DE102016122184A1

DE102016122184A1 - Fahrzeugstromverteilung, die Relais mit integriertem Spannungswandler aufweist

Info

Publication number: DE102016122184A1
Application number: DE102016122184.8A
Authority: DE
Inventors: Amin EMRANI
Original assignee: Ford Global Technologies LLC
Current assignee: Ford Global Technologies LLC
Priority date: 2015-12-03
Filing date: 2016-11-18
Publication date: 2017-06-08
Also published as: CN107054258B; GB2546386A; US20170158062A1; US10118495B2; MX2016015665A; GB201620435D0; CN107054258A; RU2016147068A

Abstract

Ein Fahrzeugstromverteilungssystem umfasst eine Batterie, die eine Nennspannung aufweist, eine elektrische Fahrzeuglast, deren Versorgungsspannung ungleich der Nennspannung ist, und ein monolithisches Festkörperrelais, das einen integrierten Schaltkreis umfasst, um die Nennspannung auf die Versorgungsspannung umzuwandeln, und einen Ausgang, der dazu ausgelegt ist, die elektrische Fahrzeuglast in Reaktion auf ein Steuersignal von einem Fahrzeugsteuergerät, das an einen Eingang des Relais angelegt wird, selektiv mit der Bemessungsspannung zu versorgen. Das Relais kann eine PWM-Steuerung beinhalten, um einem Transistor, der mit einem Ausgangsfilter verbunden ist, ein Schaltsignal zum Abwärtswandeln der Nennspannung der Batterie auf die Bemessungsspannung der elektrischen Fahrzeuglast zuzuführen. Schaltungen zur Überwachung der Relaisausgangsspannung und des Relaisausgangsstroms können mit der PWM-Steuerung verbunden sein, um einen Überstrom- und Überspannungsschutz bereitstellen.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Aspekte der Offenbarung betreffen die Fahrzeugstromverteilung mit Relais, die integrierte Spannungswandler aufweisen, um die Spannung aus einer Fahrzeugstromquelle in eine Spannung umzuwandeln, die für eine elektrische Fahrzeuglast akzeptabel ist.
HINTERGRUND
Fahrzeuge umfassen in der Regel Niederspannungsstromverteilungssysteme, um eine große Vielfalt von Fahrzeugkomponenten und Zubehören zu versorgen. Repräsentative Automobil- und Transportfahrzeuganwendungen können jeweils ein 12 V- oder 24 V-Niederspannungsstromverteilungssystem umfassen, um Fahrzeugsteuermodule wie z. B. eine Antriebsstrangsteuerung, Karosseriesteuerung, Batteriesteuerung und dergleichen sowie eine Fahrzeugbeleuchtung, Klimaanlage, Spiegel, Scheibenwischer, ein Infotainmentsystem, ein Navigationssystem und zahllose andere Systeme, Motoren, Aktuatoren, Sensoren, Module usw. zu versorgen. Die zunehmenden Anforderungen an Fahrzeugstromverteilungssysteme nähern sich den praktischen Grenzen der 12 V- und 24 V-Systeme. Daher werden in der Automobilindustrie seit mehreren Jahren höhere Spannungspegel, wie zum Beispiel 48 V, vorschlagen und diskutiert. Verschiedene Zubehöre, Komponenten oder Geräte können jedoch mit einer neuen, höheren Spannung nicht kompatibel sein. Um dieses Problem zu beheben, haben verschiedene Automobil-Erstausrüster und Lieferanten ein Zweispannungs- oder Doppelspannungsverteilungssystem mit einem bidirektionalen Hochleistungswandler vorgeschlagen, um die zwei Spannungsverteilungssystem miteinander zu verbinden.
Gegenwärtig vorgeschlagene Zweispannungsverteilungssysteme weisen eine Anzahl von konstruktiven Herausforderungen auf. Zum Beispiel funktionieren Wandler allgemein nur innerhalb eines begrenzten Lastbereichs mit einem hohem Wirkungsgrad. Vorgeschlagene Systeme verwenden auch eine Zweitbatterie, welche die Kosten und die Komplexität des Systems erhöht und eine zusätzliche Spannungs- und Stromüberwachung erfordert. Diese Systeme verwenden auch zusätzliche Kupferdrähte in komplexeren Kabelsträngen, um jeden Spannungswert solchen Lasten zuzuführen, die im ganzen Fahrzeug angeordnet sind. Auch die Flexibilität dieser Systeme bei künftigen Systemerweiterungen ist beschränkt.
KURZDARSTELLUNG
In verschiedenen Ausführungsformen umfasst ein Verfahren oder System zur Fahrzeugstromverteilung eine Batterie, die eine erste Spannung oder Nennspannung aufweist, eine Last, die eine zweite Spannung oder Bemessungsspannung aufweist, die kleiner als die Nennspannung ist, und ein Relais, das einen Schaltkreis umfasst, um die erste Spannung oder Nennspannung in die zweite Spannung oder Bemessungsspannung umzuwandeln, und einen Ausgang, der dazu ausgelegt ist, die Last in Reaktion auf ein Steuersignal, das von einem Fahrzeugsteuergerät an einen Eingang des Relais angelegt wird, selektiv mit der zweiten Spannung oder Bemessungsspannung zu versorgen. Das Relais kann durch ein monolithisches Festkörperrelais implementiert sein, das einen integrierten Schaltkreis zum Abspannen der Nennspannung auf die Bemessungsspannung aufweist. In verschiedenen Ausführungsformen ist das Relais dazu ausgelegt, den Ausgang selektiv mit Masse zu verbinden. Die Spannungswandlerschaltung kann einen Schaltkreis zum Abspannen der Nennspannung durch einen Transistor, einen mit dem Transistor verbundenen Ausgangsfilter und eine Steuerung umfassen, die mit dem Transistor verbunden ist und dazu ausgelegt ist, ein pulsbreitenmoduliertes (PWM) Schaltsignal auszugeben, das basierend auf der Nennspannung und der Bemessungsspannung ein Tastverhältnis aufweist. Der Ausgangsfilter kann als ein LC-Filter implementiert sein. Das System kann zusätzlich zur Batterie mit der Nennspannung auch eine Traktionsbatterie und einen Gleichstromwandler umfassen, der mit der Traktionsbatterie und der Batterie mit der Nennspannung verbunden ist.
