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QUERVERWEIS ZU VERWANDTEN ANMELDUNGEN
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Diese Anmeldung ist eine nicht-vorläufige Anmeldung der U.S. Anmeldung mit der Seriennummer 61/882,933, die am 26. September 2013 angemeldet wurde, deren Offenbarung hierin in ihrer Gesamtheit durch Bezugnahme enthalten ist.
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TECHNISCHES GEBIET
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Die vorliegende Offenbarung richtet sich auf ein Doppelquellen-Betriebsenergieversorgungssystem und -Verfahren zur Anwendung in einem Elektro- oder Hybrid-Elektrofahrzeug zur Bereitstellung einer ununterbrochenen elektrischen Niederspannungsenergie an einen Steuerungsschaltkreis, und insbesondere auf eine Betriebsenergieversorgung für ein bordseitiges Batterieladegerät mit einem automatischen Quellenwechsel nach der Anlegung oder Entfernung einer Wechselstromspannung an das Ladegerät.
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HINTERGRUND
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Wie es in der Automobilindustrie bekannt ist, können Elektrofahrzeuge (EV) und Hybrid-Elektrofahrzeuge (HEV) mit einer oder mehreren Hochspannungsbatterien zur Versorgung des Fahrzeugantriebsstrang ausgestattet sein. Solche Batterien erfordern ein regelmäßiges Wiederaufladen nach der Entleerung, was durch Anschließen des Fahrzeugs an eine Hochspannungs-Wechselstrom-Energieleitung, welche 120 oder 240 V Wechselstrom aufweisen kann, die von einem elektrischen Energieversorgungsnetzwerk bereitgestellt werden, erreicht werden kann. Ein solcher Anschluss kann einen geeigneten Fahrzeug-Verbinder nutzen, der dafür ausgelegt ist, über eine Schnittstelle mit einem bordseitigen Fahrzeug-Batterieladegerät (OBC) verbunden zu werden. Das OBC wandelt die Stromnetz-Wechselstrom-Leistung in eine geeignete Gleichstrom-Leistung um, um die Hochspannungsbatterien aufzuladen. Um die Basis-Leistungsumwandlungen durchzuführen, müssen alle Schaltkreiskomponenten mit individuellen Versorgungen in jeweils isolierten Flächenzonen gespeist werden. Dies wird durch Betriebsenergieversorgungen (HKPS) erreicht.
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Elektro- und Hybrid-Elektrofahrzeuge können ebenfalls eine Niederspannungs-Batterie, wie eine 12 V Gleichstrombatterie, zur Speisung der Niederspannungs-FahrzeugElektrosysteme und Schaltkreise aufweisen. Einige oder alle solche Elektrosysteme und/oder Schaltkreise eines EV oder HEV könnten mit Energie aus einer Hochspannungs-Energiequelle gespeist werden, wenn das Fahrzeug an eine Wechselstrom-Energieleitung angeschlossen ist. In diesem Fall ist eine solche Energiequelle praktisch unbegrenzt, und eine solche Anordnung würde dazu beitragen, den Ladezustand zu erhalten und/oder die Lebensdauer der fahrzeugeigenen 12 V Gleichstrombatterie zu verlängern. Ladegeräte- und verfahren für Fahrzeuge mit Hochspannungs- und Niederspannungsbatterien sind beispielsweise aus der
DE 10 2010 006 125 A1 , der
US 2012/0068663 A1 , der
US 2008/0316774 A1 und der
US 5,633,577 A bekannt. Aus der
DE 10 2010 062 038 A1 ist zudem ein System bekannt, das eine Kommunikation zwischen galvanisch isolierten Komponenten durch Funksignale ermöglicht.
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In der Abwesenheit der Fahrzeugverbindung zu der Wechselstrom-Energieleitung, könnten bestimmte Steuerungsschaltkreise mit ausreichender Leistung aus der fahrzeugeigenen 12 V Gleichstrombatterie gespeist werden, um verschiedene Diagnosefunktionen auszuführen und/oder die Umprogrammierung dieses Steuerungsschaltkreises zu ermöglichen, wie beispielsweise einen Neustart für Software-Updates.
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Eine solche Anordnung erfordert üblicherweise zwei Zeilentransformatoren, um die Wechselstromleistung und die 12 V Batterieleistung individuell zu regulieren. Die zwei Transformatoren werden niemals zur selben Zeit arbeiten, was zu einem ineffizienten Nutzen von Materialien und Leiterplatinen-(PCB)-Raum führt. Ferner erfordert es ein nahtloses Umschalten zwischen der Wechselstromleistung und der fahrzeugeigenen 12 V Gleichstrombatterie, abhängig von der Anwesenheit oder Abwesenheit der Fahrzeugverbindung zu der Hochspannungs-Wechselstrom-Energieleitung. Ein solches Umschalten kann durch Verwendung eines zusätzlichen Sperrwandlers zur Umwandlung von 12 V Gleichstrom zur Angleichung an die Wechselstromleistung auf dem minimalen Spannungsniveau erreicht werden. Wenn die Wechselstrom-Energieleitung aktiviert wird, wird die Sperrwandler-Rückkopplung gesättigt und der Wandler wird in einen Schwachstrom-Modus überführt. Wenn die Wechselstromenergie fehlt, gelangt die Rückkopplung aus der Sättigung und der Wandler kehrt in seinen normalen Betriebsmodus zurück. Die Verwendung eines solchen Hilfs-Sperrwandlers ist sperrig und kostenaufwändig sowie ineffizient, weil alle Teile laufen, und überdies weniger zuverlässig, weil beide Seiten zusammengeschnürt sind, was zu einem möglichen Versagen führt, das eine übermäßige Hochspannung verursachen kann. Andere Lösungen umfassen zwei gesonderte Sperrwandler mit gemeinsamen Ausgängen. Ein System-Mikrosteuergerät wird eingesetzt, um den Zustand der Wechselstromleistung zu erkennen und anschließend einen der beiden Wandler einzuschalten/auszuschalten. Jedoch wird die Steuerung des Mikrosteuergeräts kritisch und kann die Erfordernisse für nahtlose Wechsel in den meisten Fällen nicht erfüllen.
