DE102017105621A1

DE102017105621A1 - Variables spannungswandlungssystem mit reduzierter bypassdiodenleitung

Info

Publication number: DE102017105621A1
Application number: DE102017105621.1A
Authority: DE
Inventors: Mohammed Khorsched Alam; Lihua Chen; Yan Zhou; Fan Xu
Original assignee: Ford Global Technologies LLC
Current assignee: Ford Global Technologies LLC
Priority date: 2016-03-22
Filing date: 2017-03-16
Publication date: 2017-09-28
Also published as: CN107222099A; US20170274777A1; CN107222099B; US9931944B2

Abstract

Ein Fahrzeugantriebsstrang beinhaltet eine Bypassdiode und eine Steuerung. Die Bypassdiode ist dazu konfiguriert, eine DC-Wechselrichteranschlussspannung an eine Batteriespannung zu klemmen. Die Steuerung ist dazu konfiguriert, während die Anschlussspannung innerhalb eines vorbestimmten Bereichs von der Batteriespannung liegt, einen unteren IGBT eines DC-DC-Wandlers während eines Antriebsmodus ausgeschaltet zu halten und den unteren IGBT zum Erhöhen der Anschlussspannung während eines Regenerationsmodus zu modulieren, um die Bypassdiode in Sperrrichtung vorgespannt zu halten.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Diese Anmeldung betrifft allgemein Steuern von IGBTs in einem Gleichstrom-Gleichstrom-Wandler mit einer Bypass-Diode für einen hybridelektrischen Antriebsstrang.
STAND DER TECHNIK
Elektrisch betriebene Fahrzeuge, einschließlich Hybridelektrofahrzeugen (HEV) und Batterieelektrofahrzeugen (BEV), sind auf eine Traktionsbatterie, um einen Traktionsmotor zum Antrieb mit Leistung zu versorgen, und einen Wechselrichter dazwischen angewiesen, um eine Gleichstrom(DC)-Leistung in eine Wechselstrom(AC)-Leistung zu wandeln. Der typische AC-Traktionsmotor ist ein 3-Phasen-Motor, der von 3 Sinussignalen angetrieben werden kann, die jeweils mit einer Phasentrennung von 120 Grad angesteuert werden. Die Traktionsbatterie ist dazu konfiguriert, in einem bestimmten Spannungsbereich zu arbeiten. Die Anschlussspannung einer typischen Traktionsbatterie beträgt über 100 Volt DC und die Traktionsbatterie wird alternativ als eine Hochspannungsbatterie bezeichnet. Es kann jedoch eine verbesserte Leistung von Elektromaschinen durch das Betreiben in einem anderen Spannungsbereich, typischerweise bei höheren Spannungen als die Traktionsbatterie, erzielt werden. Viele elektrisch betriebene Fahrzeuge weisen einen DC-DC-Wandler auf, der auch als ein variabler Spannungswandler (VVC) bezeichnet wird, um die Spannung der Traktionsbatterie in einen Betriebsspannungspegel der Elektromaschine zu wandeln. Die Elektromaschine, die einen Traktionsmotor aufweisen kann, kann eine hohe Spannung und einen starken Strom erfordern. Aufgrund von Spannungs-, Strom- und Schaltanforderungen wird typischerweise ein Bipolartransistor mit isoliertem Gate (IGBT) verwendet, um die Signale in dem Wechselrichter und dem VVC zu erzeugen.
KURZDARSTELLUNG
Ein Fahrzeugantriebsstrang beinhaltet eine Bypassdiode und eine Steuerung. Die Bypassdiode ist dazu konfiguriert, eine DC-Wechselrichteranschlussspannung an eine Batteriespannung zu klemmen. Die Steuerung ist dazu konfiguriert, während die Anschlussspannung innerhalb eines vorbestimmten Bereichs von der Batteriespannung liegt, einen unteren IGBT eines DC-DC-Wandlers während eines Antriebsmodus ausgeschaltet zu halten, und den unteren IGBT zum Erhöhen der Anschlussspannung während eines Regenerationsmodus zu modulieren, um die Bypassdiode in Sperrrichtung vorgespannt zu halten.
Ein Verfahren zum Betreiben eines DC-DC-Wandlers eines Fahrzeugantriebsstrangs, während eine Busspannung innerhalb eines vorbestimmten Bereichs von einer Batteriespannung liegt, beinhaltet Halten eines oberen IGBT in einem Ein-Zustand, um einen Kanal von einer Batterie zu einer Last während eines Antriebsmodus zu verbessern, und Modulieren des oberen IGBT, um eine Stromfluktuationsgröße durch eine Drosselspule des Wandlers zu erhöhen, um eine Wandlerbypassdiode in Sperrrichtung vorzuspannen.
Ein Fahrzeugantriebsstrang beinhaltet einen Aufwärtswandler, der eine Batterie mit einem Wechselrichter koppelt, eine Bypassdiode, die dazu konfiguriert ist, eine DC-Wechselrichteranschlussspannung an eine Batteriespannung zu klemmen; und eine Steuerung. Die Steuerung ist dazu konfiguriert, während der Antriebsstrang in einem Regenerationsmodus betrieben wird, IGBTs des Aufwärtswandlers zum Erhöhen einer Stromfluktuationsgröße durch eine Drosselspule des Aufwärtswandlers zu modulieren, um die Bypassdiode durch Erhöhen eines Mittels der DC-Wechselrichteranschlussspannung auszuschalten.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist ein Schaubild eines Hybridfahrzeugs, das typische Antriebsstrang- und Energiespeicherkomponenten mit einem Wechselrichter dazwischen veranschaulicht.
2 ist ein schematisches Schaubild eines variablen Fahrzeugspannungswandlers (VVC).
3 ist ein Flussdiagramm eines VVC-Steuersystems.
4A ist eine graphische Repräsentation eines Bypassdiodenstroms und eines Batteriestroms hinsichtlich einer Zeit, während der High-Side-IGBT des VVC eingeschaltet ist.
4B ist eine graphische Repräsentation eines Drosselspulenstroms und eines Eingangskondensatorstroms hinsichtlich einer Zeit, während der High-Side-IGBT des VVC eingeschaltet ist.
5A ist eine graphische Repräsentation einer Batteriespannung und einer DC-Zwischenkreisspannung hinsichtlich einer Zeit, während der High-Side-IGBT des VVC eingeschaltet ist.
5B ist eine graphische Repräsentation einer Batteriespannung und einer DC-Zwischenkreisspannung hinsichtlich einer Zeit, während die IGBTs des VVC moduliert werden.
6A ist eine graphische Repräsentation eines Bypassdiodenstroms und eines Batteriestroms hinsichtlich einer Zeit, während die IGBTs des VVC moduliert werden.
6B ist eine graphische Repräsentation eines Drosselspulenstroms und eines Eingangskondensatorstroms hinsichtlich einer Zeit, während die IGBTs des VVC moduliert werden.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
Hier werden Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung beschrieben. Es versteht sich jedoch, dass die offenbarten Ausführungsformen lediglich Beispiele sind und dass andere Ausführungsformen verschiedene und alternative Formen annehmen können. Die Figuren sind nicht unbedingt maßstabsgetreu; einige Merkmale können übertrieben oder minimiert sein, um Einzelheiten besonderer Komponenten zu zeigen. Daher sollen hier offenbarte spezielle strukturelle und funktionale Einzelheiten nicht als beschränkend interpretiert werden, sondern lediglich als eine repräsentative Basis, um einen Fachmann zu lehren, wie die vorliegende Erfindung auf verschiedene Art und Weise einzusetzen ist. Für einen Durchschnittsfachmann liegt auf der Hand, dass verschiedene Merkmale, die unter Bezugnahme auf irgendeine der Figuren veranschaulicht und beschrieben werden, mit Merkmalen kombiniert werden können, die in einer oder mehreren anderen Figuren veranschaulicht werden, um Ausführungsformen zu schaffen, die nicht explizit veranschaulicht oder beschrieben werden. Die Kombinationen veranschaulichter Merkmale stellen repräsentative Ausführungsformen für typische Anwendungen bereit. Es könnten jedoch verschiedene Kombinationen und Modifikationen der Merkmale, die den Lehren dieser Offenbarung entsprechen, für bestimmte Anwendungen oder Implementierungen erwünscht sein.