In verschiedenen Ausführungsformen umfasst das Relais mit integriertem Spannungswandler einen Schaltkreis zum Abspannen der Nennspannung, umfassend einen Transistor mit einer Source-, einer Drain- und einer Gate-Elektrode, eine Diode, die zwischen der Source-Elektrode und Masse verbunden ist, einen Induktor, der mit der Source-Elektrode verbunden ist, einen Kondensator, die zwischen dem Induktor und Masse verbunden ist, und eine Steuerung, die dazu ausgelegt ist, ein mit der Gate-Elektrode verbundenes Schaltsignal zu erzeugen, wobei das Schaltsignal ein auf der Nennspannung und der Bemessungsspannung basierendes Tastverhältnis aufweist. In einer Ausführungsform ist die Nennspannung 48 V, und die Bemessungsspannung ist 12 V, mit einem Tastverhältnis oder einer „Einschaltdauer“ von 0,25 oder 25 %. Das Relais kann auch Spannungsschutzdioden umfassen, die mit entgegengesetzter Polarität zwischen der Drain- und der Gate-Elektrode in Reihe geschaltet sind. Einige Ausführungsformen sehen eine Strommessschaltung vor, die zwischen der Last und der Steuerung verbunden ist, und eine Spannungsmessschaltung, die über die Last verbunden ist und mit der Steuerung verbunden ist.
Ausführungsformen gemäß der Offenbarung können auch ein Verfahren zur Fahrzeugstromverteilung beinhalten, umfassend ein Versorgen einer elektrischen Fahrzeuglast, die eine erste Spannung hat, die niedriger ist als eine zweite Spannung aus einer Fahrzeugstromversorgung, durch ein Relais mit einem integrierten Spannungswandler, der die zweite Spannung in die erste Spannung umwandelt und die elektrische Fahrzeuglast in Reaktion auf ein Relaiseingangssignal von einem Fahrzeugsteuergerät einschaltet. Das Relais kann als ein monolithisches Festkörperrelais mit einem integrierten Schaltkreis implementiert sein, der einen Schalttransistor aufweist, der mit einer pulsbreitenmodulierenden Steuerung verbunden ist, die dazu ausgelegt ist, ein Schaltsignal mit einem auf der ersten und der zweiten Spannung basierenden Tastverhältnis zu erzeugen. Das Verfahren kann auch ein Überwachen, durch die pulsbreitenmodulierende Steuerung, des Stroms und der Spannung, die der elektrischen Fahrzeuglast zugeführt werden, jeweils über eine zugehörige Strommessschaltung und Spannungsmessschaltung umfassen.
Verschiedene Ausführungsformen eines Fahrzeugstromverteilungssystems umfassen ein monolithisches Festkörperrelais mit einem integrierten Schaltkreis, um eine Fahrzeugbatterienennspannung in eine Versorgungsspannung einer elektrischen Fahrzeuglast umzuwandeln, und um die elektrische Fahrzeuglast in Reaktion auf ein Steuersignal von einem Fahrzeugsteuergerät, das an einen Eingang des Relais angelegt wird, selektiv einzuschalten. Der integrierte Schaltkreis kann umfassen: Einen Transistor, eine Steuerung, die mit dem Transistor verbunden ist und die ein Schaltsignal erzeugt, das basierend auf der Fahrzeugbatterienennspannung und der Versorgungsspannung ein vorbestimmtes Tastverhältnis aufweist, und einen Ausgangsfilter mit einem Induktor und einer Diode, die mit dem Transistor verbunden sind, und mit einem Kondensator, der mit dem Induktor verbunden ist. Das System kann auch Spannungsschutzdioden umfassen, die mit entgegengesetzter Polarität zwischen einer Gate- und Drain-Elektrode in Reihe geschaltet sind. Eine Spannungsmessschaltung, die mit der Steuerung verbunden ist und dazu ausgelegt ist, die Relaisausgangsspannung zu überwachen; und eine Strommessschaltung, die mit der Steuerung verbunden ist und dazu ausgelegt ist, den Relaisausgangsstrom zu überwachen, können zudem bereitgestellt sein.
Ausführungsformen gemäß der vorliegenden Offenbarung können einen oder mehrere Vorteile bieten. Ein Fahrzeugstromverteilungssystem, das Relais mit integrierten Spannungswandlern gemäß der vorliegende Offenbarung verwendet, kann zum Beispiel eine Batterie mit höherer Spannung (wie z. B. 48 V) vorsehen, wobei die Notwendigkeit einer zweiten Hilfsbatterie für ältere Komponenten oder Zubehöre entfällt. Dementsprechend beseitigt die Verwendung von Relais mit integrierten Abwärtswandlern die Notwendigkeit eines Hochleistungsgleichstromwandlers, der über einen breiten Ausgangsleistungsbereich hinweg einen hohen Wirkungsgrad aufweist, und reduziert die Komplexität der Stromüberwachung. Ein Relais mit einem integrierten Spannungswandler gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung erhöht die Flexibilität des Fahrzeugstromverteilungssystems, das an Komponenten oder Zubehöre mit einem großen Betriebsspannungsbereich angepasst wird, indem für bestimmte Lasten oder Geräte, deren Spannungsbedarf sich von der Batterienennspannung unterscheidet, andere Relais verwendet werden. Das System kann an künftige Geräte mit einem anderen Spannungsbedarf angepasst werden, indem das Relais oder Schaltelement ausgetauscht wird, statt die Hilfsbatterie, den Kabelstrang usw. auszutauschen. Relais mit einem integrierten Spannungswandler gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung reduzieren auch die Komplexität des Kabelstrangs und die Menge an Kupfer, die für ein Zwei- oder Mehrfachspannungsstromverteilungssystem erforderlich ist.