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ZUSAMMENFASSUNG
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Ein oder mehrere Ausführungsbeispiele der vorliegenden Offenbarung richten sich auf ein Energieversorgungssystem zur Bereitstellung einer ununterbrochenen elektrischen Niederspannungsenergie an einen Steuerungsschaltkreis in einem Elektro- oder Hybrid-Elektrofahrzeug. Das System kann einen Wandler aufweisen, der dafür ausgelegt ist, eine Niederspannungs-Einspeisung von einer Fahrzeugbatterie und/oder eine gleichgerichtete Wechselstrom-Hochspannungs-Einspeisung zu empfangen und die Niederspannungs-Einspeisung oder die gleichgerichtete Wechselstrom-Hochspannungs-Einspeisung in eine Niederspannungs-Ausspeisung zur Verwendung beim Antrieb des Steuerungsschaltkreises umzuwandeln. Der Wandler kann eine erste Primärseite aufweisen, die dafür ausgelegt ist, die Niederspannungs-Einspeisung von der Fahrzeugbatterie zu erhalten und eine zweite Primärseite, die dafür ausgelegt ist, die gleichgerichtete Wechselstrom-Hochspannungs-Einspeisung zu erhalten. Das System kann ferner ein erstes Steuergerät umfassen, das an die Niederspannungs-Einspeisung gekoppelt ist, zum Betrieb einer ersten Schaltvorrichtung, die der ersten Primärseite des Wandlers zugeordnet ist. Das erste Steuergerät kann funktionsfähig sein, um die erste Schaltvorrichtung anzutreiben, um die Niederspannungs-Ausspeisung unter Verwendung von Energie aus der Niederspannungs-Einspeisung zu regulieren, wenn die gleichgerichtete Wechselstrom-Hochspannungs-Einspeisung fehlt. Das System kann ebenfalls ein zweites Steuergerät umfassen, das an die gleichgerichtete Wechselstrom-Hochspannungs-Einspeisung anschließbar ist, zum Betrieb einer zweiten Schaltvorrichtung, die der zweiten Primärseite des Wandlers zugeordnet ist. Wenn die gleichgerichtete Wechselstrom-Hochspannungs-Einspeisung vorhanden ist, kann das zweite Steuergerät funktionsfähig sein, um die zweite Schaltvorrichtung anzutreiben, um die Niederspannungs-Ausspeisung unter Verwendung von Energie aus der gleichgerichteten Wechselstrom-Hochspannungs-Einspeisung zu regulieren und um das erste Steuergerät unter Verwendung eines Schaltsignals zu deaktivieren. Ein Optokoppler kann in Kommunikation mit dem zweiten Steuergerät bereitgestellt werden, um das Schaltsignal zu empfangen und um das Schaltsignal von der zweiten Primärseite über eine Isolationsgrenze an das erste Steuergerät auf der ersten Primärseite zu übertragen.
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Das System kann ferner eine monostabile Schaltung umfassen, die elektrisch zwischen dem Optokoppler und dem ersten Steuergerät angeordnet ist. Die monostabile Schaltung kann dafür ausgelegt sein, das Schaltsignal von dem Optokoppler zu empfangen und basierend auf dem Schaltsignal ein Ausgabesignal an das erste Steuergerät zu übertragen. Die monostabile Schaltung kann eine wiederauslösbare, monostabile Digitalschaltung sein, die basierend auf dem Schaltsignal einen von zwei Zuständen annimmt. Das Ausgabesignal der monostabilen Schaltung basiert auf einem der zwei Zustände. Das erste Steuergerät kann deaktiviert werden, wenn das Schaltsignal von dem zweiten Steuergerät, das von dem Optokoppler über die Isolationsgrenze an die monostabile Schaltung übertragen wird, ein Auslöseimpuls ist.
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Der Wandler kann ein isolierter Zeilentransformator sein. Ferner können das erste Steuergerät und das zweite Steuergerät Sperrwandler-Steuergeräte sein. Die erste Schaltvorrichtung und die zweite Schaltvorrichtung können MOSFETs sein. Ferner kann das zweite Steuergerät einen Einstellwert haben, der kleiner ist als ein Minimalwert der gleichgerichteten Wechselstrom-Hochspannungs-Einspeisung, so dass es deaktiviert wird, wenn die gleichgerichtete Wechselstrom-Hochspannungs-Einspeisung fehlt.
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Ein oder mehrere zusätzliche Ausführungsbeispiele der vorliegenden Offenbarung richten sich ebenfalls auf ein Energieversorgungssystem zur Bereitstellung einer ununterbrochenen elektrischen Niederspannungsenergie an einen Steuerungsschaltkreis in einem Elektro- oder Hybrid-Elektrofahrzeug. Das System umfasst einen Wandler mit einer ersten Primärseite, die dafür ausgelegt ist, um eine Niederspannungs-Einspeisung von einer Fahrzeugbatterie zu empfangen, und eine zweite Primärseite, die dafür ausgelegt ist, eine gleichgerichtete Wechselstrom-Hochspannungs-Einspeisung zu empfangen. Das System weist ferner ein an die Niederspannungs-Einspeisung gekoppeltes, erstes Steuergerät auf. Das erste Steuergerät ist funktionsfähig, um eine erste Schaltvorrichtung anzutreiben, um eine Niederspannungs-Ausspeisung unter Verwendung von Energie aus der Niederspannungs-Einspeisung zu regulieren, wenn die gleichgerichtete Wechselstrom-Hochspannungs-Einspeisung fehlt. Das System umfasst ferner ein zweites Steuergerät, das an die gleichgerichtete Wechselstrom-Hochspannungs-Einspeisung anschließbar ist. Wenn die gleichgerichtete Wechselstrom-Hochspannungs-Einspeisung vorhanden ist, ist das zweite Steuergerät funktionsfähig, um eine zweite Schaltvorrichtung anzutreiben, um die Niederspannungs-Ausspeisung unter Verwendung von Energie aus der gleichgerichteten Wechselstrom-Hochspannungs-Einspeisung zu regulieren und das erste Steuergerät unter Verwendung eines Schaltsignals zu deaktivieren.