Hybridfahrzeuge (HEVs), wie etwa Batterieelektrofahrzeuge (BEVs) und Plug-In-Hybridelektrofahrzeuge (PHEVs), sind typischerweise mit wenigstens einer Elektromaschine konfiguriert. Wenn mehrere Elektromaschinen in einem Antriebsstrang eines HEV verwendet werden, ist jede Elektromaschine typischerweise mit einem Wechselrichter gekoppelt. Während eines Antriebsmodus wandelt der Wechselrichter eine DC-Leistung von einer Traktionsbatterie in eine AC-Leistung, die von der Elektromaschine verwendet wird, um. Alternativ wandelt der Wechselrichter während eines Regenerationsmodus AC-Leistung von der Elektromaschine in DC-Leistung, die durch die Traktionsbatterie gespeichert werden soll, um. Die Verwendung von zwei Elektromaschinen, die jeweils mit einem Wechselrichter gekoppelt sind, ist auf serielle Hybridsysteme, parallele Hybridsysteme und seriell-parallele Hybridsysteme, die auch als leistungsverzweigte Hybridsysteme bezeichnet werden, anwendbar. Ein variabler Spannungswandler (VVC) ist ein bidirektionaler Aufwärts-/Abwärts-DC-DC-Wandler, der zum Steuern der DC-Zwischenkreisspannung verwendet wird, um die Traktionswechselrichterverluste zu minimieren. Der VVC steuert die Versorgungsspannung der Wechselrichter, die auch als DC-Zwischenkreisspannung oder DC-Busspannung bezeichnet wird, durch Anheben einer niedrigeren Spannung (z. B. Traktionsbatteriespannung) auf eine höhere Spannung (z. B. Versorgungsspannung) während eines Antriebsmodus. Während eines Regenerationsmodus senkt der VVC die höhere Spannung (z. B. Versorgungsspannung) auf eine niedrigere Spannung ab (z. B. Traktionsbatteriespannung). Wenn die Elektromaschine jedoch auf einer Spannung, die näherungsweise der Traktionsbatterie entspricht, betrieben wird, kann der VVC in einem Bypass- oder Durchlassmodus arbeiten. Während des Durchlassmodus des VVC wird der obere IGBT zur gleichen Zeit eingeschaltet und eingeschaltet gehalten, wie der untere IGBT ausgeschaltet und ausgeschaltet gehalten wird. Eine Bypassdiode ist zwischen dem positiven Batterieanschluss und dem positiven DC-Zwischenkreisanschluss platziert, um die VVC-Verluste während des Durchlassmodus zu reduzieren. Die Bypassdiode kann die VVC-Verluste während des Durchlassmodus, wenn sich die Batterie entlädt, erheblich reduzieren. Wenn die Batterie jedoch aufgrund eines Regenerationsvorgangs des Fahrzeugs aufgeladen wird, kann sich die Bypassdiode aufgrund von Oszillationen in der DC-Zwischenkreisspannung einschalten. Diese Oszillation führt zu zusätzlichen Verlusten in dem VVC aufgrund dessen, dass Energie von der Batterie und einem Eingangskondensator (Ci) durch die Bypassdiode zurück zu dem Wechselrichter fließt, und aufgrund des zirkulierenden Stroms zwischen der Drosselspule und der Bypassdiode.
Hier wird eine Steuerstrategie, die den oberen und unteren IGBT des VVC moduliert, präsentiert, um die Verluste aufgrund der Zirkulation von Energie durch die Bypassdiode während Fahrzeugregenerationsvorgängen zu reduzieren. Wenn die Steuerung zum Beispiel unter dieser vorgeschlagenen Strategie betrieben wird, kann sie dazu konfiguriert sein, die IGBTs mit einer Frequenz von etwa ½ der Betriebsfrequenz zu modulieren, so dass die Steuerung in 95% der Zeit den oberen IGBT einschaltet und den unteren IGBT ausschaltet und in 5% der Zeit den oberen IGBT ausschaltet und den unteren IGBT einschaltet. Bei einer alternativen Ausführungsform kann die Steuerung dazu konfiguriert sein, die IGBTs mit einer Frequenz von etwa ¼ der Betriebsfrequenz zu modulieren, so dass die Steuerung in 90% der Zeit den oberen IGBT einschaltet und den unteren IGBT ausschaltet und in 10% der Zeit den oberen IGBT ausschaltet und den unteren IGBT einschaltet. Bei einer weiteren Ausführungsform kann die Steuerung dazu konfiguriert sein, die IGBTs mit einer variablen Frequenz, die weniger als ¾ der Betriebsfrequenz betragen kann, zu modulieren, so dass die Steuerung in 98% der Zeit den oberen IGBT einschaltet und den unteren IGBT ausschaltet und in 2% der Zeit den oberen IGBT ausschaltet und den unteren IGBT einschaltet.
1 stellt ein elektrisch betriebenes Fahrzeug 112 dar, das als ein Plug-in-Hybrid-Elektrofahrzeug (PHEV) bezeichnet werden kann. Ein Plug-in-Hybridelektrofahrzeug 112 kann eine oder mehrere Elektromaschinen 114 umfassen, die mechanisch mit einem Hybridgetriebe 116 gekoppelt sind. Die Elektromaschinen 114 können dazu in der Lage sein, als ein Motor oder als ein Generator zu arbeiten. Zusätzlich ist das Hybridgetriebe 116 mechanisch mit einem Verbrennungsmotor 118 gekoppelt. Das Hybridgetriebe 116 ist auch mechanisch mit einer Antriebswelle 120 gekoppelt, die mechanisch mit den Rädern 122 gekoppelt ist. Die Elektromaschinen 114 können eine Antriebs- und Verlangsamungsfähigkeit bereitstellen, wenn der Verbrennungsmotor 118 ein- oder ausgeschaltet ist. Die Elektromaschinen 114 können auch als Generatoren fungieren und können Vorteile hinsichtlich der Kraftstoffwirtschaftlichkeit bereitstellen, indem sie Energie zurückgewinnen, die in einem Reibungsbremssystem normalerweise als Wärme verloren gehen würde. Die Elektromaschinen 114 können auch Fahrzeugemissionen reduzieren, indem sie es dem Verbrennungsmotor 118 gestatten, bei effizienteren Drehzahlen zu arbeiten, und indem sie es dem Hybridelektrofahrzeug 112 gestatten, unter gewissen Bedingungen im elektrischen Modus mit ausgeschaltetem Verbrennungsmotor 118 betrieben zu werden. Ein elektrisch betriebenes Fahrzeug 112 kann auch ein Batterieelektrofahrzeug (BEV) sein. Bei einer BEV-Konfiguration ist der Verbrennungsmotor 118 möglicherweise nicht vorhanden. Bei anderen Konfigurationen kann das elektrisch betriebene Fahrzeug 112 ein Vollhybrid-Elektrofahrzeug (FHEV) ohne Plug-in-Fähigkeit sein.
Eine Traktionsbatterie oder ein Batteriesatz 124 speichert Energie, die von den Elektromaschinen 114 verwendet werden kann. Der Fahrzeugbatteriesatz 124 kann eine Hochspannungs-Gleichstrom(DC)-Ausgabe bereitstellen. Die Traktionsbatterie 124 kann elektrisch mit einem oder mehreren Leistungselektronikmodulen 126 gekoppelt sein. Ein oder mehrere Schütze 142 können die Traktionsbatterie 124 von anderen Komponenten isolieren, wenn sie geöffnet sind, und die Traktionsbatterie 124 mit anderen Komponenten verbinden, wenn sie geschlossen sind. Das Leistungselektronikmodul 126 ist auch elektrisch mit den Elektromaschinen 114 gekoppelt und stellt die Fähigkeit zur bidirektionalen Übertragung von Energie zwischen der Traktionsbatterie 124 und den Elektromaschinen 114 bereit. Zum Beispiel kann eine Traktionsbatterie 124 eine Gleichspannung bereitstellen, während die Elektromaschinen 114, um zu funktionieren, mit einem dreiphasigen Wechselstrom (AC) arbeiten können. Das Leistungselektronikmodul 126 kann die Gleichspannung in einen dreiphasigen Wechselstrom wandeln, um die Elektromaschinen 114 zu betreiben. Bei einem Regenerationsmodus kann das Leistungselektronikmodul 126 den Dreiphasen-Wechselstrom von den Elektromaschinen 114, die als Generatoren fungieren, in die mit der Traktionsbatterie 124 kompatible Gleichspannung wandeln.
Das Fahrzeug 112 kann einen variablen Spannungswandler (VVC) 152 enthalten, der elektrisch zwischen die Traktionsbatterie 124 und das Leistungselektronikmodul 126 gekoppelt ist. Der VVC 152 kann ein DC-DC-Aufwärtswandler sein, der dazu konfiguriert ist, die von der Traktionsbatterie 124 bereitgestellte Spannung zu erhöhen oder anzuheben. Durch Erhöhen der Spannung können Stromanforderungen verringert werden, was zu einer Reduzierung der Verdrahtungsgröße für das Leistungselektronikmodul 126 und die Elektromaschinen 114 führt. Weiterhin können die Elektromaschinen 114 mit besserem Wirkungsgrad und geringeren Verlusten betrieben werden.