Die obigen Vorteile und weitere Vorteile und Merkmale, die mit verschiedenen Ausführungsformen verbunden sind, gehen für den Durchschnittsfachmann aus der folgenden detaillierten Beschreibung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen hervor.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist ein Blockdiagramm eines Fahrzeugstromverteilungssystems, das Relais mit integrierten Spannungswandlern gemäß einer repräsentativen Elektrofahrzeugausführungsform aufweist;
2 ist ein vereinfachter Schaltplan, der eine Arbeitsweise eines Systems oder Verfahrens zur Stromverteilung durch ein Relais mit einem integrierten Abwärtswandler gemäß einer repräsentativen Ausführungsform darstellt; und
3 stellt repräsentative Signale für ein Relais mit einen integrierten Abwärtsspannungswandler gemäß verschiedener Ausführungsformen dar.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
Wie erforderlich, werden hier detaillierte Ausführungsformen offenbart; es versteht sich jedoch, dass die offenbarten Ausführungsformen für den beanspruchten Gegenstand lediglich repräsentativ sind und in verschiedenen und alternativen Formen ausgestaltet werden können. Die Figuren sind nicht notwendigerweise maßstabsgetreu; einige Merkmale können übertrieben oder minimiert sein, um Details bestimmter Komponenten zu zeigen. Die spezifischen strukturellen und funktionalen Details, die hier offenbart werden, sollen deshalb nicht als einschränkend interpretiert werden, sondern lediglich als eine repräsentative Basis, um einen Fachmann zu lehren, wie die Ausführungsformen auf verschiedene Weise anzuwenden sind. Für den Durchschnittsfachmann versteht es sich, dass verschiedene Merkmale, die unter Bezugnahme auf eine beliebige der Figuren dargestellt und beschrieben werden, mit Merkmalen kombiniert werden können, die in einer oder mehreren anderen Figuren dargestellt sind, um Ausführungsformen zu schaffen, die nicht explizit dargestellt oder beschrieben werden. Die Kombinationen von veranschaulichten Merkmalen stellen repräsentative Ausführungsformen für typische Anwendungen bereit. Verschiedene Kombinationen und Modifikationen der Merkmale, die mit den Lehren dieser Offenbarung übereinstimmen, könnten allerdings für bestimmte Anwendungen oder Umsetzungsformen erwünscht sein.
Die Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung stellen allgemein mehrere Schaltkreise bereit, die verschiedene elektrische Komponenten beinhalten, um eine Stromverteilung unter Verwendung eines Relais bereitzustellen, das eine integrierte Spannungsumwandlung zur Versorgung von elektrischen Lasten, Zubehören, Komponenten, Geräten usw. aufweist, indem eine elektrische Last in Reaktion auf ein Steuersignal selektiv mit der Versorgungsspannung oder Masse verbunden wird. Es ist nicht beabsichtigt, dass die Bezugnahmen auf die Schaltungen und anderen elektrischen Vorrichtungen und auf die jeweils von ihnen bereitgestellten Funktionen darauf beschränkt sind, nur das, was hier dargestellt und beschrieben ist, zu umgreifen. Während besondere Bezeichnungen möglicherweise den verschiedenen offenbarten Schaltungen oder anderen elektrischen Vorrichtungen zugeordnet werden, ist nicht beabsichtigt, dass solche Bezeichnungen den Betriebsumfang der Schaltungen und der anderen elektrischen Vorrichtungen beschränken. Es wird festgestellt, dass jede Schaltung oder jedes andere elektrische Gerät, die/das hier offenbart wird, eine beliebige Anzahl von diskreten passiven und aktiven Komponenten wie Widerstände, Kondensatoren, Transistoren, Verstärker, Analog-Digital-Wandler (ADC- oder A/D-Wandlern), Mikroprozessoren, integrierten Schaltungen, nichtflüchtigen Speichervorrichtungen (z. B. FLASH, Direktzugriffsspeicher (RAM), Nurlesespeicher (ROM), elektrisch programmierbaren Nurlesespeicher (EPROM), elektrisch löschbaren programmierbaren Nurlesespeicher (EEPROM) oder andere geeignete Varianten davon) und Software umfassen kann, die miteinander zusammenwirken, um hier offenbarte Operation(en) auszuführen. Außerdem können beliebige einzelne oder mehrere der elektrischen Geräte konfiguriert sein, ein Computerprogramm auszuführen, das in einem nichtflüchtigen computerlesbaren Speichermedium realisiert ist, das Anweisungen aufweist, um einen Computer oder eine Steuerung derart zu programmieren, dass eine beliebige Anzahl der Funktionen wie offenbart ausgeführt wird.