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Das System weist ferner einen Optokoppler auf, der mit dem zweiten Steuergerät in Kommunikation steht, zum Empfang des Schaltsignals und zur Übertragung des Schaltsignals von der zweiten Primärseite über eine Isolationsgrenze an das erste Steuergerät auf der ersten Primärseite. Ferner kann eine monostabile Schaltung elektrisch zwischen dem Optokoppler und dem ersten Steuergerät angeordnet sein. Die monostabile Schaltung kann dafür ausgelegt sein, das Schaltsignal von dem Optokoppler zu empfangen und basierend auf dem Schaltsignal ein Ausgabesignal an das erste Steuergerät übertragen. Die monostabile Schaltung kann eine wiederauslösbare, monostabile Digitalschaltung sein, die basierend auf dem Schaltsignal einen von zwei Zuständen annimmt. Das Ausgabesignal der monostabilen Schaltung basiert auf dem einen von zwei Zuständen. Das erste Steuergerät kann deaktiviert werden, wenn das Schaltsignal von dem zweiten Steuergerät, das von dem Optokoppler über die Isolationsgrenze an die monostabile Schaltung übertragen wird, ein Auslöseimpuls ist.
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Der Wandler kann ein isolierter Zeilentransformator sein. Ferner können das erste Steuergerät und das zweite Steuergerät Sperrwandler-Steuergeräte sein. Die erste Schaltvorrichtung und die zweite Schaltvorrichtung können MOSFETs sein. Ferner kann das zweite Steuergerät einen Einstellwert haben, der kleiner ist als ein Minimalwert der gleichgerichteten Wechselstrom-Hochspannungs-Einspeisung, so dass es deaktiviert wird, wenn die gleichgerichtete Wechselstrom-Hochspannungs-Einspeisung fehlt.
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Noch ein oder mehrere zusätzliche Ausführungsbeispiele der vorliegenden Offenbarung richten sich auf ein Verfahren zur Bereitstellung einer ununterbrochenen elektrischen Niederspannungsenergie an einen Steuerungsschaltkreis in einem Elektro- oder Hybrid-Elektrofahrzeug. Das Verfahren umfasst das Empfangen einer Niederspannungs-Einspeisung von einer Fahrzeugbatterie an einer ersten Primärseite eines Wandlers und das Umwandeln der Niederspannungs-Einspeisung in eine Niederspannungs-Ausspeisung zur Verwendung zum Antrieb des Steuerungsschaltkreises. Das Verfahren umfasst ferner das Empfangen einer gleichgerichteten Wechselstrom-Hochspannungs-Einspeisung an einer zweiten Primärseite des Wandlers, das Umwandeln der gleichgerichteten Wechselstrom-Hochspannungs-Einspeisung in die Niederspannungs-Ausspeisung zur Verwendung zum Antrieb des Steuerungsschaltkreises, wenn die gleichgerichtete Wechselstrom-Hochspannungs-Einspeisung vorhanden ist. Das Verfahren umfasst ebenso das Aktivieren eines ersten Steuergeräts zum Antrieb einer ersten Schaltvorrichtung zur Regulierung der Niederspannungs-Ausspeisung unter Verwendung von Energie aus der Niederspannungs-Einspeisung, wenn die gleichgerichtete Wechselstrom-Hochspannungs-Einspeisung fehlt und das Deaktivieren der ersten Primärseite des Wandlers, so dass er das Umwandeln der Niederspannungs-Einspeisung in eine Niederspannungs-Ausspeisung unterbricht.
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Die Deaktivierung der ersten Primärseite des Wandlers, so dass dieser das Umwandeln der Niederspannungs-Einspeisung in die Niederspannungs-Ausspeisung unterbricht, erfolgt durch das Übertragen eines Schaltsignals von einem zweiten Steuergerät über eine Isolationsgrenze an das erste Steuergerät durch einen Optokoppler, wenn die gleichgerichtete Wechselstrom-Hochspannungs-Einspeisung vorhanden ist, und die Deaktivierung des ersten Steuergeräts in Antwort auf das Schaltsignal, so dass es den Antrieb der ersten Schaltvorrichtung unterbricht. Das zweite Steuergerät ist mit der gleichgerichteten Wechselstrom-Hochspannungs-Einspeisung verbindba, für den Betrieb einer zweiten Schaltvorrichtung, die der zweiten Primärseite des Wandler zugeordnet ist.
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Figurenliste
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- 1 ist ein vereinfachtes, beispielhaftes Systemdiagramm eines Elektro- oder Hybrid-Elektrofahrzeugs unter Verwendung eines bordseitigen Batterieladegeräts mit einem Betriebsenergieversorgungssystem, im Einklang mit einem oder mehreren Ausführungsbeispielen der vorliegenden Offenbarung;
- 2 ist ein schematisches Diagramm eines beispielhaften Betriebsenergieversorgungssystems zur Anwendung in einem Elektro- oder Hybrid-Elektrofahrzeug, im Einklang mit einem oder mehreren Ausführungsbeispielen der vorliegenden Offenbarung;
- 3 ist ein Schemadiagramm des Betriebsenergieversorgungssystems gemäß 2 in einem Niederspannung-Modus (LV), im Einklang mit einem oder mehreren Ausführungsbeispielen der vorliegenden Offenbarung;
- 4 ist ein Schemadiagramm des Betriebsenergieversorgungssystems gemäß 2 in einem Wechselstrom-Modus (AC), im Einklang mit einem oder mehreren Ausführungsbeispielen der vorliegenden Offenbarung;
- 5 ist ein vereinfachtes, exemplarisches Zeitdiagramm, dass Einspeisungen und Ausspeisungen einer monostabilen Schaltung zur Darstellung eines Übergangs vom AC-Modus in den LV-Modus zeigt, im Einklang mit einem oder mehreren Ausführungsbeispielen der vorliegenden Offenbarung; und
- 6 ist ein beispielhaftes, vereinfachtes Flussdiagramm eines Verfahrens zur Bereitstellung einer ununterbrochenen elektrischen Niederspannungsenergie an einen Steuerungsschaltkreis in einem Elektro-oder Hybrid-Elektrofahrzeug im Einklang mit einem oder mehreren Ausführungsbeispielen der vorliegenden Offenbarung.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
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In der folgenden, detaillierten Beschreibung wird auf die beigefügten Zeichnungen Bezug genommen, welche einen Teil hiervon darstellen. In den Zeichnungen identifizieren ähnliche Bezugszeichen üblicherweise ähnliche Komponenten, sofern der Kontext nicht etwas anderes vorschreibt.