Zusätzlich dazu, dass die Traktionsbatterie 124 Energie für den Antrieb bereitstellt, kann sie Energie für andere elektrische Fahrzeugsysteme bereitstellen. Das Fahrzeug 112 kann ein DC-DC-Wandlermodul 128 enthalten, das die DC-Hochspannungsausgabe der Traktionsbatterie 124 in eine Niederspannungs-DC-Versorgung wandelt, die kompatibel mit Niederspannungsfahrzeuglasten ist. Ein Ausgang des DC-DC-Wandlermoduls 128 kann elektrisch mit einer Hilfsbatterie 130 (z. B. einer 12 V-Batterie) gekoppelt sein, um die Hilfsbatterie 130 aufzuladen. Die Niederspannungssysteme können elektrisch mit der Hilfsbatterie 130 gekoppelt sein. Ein oder mehrere elektrische Lasten 146 können mit dem Hochspannungsbus gekoppelt sein. Die elektrischen Lasten 146 können eine zugeordnete Steuerung aufweisen, die die elektrischen Lasten 146, wenn zutreffend, betreibt und steuert. Beispiele elektrischer Lasten 146 können ein Lüfter, ein elektrisches Heizelement und/oder ein Klimaanlagenkompressor sein.
Das elektrisch betriebene Fahrzeug 112 kann dazu konfiguriert sein, die Traktionsbatterie 124 durch eine externe Leistungsquelle 136 wiederaufzuladen. Die externe Leistungsquelle 136 kann eine Verbindung zu einer elektrischen Steckdose sein. Die externe Leistungsquelle 136 kann elektrisch mit einem Ladegerät oder einer elektrischen Fahrzeugversorgungsausrüstung (EVSE: Electric Vehicle Supply Equipment) 138 gekoppelt sein. Die externe Leistungsquelle 136 kann ein elektrisches Leistungsverteilungsnetz oder ein Stromnetz sein, wie es von einem Elektrizitätsversorgungsunternehmen bereitgestellt wird. Die EVSE 138 kann eine Schaltungsanordnung und Steuerungen bereitstellen, um die Übertragung von Energie zwischen der Leistungsquelle 136 und dem Fahrzeug 112 zu regeln und zu verwalten. Die externe Leistungsquelle 136 kann der EVSE 138 elektrische DC- oder AC-Leistung liefern. Die EVSE 138 kann einen Ladeverbinder 140 zum Einstecken in einen Ladeport 134 des Fahrzeugs 112 aufweisen. Der Ladeport 134 kann irgendeine Art von Port sein, der dazu konfiguriert ist, Leistung von der EVSE 138 zum Fahrzeug 112 zu übertragen. Der Ladeport 134 kann elektrisch mit einem Ladegerät oder einem fahrzeugeigenen Leistungswandlungsmodul 132 gekoppelt sein. Das Leistungswandlungsmodul 132 kann die aus der EVSE 138 zugeführte Leistung aufbereiten, um die richtigen Spannungs- und Strompegel an die Traktionsbatterie 124 zu liefern. Das Leistungswandlungsmodul 132 kann an die EVSE 138 angekoppelt sein, um die Zufuhr von Leistung zum Fahrzeug 112 zu koordinieren. Der EVSE-Verbinder 140 kann Stifte aufweisen, die mit entsprechenden Vertiefungen des Ladeports 134 ineinandergreifen. Alternativ können verschiedene Komponenten, die als elektrisch gekoppelt oder verbunden beschrieben werden, Leistung unter Verwendung einer drahtlosen induktiven Kopplung übertragen.
Eine oder mehrere Radbremsen 144 können zum Verlangsamen des Fahrzeugs 112 und zum Verhindern von Bewegung des Fahrzeugs 112 bereitgestellt sein. Die Radbremsen 144 können hydraulisch, elektrisch oder mit einer Kombination daraus betätigt werden. Die Radbremsen 144 können ein Teil eines Bremssystems 150 sein. Das Bremssystem 150 kann andere Komponenten enthalten, um die Radbremsen 144 zu betreiben. Der Einfachheit halber zeigt die Figur eine einzige Verbindung zwischen dem Bremssystem 150 und einer der Radbremsen 144. Eine Verbindung zwischen dem Bremssystem 150 und den anderen Radbremsen 144 wird vorausgesetzt. Das Bremssystem 150 kann eine Steuerung enthalten, um das Bremssystem 150 zu überwachen und zu koordinieren. Das Bremssystem 150 kann die Bremsenkomponenten überwachen und die Radbremsen 144 zur Fahrzeugverlangsamung steuern. Das Bremssystem 150 kann auf Fahrerbefehle reagieren und kann zum Implementieren von Merkmalen, wie zum Beispiel einer Stabilitätskontrolle, auch autonom arbeiten. Die Steuerung des Bremssystems 150 kann ein Verfahren zum Anwenden einer angeforderten Bremskraft implementieren, wenn dies von einer anderen Steuerung oder Unterfunktion angefordert wird.
Elektronikmodule im Fahrzeug 112 können über ein oder mehrere Fahrzeugnetzwerke kommunizieren. Das Fahrzeugnetzwerk kann mehrere Kanäle zur Kommunikation enthalten. Ein Kanal des Fahrzeugnetzwerks kann ein serieller Bus sein, wie zum Beispiel ein Controller Area Network (CAN). Einer der Kanäle des Fahrzeugnetzwerks kann ein Ethernet-Netzwerk enthalten, das durch die Familie der IEEE-802-Standards (IEEE: Institute of Electrical and Electronics Engineers) definiert ist. Zu zusätzlichen Kanälen des Fahrzeugnetzwerks können diskrete Verbindungen zwischen Modulen zählen, und sie können Leistungssignale von der Hilfsbatterie 130 enthalten. Unterschiedliche Signale können über unterschiedliche Kanäle des Fahrzeugnetzwerks übertragen werden. Zum Beispiel können Videosignale über einen Hochgeschwindigkeitskanal (z. B. Ethernet) übertragen werden, während Steuersignale über CAN- oder diskrete Signale übertragen werden können. Das Fahrzeugnetzwerk kann beliebige Hardware- und Software-Komponenten enthalten, die beim Übertragen von Signalen und Daten zwischen Modulen helfen. Das Fahrzeugnetzwerk ist in 1 nicht gezeigt, aber es kann impliziert werden, dass das Fahrzeugnetzwerk mit einem beliebigen elektronischen Modul, das im Fahrzeug 112 vorhanden ist, verbunden werden kann. Eine Fahrzeugsystemsteuerung (VSC: Vehicle System Controller) 148 kann vorhanden sein, um den Betrieb der verschiedenen Komponenten zu koordinieren.
2 stellt ein Diagramm eines VVC 152 dar, der als ein Aufwärtswandler konfiguriert ist. Der VVC 152 kann Eingangsanschlüsse aufweisen, die durch die Schütze 142 mit Anschlüssen der Traktionsbatterie 124 gekoppelt sein können. Der VVC 152 kann Ausgangsanschlüsse enthalten, die mit Anschlüssen des Leistungselektronikmoduls 126 gekoppelt sind. Der VVC 152 kann in einem Aufwärtswandlungsmodus betrieben werden, um zu veranlassen, dass eine Spannung an den Ausgangsanschlüssen höher als eine Spannung an den Eingangsanschlüssen ist. Der VVC 152 kann in einem Abwärtswandlungsmodus betrieben werden, um zu veranlassen, dass eine Spannung an den Ausgangsanschlüssen niedriger als eine Spannung an den Eingangsanschlüssen ist. Der VVC 152 kann in einem Bypassmodus betrieben werden, um zu veranlassen, dass eine Spannung an den Ausgangsanschlüssen näherungsweise gleich einer Spannung an den Eingangsanschlüssen ist. Das Fahrzeug 112 kann eine VVC-Steuerung 200 enthalten, die elektrische Parameter (zum Beispiel Spannung und Strom) an verschiedenen Stellen innerhalb des VVC 152 überwacht und steuert. Bei manchen Konfigurationen kann die VVC-Steuerung 200 als Teil des VVC 152 enthalten sein. Die VVC-Steuerung 200 kann eine Ausgangsspannungsreferenz V * / dc bestimmen. Die VVC-Steuerung 200 kann basierend auf den elektrischen Parametern und der Spannungsreferenz V * / dc ein Steuersignal bestimmen, das ausreicht, zu bewirken, dass der VVC 152 die gewünschte Ausgangsspannung erreicht. Bei einigen Konfigurationen kann das Steuersignal als ein Pulsweitenmodulations(PWM)-Signal implementiert werden, bei dem ein Tastgrad des PWM-Signals variiert wird. Das Steuersignal kann mit einer vorbestimmten Schaltfrequenz betrieben werden. Die VVC-Steuerung 200 kann den VVC 152 anweisen, die gewünschte Ausgangsspannung unter Verwendung des Steuersignals bereitzustellen. Das bestimmte Steuersignal, bei dem der VVC 152 betrieben wird, kann direkt mit dem Betrag der Spannungsanhebung in Zusammenhang stehen, die von dem VVC 152 bereitzustellen ist.
