DE102016211285A1 - Vehicle and circuit arrangement for switching electrical energy in a vehicle electrical system of a means of transport between two voltage-sensitive energy sources - Google Patents
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Abstract
Es werden ein elektrisch antreibbares Fortbewegungsmittel sowie eine Schaltungsanordnung zur Vermittlung elektrischer Energie in einem Bordnetz eines Fortbewegungsmittels (10) zwischen einer ersten spannungsweichen Energiequelle (3) und einer zweiten spannungsweichen Energiequelle (4) umfassend:
– einen ersten Transistor (T2),
– eine Induktivität (L) und
– eine Auswerteeinheit (6)
wobei der Transistor (T2) und die Induktivität (L) ein Schaltnetzteil bilden, und die Auswerteeinheit (6) eingerichtet ist, einen getakteten Betrieb des ersten Transistors (T2) im Ansprechen auf das Erkennen eines vordefinierten Betriebszustandes (Z1) des Fortbewegungsmittels (10) bei fortwährendem Stromfluss durch die Induktivität (L) zu verhindern.An electrically drivable means of locomotion as well as a circuit arrangement for switching electrical energy in an electrical system of a means of locomotion (10) between a first voltage-soft power source (3) and a second voltage-soft power source (4) comprising:
A first transistor (T2),
- an inductance (L) and
- an evaluation unit (6)
wherein the transistor (T2) and the inductance (L) form a switching power supply, and the evaluation unit (6) is set up, a clocked operation of the first transistor (T2) in response to the detection of a predefined operating state (Z1) of the means of transport (10) with continuous current flow through the inductance (L) to prevent.
Description
Stand der TechnikState of the art
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Fortbewegungsmittel sowie eine Schaltungsanordnung zur Vermittlung elektrischer Energie in einem Bordnetz eines Fortbewegungsmittels zwischen einer ersten spannungsweichen Energiequelle und einer zweiten spannungsweichen Energiequelle. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung eine Nutzung der Kenntnis bestimmter Betriebszustände zur Vermeidung unnötiger Schaltvorgänge sowie zur Vereinfachung der verwendeten DC/DC-Wandler.The present invention relates to a means of locomotion as well as a circuit arrangement for the transmission of electrical energy in a vehicle electrical system of a means of locomotion between a first voltage-soft power source and a second voltage-soft power source. In particular, the present invention relates to the use of the knowledge of certain operating states to avoid unnecessary switching operations and to simplify the DC / DC converter used.
Bei einem Brennstoffzellensystem ist nach dem heutigen Stand der Technik eine Brennstoffzelle mittels Gleichstromwandler(DC/DC)-Wandler an eine Hochleistungsbatterie gekoppelt. Diese wird wiederum auf einen Antriebsinverter zur Bereitstellung von Traktionsenergie geschaltet. Der DC/DC-Wandler gleicht die Spannungen des Brennstoffzellensystems an die Spannung der Batterie an und regelt damit den Stromfluss durch die Brennstoffzelle in Abhängigkeit vom jeweiligen Zustand des Fahrzeugs. Während die Batterie im Wesentlichen ohne Zeitverzögerung zur Bereitstellung unterschiedlicher Spannungs- und Stromgrößen eingerichtet ist, ist ein Brennstoffzellensystem mit einer gewissen Trägheit bis zur Bereitstellung entsprechender elektrischer Kenngrößen beaufschlagt. Daher wird die Batterie bevorzugt zum Rekuperieren und zur Trägheitskompensation (Dynamikerhöhung) verwendet. Außerdem kann mittels der Batterie eine Stromgradientenbegrenzung des Brennstoffzellenstroms erfolgen, um erhöhten Verschleiß der Brennstoffzelle zu vermeiden. Wenn das System so ausgelegt ist, dass in Abhängigkeit des Systemzustands entweder die Spannung der Brennstoffzelle oder die Spannung der Batterie höher ist (überlappende Spannungsbänder), wird eine aufwendige Hochsetzsteller-/Tiefsetzstellertopologie verwendet (siehe
Die im Stand der Technik stets für eine beidseitige Energieflussrichtung ausgelegten DC/DC-Wandler weisen üblicherweise einen im Wesentlichen symmetrischen Aufbau bezüglich Eingangsseite und Ausgangsseite auf, wobei bei der einphasigen Ausführung mindestens zwei Kondensatoren, eine Drosselspule und vier Transistoren verwendet werden, um in einem Taktbetrieb die in der Drosselspule gespeicherte Energie zum Ermöglichen eines Stromflusses in Richtung des Antriebsinverters zu ermöglichen. Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die Schaltverluste sowie die ohmschen Verluste bei der Vermittlung elektrischer Energie zu verringern. Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen einfacheren, kostengünstigeren und leichteren Aufbau für einen DC/DC-Wandler zu ermöglichen.The DC / DC converters, which are always designed for a bilateral energy flow direction in the prior art, usually have a substantially symmetrical structure with respect to the input side and the output side, wherein in the single-phase design at least two capacitors, a choke coil and four transistors are used in a clock mode to allow the energy stored in the choke coil to allow current to flow towards the drive inverter. It is an object of the present invention to reduce the switching losses as well as the ohmic losses in the transmission of electrical energy. It is a further object of the present invention to provide a simpler, less expensive, and lighter construction for a DC / DC converter.
Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention
Die vorstehend identifizierte Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Schaltungsanordnung zur Vermittlung elektrischer Energie in einem Bordnetz eines Fortbewegungsmittels zwischen einer ersten spannungsweichen Energiequelle und einer zweiten spannungsweichen Energiequelle gelöst. Die erste spannungsweiche Energiequelle kann beispielsweise eine Batterie bzw. ein Akkumulator sein. Die zweite spannungsweiche Energiequelle kann beispielsweise eine Brennstoffzelle sein. Zur Vermittlung der Energie sind in der einphasigen Ausführung ein erster Transistor, (bevorzugt auch ein zweiter Transistor) und eine Induktivität vorgesehen. Eine Auswerteeinheit ist eingerichtet, den ersten Transistor (und ggf. auch den zweiten Transistor) anzusteuern. Der Transistor bzw. die Transistoren und die Induktivität bilden ein Schaltnetzteil, mittels dessen zumindest in eine Richtung elektrische Energie einer ersten niedrigeren Spannungslage auf eine zweite höhere Spannungslage gewandelt werden kann. Dies erfolgt üblicherweise durch einen gegenläufig getakteten Betrieb des jeweiligen Transistors bei der Verwendung mindestens zweier Transistoren, wobei in einem ersten Schritt ein Stromfluss durch die Induktivität in Richtung Masse provoziert wird und nach einem Schaltvorgang in einem zweiten Schritt die Induktivität einen Stromfluss in Richtung der höheren Spannungslage treibt. Erfindungsgemäß ist die Auswerteeinheit eingerichtet, einen getakteten Betrieb des ersten Transistors im Ansprechen auf das Erkennen eines vordefinierten Betriebszustandes des Fortbewegungsmittels zu verhindern. Der Betriebszustand weist die notwendige Bedingung auf, dass ein Strom durch die Induktivität fließt. Die Schaltungsanordnung wird also während des oben beschriebenen Betriebszustandes betrieben Der Betriebszustand kann beispielsweise ein Betriebszustand des Bordnetzes des Fortbewegungsmittels sein, welcher insbesondere anhand einer Fahrzustandsgröße (Geschwindigkeit und/oder Lastzustand und/oder Beschleunigung o. ä.) erkannt wird. Mit anderen Worten wird durch die Auswerteeinheit anhand einer Referenz das Unterschreiten oder das Überschreiten einer Kenngröße festgestellt, welche über der Zeit ermittelt wird. Die Kenngröße kann beispielsweise von einem Fahrzeugbus und/oder von einem Sensor bereitgestellt werden. Die Kenngröße kann beispielsweise die relative Spannungslage zwischen der ersten Energiequelle und der zweiten Energiequelle kennzeichnen. Alternativ oder zusätzlich kann die Kenngröße eine Energieaufnahme eines elektrischen Verbrauchers des Bordnetzes (z. B. sämtliche Verbraucher, insbesondere umfassend den elektrischen Antriebsstrang) repräsentieren. Alternativ oder zusätzlich kann die Kerngröße der Strom aus der Batterie-Brennstoffzelleneinheit (Zwischenkreisstrom) oder der SOC der Batterie sein. Im Ergebnis können Schaltvorgänge und mit diesen einhergehende Verluste in bestimmten Betriebszuständen des Fortbewegungsmittels vermieden werden.The above identified object is achieved by a circuit arrangement for switching electrical energy in a vehicle electrical system of a means of locomotion between a first low-voltage power source and a second low-voltage power source. The first voltage-soft power source may be for example a battery or an accumulator. The second voltage-soft power source may be, for example, a fuel cell. To mediate the energy in the single-phase design, a first transistor, (preferably also a second transistor) and an inductance are provided. An evaluation unit is set up to control the first transistor (and possibly also the second transistor). The transistor or the transistors and the inductance form a switching power supply, by means of which at least in one direction electrical energy of a first lower voltage level can be converted to a second higher voltage level. This is usually done by a counterclockwise operation of the respective transistor when using at least two transistors, wherein in a first step, a current flow is provoked by the inductor towards ground and after a switching operation in a second step, the inductor current flow in the direction of higher voltage drives. According to the invention, the evaluation unit is set up to prevent a clocked operation of the first transistor in response to the detection of a predefined operating state of the means of locomotion. The operating state has the necessary condition that a current flows through the inductance. The operating state can be, for example, an operating state of the vehicle electrical system of the means of locomotion, which is recognized in particular on the basis of a driving state variable (speed and / or load state and / or acceleration or the like). In other words, the evaluation unit determines from a reference that it falls below or exceeds a characteristic which is determined over time. The parameter can be provided, for example, by a vehicle bus and / or by a sensor. The parameter may, for example, characterize the relative voltage position between the first energy source and the second energy source. Alternatively or additionally, the parameter may represent an energy consumption of an electrical consumer of the vehicle electrical system (eg all consumers, in particular comprising the electric drive train). Alternatively or additionally, the core size may be the power from the battery fuel cell unit (DC link current) or the SOC of the battery. As a result, switching operations and associated losses in certain Operating conditions of the means of transport are avoided.
