Vorladeschütz 56 geschlossen ist, kann das Primärschütz 48 offen sein und das Primärschütz 50 geschlossen sein, sodass Strom von der HV-Batterie 42 durch die Vorladeschaltung 54 strömen kann, um den Spannungsbusabschnitt 49 auf gesteuerte Weise zu bestromen. Bei Abschluss der Vorladefunktion kann, wenn die Spannungsbusabschnitte 49, 52 vollständig geladen sind, das Primärschütz 48 geschlossen und das Vorladeschütz 56 geöffnet werden, um das Aufladen der Spannungsbusse 44, 46 bei hohem Potential aufrechtzuerhalten. Die Vorladeschaltung 54 kann die Unversehrtheit und Langlebigkeit eines Primärschützes schützen. Ein Primärschütz kann von einem hohen Ladeeinschaltstrom aus einer Hochvoltbatterie beschädigt oder zugeschweißt werden. Durch das Warten, bis beide Seiten des Spannungsbusses vollständig aufgeladen sind, bevor das Primärschütz 48 geschlossen wird, kann das Primärschütz 48 vor den negativen Auswirkungen eines hohen Einschaltstroms geschützt werden.
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Ein DC/DC-Umsetzer 60 kann integriert sein, um eine Niederspannungslast 62 zu unterstützen. Wie bereits oben beschrieben, kann die Niederspannungslast 62 eine Fahrzeugbleisäurebatterie umfassen, die zum Bereitstellen von Leistung an verschiedene Fahrzeugzubehörteile konfiguriert ist, wie elektrische Fenster, elektrische Verriegelung, Entertainment-Center, Scheibenwischer, Navigationsausrüstung, interne und externe Beleuchtung, usw. In einer Beispielausführungsform kann der DC/DC-Umsetzer 60 angeordnet sein, um den ersten Spannungsbus 44 an dem lastseitigen Abschnitt 49 über Knoten 59 und 61 zu verbinden, und um den zweiten Spannungsbus 46 an dem energieseitigen Abschnitt 51 über die Knoten 63 und 65 zu verbinden. Die strategische Platzierung von Knoten 61 ermöglicht dem DC/DC-Umsetzer 60, von der Funktionsweise der Vorladeschaltung 54 zu profitieren. Kondensatoren des DC/DC-Umsetzers sind typischerweise groß und laden sich mit einer Geschwindigkeit auf, die sich proportional zu einer Differenz des Eingabepotentials verhält. Ein Kondensator mit einem anfänglichen entladenen Zustand von null Ladung, der direkt mit einer Hochvoltbatterie verbunden wird, wie mit einer 300 V-Batterie, die typischerweise in einem EV verwendet wird, kann stark beschädigt werden, wenn er zu schnell aufgeladen wird, wodurch der DC/DC-Umsetzer-Betrieb beeinträchtigt wird. Durch die sorgfältige Platzierung von Knoten 61 kann die Vorladeschaltung 54 die Kondensatoren des DC/DC-Umsetzers dazu veranlassen, mit einer verwaltbaren und zulässigen Geschwindigkeit aufgeladen zu werden, wodurch die Unversehrtheit des DC/DC-Umsetzers gewährleistet wird.