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Mit Bezug auf die 1-4 werden ein Energieversorgungssystem zur Anwendung in einem Elektro- oder Hybrid-Elektrofahrzeug zur Bereitstellung einer ununterbrochenen elektrischen Niederspannungsenergie an einen Steuerungsschaltkreis in dem Fahrzeug, sowie ein Verfahren zur Bereitstellung einer ununterbrochenen elektrischen Niederspannungsenergie an den Steuerungsschaltkreis in einem Elektro- oder Hybrid-Elektrofahrzeug beschrieben. Zur besseren Darstellung und zur Erleichterung des Verständnisses können ähnliche Bezugszeichen für ähnliche Komponenten und Merkmale durch die Zeichnungen hindurch verwendet werden.
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Wie vorstehend diskutiert wurde, erfordern EV- und HEV-Hochspannungs-Batterien zum Antrieb des Fahrzeugantriebsstrangs ein regelmäßiges Wiederaufladen nach der Entleerung. Eine solche Wiederaufladung kann erreicht werden durch Anschließen des Fahrzeugs an eine Hochspannungs-Wechselstrom-Energieleitung, die 120 oder 240 V Wechselstrom aufweisen kann, der von einem elektrischen Versorgungsnetz bereitgestellt wird, unter Verwendung eines geeigneten Fahrzeug-Verbinders, der dafür ausgelegt ist, über eine Schnittstelle mit einem bordseitigen Fahrzeugbatterieladegerät (OBC) verbunden zu werden.
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Wie ebenso diskutiert wurde, können EV- und HEV-Niederspannungs-Batterien wie eine 12 V Gleichstrombatterie, Energie für Niederspannungs-Fahrzeugelektrosysteme und - Schaltkreise bereitstellen. Einige oder alle solcher EV- oder HEV-Elektrosysteme und/oder Schaltkreise können über ein Energieversorgungssystem aus einer Hochspannungs-Energiequelle mit Energie versorgt werden, wenn das Fahrzeug an eine Hochspannungs-Wechselstrom-Energieleitung angeschlossen ist. In diesem Fall ist die Energiequelle praktisch unbegrenzt und eine solche Anordnung würde dazu beitragen, den Ladezustand zu erhalten und/oder die Lebensdauer der fahrzeugeigenen 12 V Gleichstrombatterie zu verlängern. In der Abwesenheit einer Fahrzeugverbindung mit der Hochspannungs-Wechselstrom-Energieleitung, könnte ein bestimmter Steuerungsschaltkreis mit ausreichender Energie durch das Energieversorgungssystem aus der fahrzeugeigenen 12 V Gleichstrombatterie versorgt werden, um verschiedene Diagnosefunktionen auszuführen und/oder eine Umprogrammierung des Steuerungsschaltkreises zu ermöglichen.
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Eine solche Anordnung erfordert jedoch das Umschalten zwischen der Hochspannungs-Energiequelle und der fahrzeugeigenen 12 V Gleichstrombatterie, in Abhängigkeit von der Anwesenheit oder Abwesenheit der Fahrzeugverbindung mit der Hochspannungs-Wechselstrom-Energieleitung. Dieses Umschalten kann durch Verwendung eines der oben beschriebenen Ansätze erreicht werden, jedoch erhöhen solche früheren Ansätze die Masse und Kosten von EV oder HEV und erhöhen die Wahrscheinlichkeit des Versagens von Schaltkreisen, Komponenten und/oder Systemen.
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Es gibt daher ein Bedürfnis für ein Energieversorgungssystem und -Verfahren, das als ein Teil eines bordseitigen Fahrzeugladegeräts (OBC) umgesetzt werden könnte, zur Bereitstellung einer ununterbrochenen elektrischen Niederspannungsenergie an einen Steuerungsschaltkreis in einem EV oder HEV. Ein solches System und Verfahren würde eine Niederspannungsenergie für einen Steuerungsschaltkreis aus einer Hochspannungsenergiequelle bereitstellen, wenn die Hochspannungsenergiequelle vorhanden ist, und würde eine solche Niederspannungsenergie aus der Niederspannungs-Fahrzeugbatterie bereitstellen, wenn die Hochspannungsenergiequelle fehlt. Ein solches System und Verfahren würde ebenso einen robusten, schnellen und zuverlässigen Betrieb sicherstellen, ohne eine Vielzahl von Wandlern und zusätzlichen Mikrosteuergerät-basierten Überwachungsschaltkreisen zu verwenden.