Die Unteransprüche zeigen bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung.The dependent claims show preferred developments of the invention.
Sofern – wie oben beschrieben – lediglich ein erster Transistor (ohne einen zweiten Transistor) in dem Schaltnetzteil vorgesehen ist, kann ein unerwünschter Kurzschluss während des ersten Schrittes durch die Verwendung einer Diode verhindert werden. Die Diode kann eine inhärente Diode des zweiten Transistors (sofern vorgesehen) sein. Die Verwendung des zweiten Transistors anstatt einer einzelnen Diode ermöglicht eine Verwendung der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung auch in dem Fall, dass die Stromrichtung zwischen Eingang und Ausgang umgekehrt orientiert sind. Überdies ist es möglich, die Leitungsverluste durch Verwendung des zweiten Transistors weiter zu verringern.If, as described above, only a first transistor (without a second transistor) is provided in the switched-mode power supply, an undesired short circuit during the first step can be prevented by the use of a diode. The diode may be an inherent diode of the second transistor (if provided). The use of the second transistor instead of a single diode allows use of the circuit arrangement according to the invention also in the case that the current direction between the input and output are reversely oriented. Moreover, it is possible to further reduce the conduction losses by using the second transistor.
Der vordefinierte Betriebszustand kann beispielsweise einen Teillast-Betrieb des Bordnetzes bzw. des Fortbewegungsmittels kennzeichnen. Alternativ oder zusätzlich kann eine Fahrt unterhalb einer vordefinierten Höchstgeschwindigkeit, insbesondere unterhalb von 50 km/h durch den vordefinierten Betriebszustand gekennzeichnet werden. Ein solcher Betriebszustand erlaubt beispielsweise die Annahme, dass die Batterie bei einer Parallelschaltung mit der Brennstoffzelle (z. B. über die Drosselspule bzw. die Induktivität) nicht entladen oder gar tiefentladen wird, da die Brennstoffzelle stets hinreichend Energie bereitstellen kann, um den Antriebsstrang bzw. das Bordnetz mit der erforderlichen elektrischen Energie zu versorgen. Auch wenn die erste Energiequelle bei einer Parallelschaltung mit der zweiten Energiequelle nicht entladen wird, kann diese sensorisch oder anderweitig erfasst und zur Erkennung des vordefinierten Betriebszustandes verwendet werden.The predefined operating state can mark, for example, a partial load operation of the electrical system or of the means of locomotion. Alternatively or additionally, a journey below a predefined maximum speed, in particular below 50 km / h, can be characterized by the predefined operating state. Such an operating state permits, for example, the assumption that the battery is not discharged or even deeply discharged during a parallel connection with the fuel cell (eg via the choke coil or the inductance), since the fuel cell can always provide sufficient energy to supply the drivetrain or power train to supply the vehicle electrical system with the necessary electrical energy. Even if the first energy source is not discharged in a parallel connection with the second energy source, it can be sensed or otherwise detected and used to detect the predefined operating state.
Außerhalb des vordefinierten Betriebszustandes kann die Schaltungsanordnung eingerichtet sein, mittels der Auswerteeinheit einen zweiten Betriebszustand einzunehmen, in welchem der erste und der zweite Transistor getaktet betrieben werden. Der zweite Betriebszustand kann insbesondere im Falle einer höheren Leistungsaufnahme des Fortbewegungsmittels bzw. des Bordnetzes vorherrschen, um eine zuverlässige, wenn auch mit höheren Verlusten behaftete, relative Spannungslage zwischen der ersten Energiequelle und der zweiten Energiequelle sicherzustellen. Überdies kann die Schaltungsanordnung einen dritten Betriebszustand einnehmen, in welchem der erste Transistor und der zweite Transistor geöffnet sind, mit anderen Worten also keine Leitfähigkeit in einer Richtung aufweisen.Outside the predefined operating state, the circuit arrangement can be set up to adopt a second operating state by means of the evaluation unit, in which the first and the second transistor are operated in a clocked manner. The second operating state may prevail, in particular in the case of a higher power consumption of the means of locomotion or the electrical system, in order to ensure a reliable, albeit with higher losses, relative voltage position between the first energy source and the second energy source. Moreover, the circuit arrangement can assume a third operating state in which the first transistor and the second transistor are open, in other words, have no conductivity in one direction.