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Der DC/DC-Umsetzer 60 weist zwei Eingänge auf, einen in dem Spannungsbus 44 und den anderen in dem Spannungsbus 46. Da der Knoten 61 den DC/DC-Umsetzer 60 mit dem lastseitigen Abschnitt 49 des Spannungsbusses 44 koppelt, hängt der Ladezustand des Eingangs des Spannungsbusses 44 von dem offenen/geschlossenen Zustand des Primärschützes 48 und Vorladeschützes 54 ab. Wenn beide geöffnet sind, wird der Spannungsbusseingang 44 nicht bestromt; wenn einer davon geschlossen ist, wird der Spannungsbuseingang 44 bestromt. Dennoch wird, weil der Knoten 63 mit dem DC/DC-Umsetzer 60 mit dem energieseitigen Abschnitt 51 des Spannungsbusses 46 verbunden ist, der Spannungsbuseingang 46 typischerweise zu jeder Zeit bestromt. Mögliche Ausnahmen können beinhalten, wenn die HV-Batterie 42 nicht betriebsfähig ist (z. B. vollständig entladen) oder wenn die HV-Batterie 42 von dem Spannungsbus 46 abgekoppelt wurde. Zum Beispiel kann ein Service Disconnect (SD) 64 veranlasst werden, um einen manuelle Abkopplung der HV-Batterie 42 von einer Fahrzeuglast für ihre Entnahme zu ermöglichen. Zum Beispiel kann ein Problem mit der HV-Batterie 42 selbst auftreten, oder mit einem der Primärschütze 48, 50. Das SD 64 kann zum Abkoppeln der HV-Batterie 42 zum Ermöglichen der Wartung oder Aufbau der Batterie 42 selbst, eines defekten Schaltungselements oder eines Teils des Fahrzeugs konfiguriert sein, um derart durchgeführt zu werden, dass eine Bedienersicherheit gewährleistet ist und die restlichen Schaltungselemente geschützt sind. In einer Beispielausführungsform umfasst das SD 64 einen Schützschalter, der manuell gesteuert werden kann.
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Eine Ladevorrichtung 66 kann angeordnet sein, um das Aufladen der HV-Batterie 42 mithilfe einer Energiequelle 68 zu ermöglichen. In einer Beispielanordnung kann die Ladevorrichtung 66 parallel mit dem DC/DC-Umsetzer 60 geschaltet sein und an einen lastseitigen Abschnitt eines Spannungsbusses und den Energieabschnitt des anderen Spannungsbusses gekoppelt sein. In der Beispielausführungsform aus 3 können der DC/DC-Umsetzer 60 und die Ladevorrichtung 66 mit dem lastseitigen Abschnitt 49 des Spannungsbusses 44 über den Knoten 61 verbunden sein, und der energieseitige Abschnitt 51 des Spannungsbusses 46 über den Knoten 63. In einer Beispielausführungsform kann ein optionaler Hilfsschütz (auxiliary contactor, AXC) 70 angeordnet sein, um die Ladevorrichtung 66 steuerbar mit oder von dem Knoten 61 und dem lastseitigen Abschnitt 49 des Spannungsbusses 44 zu koppeln oder abzukoppeln. Wie in 3 dargestellt, kann die Anordnung des AXC 70 das Abkoppeln des DC/DC-Umsetzers 60 sowie der Ladevorrichtung 66 ermöglichen. Wenn auf diese Weise angeordnet, kann das AXC 70 geöffnet werden, um einen Wartungszugang zu dem DC/DC 60 und/oder Ladevorrichtung 66 zu ermöglichen, ohne den bestromten Eingang von Bus 44 zu unterbrechen, wenn ein Problem mit dem öffnen des Primärschützes 48 auftritt, zum Beispiel, wenn das Primärschütz 48 zugeschweißt ist.
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In einem weiteren Beispiel (nicht dargestellt) kann das AXC 70 zwischen dem DC/DC 60 und der Ladevorrichtung 66 angeordnet werden, zum Beispiel zwischen dem Knoten 59 und der Ladevorrichtung 66. In einer solchen Anordnung kann das AXC 70 verwendet werden, um die Ladevorrichtung 66 von dem Spannungsbus 44 abzukoppeln, ohne den DC/DC-Umsetzer 60 von dem Spannungsbus 44 abzukoppeln. Entsprechend kann der Spannungsbus 44 ermöglichen, dass der DC/DC 60 Energie an die Niederspannungslast 62 während des Fahrzeugantriebs bereitstellt, ohne die Ladevorrichtung 66 zu bestromen. Diese Art von Konfiguration kann einen Vorteil bei Schaltungen darstellen, die ein Ladegerät mit Eigenverbrauch aufweisen, der hoch genug ist, um die Kraftstoffökonomie zu beeinträchtigen. Dies kann auch vorteilhaft sein, wenn der AC-Eingang an ein Ladegerät ohne adäquaten Schutz des Ladegerätes bestromt würde.