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Im Allgemeinen, im Einklang mit den hierin offenbarten Ausführungsbeispielen, kann ein Fahrzeug-OBC mit einem Energieversorgungssystem ausgestattet sein, welches Energie von zwei Quellen annimmt, nämlich eine gleichgerichtete Hochspannungs-Wechselstrom-Einspeisung aus einer Hochspannungs-Wechselstrom-Energiequelle und eine Niederspannungs-Einspeisung aus der fahrzeugeigenen Niederspannungs-Batterie. Das Energieversorgungssystem und -Verfahren kann eine ununterbrochene Energie bereitstellen, so dass ein Steuerungsschaltkreis, der dem Fahrzeug-OBC zugeordnet sein kann, umprogrammiert werden kann und Diagnose- sowie Kommunikationsfunktionen ausführen kann, auch wenn nur die Niederspannungs-Einspeisung aus der fahrzeugeigenen Niederspannungs-Batterie angelegt wird. Ansonsten kann das Energieversorgungssystem und -Verfahren Energie an einen solchen Steuerungsschaltkreis aus der Hochspannungsenergiequelle bereitstellen, wenn diese verfügbar ist. Der Übergang zwischen der Hochspannungs-Wechselstrom-Energiequelle und der fahrzeugeigenen Niederspannungs-Batterie kann automatisch, nahtlos und zuverlässig geschehen. Das Energieversorgungssystem und -Verfahren kann als Betriebsenergieversorgung bezeichnet werden.
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Bezugnehmend auf 1 ist ein vereinfachtes, beispielhaftes Systemdiagramm eines Elektro- oder Hybrid-Elektrofahrzeugs 10 mit einem bordseitigen Batterieladegerät (OBC) 12 gezeigt. Das Fahrzeug 10 kann einen Ladeeingang 14 zum Anschluss eines Ladekabel-Verbinders 16 an einen Fahrzeugkabelbaum 18 aufweisen. Der Ladekabel-Verbinder 16 kann sich von einer externen Energieversorgung 20 zur Bereitstellung einer elektrischen Energie an das Fahrzeug von einer Wechselstrom-Energieleitung erstrecken. Der Fahrzeugkabelbaum 18 kann mit dem OBC 12 verbunden sein. Im Gegenzug kann das OBC 12 an eine oder mehrere Energiespeichervorrichtungen angeschlossen sein, wie beispielsweise eine Hochspannungs-Batterie 22 und eine Niederspannungs-Batterie 24, zur Speicherung der elektrischen Energie durch das Laden der Energiespeichervorrichtungen. Das OBC 12 kann den Ladevorgang der Energiespeichervorrichtungen, insbesondere der Hochspannungsbatterie 22, von der Fahrzeugseite aus vereinfachen und regeln. Das OBC 12 kann ein Betriebsenergieversorgungssystem 26 zur Bereitstellung einer ununterbrochenen elektrischen Niederspannungsenergie an den Steuerungsschaltkreis 28 in dem Fahrzeug 10 umfassen.
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Bezugnehmend auf 2 ist ein vereinfachtes Schemadiagramm eines beispielhaften Betriebsenergieversorgungssystems 26 zur Anwendung in einem Elektro-oder Hybrid-Elektrofahrzeug dargestellt. In dieser Hinsicht, wie zuvor beschrieben wurde, ist das Betriebsenergieversorgungssystem 26 dafür ausgelegt, eine ununterbrochene elektrische Niederspannungsenergie an den Steuerungsschaltkreis 28 in dem Fahrzeug 10 bereitzustellen.
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Wie in 2 zu sehen ist, kann das Betriebsenergieversorgungssystem 26 eine Doppelquellenenergieversorgung mit einem automatischen Quellenübergang sein. In einem ersten Modus kann das Betriebsenergieversorgungssystem 26 eine Energie von einer Hochleistungs-Energiequelle 30, Vbulk, in der Gestalt einer gleichgerichteten Wechselstrom-Hochspannungs-Einspeisung 32 entgegennehmen. In dieser Hinsicht kann die Hochleistungs-Energiequelle 30 einen Gleichrichter umfassen und kann die gleichgerichtete Wechselstrom-Hochspannungs-Einspeisung 32 durch Gleichrichten einer Wechselstrom-Hochspannungs-Einspeisung, die von einer Wechselstrom-Energieleitung (nicht gezeigt) erhalten wird, erzeugen. In einem zweiten Modus kann das Betriebsenergieversorgungssystem 26 Energie von einer Niederspannungs-Batterie-Einspeisung 34 aus der fahrzeugeigenen Niederspannungs-Batterie 24, Vbatt, wie eine 12 V Gleichstrombatterie, entgegennehmen.
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Die beiden Einspeisungsquellen Vbulk und Vbatt können denselben Wandler 36 teilen zur Umwandlung entweder der gleichgerichteten Wechselstrom-Hochspannungs-Einspeisung 32 oder der Niederspannungs-Batterie-Einspeisung 34 in eine Niederspannungs-Ausspeisung 38, die eine 5 V Gleichstrom-Ausspeisung sein kann, zur Anwendung beim Antrieb des Steuerungsschaltkreises (nicht gezeigt). Insbesondere kann die Niederspannungs-Ausspeisung 38 durch den Wandler 36 aus der gleichgerichteten Wechselstrom-Hochspannungs-Einspeisung 32 erzeugt werden, wenn die gleichgerichtete Wechselstrom-Hochspannungs-Einspeisung 32 an das OBC 12 angelegt wird. Alternativ dazu, wenn die gleichgerichtete Wechselstrom-Hochspannungs-Einspeisung 32 fehlt, kann die Niederspannungs-Ausspeisung 38 vom Wandler 36 aus der Niederspannungs-Batterie-Einspeisung 34 erzeugt werden. Gemäß einem oder mehreren Ausführungsbeispielen kann der Wandler 36 ein isolierter Zeilentransformator sein und kann zumindest eine erste Primärwindung 40, die einer ersten Primärseite 42 zugeordnet ist, und eine zweite Primärwindung 44, die einer zweiten Primärseite 46 zugeordnet ist, aufweisen.