1 ist ein Blockdiagramm einer repräsentativen Ausführungsform eines Elektrofahrzeugs, das ein Stromverteilungssystem aufweist, das Relais mit integrierten Spannungswandlern verwendet. Auch wenn in dieser repräsentativen Ausführungsform ein Plug-in-Hybridfahrzeug mit einer Brennkraftmaschine dargestellt ist, versteht es sich für den Durchschnittsfachmann, dass die offenbarten Ausführungsformen eines Relais mit integriertem Spannungswandler auch in anderen Anwendungen für Stromverteilungssysteme und -verfahren verwendet werden können und vom speziellen Fahrzeugantriebsstrang unabhängig sind. Repräsentative Fahrzeuganwendungen können herkömmliche Brennkraftmaschinenfahrzeuge, Hybridfahrzeuge, Elektrofahrzeuge oder jede andere Art von Fahrzeug einschließen, das eine Batterie aufweist, die eine Batterienennspannung bereitstellt, und eine oder mehrere elektrische Lasten, die selektiv versorgt werden und eine Versorgungs- oder Bemessungsspannung haben, die sich von der Batterienennspannung unterscheidet.
Ausführungsformen von Relais mit integriertem Spannungswandler beinhalten verschiedene Ausführungsformen, die durch ein monolithisches Festkörperbauelement mit elektrischen Komponenten implementiert sind, die auf einem monolithischen Substrat hergestellt sind. Der Durchschnittsfachmann auf diesem Gebiet wird verschiedene Vorteile erkennen, die im Vergleich zu einer Implementierung mit diskreten Komponenten mit monolithischen bzw. IC-Implementierungen eines Relais mit integriertem Spannungswandler einher gehen und sich auf reduzierte Kosten, erhöhte Zuverlässigkeit, reduzierte Komplexität usw. beziehen.
In der repräsentativen Anwendung, die in 1 dargestellt ist, kann ein Plug-in-Hybridelektrofahrzeug 112 eine oder mehrere Elektromaschinen 114 aufweisen, die mechanisch mit einem Hybridgetriebe 116 verbunden sind. Die elektrischen Maschinen 114 können als ein Motor oder als ein Generator betrieben werden. Bei Hybridfahrzeugen ist ein Getriebe 116 mechanisch mit einer Brennkraftmaschine 118 verbunden. Das Getriebe 116 ist auch mit einer Antriebswelle 120 mechanisch verbunden, die mit den Rädern 122 mechanisch verbunden ist. Die Beschreibung ist gleichermaßen auf ein Batterieelektrofahrzeug (BEV) anwendbar, in welchem das Hybridgetriebe 116 ein Getriebe sein kann, das mit einer Elektromaschine 114 verbunden ist, und die Brennkraftmaschine 118 kann wie oben beschrieben ausgelassen werden. Die Elektromaschinen 114 können unabhängig davon, ob die Brennkraftmaschine 118 betrieben wird oder nicht, eine Antriebs- und Bremsfunktion bereitstellen. Die Elektromaschinen 114 fungieren auch als Generatoren und können die Kraftstoffwirtschaftlichkeit erhöhen, indem sie Energie zurückgewinnen, die im Reibungsbremssystem normalerweise als Wärme verloren gehen würde.
Bei Hybrid- oder Elektrofahrzeuganwendungen eines Stromverteilungssystems, wie in 1 gezeigt, speichert eine Traktionsbatterie oder ein Traktionsbatteriesatz 124 Energie in mehreren einzelnen, miteinander verbundenen Batteriezellen, die von den Elektromaschinen 114 genutzt werden kann. Der Fahrzeugbatteriesatz 124 stellt einem Hochspannungsbus 150 in der Regel eine Hochspannungsgleichstromausgabe bereit, auch wenn die Spannung und der Strom abhängig von den jeweiligen Betriebsbedingungen und Lasten variieren können. Der Traktionsbatteriesatz 124 ist mit einer oder mehreren externen Schaltungen 152 elektrisch verbunden, die zum Beispiel eine Leistungselektronik oder Inverter Schaltung 126, eine Gleichspannungswandlerschaltung 128 und/oder ein Leistungsumwandlungsmodul oder eine Leistungsumwandlungsschaltung 132 beinhalten. Ein oder mehrere Schütze können den Traktionsbatteriesatz 124 von anderen Komponenten trennen, wenn sie geöffnet sind, und den Traktionsbatteriesatz 124 mit anderen Komponenten verbinden, wenn sie geschlossen sind.
Neben der Bereitstellung von Energie zum Antrieb kann der Traktionsbatteriesatz 124 anderen externen Schaltungen 152, die mit dem Hochspannungsbus 150 verbunden sind, Energie bereitstellen. Das Stromverteilungssystem des Fahrzeugs 112 kann auch ein Gleichstromwandlermodul oder eine Gleichstromwandlerschaltung 128 aufweisen, welche(s) die Hochspannungsgleichstromausgabe der Traktionsbatterie 124 in eine Niederspannungsgleichstromversorgung umwandelt, die mit anderen Fahrzeuglasten kompatibel ist, die direkt verbunden sein können. Andere externe Hochspannungsschaltungen oder -lasten wie zum Beispiel solche für Innenraum- oder Komponentenheizungen können ohne Verwendung eines Gleichstromwandlermoduls 128 direkt mit dem Hochspannungsbus 50 verbunden sein.