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In erneutem Bezug auf die Beispielanordnung, die in 3 dargestellt ist, kann die Beispielsschaltung 40 auch einen optionalen Ladeschütz (charger contactor, CC) 72 aufweisen, der zum Abkoppeln der Ladevorrichtung 66 von dem anderen Spannungsbus 46 konfiguriert ist. Daher kann ein Beispielsystem ein steuerbares Schütz für jeden der Spannungsbuseingänge für das Ladegerät aufweisen. In einer Beispielausführungsform kann das CC 72 konfiguriert sein, um die Ladevorrichtung 66 von dem Spannungsbus 46 abzukoppeln, aber nicht den DC/DC-Umsetzer 60 von dem Spannungsbus 46 abzukoppeln. Diese Konfiguration ermöglicht dem DC/DC-Umsetzer 60, während eines Fahrzeugantriebsmodus betrieben zu werden, wenn kein Ladegerät verwendet wird. Zum Beispiel können während des Fahrzeugantriebs die Primärschütze 48 und 50 geschlossen sein, das AXC 70 kann geschlossen sein und das Ladegerätschütz 72 kann zum Abkoppeln des Ladegeräts 66 von dem Spannungsbus 46 geöffnet sein. In dieser Konfiguration ist der DC/DC-Umsetzer 60 mit der HV-Batterie 42 gekoppelt, wodurch diese den Fahrzeugbetrieb unterstützen kann, aber das Ladegerät 66 wird nicht bestromt. Dennoch können während des Aufladens der HV-Batterie 42 das Primärschütz 48 und die Schütze 70 und 72 geschlossen sein, während das Primärschütz 50 geöffnet ist, wodurch das Ladegerät 66 die HV-Batterie 42 aufladen kann und ermöglicht, dass der DC/DC-Umsetzer 60 die zugehörigen Niederspannungslasten während des Aufladungsprozesses unterstützt. Das Aufrechterhalten des Primärschützes 50 in einem geöffneten Zustand während des Aufladens kann eine HV-Last daran hindern, während des Ladevorgangs bestromt zu werden.
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Daher kann das System der Erfindung das Koppeln/Abkoppeln einer Ladevorrichtung zulassen, den DC/DC-Umsetzerbetrieb während des Fahrzeugbetriebs sowie während des Ladens der Fahrzeugbatterie zu ermöglichen und einem DC/DC-Umsetzer ermöglichen, von einer Vorladeschaltung zu profitieren. Durch das Steuern verschiedener Schütze können verschiedene Betriebsarten unterstützt werden, wie in 4 dargestellt. In einer Beispielausführungsform kann die Steuerung der verschiedenen Schütze von einer oder mehreren Steuerungen durchgeführt werden, wie eine mit einem Batterieenergie-Steuermodul assoziierte, das mit einer HV-Batterie assoziiert ist, oder eine mit einem höheren Fahrzeugsteuerungssystem oder -untersystem assoziierte wie eine Fahrzeugsystemsteuerung, eine elektronische Steuereinheit oder dergleichen. Es wird berücksichtigt, dass ein zentrales Steuerungssystem zum Steuern der Primärschütze, der Hilfs- und Ladeschütze sowie einer Vorladeschaltung konfiguriert sein kann.