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Das Betriebsenergieversorgungssystem 26 kann mit einem Paar von Sperrwandler-Steuergeräten 48a,b (analog oder digital) und einem Optokoppler 50 ausgestattet sein. Das Steuergerät B (48b) kann funktionsfähig sein, wenn die Wechselstrom-Hochspannungs-Einspeisung 32 an das OBC 12 angelegt wird, wohingegen das Steuergerät A (48a) funktionsfähig sein kann, wenn die Wechselstrom-Hochspannungs-Einspeisung 32 am Eingang des OBC 12 fehlt. Das Steuergerät A kann eine zugehörige Schaltvorrichtung 52a, wie MOSFET S1 antreiben. Dementsprechend kann das Steuergerät B seine eigene Schaltvorrichtung 52b, wie MOSFET S2, antreiben. Der Optokoppler 50 kann mit dem Steuergerät B zur Übertragung eines Schaltsignals 53 von dem Steuergerät B über die Isolationsgrenze 55 des Wandlers an eine monostabile Schaltung 54 in Kommunikation stehen. Die monostabile Schaltung 54 kann eine wiederauslösbare, monostabile Digitalschaltung mit zwei Zuständen sein. Wie es im Stand der Technik bekannt ist, ist einer der Zustände stabil, während der andere Zustand instabil (oder vorübergehend) ist. Ein Auslöseimpuls kann die monostabile Schaltung 54 dazu bringen, den instabilen Zustand einzunehmen. Üblicherweise, nach dem Einnehmen des instabilen Zustands, wird die Schaltung nach einer eingestellten Zeit in den stabilen Zustand zurückkehren. Solange sich jedoch der Auslöseimpuls wiederholt, bleibt die monostabile Schaltung 54 in dem instabilen Zustand. Die Ausgabe 57 der monostabilen Schaltung 54 kann von dem Steuergerät A empfangen werden.
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Auf diese Weise kann das Steuergerät B in Kommunikation mit der Ausgabe der Hochleistungs-Energiequelle 30 (d.h. der gleichgerichteten Wechselstrom-Hochspannungs-Einspeisung 32) bereitgestellt werden, und kann mit einem Einstellwert ausgelegt werden, der kleiner ist als der Minimalwert der gleichgerichteten Wechselstrom-Hochspannungs-Einspeisung 32. Im Ergebnis, in der Abwesenheit der gleichgerichteten Wechselstrom-Hochspannungs-Einspeisung 32 am Eingang des OBC 12, kann das Steuergerät B nicht funktionsfähig sein. Wenn die gleichgerichtete Wechselstrom-Hochspannungs-Einspeisung 32 nicht vorhanden ist, kann das Betriebsenergieversorgungssystem 28 in einem Niederspannungs-(LV)-Modus arbeiten, so dass Energie von der Niederspannungs-Batterie 24, Vbatt, an der Niederspannungs-Batterie-Einspeisung 34 akzeptiert wird.
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In dem LV-Modus, wie in 3 dargestellt ist, kann das Steuergerät B nicht funktionsfähig sein, wie zuvor ausgeführt wurde. Im Ergebnis, während eines Gleichgewichtsbetriebs kann MOSFET S2 nicht umschalten (bleibt zum Beispiel AUS) und eine minimale Energie kann aus der Hochleistungs-Energiequelle 30 gezogen werden, Vbulk. Ferner kann das Ausgangssignal des Steuergeräts B an den Optokoppler 50, das Schaltsignal 53, auf LOW verbleiben. Diese LOW-Eingabe an den Optokoppler 50 kann über die Isolationsgrenze 55 an die monostabile Schaltung 54 übertragen werden. Während eines Gleichgewichtsbetriebs kann die Eingabe an die monostabile Schaltung 54 konstant verbleiben (zum Beispiel LOW). Das kann die monostabile Schaltung 54 in dem stabilen Zustand halten, so dass das Ausgangssignal der monostabilen Schaltung ebenfalls LOW bleiben kann. Die LOW-Ausgabe der monostabilen Schaltung 54 kann von dem Steuergerät A (48a) empfangen werden. Im Ergebnis kann ein Steuergerät A funktionsfähig sein und kann MOSFET S1 mit einem pulsweiten-modulierten (PWM) Signal steuern, um die Niederspannungs-Ausspeisung 38 des Wandlers 36 zu regulieren.
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Wenn die gleichgerichtete Wechselstrom-Hochspannungs-Einspeisung 32 an das OBC 12 angelegt wird, kann das Betriebsenergieversorgungssystem 26 in einem Wechselstrom-(AC)-Modus operieren, wie in 4 dargestellt ist. In dem Wechselstrom-(AC)-Modus, kann die Ausspeisung der Hochleistungs-Energiequelle 30 über dem Hochspannungs-Einstellwert liegen, um dabei das Steuergerät B zu aktivieren. Wenn das Steuergerät B funktionsfähig ist, kann es PWM-Signale ausgeben um MOSFET S2 auf AN und AUS zu stellen, um die Niederspannungs-Ausspeisung 38 des Wandlers 36 zu regulieren. Zeitgleich kann das PWM-Antriebsignal des Steuergeräts B als ein Schaltsignal 53 dienen und von dem Optokoppler 50 über die Isolationsgrenze 55 an die monostabile Schaltung 54 übertragen werden. Das von der monostabilen Schaltung 54 empfangene PWM-Signal kann den Übergangszustand auslösen. Dementsprechend kann die Ausspeisung des monostabilen Schaltkreises 54 HIGH sein, was im Gegenzug den Betrieb des Steuergeräts A blockiert. Wenn das Steuergerät A nicht funktionsfähig ist, kann dessen Ausspeisung an MOSFET S1 LOW sein, so dass MOSFET S1 nicht schaltet. Auf diese Weise kann keine Energie aus der fahrzeugeigenen Niederspannungs-Batterie 24, Vbatt, gezogen werden, so dass deren Ladezustand erhalten wird.
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Auf diese Weise kann das Betriebsenergieversorgungssystem 26 und -Verfahren die Fähigkeit haben, aus zwei Quellen zu arbeiten, ebenso wie die Fähigkeit, vorzugsweise auszuwählen, welche Quelle verwendet wird (d.h. die gleichgerichtete Hochspannungs-Wechselstrom-Einspeisung 32). Das Betriebsenergieversorgungssystem 26 und -Verfahren kann ebenfalls sehr geringen Strom aus der Sekundärquelle (d.h. der Niederspannungs-Batterie-Einspeisung 34) ziehen, wenn die Primärquelle (d.h. die gleichgerichtete Hochspannungs-Wechselstrom-Einspeisung 32) verfügbar ist.