Die Ausgangsspannung des VVC 152 kann so gesteuert werden, dass eine gewünschte Referenzspannung erreicht wird. In manchen Konfigurationen kann der VVC 152 ein Aufwärtswandler sein. Bei einer Aufwärtswandlerkonfiguration, in der die VVC-Steuerung 200 den Tastgrad steuert, kann das ideale Verhältnis zwischen der Eingangsspannung V_in und der Ausgangsspannung V_out und dem Tastgrad D unter Verwendung der folgenden Gleichung veranschaulicht werden:
Der gewünschte Tastgrad, D, kann durch Messen der Eingangsspannung (z. B. Traktionsbatteriespannung) und Einstellen der Ausgangsspannung auf die Referenzspannung bestimmt werden. Der VVC 152 kann ein Abwärtswandler sein, der die Spannung von Eingang zu Ausgang reduziert. Bei einer Abwärtskonfiguration kann ein unterschiedlicher Ausdruck, der die Eingangs- und Ausgangsspannung mit dem Tastgrad verbindet, abgeleitet werden. Bei manchen Konfigurationen kann der VVC 152 ein Abwärts-Aufwärts-Wandler sein, der die Eingangsspannung erhöhen oder verringern kann. Die hier beschriebene Steuerungsstrategie ist nicht auf eine bestimmte Topologie des variablen Spannungswandlers beschränkt.
Bezüglich 2 kann der VVC 152 das Spannungspotential der elektrischen Energie, die von der Traktionsbatterie 124 bereitgestellt wird, anheben oder „hochsetzen”. Die Traktionsbatterie 124 kann eine Hochspannungs(HV)-DC-Leistung bereitstellen. Hochspannung ist jegliche Spannung höher als 100 Volt DC oder 100 Volt AC. Bei manchen Konfigurationen kann die Traktionsbatterie 124 eine Spannung zwischen 150 und 400 Volt liefern. Das Schütz 142 kann zwischen der Traktionsbatterie 124 und dem VVC 152 elektrisch in Reihe geschaltet sein. Wenn das Schütz 142 geschlossen ist, kann die HV-DC-Leistung von der Traktionsbatterie 124 zu dem VVC 152 übertragen werden. Ein Eingangskondensator 202 kann parallel mit der Traktionsbatterie 124 elektrisch gekoppelt sein. Der Eingangskondensator 202 kann die Busspannung stabilisieren und beliebige Spannungs- und Stromwelligkeiten reduzieren. Der VVC 152 kann die HV-DC-Leistung empfangen und das Spannungspotential der Eingangsspannung gemäß dem Tastgrad anheben oder „hochsetzen”.
Ein Ausgangskondensator 204 kann elektrisch zwischen die Ausgangsanschlüsse des VVC 152 gekoppelt sein. Der Ausgangskondensator 204 kann die Busspannung stabilisieren und Spannungs- und Stromwelligkeit am Ausgang des VVC 152 reduzieren.
Ferner kann, unter Bezugnahme auf 2, der VVC 152 eine erste Schaltvorrichtung 206 und eine zweite Schaltvorrichtung 208 zum Anheben einer Eingangsspannung zur Bereitstellung der angehobenen Ausgangsspannung enthalten. Die Schaltvorrichtungen 206, 208 können dazu konfiguriert sein, einen Strom selektiv einer elektrischen Last (z. B. Leistungselektronikmodul 126 und Elektromaschinen 114) zuzuführen. Jede Schaltvorrichtung 206, 208 kann individuell durch eine Gate-Treiberschaltung (nicht gezeigt) der VVC-Steuerung 200 gesteuert werden und kann irgendeine Art von steuerbarem Schalter sein (zum Beispiel ein Bipolartransistor mit isoliertem Gate (IGBT – Insulated Gate Bipolar Transistor) oder ein Feldeffekttransistor (FET)). Die Gate-Treiberschaltung kann jeder der Schaltvorrichtungen 206, 208 elektrische Signale liefern, die auf dem Steuersignal (zum Beispiel dem Tastgrad eines PWM-Steuersignals) basieren.
Eine Diode kann über jede der Schaltvorrichtungen 206, 208 gekoppelt sein. Die Schaltvorrichtungen 206, 208 können jeweils einen zugeordneten Schaltverlust aufweisen. Die Schaltverluste sind die Leistungsverluste, die während Zustandsänderungen der Schaltvorrichtung (z. B. Einschalt-/Ausschalt- und Ausschalt-/Einschalt-Übergängen) auftreten. Die Schaltverluste können durch den Strom, der hindurch fließt, und die Spannung über die Schaltvorrichtung 206, 208 während des Übergangs quantifiziert werden. Die Schaltvorrichtungen können auch zugeordnete Leitungsverluste aufweisen, die auftreten, wenn die Vorrichtung eingeschaltet ist.
Das Fahrzeugsystem kann Sensoren zum Messen der elektrischen Parameter des VVC 152 aufweisen. Ein erster Spannungssensor 210 kann dazu konfiguriert sein, die Eingangsspannung (zum Beispiel die Spannung der Batterie 124) zu messen und ein entsprechendes Eingangssignal (V_bat) an die VVC-Steuerung 200 zu liefern. Bei einer oder mehreren Ausführungsformen kann der erste Spannungssensor 210 die Spannung über den Eingangskondensator 202, die der Batteriespannung entspricht, messen. Ein zweiter Spannungssensor 212 kann die Ausgangsspannung des VVC 152 messen und ein entsprechendes Eingangssignal (V_dc) an die VVC-Steuerung 200 liefern. Bei einer oder mehreren Ausführungsformen kann der zweite Spannungssensor 212 die Spannung über den Ausgangskondensator 204 messen, die der DC-Busspannung entspricht. Der erste Spannungssensor 210 und der zweite Spannungssensor 212 können eine Schaltungsanordnung aufweisen, um die Spannungen auf einen Pegel zu skalieren, der für die VVC-Steuerung 200 geeignet ist. Die VVC-Steuerung 200 kann eine Schaltungsanordnung enthalten, um die Signale von dem ersten Spannungssensor 210 und dem zweiten Spannungssensor 212 zu filtern und zu digitalisieren.
Eine Eingangsdrosselspule 214 kann zwischen der Traktionsbatterie 124 und den Schaltvorrichtungen 206, 208 elektrisch in Reihe gekoppelt sein. Die Eingangsdrosselspule 214 kann zwischen Speichern und Freisetzen von Energie in den VVC 152 abwechseln, um das Bereitstellen der variablen Spannungen und Ströme als Ausgang des VVC 152 und das Erzielen der gewünschten Spannungsanhebung zu ermöglichen. Ein Stromsensor 216 kann den Eingangsstrom durch die Eingangsdrosselspule 214 messen und ein entsprechendes Stromsignal (I_L) an die VVC-Steuerung 200 liefern. Der Eingangsstrom durch die Eingangsdrosselspule 214 kann ein Ergebnis der Spannungsdifferenz zwischen der Eingangs- und der Ausgangsspannung des VVC 152, der Leitungszeit der Schaltvorrichtungen 206, 208 und der Induktivität L der Eingangsdrosselspule 214 sein.
Die VVC-Steuerung 200 kann eine Schaltungsanordnung enthalten, um das Signal von dem Stromsensor 216 zu skalieren, zu filtern und zu digitalisieren. Bei einer anderen Ausführungsform kann eine Bypassdiode 218 so zwischen den Eingang des VVC und den Ausgang des VVC gekoppelt sein, dass der Ausgang des VVC (z. B. Wechselrichtereingangsspannung) an die Eingangsspannung des VVC (z. B. die Traktionsbatteriespannung) geklemmt wird.