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Während 3 eine Beispielanordnung zeigt, können auch andere Anordnungen eingesetzt werden, um eine Schaltung mit Vorladefunktion bereitzustellen, bei der eine Ladevorrichtung und/oder DC/DC-Umsetzer mit einer Energieseite eines Hochspannungsbusses einer Polarität und mit einer Lastseite eines Hochspannungsbusses einer entgegengesetzten Polarität gekoppelt sind. Zum Beispiel zeigt 5 ein Beispiel 74, bei dem die Vorladeschaltung 54 über ein negatives Hauptschütz angeordnet ist, das Primärschütz 50, anstelle über ein positives Hauptschütz wie in 3 dargestellt. Die Vorladeschaltung 54 kann mit dem Spannungsbus 46 an einem Knoten 76 an dem energieseitigen Abschnitt 51 verbunden sein, und ein Knoten 78 mit dem lastseitigen Abschnitt 52. In dem Beispiel 74 wird die Ladevorrichtung 66 mit dem Spannungsbus 44 an der Energieseite 47 des Primärschützes 48 über einen Knoten 80 gekoppelt und mit dem Spannungsbus 46 auf der Lastseite 52 des Primärschützes 50 über einen Knoten 82. Auf ähnliche Weise wird der DC/DC-Umsetzer 60 mit dem positiven Spannungsbus 44 an der Energieseite 47 des Primärschützes 48 über die Knoten 80 und 84 gekoppelt und mit dem Spannungsbus 46 auf der Lastseite 52 des Primärschützes 50 über die Knoten 82 und 86. In dieser Beispielanordnung ist das AXC 70 zum Koppeln/Abkoppeln des DC/DC-Umsetzers 60 und der Ladevorrichtung 66 mit einem Hochspannungsbus konfiguriert, nämlich dem Spannungsbus 46. In einem nicht einschränkenden Beispiel können die Vorladeschaltung 54 und das AXC 70 mit dem gleichen Spannungsbus gekoppelt sein. Wie in 5 dargestellt, kann ein Ladeschütz zum Koppeln einer Ladevorrichtung mit einem positiven Spannungsbus konfiguriert sein, wie durch den Ladeschütz 72 dargestellt, der zum Koppeln der Ladevorrichtung 66 mit dem Spannungsbus 44 konfiguriert ist. Daher kann die Ladevorrichtung 66 steuerbar mit jedem der Hochspannungsbusse 44, 46 gekoppelt und davon abgekoppelt werden, und der DC/DC-Umsetzer 60 kann sowohl während des Antriebs- als auch während des Lademodus betrieben werden, genauso wie während des Nicht-Lade- und Nicht-Antriebsmodus, der einen DC/DC-Umsetzerbetrieb erfordert, um eine Niederspannungsbatterie und/oder Niederspannungslast zu unterstützen.
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Ein Fachmann wird verstehen, dass zusätzliche Schaltungskonfigurationen, bei denen die Vorladeschaltung, Ladeschütz, Hilfsschütz und/oder Service Disconnect anders angeordnet sind, ebenfalls für die Umsetzung der Erfindung verwendet werden können. Zum Beispiel stellen 3 und 5 eine Vorladeschaltung und ein Hilfsschütz dar, die mit dem gleichen Spannungsbus gekoppelt sind, wobei ein Ladeschütz mit einem gegenüberliegenden Spannungsbus gekoppelt ist. Diese Anordnung kann verändert werden und immer noch die Funktion der Erfindung bereitstellen. Als Beispiel zeigt 6 eine Beispielschaltung 90, bei der die Vorladeschaltung 54 mit dem Spannungsbus 44 gekoppelt ist, während das AXC 70 mit dem gegenüberliegenden Spannungsbus 46 gekoppelt ist. Im Beispiel 90 ist der DC/DC-Umsetzer mit dem lastseitigen Abschnitt 49 des Spannungsbusses 44 über die Knoten 61, 92 und mit dem energieseitigen Abschnitt 51 des Spannungsbusses 46 über die Knoten 63 und 94 gekoppelt. Das AXC 70 kann steuerbar den DC/DC-Umsetzer 60 und die Ladevorrichtung 66 von dem negativen Spannungsbus 46 koppeln. Das Ladeschütz 72 kann steuerbar die Ladevorrichtung 66 mit dem positiven Spannungsbus 44 koppeln. Das Vorladen des DC/DC-Umsetzers 60 wird genauso beibehalten wie der gleichzeitige Betrieb der Ladevorrichtung 66 und des DC/DC-Umsetzers 60. Zusätzliche Schaltungskonfigurationen werden einem Fachmann einfallen.