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5 ist ein vereinfachtes, beispielhaftes Zeitdiagramm 56 eines Modus-Übergangs, im Einklang mit einem oder mehreren Ausführungsbeispielen der vorliegenden Offenbarung. Ein Modus-Übergang kann sich auf das Umschalten der Energiequelle von der Niederspannungs-Batterie-Einspeisung 34 (LV-Modus) auf die Hochleistungs-Energiequelle 30 (AC-Modus), oder umgekehrt, beziehen, wenn die gleichgerichtete Wechselstrom-Hochspannungs-Einspeisung 32 vorhanden ist oder fehlt. Im Einklang mit einem oder mehreren Ausführungsbeispielen der vorliegenden Offenbarung, wenn ein Modus-Übergang vorkommt, kann die Niederspannungs-Ausspeisung 38 aus dem Betriebsenergieversorgungssystem 26 nicht unterbrochen werden.
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Wie vorstehend beschrieben wurde, kann das Steuergerät B in dem LV-Modus aus sein und kann daher keine PWM-Signale erzeugen. Dementsprechend kann die Ausspeisung 57 an die monostabile Schaltung auf LOW verbleiben. Wenn die gleichgerichtete Wechselstrom-Hochspannungs-Einspeisung 32 an das OBC 12 angelegt wird, kann das Steuergerät B aktiviert werden, um PWM-Antriebssignale auszugeben. Dabei können die PWM-Antriebsignale durch den Optokoppler 50 an die monostabile Schaltung 54 übertragen werden. Im Ergebnis kann die Ausspeisung 57 der monostabilen Schaltung 54 auf HIGH umspringen und den Betrieb des Steuergeräts A blockieren. Gemäß einem oder mehreren Ausführungsbeispielen kann der Prozess des Modus-Übergangs weniger als einen Schaltzyklus dauern. Wenn der Modus-Übergang abgeschlossen ist, kann das Betriebsenergieversorgungssystem 26 in dem Wechselstrom-(AC)-Modus laufen.
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In dem Wechselstrom-(AC)-Modus kann das PWM-Signal, das von dem Optokoppler 50 zur Einspeisung der monostabilen Schaltung 54 übertragen wird, auf dem normalen Pulsintervall mit einem minimalen Arbeitszyklus bleiben. Im Ergebnis kann die Ausspeisung 57 der monostabilen Schaltung auf HIGH verbleiben. Nachdem die gleichgerichtete Wechselstrom-Hochspannungs-Einspeisung 32 abgeschaltet wurde oder anderweitig von dem OBC 12 entfernt wurde, kann das Steuergerät B aufhören zu laufen und dessen PWM-Ausspeisung kann ausgeschaltet werden. Wie in dem Zeitdiagramm 56 gezeigt ist, nach Tw (zum Beispiel ungefähr 1,1-1,5 mal die Einspeisungsdauer, Ts) ohne anderen eingehenden Puls, kann die Ausspeisung 57 der monostabilen Schaltung auf LOW springen, um das Steuergerät A zu aktivieren. Wenn dieser Modus-Übergang abgeschlossen ist, kann das Betriebsenergieversorgungssystem 26 in dem LV-Modus arbeiten.
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Wie bereits offensichtlich ist, kann der Steuerungsschaltkreis 28 über das Betriebsenergieversorgungssystem 26 mit Energie aus der Hochleistungs-Energiequelle 30 versorgt werden, wenn die gleichgerichtete Wechselstrom-Hochspannungs-Einspeisung 32 von der Hochleistungs-Energiequelle 30 als ein Ergebnis der Verbindung des EV oder HEV mit einer Hochspannungs-Wechselstrom-Energieleitung erzeugt wird. Alternativ dazu kann der Steuerungsschaltkreis 28 in der Abwesenheit der Verbindung des Fahrzeugs 20 mit einer Hochspannungs-Wechselstrom-Energieleitung immer noch über das Betriebsenergieversorgungssystem 26 mit elektrischer Energie aus der fahrzeugeigenen Niederspannungs-Batterie 24 versorgt werden.
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Daher kann das Betriebsenergieversorgungssystem 26 eine ununterbrochene elektrische Niederspannungsenergie an den Steuerungsschaltkreis 28 bereitstellen, ohne Rücksicht darauf, ob das Fahrzeug 10 an eine Hochspannungs-Wechselstrom-Energieleitung angeschlossen. Auf diese Weise kann auch in der Abwesenheit einer Verbindung des Fahrzeugs mit einer Hochspannungs-Wechselstrom-Energieleitung ausreichende Energie über das Betriebsenergieversorgungssystem 26 an den Steuerungsschaltkreis 28 bereitgestellt werden, so dass der Steuerungsschaltkreis 28 verschiedene Diagnosearbeiten durchführen kann oder ein Umprogrammieren oder Neustarten des Steuerungsschaltkreises zulässt.
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Zurückverweisend auf die 2-4 sollte angemerkt werden, dass die Niederspannungs-Ausspeisung 38 zur Anwendung beim Antrieb des Steuerungsschaltkreises 28 mehrfache isolierte Niederspannungs-Ausspeisungen zur Anwendung beim Betrieb mehrerer Steuergeräte aufweisen kann, die Teil des Steuerungsschaltkreises (nicht gezeigt) sind. Beispielsweise kann eine Niederspannungs-Ausspeisung 38 (PBias) zum Antrieb eines Steuergeräts (nicht gezeigt) zur Anwendung in primären Steueroperationen über einen Verbinder (nicht gezeigt) bereitgestellt werden. In ähnlicher Weise kann eine andere Niederspannungs-Ausspeisung 38 (LVBias) zum Antrieb eines Steuergeräts (nicht gezeigt) zur Anwendung in Niederspannungs-Steuerungsoperationen über einen anderen Verbinder bereitgestellt werden. Noch eine andere Niederspannungs-Ausspeisung 38 (HVBias) kann zum Antrieb eines Steuergeräts (nicht gezeigt) zur Anwendung in Hochspannung-Steuerungsoperationen über noch einen anderen Verbinder bereitgestellt werden.