Die VVC-Steuerung 200 kann dazu programmiert werden, die Ausgangsspannung des VVC 152 zu steuern. Die VVC-Steuerung 200 kann eine Eingabe von dem VVC 152 und anderen Steuerungen über das Fahrzeugnetzwerk empfangen und die Steuersignale bestimmen. Die VVC-Steuerung 200 kann die Eingangssignale (V_bat, V_dc, I_L, V * / dc) überwachen, um die Steuersignale zu bestimmen. Beispielsweise kann die VVC-Steuerung 200 Steuersignale an die Gate-Treiberschaltung liefern, die einem Tastgradbefehl entsprechen. Die Gate-Treiberschaltung kann dann jede Schaltvorrichtung 206, 208 basierend auf dem Tastgradbefehl steuern.
Die Steuersignale zu dem VVC 152 können dazu konfiguriert werden, die Schaltvorrichtungen 206, 208 mit einer bestimmten Schaltfrequenz anzusteuern. Innerhalb jedes Zyklus der Schaltfrequenz können die Schaltvorrichtungen 206, 208 mit dem bestimmten Tastgrad betrieben werden. Der Tastgrad definiert den Zeitraum, während dem sich die Schaltvorrichtungen 206, 208 in einem eingeschalteten Zustand und in einem ausgeschalteten Zustand befinden. Zum Beispiel kann ein Tastgrad von 100% die Schaltvorrichtungen 206, 208 in einem durchgehend eingeschalteten Zustand ohne Ausschalten betreiben. Ein Tastgrad von 0% kann die Schaltvorrichtungen 206, 208 in einem durchgehend ausgeschalteten Zustand ohne Einschalten betreiben. Ein Tastgrad von 50% kann die Schaltvorrichtungen 206, 208 in einem eingeschalteten Zustand während der Hälfte des Zyklus und in einem ausgeschalteten Zustand während der Hälfte des Zyklus betreiben. Die Steuersignale für die zwei Schalter 206, 208 können komplementär sein. D. h., das Steuersignal, das an eine der Schaltvorrichtungen (z. B. 206) gesendet wird, kann eine invertierte Version des Steuersignals sein, das an die andere Schaltvorrichtung (z. B. 208) gesendet wird.
Der Strom, der durch die Schaltvorrichtungen 206, 208 gesteuert wird, kann eine Welligkeitskomponente beinhalten, die eine Stärke aufweist, die mit einer Stärke des Stroms und dem Tastgrad und der Schaltfrequenz der Schaltvorrichtungen 206, 208 variiert. Relativ zu dem Eingangsstrom tritt die Welligkeitsstromstärke des schlimmsten Falls während relativ hoher Eingangsstrombedingungen auf. Wenn der Tastgrad fixiert ist, bewirkt eine Erhöhung des Drosselspulenstroms eine Erhöhung der Stärke des Welligkeitsstroms, wie in 4 dargestellt ist. Die Stärke des Welligkeitsstroms steht auch mit dem Tastgrad in Zusammenhang. Der Welligkeitsstrom mit der höchsten Stärke tritt auf, wenn der Tastgrad 50% beträgt. Das allgemeine Verhältnis zwischen der Drosselspulenwelligkeitsstromstärke und dem Tastgrad kann wie in 5 gezeigt sein. Basierend auf diesen Tatsachen kann es vorteilhaft sein, Maßnahmen zu implementieren, um die Welligkeitsstromstärke unter Starkstrom- und Tastgradbedingungen im mittleren Bereich zu reduzieren.
Wenn der VVC 152 gestaltet wird, können die Schaltfrequenz und der Induktivitätswert der Drosselspule 214 so gewählt werden, dass eine maximal erlaubte Welligkeitsstromstärke eingehalten wird. Die Welligkeitskomponente kann eine periodische Variation sein, die an einem DC-Signal auftritt. Die Welligkeitskomponente kann durch eine Welligkeitskomponentenstärke und eine Welligkeitskomponentenfrequenz definiert sein. Die Welligkeitskomponente kann Oberschwingungen aufweisen, die in einem hörbaren Frequenzbereich liegen, die zu der Rauschsignatur des Fahrzeugs hinzugefügt werden können. Ferner kann die Welligkeitskomponente Schwierigkeiten bei der genauen Steuerung von Vorrichtungen, die von der Quelle gespeist werden, hervorrufen. Während Schaltübergängen können sich die Schaltvorrichtungen 206, 208 bei dem maximalen Drosselspulenstrom (Gleichstrom plus Welligkeitsstrom), der eine hohe Spannungsspitze über die Schaltvorrichtungen 206, 208 bewirken kann, ausschalten. Aufgrund von Größen- und Kostenbeschränkungen kann der Induktivitätswert basierend auf dem geleiteten Strom gewählt werden. Allgemein kann mit zunehmendem Strom die Induktivität aufgrund der Sättigung abnehmen.
Die Schaltfrequenz kann so gewählt werden, dass eine Stärke der Welligkeitsstromkomponente in Szenarien des schlimmsten Falls (z. B. Bedingungen mit stärkstem Eingangsstrom und/oder einem Tastgrad von beinahe 50%) beschränkt wird. Die Schaltfrequenz der Schaltvorrichtungen 206, 208 kann derart gewählt werden, dass sie eine Frequenz (z. B. 10 kHz) ist, die höher als eine Schaltfrequenz des Motor-/Generator-Wechselrichters (z. B. 5 kHz) ist, der mit einem Ausgang des VVC 152 gekoppelt ist. Bei manchen Anwendungen kann die Schaltfrequenz des VVC 152 derart gewählt werden, dass sie eine vorbestimmte fixierte Frequenz ist. Die vorbestimmte fixierte Frequenz wird allgemein gewählt, um Geräusch- und Welligkeitsstromspezifikationen einzuhalten. Jedoch ist es möglich, dass die Wahl der vorbestimmten fixierten Frequenz nicht die beste Leistungsfähigkeit über alle Betriebsbereiche des VVC 152 liefert. Die vorbestimmte fixierte Frequenz kann beste Ergebnisse mit einer bestimmten Gruppe von Betriebsbedingungen liefern, aber kann ein Kompromiss bei anderen Betriebsbedingungen sein.
Erhöhen der Schaltfrequenz kann die Welligkeitsstromstärke senken und die Spannungsbelastung über die Schaltvorrichtungen 206, 208 verringern, aber kann zu höheren Schaltverlusten führen. Während die Schaltfrequenz für Welligkeitsbedingungen des schlimmsten Falles gewählt werden kann, kann der VVC 152 nur während eines kleinen Prozentsatzes der Gesamtbetriebszeit unter Welligkeitsbedingungen des schlimmsten Falles arbeiten. Dies kann zu unnötig hohen Schaltverlusten führen, die die Kraftstoffwirtschaftlichkeit verringern können. Zusätzlich kann die fixierte Schaltfrequenz das Rauschspektrum in einem sehr engen Bereich konzentrieren. Die erhöhte Rauschdichte in diesem engen Bereich kann zu merklichen Rausch-, Vibrations- und Rauheits-Problemen (NVH-Problemen) führen.
Die VVC-Steuerung 200 kann dazu programmiert sein, die Schaltfrequenz der Schaltvorrichtungen 206, 208 basierend auf dem Tastgrad und dem Eingangsstrom zu variieren. Die Variation der Schaltfrequenz kann die Kraftstoffwirtschaftlichkeit durch Reduzieren von Schaltverlusten verbessern und NVH-Probleme verringern, während Welligkeitsstromziele unter Betriebsbedingungen des schlimmsten Falles aufrechterhalten werden.
Während Bedingungen mit relativ starkem Strom können die Schaltvorrichtungen 206, 208 eine erhöhte Spannungsbelastung erfahren. Bei einem maximalen Betriebsstrom des VVC 152 kann es erwünscht sein, eine relativ hohe Schaltfrequenz zu wählen, die die Welligkeitskomponentenstärke mit einem angemessenen Niveau an Schaltverlusten reduziert. Die Schaltfrequenz kann basierend auf der Eingangsstromstärke derart gewählt werden, dass die Schaltfrequenz mit zunehmender Eingangsstromstärke zunimmt. Die Schaltfrequenz kann bis zu einer vorbestimmten maximalen Schaltfrequenz erhöht werden. Die vorbestimmte maximale Schaltfrequenz kann ein Niveau sein, das einen Kompromiss zwischen niedrigeren Welligkeitskomponentenstärken und höheren Schaltverlusten bereitstellt. Die Schaltfrequenz kann in diskreten Schritten oder kontinuierlich über den Betriebsstrombereich geändert werden.