Das Fahrzeug 112 kann auch eine Hilfsbatterie 130 aufweisen, das eine Nennspannung (wie zum Beispiel 24 V oder 48 V) hat. Für den Durchschnittsfachmann versteht es sich, dass die tatsächliche Spannung, die von der Hilfsbatterie 130 zugeführt wird, während des Betriebs abhängig von einer Anzahl von Umgebungs- und Betriebsbedingungen wie z. B. der Temperatur, dem Batterieladezustand, dem Strom, dem Alter der Batterie usw. variiert. Die Hilfsbatterie 130 kann auch als Niederspannungsbatterie, Starterbatterie oder einfach als Fahrzeugbatterie für verschiedene Anwendungen, insbesondere solche ohne Hochspannungstraktionsbatterie, bezeichnet werden. Die Hilfsbatterie 130 kann verwendet werden, um verschiedene Niederspannungskomponenten, Steuerungen, Module, Motoren, Aktuatoren, Sensoren usw. von verschiedenen Fahrzeugsystemen und -subsystemen zu versorgen, die eine Bemessungs- oder Versorgungsspannung haben, die sich von der Niederspannung der Hilfsbatterie 130 unterscheidet, und allgemein durch elektrische Lasten 160 dargestellt sind. Eine oder mehrere Relais/Spannungswandler 168 versorgen elektrische Fahrzeuglasten 160, die eine Versorgungsspannung oder erste Spannung haben, die niedriger als eine Nennspannung oder zweite Spannung von der Fahrzeugstromversorgung ist, wie durch die Hilfsbatterie 130 dargestellt. In dieser Ausführungsform weist das Relais/der Spannungswandler 168 ein Relais mit einem integrierten Abwärtsspannungswandler auf, der die zweite Spannung in Reaktion auf ein Relaiseingangssignal 170, das vom Fahrzeugsteuermodul (VCM – vehicle control module) 172 bereitgestellt wird, in die erste Spannung umwandelt.
Wie Bezug nehmend auf 2–3 ausführlicher beschrieben, kann das Relais/der Spannungswandler 168 durch ein monolithisches Festkörperrelais implementiert sein, das einen integrierten Schaltkreis aufweist, um die Nennspannung (48V in einer Ausführungsform) der Fahrzeughilfsbatterie 130 in eine Versorgungs- oder Bemessungsspannung (12 V in einer Ausführungsform) einer elektrischen Fahrzeuglast 160 umzuwandeln und, um die elektrische Fahrzeuglast 160 in Reaktion auf ein Steuersignal von einem Fahrzeugsteuergerät (wie z. B. das VCM 172), das an einem Eingang 170 des Relais 168 angelegt wird, selektiv zu versorgen.
Der Traktionsbatteriesatz 124 kann durch eine externe Stromquelle 136 aufgeladen werden. Die externe Stromquelle 136 kann eine Verbindung zu einer Steckdose sein, die an das Stromnetz angeschlossen ist. Die externe Stromquelle 136 kann mit der Elektrofahrzeugversorgungseinrichtung (EVSE) 138 elektrisch verbunden sein. Die EVSE 138 kann Schaltungen und Steuerungen bereitstellen, um die Energieübertragung zwischen der Stromquelle 136 und dem Fahrzeug 112 zu regeln und zu managen. Die externe Leistungsquelle 136 kann der EVSE 138 elektrische Gleichstrom- oder Wechselstromleistung bereitstellen. Die EVSE 138 kann ein Ladeverbindungselement 140 zum Einstecken in einen Ladeanschluss 134 des Fahrzeugs 112 aufweisen. Der Ladeanschluss 134 kann mit einem Ladegerät oder einem fahrzeuginternen Leistungswandlungsmodul 132 elektrisch verbunden sein. Alternativ dazu können verschiedene Komponenten, die als elektrisch verbunden beschrieben werden, durch drahtlose induktive Kopplung Strom übertragen.
Die verschiedenen Komponenten, die in 1 dargestellt sind, können eine oder mehrere zugehörige Steuerungen, Steuerungsmodule und/oder Prozessoren wie z. B. das VCM 172 aufweisen, um den Betrieb der Komponenten zu steuern und zu überwachen. Die Steuerungen können über einen seriellen peripheren Schnittstellen-(SPI)-Bus (z. B. Controller Area Network (CAN)) oder über diskrete Leiter in Verbindung stehen. Verschiedene Betriebsparameter oder -variablen können unter Verwendung des CAN oder anderer Leiter zur Verwendung durch Fahrzeugsteuermodule oder untermodule beim Steuern des Fahrzeugs oder von Fahrzeugkomponenten wie z. B. dem Traktionsbatteriesatz 124 oder elektrischer Lasten 160 gesendet oder übermittelt werden. Eine oder mehrere Steuerungen können ohne Kommunikation mit einer oder mehreren anderen Steuerungen eigenständig betrieben werden. Die Steuerungen können ein Batteriesteuermodul (BECM – Battery Energy Control Module) 146 beinhalten, um verschiedene Lade- und Entladefunktionen, einen Batteriezellen-Ladeausgleich, Messungen der Batteriesatzspannung, Messungen der Spannung einzelner Batteriezellen, einen Batterieüberladeschutz, Batterietiefentladeschutz, eine Bestimmung der Batterielebensdauer usw. zu steuern. Die Steuerungen können verschiedene Arten nichtflüchtiger computerlesbarer Speichermedien aufweisen und/oder damit in Verbindung stehen, einschließlich persistenter und temporärer Speichervorrichtungen, um die Steuerlogik, Algorithmen, Programme, Betriebsvariablen und dergleichen zu speichern. Eine oder mehrere Steuerungen können mit einem oder mehreren Relais/Steuerungswandler(n) 168 verbunden sein, um ein Steuersignal zur Versorgung einer zugehörigen Last bereitzustellen, indem ein Ausgang des Relais/Steuerungswandlers 168 abhängig von der speziellen Anwendung und Implementierung selektiv mit der Versorgungsspannung oder Masse verbunden wird.