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Bezugnehmend auf 6 ist nun ein beispielhaftes, vereinfachtes Flussdiagramm eines Verfahrens (100) zur Bereitstellung einer ununterbrochenen elektrischen Niederspannungsenergie an einen Steuerungsschaltkreis in einem Elektro- oder Hybrid-Elektrofahrzeug gezeigt. Wie darin zu sehen ist, und mit anhaltendem Bezug zu den 2-4, kann das Verfahren (100) das Empfangen (102) einer Niederspannungs-Einspeisung 34 von einer fahrzeugeigenen Niederspannungs-Batterie 24 umfassen, das Betreiben (104) eines ersten Steuergeräts 48a (zum Beispiel Steuergerät A) zur Ausgabe eines ersten PWM-Signals zum Antrieb einer ersten Primärseite 42 eines Wandlers 36, und das Umwandeln (106) der Fahrzeugbatterie-Niederspannungs-Einspeisung 34 in eine oder mehrere isolierte Niederspannungs-Ausspeisungen 38 unter Verwendung des Wandlers 36 in Antwort auf das erste PWM-Signal. Wie zuvor beschrieben wurde, kann der Wandler 36 ein isolierter Zeilentransformator sein, der zumindest eine erste Primärwicklung 40 aufweist, die der ersten Primärseite 42 zugeordnet ist, und eine zweite Primärwicklung 44, die einer zweiten Primärseite 46 zugeordnet ist. Ferner kann das erste Steuergerät 48a die erste Primärseite 42 antreiben, um die Niederspannungs-Ausspeisung 38 unter Verwendung einer ersten Schaltvorrichtung 52a (zum Beispiel MOSFET S1) zu regulieren.
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Das Verfahren (100) kann ferner das Empfangen (108) einer gleichgerichteten Wechselstrom-Hochspannungs-Einspeisung 32 und das Aktivieren (110) eines zweiten Steuergeräts 48b (zum Beispiel Steuergerät B) zur Ausgabe eines zweiten PWM-Signals zum Antrieb der zweiten Primärseite 46 desselben Wandlers 36 in Antwort auf die gleichgerichtete Wechselstrom-Hochspannungs-Einspeisung 32 umfassen. Das Verfahren (100) kann ferner umfassen: das Umwandeln (112) der gleichgerichteten Wechselstrom-Hochspannungs-Einspeisung 32 in eine oder mehrere isolierte Niederspannungs-Ausspeisungen 38 unter Verwendung des Wandlers 36 in Antwort auf das zweite PWM-Signal und das Übertragen (114) des zweiten PWM-Signals von der zweiten Primärseite 46 über eine Isolationsgrenze an die erste Primärseite 42, um das erste Steuergerät 48a auszuschalten. Wie zuvor beschrieben wurde, kann das zweite Steuergerät 48b die zweite Primärseite 46 antreiben, um die Niederspannungs-Ausspeisung 38 unter Verwendung einer zweiten Schaltvorrichtung 52b (zum Beispiel MOSFET S2) zu regulieren. Das zweite PWM-Signal kann durch einen Optokoppler 50 über die Isolationsgrenze übertragen werden. Ferner kann eine monostabile Schaltung 54 in Kommunikation mit dem Optokoppler 50 und dem ersten Steuergerät 48a bereitgestellt werden. Auf diese Weise kann die monostabile Schaltung 54 das zweite PWM-Signal von dem Optokoppler 50 empfangen, was im Gegenzug die monostabile Schaltung 54 auslösen kann, um zu bewirken, dass dessen Ausspeisung HIGH wird. Die HIGH-Ausspeisung aus der monostabilen Schaltung 54 kann das erste Steuergerät 48a ausschalten, so dass es nicht funktionsfähig ist. Im Ergebnis kann das erste Steuergerät 48a die Ausgabe des ersten PWM-Signals zum Antrieb der ersten Primärseite 42 des Wandlers 36 einstellen. Dementsprechend kann keine Energie aus der fahrzeugeigenen Niederspannungs-Batterie 24 gezogen werden, bis die Hochleistungs-Energiequelle 30 entfernt ist.
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Es sollte angemerkt werden, dass die Schritte des Verfahrens (100) in anderer Reihenfolge ausgeführt werden können als hier veranschaulicht und beschrieben wurde, wobei diese Reihenfolge nur beispielhaft ist, einschließlich der gleichzeitigen Durchführung eines oder mehrerer Schritte.
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Wie bereits aus der vorangehenden Beschreibung klar ist, wird ein Betriebsenergieversorgungssystem und -Verfahren zur Bereitstellung einer ununterbrochenen elektrischen Niederspannungsenergie an einen Steuerungsschaltkreis in einem EV oder HEV offenbart. Das System und Verfahren kann doppelquellig sein, um Energie von einer Hochspannungs-Energiequelle und einer Niederspannungs-Fahrzeugbatterie anzunehmen. Das System und Verfahren kann Niederspannungsenergie für einen Steuerungsschaltkreis von der Hochspannungs-Energiequelle bereitstellen, wenn die Hochspannungs-Energiequelle vorhanden ist, wie beispielsweise über die Verbindung eines EV oder HEV mit einer Hochspannungs-Wechselstrom-Energieleitung, und kann Niederspannungsenergie aus der fahrzeugeigenen Niederspannungs-Batterie bereitstellen, wenn die Hochspannungs-Energiequelle fehlt. Das System und Verfahren, das als Teil eines Fahrzeug-OBC umgesetzt werden kann, kann zwischen der Hochspannungs-Energiequelle und der fahrzeugeigenen Niederspannungs-Batterie schnell und automatisch umschalten, ohne mehrfache, sperrige Wandler zu verwenden, und mit einer minimalen Anzahl von Komponenten, um Kosten zu reduzieren und Verlässlichkeit zu erhöhen.