Die VVC-Steuerung 200 kann dazu programmiert sein, die Schaltfrequenz als Reaktion darauf, dass die Stromeingabe geringer als ein vorbestimmter maximaler Strom ist, zu reduzieren. Der vorbestimmte maximale Strom kann ein maximaler Betriebsstrom des VVC 152 sein. Die Änderung der Schaltfrequenz kann auf der Stärke des Stroms, der in die Schaltvorrichtungen 206, 208 eingegeben wird, basieren. Wenn der Strom größer als der vorbestimmte maximale Strom ist, kann die Schaltfrequenz auf eine vorbestimmte maximale Schaltfrequenz eingestellt werden. Mit abnehmendem Strom kann die Stärke der Welligkeitskomponente abnehmen. Durch ein Betreiben mit niedrigeren Schaltfrequenzen werden Schaltverluste mit abnehmendem Strom reduziert. Die Schaltfrequenz kann basierend auf der Leistung, die in die Schaltvorrichtungen eingegeben wird, geändert werden. Da die Eingangsleistung eine Funktion des Eingangsstroms und der Batteriespannung ist, können die Eingangsleistung und der Eingangsstrom auf ähnliche Art und Weise verwendet werden.
Da der Welligkeitsstrom auch von dem Tastgrad beeinflusst wird, kann die Schaltfrequenz basierend auf dem Tastgrad variiert werden. Der Tastgrad kann basierend auf einem Verhältnis der Eingangsspannung zu der Ausgangsspannung bestimmt werden. Von daher kann die Schaltfrequenz auch basierend auf dem Verhältnis zwischen der Eingangsspannung und der Ausgangsspannung variiert werden. Wenn der Tastgrad beinahe 50% beträgt, ist die vorhergesagte Welligkeitsstromstärke ein maximaler Wert und kann die Schaltfrequenz auf die vorbestimmte maximale Frequenz eingestellt werden. Die vorbestimmte maximale Frequenz kann ein maximaler Schaltfrequenzwert sein, der gewählt wird, um die Welligkeitsstromstärke zu minimieren. Die Schaltfrequenz kann in diskreten Schritten oder kontinuierlich über den Tastgradbereich geändert werden.
Die VVC-Steuerung 200 kann dazu programmiert sein, die Schaltfrequenz von der vorbestimmten maximalen Frequenz als Reaktion auf eine Größe einer Differenz zwischen dem Tastgrad und dem Tastgradwert (z. B. 50%), bei dem die vorhergesagte Welligkeitskomponentenstärke ein Maximum ist, zu reduzieren. Wenn die Größe der Differenz kleiner als eine Schwelle ist, kann die Schaltfrequenz auf die vorbestimmte Frequenz eingestellt werden. Wenn die Größe der Differenz abnimmt, kann die Schaltfrequenz zu der vorbestimmten maximalen Frequenz hin erhöht werden, um die Welligkeitskomponentenstärke zu reduzieren. Wenn die Größe der Differenz kleiner als eine Schwelle ist, kann die Schaltfrequenz auf die vorbestimmte maximale Frequenz eingestellt werden.
Die Schaltfrequenz kann derart beschränkt werden, dass sie zwischen der vorbestimmten maximalen Frequenz und einer vorbestimmten minimalen Frequenz liegt. Die vorbestimmte minimale Frequenz kann ein Frequenzniveau sein, das höher als eine vorbestimmte Schaltfrequenz des Leistungselektronikmoduls 126 ist, das mit einem Ausgang des Spannungswandlers 152 gekoppelt ist.
Wenn der VVC in einem Regenerationsbypassmodus betrieben wird, um einen Strom von dem PEM 126 zu der Traktionsbatterie 124 zuzuführen, ist üblicherweise der obere IGBT 206 eingeschaltet, wodurch ein Leitungspfad von dem PEM 126 zu der Drosselspule 214 ermöglicht wird, während der untere IGBT 208 ausgeschaltet ist, wodurch der obere IGBT 206 von der Systemmasse getrennt wird. Die IGBTs (206, 208) werden während des Regenerationsbypassmodus in ihrem jeweiligen Zustand gehalten (z. B., wenn der obere IGBT 206 eingeschaltet ist und der untere IGBT 208 ausgeschaltet ist). Während des Regenerationsmodus fließt Strom von dem PEM 126 zu der Batterie 124, wenn die Spannung über das PEM 126 etwas höher oder etwa gleich der Spannung der Batterie 124 ist.
Während des Regenerationsbypassmodus können Fluktuationen der DC-Zwischenkreisspannung dazu führen, dass die Spannung an dem PEM 126 auf unterhalb der Spannung der Batterie 124 abfällt. Diese Fluktuation kann verursachen, dass die Bypassdiode 218 leitet und Strom fließt. Wenn der VVC in dieser Bedingung arbeitet, wird ein Stromkreis gebildet, in dem ein Strom von dem positiven Anschluss der Batterie 124 durch die Bypassdiode 218 zu dem Anschluss des Kollektors des oberen IGBT 206, durch den oberen IGBT 206, durch die Drosselspule 214 zu dem positiven Anschluss der Batterie 124 fließt. Dieser Stromkreis wird auch als ein Welligkeitsstrom durch die Bypassdiode bezeichnet.
Es können einige unerwünschte Verluste vorliegen, die die Bypassdiode aufgrund des Welligkeitsstroms, der durch die Bypassdiode fließt, erleidet, wenn sie eingeschaltet wird. Der Welligkeitsstrom durch die Bypassdiode wird durch den Eingangskondensator 202 und die Batterie 124 versorgt. Daher stammen zusätzliche Verluste von einem ESR des Eingangskondensators 202 und einem ESR der Batterie 124. Eine andere Quelle des Welligkeitsstroms durch die Bypassdiode ist die VVC-Drosselspule 214. Wenn die DC-Zwischenkreisspannung fluktuiert, kann die Drosselspule 214 Strom durch die Bypassdiode freilaufen lassen. Der durch die Drosselspule 214 freilaufende Strom führt zu einer unerwünschten Stromzirkulation durch die Bypassdiode 218 und führt zu zusätzlichen Verlusten in dem ESR der Drosselspule 214. Um den Welligkeitsstrom in der Bypassdiode 218 zu reduzieren und in manchen Fällen zu beseitigen, können der obere IGBT 206 und der untere IGBT 208 moduliert werden.
3 ist ein Flussdiagramm eines VVC-Steuersystems 300, das verwendet wird, um den oberen IGBT 206 und den unteren IGBT 208 zu modulieren. Bei Vorgang 302 überwacht eine Steuerung Fahrzeugbedingungen. Die Fahrzeugbedingungen beinhalten eine Drehzahl einer Elektromaschine, eine Fahrzeugleistungsanforderung, eine Geschwindigkeit des Fahrzeugs, eine Neigung des Fahrzeugs, eine Temperatur von VVC-Komponenten und ein historisches Fahrmuster des Fahrzeugs. Bei Vorgang 304 berechnet eine Steuerung eine DC-Zielzwischenkreisspannung basierend auf den Fahrzeugbedingungen. Wenn der Antriebsstrang in einem Regenerationsmodus arbeitet, ist die DC-Zielzwischenkreisspannung die Ausgabe des PEM 126 und die Eingabe an den VVC 152.
Bei Vorgang 306 vergleicht die Steuerung die DC-Zielzwischenkreisspannung mit der Batteriespannung. Falls die DC-Zielzwischenkreisspannung größer als die Batteriespannung ist, wird die Steuerung zu Vorgang 308 abzweigen. Falls die DC-Zielzwischenkreisspannung kleiner als oder gleich der Batteriespannung ist, wird die Steuerung zu Vorgang 310 abzweigen. Bei einer alternativen Ausführungsform kann die Steuerung bei Vorgang 306 zu Vorgang 308 abzweigen, falls die DC-Zielzwischenkreisspannung um einen vorbestimmten Betrag größer als die Batteriespannung ist, und zu Vorgang 310 abzweigen, falls die DC-Zielzwischenkreisspannung innerhalb des vorbestimmten Betrags oder innerhalb eines vorbestimmten Bereichs von der Batteriespannung, zum Beispiel innerhalb von 10 Volt oder 25 Volt, liegt.
In Abhängigkeit davon, ob der Antriebsstrang das Fahrzeug antreibt oder sich in einem Regenerationsmodus befindet, wird die Steuerung bei Vorgang 308 den VVC in einem Aufwärts- oder Abwärtswandlungsmodus betrieben. Falls der Antriebsstrang in einem Antriebsmodus arbeitet, dann betreibt die Steuerung den VVC in einem Aufwärtswandlungsmodus, um die Batteriespannung auf die höhere DC-Zwischenkreisspannung anzuheben. Falls der Antriebsstrang in einem Regenerationsmodus arbeitet, dann betreibt die Steuerung den VVC in einem Abwärtswandlungsmodus, um die DC-Zwischenkreisspannung auf die Batteriespannung abzusenken.