2 ist ein vereinfachter Schaltplan, der eine Arbeitsweise eines Systems oder Verfahrens zur Stromverteilung unter Verwendung eines Relais‘ mit einem integrierten Abwärtswandlers gemäß einer repräsentativen Ausführungsform darstellt. Das Relais/der Spannungswandler 168 wirkt, um eine verbundene elektrische Last selektiv zu versorgen oder zu speisen sowie die integrierte Abwärtsspannungsumwandlung bereitzustellen, wobei sie Überstrom-, Überspannungs- und Übertemperaturbedingungen verhindert. In einer Ausführungsform ist der dargestellte Schaltkreis in einem monolithischen Festkörperbauelement implementiert und kann verwendet werden, um den Wirkungsgrad und die Leistung des Stromverteilungssystems zu erhöhen, indem die Notwendigkeit eines Sekundärstromverteilungssystems zur Anpassung elektrischer Lasten, deren Spannungsbedarf sich von der Batterienennspannung unterscheidet, beseitigt wird. Kompatible elektrische Lasten können direkt mit der Hilfsbatterie verbunden sein, während veraltete Komponenten und Geräte, die eine andere Spannung benötigen, durch den integrierten Relais/Spannungswandler 168 selektiv versorgt werden können.
Ein Durchschnittsfachmann wird erkennen, dass verschiedene Anwendungen eines Relais mit integriertem Spannungswandler, ähnlich wie das im vereinfachten Schaltbild von 2 gezeigte, zusätzliche Schaltungskomponenten umfassen können, um die beschriebene Funktionalität oder eine erweiterte Funktionalität, wie zum Beispiel den Betriebszustand oder die Kommunikation mit einem Fahrzeugnetzwerk, bereitzustellen. Das Relais 168 umfasst einen Relais- oder Schaltteil 210, der mit einem Spannungswandlerteil 212 verbunden ist. In dieser Ausführungsform benutzen der Relaisteil 210 und der Spannungswandlerteil 212 ein gemeinsames Schaltelement, das durch einen Transistor 220 implementiert ist. In weiteren Ausführungsformen kann der Relaisteil 210 durch eine von mehreren kommerziell erhältlichen Festkörperrelaisarchitekturen mit einem separaten Transistor oder anderen Schaltelement implementiert werden, das mit einem Abwärtsspannungswandler oder Tiefsetzsteller gekoppelt ist. Der Transistor 220 kann durch jeden Typ von Transistor und Technologie implementiert sein, der für die spezielle versorgte Last geeignet ist. In einer Ausführungsform ist der Transistor 220 ein FET, während andere Ausführungsformen mit höherer Spannung einen IGBT verwenden können.
Der Transistor 220 umfasst eine Drain-Elektrode 222, eine Gate-Elektrode 224, eine Source-Elektrode 226 und eine Basis- oder Substrat-Verbindung 228, die in der Regel entweder mit der Drain-Elektrode 222 oder mit der Source-Elektrode 226 verbunden ist. Das System kann eine Überspannungsschutzschaltung 240 umfassen, die durch Dioden 242, 244 implementiert ist, die mit entgegengesetzter Polarität zwischen der Drain-Elektrode 222 und der Gate-Elektrode 224 des Transistors 220 in Reihe geschaltet sind. Eine Schaltsteuerung, die durch eine pulsbreitenmodulierende (PWM) Steuerung 250 implementiert ist, ist mit der Gate-Elektrode 224 des Transistors 220 verbunden und dazu ausgelegt, ein Schaltsignal mit einem Tastverhältnis bzw. einer Einschaltdauer mindestens zum Teil auf der Basis der Batterienennspannung V₂ und der Bemessungs- oder Versorgungsspannung V₁ der angeschlossenen elektrischen Last(en) 160 (1) bereitzustellen.
Wie auch in 2 gezeigt, umfasst ein Ausgangsfilter, der in dieser repräsentativen Ausführungsform durch einen LC-Filter implementiert ist, einen Induktor 270, der mit der Source-Elektrode 226 und mit einem Kondensator 274 verbunden ist. Die Schaltung umfasst auch eine Diode 276, die mit der Source-Elektrode 226 und dem Induktor 270 verbunden ist. Eine Strommessschaltung 280 und eine Spannungsmessschaltung 282 sind mit der Steuerung 250 verbunden, um eine Strom- und Spannungsüberwachung bereitzustellen. Die Steuerung 250 kann eine Steuerlogik oder eine Programmierung zur Überwachung des Ausgangsstroms und der Ausgangsspannung aufweisen, um durch Deaktivieren oder Abschalten des Transistors 220 einen Überstrom- und Überspannungsschutz bereitzustellen. Die Steuerung 250 kann einen Eingang 286 umfassen, der vom VCM 172 (1) ein Signal empfängt, um verbundene elektrische Lasten durch Anlegen eines entsprechenden Schaltsignals an die Gate-Elektrode 224 des Transistors 220 zu versorgen.
3 stellt repräsentative Spannungswellenformen für ein Relais dar, das einen integrierten Abwärtsspannungswandler gemäß verschiedener Ausführungsformen aufweist. Die repräsentativen Spannungswellenformen stellen die Spannungen an verschiedenen Punkten 290, 292, 294 des in 1 und 2 gezeigten integrierten Relais/Spannungswandlers 168 allgemein als Zeitfunktion über einen kompletten Schaltzyklus hinweg dar. Bezug nehmend auf 1–3, stellt die Spannung 310 die Nennspannung V₂ der Fahrzeugzubehörstromversorgung dar, die in der Regel durch eine Niederspannungs- oder Hilfsbatterie 130 bereitgestellt wird. In der dargestellten repräsentativen Ausführungsform ist V₂ 48 Volt (V) und stellt die Spannung am Punkt 290 des vereinfachten Schaltbilds dar. Die Spannung 320 ist die Spannung am Punkt 292, die aus einem entsprechenden pulsbreitenmodulierten Signal resultiert, das von der PWM-Steuerung 250 erzeugt wird und an die Gate-Elektrode 224 angelegt wird, um in Reaktion auf ein am Eingang 286 anliegendes Steuersignal von einem Fahrzeugsteuergerät (wie z. B. dem VCM 172) eine verbundene elektrische Last zu versorgen. Das an der Gate-Elektrode 224 anliegende PWM-Signal kann eine niedrigere Spannungsamplitude als die Spannung 320 haben. Die Spannung 330 stellt die gefilterte Ausgangsspannung am Punkt 294 des vereinfachten Schaltbilds dar, mit einer Nenngleichspannung V₁, wie durch die gestrichelte Linie 340 dargestellt.