Wie im Stand der Technik üblich, können Glättungskapazitäten parallel zu der ersten Energiequelle und der zweiten Energiequelle vorgesehen sein, um die von der Schaltungsanordnung erzeugten bzw. aufgenommenen Spannungen zu glätten.As is conventional in the art, smoothing capacitances may be provided in parallel with the first power source and the second power source to smooth the voltages generated by the circuitry.
Gemäß einem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein elektrisch antreibbares Fortbewegungsmittel vorgeschlagen, welches eine Schaltungsanordnung gemäß dem erstgenannten Erfindungsaspekt aufweist. Die Schaltungsanordnung kann insbesondere zwischen einer elektrochemischen Energiequelle (z. B. Batterie, Akkumulator, o. ä.) und einer Brennstoffzelle vorgesehen sein. Ein Bussystem und/oder ein Sensor sind informationstechnisch mit der Schaltungsanordnung verbunden, um die erfindungsgemäße Aktivierung des vordefinierten Betriebszustands im Ansprechen auf vordefinierte Betriebsbedingungen durch eine entsprechende Ansteuerung der Transistoren zu ermöglichen.According to a second aspect of the present invention, an electrically driven means of transport is proposed which comprises a circuit arrangement according to the first aspect of the invention. The circuit arrangement may in particular be provided between an electrochemical energy source (eg battery, accumulator, or the like) and a fuel cell. A bus system and / or a sensor are connected in terms of information technology to the circuit arrangement in order to enable the inventive activation of the predefined operating state in response to predefined operating conditions by a corresponding control of the transistors.
Kurze Beschreibung der ZeichnungenBrief description of the drawings
Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen im Detail beschrieben. In den Zeichnungen ist:Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. In the drawings:
Ausführungsformen der ErfindungEmbodiments of the invention
- – „IDYNCHA” einen Strom, welcher in einem Ladezustand nur kurzzeitig mit hoher Stärke fließt,
- – „ICHA” einen Strom, welcher in einem Ladezustand längerfristig mit hoher Stärke fließt,
- – „IDIS” einen Strom, welcher in einem Entladezustand längerfristig mit hoher Stärke fließt und
- – „IDYNDIS” einen Strom, welcher in einem Entladezustand nur kurzzeitig mit hoher Stärke fließt.
- - "I DYNCHA " a current which flows in a state of charge only for a short time with high intensity,
- - "I CHA " a current that flows in a state of charge in the long term with high strength,
- - "I DIS " a current which flows in a discharge state in the long term with high strength and
- - "I DYNDIS " a current which flows in a discharge state only for a short time with high strength.
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 11
- Schaltungsanordnungcircuitry
- 22
- Elektrische MaschineElectric machine
- 33
- Batteriebattery
- 44
- Brennstoffzellefuel cell
- 55
- Inverterinverter
- 66
- Auswerteeinheitevaluation
- 1010
- Pkwcar
- S1 bis S4S1 to S4
- SchützeSagittarius
- T1 bis T4T1 to T4
- Transistorentransistors
- IZK I ZK
- ZwischenkreisstromDC link current
- IBZ I BZ
- BrennstoffzellenstromA fuel cell power
- IBat I Bat
- Batteriestrombattery power
- UBat U Bat
- Batteriespannungbattery voltage
- UBZ U BZ
- Brennstoffzellenspannungfuel cell voltage
- CBat, CBZ C Bat , C BZ
- Glättungskondensatorensmoothing capacitors
- P1soll P 1soll
- Leistungpower
- I1soll I 1soll
- Soll-StromTarget current
- U1soll U 1soll
- Soll-SpannungTarget voltage
- SoCSoC
- State of Charge, LadezustandState of charge, state of charge
- IdynChaIdynCha
- Kurzzeitig mögliche LadestromgrenzeShort term possible charging current limit
- IChaI
- DauerladestromgrenzeTrickle charge current limit
- IDisIDIS
- DauerentladestromgrenzeDauerentladestromgrenze
- IdynDisIdynDis
- Kurzzeitig mögliche EntladestromgrenzeShort term possible discharge current limit
Claims (11)
Priority Applications (1)
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DE102016211285.6A DE102016211285A1 (en) | 2016-06-23 | 2016-06-23 | Vehicle and circuit arrangement for switching electrical energy in a vehicle electrical system of a means of transport between two voltage-sensitive energy sources |
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2016
- 2016-06-23 DE DE102016211285.6A patent/DE102016211285A1/en active Pending
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Legal Events
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