Bei Vorgang 310 zweigt die Steuerung zu Vorgang 312 ab, falls sich das Fahrzeug in einem Antriebsmodus befindet, und zweigt zu Vorgang 314 ab, falls sich das Fahrzeug in einem Regenerationsmodus befindet. Bei Vorgang 312 wird die Steuerung den oberen IGBT (z. B. IGBT 206) einschalten und den unteren IGBT (z. B. IGBT 208) ausschalten und die IGBTs (z. B. IGBTs 206 und 208) in diesem Zustand halten, um Leistung durch den VVC (z. B. VVC 152) durchzulassen. Während dieses Vorgangs werden die IGBTs statisch betrieben, um den Durchlasskanal bereitzustellen. Dies ermöglicht, dass die Elektromaschine (z. B. Elektromaschine 114) und der Wechselrichter auf der Batteriespannung arbeiten. Um einen Betrieb in diesem Modus weiter zu verbessern, wird eine Bypassdiode (z. B. Bypassdiode 218) verwendet, um einen Strompfad von der Traktionsbatterie zu dem Wechselrichter (z. B. PEM 126) bereitzustellen. Diese Bypassdiode ermöglicht, dass Leistung den VVC umgeht, wodurch ein Strompfad von der Traktionsbatterie zu dem Wechselrichter bereitgestellt wird. Die Bypassdiode weist geringere Verluste als die Verluste, die dem VVC zugeordnet werden, auf, wenn sie in dem Durchlassmodus betrieben wird, der auch als Bypassmodus bezeichnet wird. Wenn die DC-Zwischenkreisspannung und die Batteriespannung innerhalb eines vorbestimmten Bereichs (z. B. 5 Volt, 10 Volt oder 25 Volt) liegen, werden die IGBTs üblicherweise eingeschaltet und eingeschaltet gehalten, sowohl wenn der Antriebsstrang in einem Antriebsmodus als auch in einem Regenerationsmodus betrieben wird. Bei Vorgang 314 moduliert die Steuerung hier die IGBTs des VVC während des Regenerationsmodus. Durch Modulieren der IGBTs, während sich der Antriebsstrang in einem Regenerationsmodus befindet, wird die DC-Zwischenkreisspannung so erhöht, dass die Bypassdiode (z. B. Bypassdiode 218) in einem in Sperrrichtung vorgespannten Modus gehalten wird und ein Kanal durch die Bypassdiode ausgeschaltet ist. Dies reduziert die zugeordneten Verluste aufgrund von Rezirkulieren von Strömen durch die Bypassdiode und den VVC in dem Durchlassmodus. Die Vorteile sind in 4A–6B veranschaulicht, die die Spannungen und Ströme von zugeordneten Komponenten veranschaulichen, wenn der VVC statisch in einem Durchlassmodus und dynamisch, wenn der VVC durch Modulieren der IGBTs betrieben wird, betrieben wird. Der dynamische Betrieb kann bei einer niedrigeren Frequenz als die Betriebsfrequenz des VVC stattfinden, um Verluste zu minimieren. Bei manchen Ausführungsformen kann die Frequenz eine variable Frequenz sein. Zum Beispiel kann die Frequenz zwischen ½ der Betriebsfrequenz und ¼ der Betriebsfrequenz variiert werden.
4A ist eine graphische Repräsentation 400 eines Bypassdiodenstroms 404 und eines Batteriestroms 402 hinsichtlich einer Zeit 406, während der High-Side-IGBT des VVC eingeschaltet ist. Typischerweise wird der VVC so betrieben, dass das Bypassdiodenstromprofil 410 Stromspitzen über 40 Ampere aufweist, wenn der VVC in einem Regenerationsmodus betrieben wird, wobei der obere IGBT eingeschaltet gehalten wird. Indessen fluktuiert ein zugeordnetes Batteriestromprofil 408 von etwa –50 Ampere bis –73 Ampere, wenn der VVC in einem Regenerationsmodus betrieben wird, wobei der obere IGBT eingeschaltet gehalten wird. Die negative Zahl ist eine Andeutung, dass der Strom in die Batterie fließt.
4B ist eine graphische Repräsentation 450 eines Drosselspulenstroms 454 und eines Eingangskondensatorstroms 452 hinsichtlich einer Zeit 456, während der High-Side-IGBT des VVC eingeschaltet ist. Das typische Drosselspulenstromprofil 460 fluktuiert zwischen –65 Ampere bis –71 Ampere mit einem mittleren Strom von –68 Ampere, wenn der VVC in einem Regenerationsmodus betrieben wird, wobei der obere IGBT eingeschaltet gehalten wird. Indessen fluktuiert das Eingangskondensatorprofil 458 zwischen –20 Ampere und 42 Ampere, wenn der VVC in einem Regenerationsmodus betrieben wird, während der obere IGBT eingeschaltet gehalten wird.
5A ist eine graphische Repräsentation 500 einer Batteriespannung 504 und einer DC-Zwischenkreisspannung 502 hinsichtlich einer Zeit 506, während der High-Side-IGBT des VVC eingeschaltet ist. Wenn der VVC in einem Regenerationsmodus betrieben wird, wobei der obere IGBT eingeschaltet gehalten wird, fluktuiert das Batteriespannungsprofil 510 zwischen 288 Volt und 295 Volt, mit einem Mittel von etwa 293 Volt. Das DC-Zwischenkreisspannungsprofil 508 fluktuiert zwischen 286 Volt und 304 Volt, mit einem Mittel von 295 Volt, was sich grob von der Batteriespannung um die Sättigungsspannung des IGBT und den Spannungsabfall über die Drosselspule unterscheidet.
5B ist eine graphische Repräsentation 550 einer Batteriespannung 554 und einer DC-Zwischenkreisspannung 552 hinsichtlich einer Zeit 556, während die IGBTs des VVC moduliert werden. Wenn der VVC in einem Regenerationsmodus betrieben wird und die Steuerung die IGBTs des VVC moduliert, fluktuiert das Batteriespannungsprofil 560 zwischen 292 Volt und 298 Volt, mit einem Mittel von etwa 295 Volt. Indessen fluktuiert das DC-Zwischenkreisspannungsprofil 558 zwischen etwa 300 Volt und 320 Volt, mit einem Mittel von 309 Volt. Beim Vergleichen des Betriebs zwischen einem typischen Betrieb wie in 5A gezeigt und einem Betrieb, der die IGBTs moduliert, zeigt sich, dass die Fluktuationen der Batteriespannung reduziert sind, während es sich zeigt, dass die DC-Zwischenkreisspannung oberhalb der Batteriespannung gehalten wird, wodurch dementsprechend die Bypassdiode in einem in Sperrrichtung vorgespannten Zustand gehalten wird, so dass ein Stromfluss durch die Bypassdiode ausgeschaltet ist.
6A ist eine graphische Repräsentation 600 eines Bypassdiodenstroms 604 und eines Batteriestroms 602 hinsichtlich einer Zeit 606, während die IGBTs des VVC moduliert werden. Wenn der VVC in einem Regenerationsmodus betrieben wird und die Steuerung die IGBTs des VVC moduliert, zeigt sich, dass das Bypassdiodenstromprofil 610 keine Stromspitzen aufweist, da die Diode im Gegensatz zu 4A in Sperrrichtung vorgespannt ist. Indessen fluktuiert ein zugeordnetes Batteriestromprofil 608 zwischen etwa –50 und –77 Ampere. Beim Vergleichen des Betriebs zwischen einem typischen Betrieb wie in 4A gezeigt und einem Betrieb, der die IGBTs moduliert, zeigt sich, dass Aufrechterhalten der Sperrvorspannung der Bypassdiode die Fluktuationen des Bypassdiodenstroms beseitigt, während die Fluktuationen des Batteriestroms leicht erhöht werden.