Das Tastverhältnis des PWM-Schaltsignals und die resultierende ungefilterte Ausgangsspannung 320 wird auf der Basis der gewünschten Batteriespannung, die durch V₂ dargestellt ist, und der durch V₁ dargestellten Versorgungs- oder Bemessungsspannung der verbundenen elektrische Last bestimmt. Das Tastverhältnis kann spezifiziert werden durch die Einschaltzeit des Transistors 220 vom Zeitpunkt t₁ bis zum Zeitpunkt t₂, dividiert durch die Zykluszeit für einen einzelnen Schaltzyklus vom Zeitpunkt t₁ bis zum Zeitpunkt t₃. In einer Ausführungsform mit einer Batterienennspannung von 48 V und einer Bemessungs- oder Versorgungsspannung für eine repräsentative elektrische Last von 12 V erzeugt der PWM-Steuerung 250 ein Schaltsignal, das mit einem Tastverhältnis von 0,25 oder 25 % an die Gate-Elektrode 224 des Transistors 220 angelegt wird.
Daher können Ausführungsformen gemäß der vorliegenden Offenbarung wie z. B. die oben beschriebenen repräsentativen Ausführungsformen im Vergleich zu verschiedenen vorgeschlagenen Stromverteilungsstrategien des Stands der Technik für eine große Vielfalt von Anwendungen einen oder mehrere Vorteile bieten. Ein Stromverteilungssystem, das Relais mit integrierten Abwärtswandlern gemäß der vorliegende Offenbarung verwendet, kann zum Beispiel eine Batterie mit höherer Spannung (wie z. B. 48 V) vorsehen, wobei die Notwendigkeit einer zweiten Hilfsbatterie für ältere Komponenten oder Zubehöre entfällt. Dementsprechend beseitigt die Verwendung von Relais mit integrierten Spannungswandlern die Notwendigkeit eines Hochleistungsgleichstromwandlers, der über einen breiten Ausgangsleistungsbereich hinweg einen hohen Wirkungsgrad hat, und reduziert die Komplexität der Energieüberwachung. Ein Relais mit einem integrierten Spannungswandler gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung erhöht die Flexibilität des Fahrzeugstromverteilungssystems, das an Komponenten oder Zubehöre mit einem großen Betriebsspannungsbereich anpassbar ist, indem für bestimmte Lasten oder Geräte, deren Spannungsbedarf sich von der Batterienennspannung unterscheidet, verschiedene Relais verwendet werden. Das System kann an künftige Geräte mit einem anderen Spannungsbedarf angepasst werden, indem das Relais oder das Schaltelement ausgetauscht wird, statt die Hilfsbatterie, den Kabelstrang usw. auszutauschen. Relais mit einem integrierten Spannungswandler gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung reduzieren auch die Komplexität des Kabelstrangs und die Menge an Kupfer, die für ein Zwei- oder Mehrfachspannungsstromverteilungssystem erforderlich ist.
Auch wenn oben repräsentative Ausführungsformen beschrieben sind, sollen diese Ausführungsformen nicht alle möglichen Formen des beanspruchten Gegenstands beschreiben. Stattdessen dienen die in der Beschreibung verwendeten Ausdrücke der Beschreibung und nicht der Einschränkung, und es versteht sich, dass verschiedene Änderungen durchgeführt werden können, ohne von dem Gedanken und Schutzbereich der Offenbarung abzuweichen. Außerdem können die Merkmale verschiedener Implementierungsausführungsformen kombiniert werden, um weitere Ausführungsformen zu bilden, die nicht ausdrücklich beschrieben oder dargestellt sind. Obwohl verschiedene Ausführungsformen als gegenüber anderen Ausführungsformen oder den Stand der Technik repräsentierenden Implementierungen mit Bezug auf eine oder mehrere erwünschte Eigenschaften Vorteile bereitstellend oder bevorzugt beschrieben worden sein können, können, wie für Durchschnittsfachleute erkennbar ist, ein oder mehrere Merkmale oder eine oder mehrere Eigenschaften beeinträchtigt werden, um gewünschte Gesamtsystemattribute zu erzielen, die von der spezifischen Anwendung und Implementierung abhängen. Diese Attribute wären unter anderem Kosten, Belastbarkeit, Dauerhaftigkeit, Lebenszykluskosten, Vermarktbarkeit, Aussehen, Verpackung, Größe, Wartbarkeit, Gewicht, Herstellbarkeit, leichte Montage usw. Ausführungsformen, die mit Bezug auf eine oder mehrere Eigenschaften als weniger wünschenswert als andere Ausführungsformen oder den Stand der Technik repräsentierende Implementierungen beschrieben werden, liegen nicht unbedingt außerhalb des Schutzumfangs der Offenbarung und können für konkrete Anwendungen wünschenswert sein.

Claims

Fahrzeugstromverteilungssystem, das Folgendes umfasst: eine Batterie, die eine Nennspannung aufweist; eine Last, die eine Bemessungsspannung aufweist, die kleiner als die Nennspannung ist; und ein Relais, das einen Schaltkreis umfasst, um die Nennspannung auf die Bemessungsspannung herunterzuwandeln, und einen Ausgang, der dazu ausgelegt ist, die Last in Reaktion auf ein Steuersignal, das an einen Eingang des Relais angelegt wird, selektiv mit der Bemessungsspannung zu versorgen.