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Es sei darauf hingewiesen, dass ein SD auf einem Spannungsbus jeder Polarität durchgeführt werden kann, ohne die Schaltungsfunktion zu beeinträchtigen. Ein SD ist vorzugsweise zwischen einem RESS und einem Primärschütz angeordnet, sodass es verwendet werden kann, um ein Primärschütz und einen Spannungsbus von dem RESS abzukoppeln. Zum Beispiel kann ein Schütz beschädigt sein und einer Reparatur bedürfen. Ein SD zwischen einem beschädigten Schütz, wie einem zugeschweißtem, und einer Batterie kann das Schütz (und den zugehörigen lastseitigen Abschnitt eines Spannungsbusses) dazu veranlassen, von der Batterie abgekoppelt zu werden, um die Bestromung zu unterbrechen, um sicher ausgewechselt zu werden. Zum Beispiel kann in Bezug auf 5 in einer weiteren Beispielausführungsform das SD 64 auf dem Spannungsbus 44 zwischen dem RESS 42 und dem Knoten 80 angeordnet sein.
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Systeme der Erfindung stellen Vorteile gegenüber den Systemen aus dem Stand der Technik bereit, bei denen der DC/DC-Umsetzer mit einer Lastseite sowohl eines HV(+)-Primärschützes als auch eines HV(–)-Primärschützes gekoppelt war. Bei diesem Typ von Konfiguration wurde ein DC/DC-Umsetzer typischerweise während eines Fahrzeugantriebs betrieben, wenn beide Primärschütze geschlossen waren, die aber während des Wiederaufladens der Batterie nicht betrieben wurden, wenn beide Primärschütze geöffnet waren. Als Ergebnis musste ein Ladegerät oftmals seinen eigenen Hilfswandler aufweisen, um einen Ladevorgang zu unterstützen. Die vorliegende Erfindung stellt ein System bereit, bei dem ein Fahrzeug-DC/DC-Umsetzer während eines Hochvoltbatterie-Ladevorgangs zum Unterstützen einer Fahrzeug-Niederspannungsbatterie und -last betrieben werden können. Zum Beispiel kann ein Ladegerät während eines Ladevorgangs Leistung aus der Fahrzeug-Niederspannungsbatterie zum Steuern des Schaltkreises ziehen. Außerdem können andere Module wie ein Batterieenergie-Steuermodul während eines Wiederaufladevorgangs mit Leistung aus einer Niederspannungsbatterie unterstützt werden. In einigen Fällen kann eine Niederspannungslast von einem Vorkonditionierungssystem erhöht werden, das während eines Ladevorgangs zum Erwärmen eines Fahrzeugs für einen Fahrer durch Anschalten der Gebläsemotoren und dergleichen aktiviert wird, wobei eine Niederspannungsbatterie in Anspruch genommen wird. Ohne das Betreiben des DC/DC-Umsetzers besteht die Gefahr, dass eine Niederspannungsbatterie nicht dazu fähig ist, eine adäquate Unterstützung bereitzustellen.
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In Zukunft können weitere Lasten erwartet werden, weil ein Aufladevorgang immer komplexer wird. Als nicht einschränkendes Beispiel können öffentliche Ladestationen eingerichtet werden, die gesteuerte Stromnetzinteraktionen für eine effizientere Ressourcenzuweisung aufweisen. Zum Beispiel kann eine Anwendung das Aufladen von Fahrzeugen verzögern, die für längere Zeiträume abgestellt werden, beispielsweise Fahrzeuge an Flughafenladestationen. Als Ergebnis können Steuerungskommunikationen, die bestimmte Module zum Initiieren eines verzögerten Ladevorgangs aufwecken, eine geringere Voltleistung erfordern. Auf die gleiche Weise kann ein Verbraucher ein Fahrzeug an einer Ladestation parken und wünschen, einen Ladevorgang zu verzögern, um die niedrigeren Strompreise auszunutzen, die während Nichtspitzenzeiten angeboten werden. Indem der DC/DC-Umsetzer eine Niederspannungsbatterie während sowohl des Lade- als auch Antriebsmodus unterstützen kann, können Batterien trotz größerer Lasten kleiner werden.
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Obgleich verschiedene Beispielschaltungsanordnungen zum Lehren der verschiedenen Aspekte der Erfindung dargestellt wurden, ist die Erfindung nicht auf die hierin beschriebenen Beispiele beschränkt und es versteht sich, dass weitere Beispielschaltungen innerhalb des Schutzbereichs der angehängten Patentansprüche einem Fachmann auf dem Gebiet ersichtlich sein werden.