System nach Anspruch 1 wobei das Relais ein monolithisches Festkörperrelais umfasst, das einen integrierten Schaltkreis aufweist, um die Nennspannung auf die Bemessungsspannung herunterzuwandeln.
System nach Anspruch 1, wobei das Relais dazu ausgelegt ist, den Ausgang selektiv mit Masse zu verbinden.
System nach Anspruch 1, wobei die Schaltung zum Herunterwandeln der Nennspannung umfasst: einen Transistor; einen Ausgangsfilter, der mit dem Transistor verbunden ist; und eine Steuerung, die mit dem Transistor verbunden ist und dazu ausgelegt ist, ein pulsbreitenmoduliertes Schaltsignal zu erzeugen.
System nach Anspruch 4, wobei der Ausgangsfilter einen LC-Filter umfasst.
System nach Anspruch 4, wobei der Steuerung dazu ausgelegt ist, ein pulsbreitenmoduliertes Schaltsignal mit einem Tastverhältnis von 0,25 zu erzeugen.
System nach Anspruch 1, das ferner Folgendes umfasst: eine Traktionsbatterie; und einen Gleichstromwandler, der mit der Traktionsbatterie und der Batterie mit der Nennspannung gekoppelt ist.
System nach Anspruch 1, wobei die Batterie eine Nennspannung von 48 Volt hat und die Last eine Bemessungsspannung von 12 Volt hat.
System nach Anspruch 1, wobei die Schaltung zum Abwärtswandeln der Nennspannung umfasst: einen Transistor mit einer Source-, einer Drain- und einer Gate-Elektrode; eine Diode, die zwischen der Source-Elektrode und Masse verbunden ist; einen Induktor, der mit der Source-Elektrode verbunden ist; einen Kondensator, die zwischen dem Induktor und Masse verbunden ist; und eine Steuerung, die dazu ausgelegt ist, ein mit der Gate-Elektrode verbundenes Schaltsignal zu erzeugen, wobei das Schaltsignal ein Tastverhältnis auf der Basis der Nennspannung und der Bemessungsspannung hat.
System nach Anspruch 9, das ferner Folgendes umfasst: eine zweite und eine dritte Diode, die mit entgegengesetzter Polarität zwischen der Drain- und der Gate-Elektrode in Reihe geschaltet sind.
System nach Anspruch 10, das ferner Folgendes umfasst: eine Strommessschaltung, die zwischen der Last und der Steuerung verbunden ist; und eine Spannungsmessschaltung, die über die Last und mit der Steuerung verbunden ist.
Verfahren zur Fahrzeugstromverteilung, das Folgendes umfasst: Versorgen einer elektrischen Fahrzeuglast, die eine erste Spannung hat, die niedriger als eine zweite Spannung aus einer Fahrzeugstromversorgung ist, durch ein Relais mit einem integrierten Abwärtsspannungswandler, der die zweite Spannung in Reaktion auf ein Eingangssignal, das von einem Fahrzeugsteuergerät bereitgestellt wird, in die erste Spannung umwandelt.
Verfahren nach Anspruch 12, wobei das Relais ein monolithisches Festkörperrelais umfasst.
Verfahren nach Anspruch 12, wobei das Relais ein monolithisches Festkörperrelais mit einem integrierten Schaltkreis umfasst, der einen Schalttransistor aufweist, der mit einer pulsbreitenmodulierenden Steuerung verbunden ist, die dazu ausgelegt ist, ein Schaltsignal mit einem Tastverhältnis auf der Basis der ersten und zweiten Spannung auszugeben.
Verfahren nach Anspruch 14, das ferner ein Überwachen des Stroms und der Spannung umfasst, die der elektrischen Fahrzeuglast mit der pulsbreitenmodulierenden Steuerung zugeführt werden.
Verfahren nach Anspruch 12, wobei der integrierte Abwärtsspannungswandler einen LC-Ausgangsfilter umfasst.
Fahrzeugstromverteilungssystem, das Folgendes umfasst: ein monolithisches Festkörperrelais, das einen integrierten Schaltkreis umfasst, um eine Fahrzeugbatterienennspannung in eine Versorgungsspannung einer elektrischen Fahrzeuglast umzuwandeln, und um die elektrische Fahrzeuglast in Reaktion auf ein Steuersignal von einem Fahrzeugsteuergerät, das an einen Eingang des Relais angelegt wird, selektiv zu versorgen.
System nach Anspruch 17, wobei der integrierte Schaltkreis Folgendes umfasst: einen Transistor; eine Steuerung, die mit dem Transistor verbunden ist, und die ein Schaltsignal erzeugt, das basierend auf der Fahrzeugbatterienennspannung und der Versorgungsspannung ein vorbestimmtes Tastverhältnis aufweist; und einen Ausgangsfilter mit einem Induktor und einer Diode, die mit dem Transistor verbunden sind, und mit einem Kondensator, der mit dem Induktor verbunden ist.
System nach Anspruch 18, das ferner Folgendes umfasst: Spannungsschutzdioden, die mit entgegengesetzter Polarität zwischen einer Gate- und einer Source-Elektrode des Transistors in Reihe geschaltet sind.
System nach Anspruch 19, das ferner Folgendes umfasst: eine Spannungsmessschaltung, die mit der Steuerung verbunden ist und dazu ausgelegt ist, die Relaisausgangsspannung zu überwachen; und eine Strommessschaltung, die mit der Steuerung verbunden ist und dazu ausgelegt ist, den Relaisausgangsstrom zu überwachen.