6B ist eine graphische Repräsentation 650 eines Drosselspulenstroms 654 und eines Eingangskondensatorstroms 652 hinsichtlich einer Zeit 656, während die IGBTs des VVC moduliert werden. Wenn der VVC in einem Regenerationsmodus betrieben wird und die Steuerung die IGBTs des VVC moduliert, fluktuiert das Drosselspulenstromprofil 660 im Gegensatz zu 4B zwischen etwa –50 Ampere und –77 Ampere, mit einem mittleren Drosselspulenstrom von –65 Ampere. Durch Modulieren der IGBTs, während sich der VVC in einem Regenerationsmodus befindet, zeigt sich hier, dass die Fluktuationen zugenommen haben, während der mittlere Strom abgenommen hat. Wenn der VVC in einem Regenerationsmodus betrieben wird und die Steuerung die IGBTs des VVC moduliert, zeigt sich auch, dass der Eingangskondensator ein Stromprofil 652 aufweist, das zwischen etwa –5 Ampere und 23 Ampere fluktuiert. Hier sind die Stromfluktuationen des Eingangskondensators von einem Bereich von über 60 Ampere, wenn die IGBTs in einem Regenerationsmodus in einem statischen Zustand gehalten werden, auf weniger als 30 Ampere, wenn die Steuerung die IGBTs in dem Regenerationsmodus moduliert, verringert.
Die hier offenbarten Prozesse, Verfahren oder Algorithmen können an eine Verarbeitungsvorrichtung, eine Steuerung oder einen Computer, zu denen irgendeine bereits vorhandene programmierbare elektronische Steuereinheit oder eine dedizierte elektronische Steuereinheit zählen können, lieferbar sein oder durch sie implementiert werden. Ebenso können die Prozesse, Verfahren oder Algorithmen als Daten und Anweisungen, die von einer Steuerung oder einem Computer ausführbar sind, in vielen Formen gespeichert werden, darunter unter anderem Informationen, die auf nicht beschreibbaren Speichermedien, wie etwa Nurlesespeicher(ROM)-Vorrichtungen, permanent gespeichert sind, und Informationen, die auf beschreibbaren Speichermedien, wie etwa Disketten, Magnetbändern, Compact Discs (CDs), Direktzugriffsspeicher(RAM)-Vorrichtungen und anderen magnetischen und optischen Medien, veränderbar gespeichert sind. Die Prozesse, Verfahren oder Algorithmen können auch in einem als Software ausführbaren Objekt implementiert werden. Alternativ können die Prozesse, Verfahren oder Algorithmen im Ganzen oder zum Teil unter Verwendung von geeigneten Hardware-Komponenten implementiert werden, wie zum Beispiel von anwendungsspezifischen integrierten Schaltungen (Application Specific Integrated Circuits – ASICs), Field-Programmable Gate Arrays (FPGAs), Zustandsmaschinen, Steuerungen oder anderen Hardware-Komponenten oder -Vorrichtungen oder einer Kombination aus Hardware-, Software- und Firmware-Komponenten.
Wenngleich oben beispielhafte Ausführungsformen beschrieben sind, ist nicht beabsichtigt, dass diese Ausführungsformen alle möglichen Formen beschreiben, die von den Ansprüchen umschlossen werden. Die in der Beschreibung verwendeten Ausdrücke dienen eher der Beschreibung als der Beschränkung, und es versteht sich, dass verschiedene Änderungen vorgenommen werden können, ohne vom Gedanken und Schutzumfang der Offenbarung abzuweichen. Wie zuvor beschrieben, können die Merkmale der verschiedenen Ausführungsformen kombiniert werden, um weitere Ausführungsformen der Erfindung zu bilden, die möglicherweise nicht explizit beschrieben oder veranschaulicht sind. Obwohl verschiedene Ausführungsformen so beschrieben worden sein können, dass sie Vorteile gegenüber anderen Ausführungsformen oder Implementierungen nach dem Stand der Technik hinsichtlich einer oder mehrerer erwünschter Eigenschaften bereitstellen bzw. diesen vorzuziehen sind, erkennt ein Durchschnittsfachmann, dass Kompromisse hinsichtlich eines oder mehrerer Merkmale oder Eigenschaften eingegangen werden können, um gewünschte Gesamteigenschaften des Systems zu erreichen, die von der spezifischen Anwendung und Implementierung abhängen. Diese Merkmale können Kosten, Festigkeit, Langlebigkeit, Lebenszykluskosten, Marktfähigkeit, Erscheinungsbild, Packaging, Größe, Wartungsfreundlichkeit, Gewicht, Herstellbarkeit, Leichtigkeit der Montage usw. umfassen, sind aber nicht darauf beschränkt. Ausführungsformen, die bezüglich einer oder mehrerer Eigenschaften als weniger wünschenswert als andere Ausführungsformen oder Implementierungen des Stands der Technik beschrieben werden, liegen somit nicht außerhalb des Schutzumfangs der Offenbarung und können für bestimmte Anwendungen wünschenswert sein.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur

IEEE-802-Standards [0024]

Claims

Fahrzeugantriebsstrang, der Folgendes umfasst: eine Bypassdiode, die dazu konfiguriert ist, eine DC-Wechselrichteranschlussspannung an eine Batteriespannung zu klemmen; und eine Steuerung, die dazu konfiguriert ist, während die Anschlussspannung innerhalb eines vorbestimmten Bereichs von der Batteriespannung liegt, einen unteren IGBT eines DC-DC-Wandlers während eines Antriebsmodus ausgeschaltet zu halten und den unteren IGBT zum Erhöhen der Anschlussspannung während eines Regenerationsmodus zu modulieren, um die Bypassdiode in Sperrrichtung vorgespannt zu halten.
Fahrzeugantriebsstrang nach Anspruch 1, wobei die Steuerung ferner dazu konfiguriert ist, den unteren IGBT und einen oberen IGBT des DC-DC-Wandlers mit einer Regenerationsfrequenz, die niedriger als eine Betriebsfrequenz ist, zu modulieren.
Fahrzeugantriebsstrang nach Anspruch 2, wobei die Betriebsfrequenz des Wandlers wenigstens 5 kHz beträgt und die Regenerationsfrequenz höchstens 2,5 kHz beträgt.
Fahrzeugantriebsstrang nach Anspruch 3, wobei die IGBTs so moduliert werden, dass ein Prozentsatz der Ein-Zeit des unteren IGBT größer als ein 2%-PWM-Tastgrad ist.
Fahrzeugantriebsstrang nach Anspruch 3, wobei die IGBTs mit einem PWM-Tastgrad moduliert werden, in dem der Prozentsatz der Ein-Zeit des unteren IGBT mit abnehmender Regenerationsfrequenz zunimmt.
Fahrzeugantriebsstrang nach Anspruch 1, der ferner eine Elektromaschine umfasst, und wobei die Steuerung ferner dazu konfiguriert ist, als Reaktion darauf, dass eine Drehzahl der Elektromaschine während des Betriebs in dem Regenerationsmodus unter eine minimale Drehzahlgrenze abnimmt, den unteren IGBT und einen oberen IGBT des DC-DC-Wandlers zu modulieren, um die Anschlussspannung auf wenigstens die Batteriespannung anzuheben.
Fahrzeugantriebsstrang nach Anspruch 1, wobei die Modulation des unteren IGBT eine Stromfluktuationsgröße durch eine Drosselspule des Wandlers erhöht, um die DC-Wandleranschlussspannung zu erhöhen, um die Bypassdiode in Sperrrichtung vorzuspannen.
Verfahren zum Betreiben eines DC-DC-Wandlers eines Fahrzeugantriebsstrangs, das Folgendes umfasst: während eine Busspannung innerhalb eines vorbestimmten Bereichs von einer Batteriespannung liegt, Halten eines oberen IGBT durch eine Steuerung in einem Ein-Zustand, um einen Kanal von einer Batterie zu einer Last während eines Antriebsmodus zu verbessern, Modulieren des oberen IGBT durch eine Steuerung, um eine Stromfluktuationsgröße durch eine Drosselspule des Wandlers zu erhöhen, um eine Wandlerbypassdiode in Sperrrichtung vorzuspannen.
Verfahren nach Anspruch 8, das ferner Modulieren eines unteren IGBT invers zu dem oberen IGBT umfasst, so dass der Prozentsatz der Ein-Zeit des unteren IGBT größer als 2% ist.
Verfahren nach Anspruch 8, wobei der obere IGBT so moduliert wird, dass der Prozentsatz der Aus-Zeit des oberen IGBT größer als 2% ist.
Verfahren nach Anspruch 8, wobei der vorbestimmte Bereich innerhalb von 25 Volt ist.
Verfahren nach Anspruch 8, wobei die Modulation mit einer Regenerationsfrequenz stattfindet, die niedriger als eine Betriebsfrequenz ist.
Verfahren nach Anspruch 12, wobei die Regenerationsfrequenz kleiner als die halbe Betriebsfrequenz ist.
Fahrzeugantriebsstrang, der Folgendes umfasst: einen Aufwärtswandler, der eine Batterie mit einem Wechselrichter koppelt; eine Bypassdiode, die dazu konfiguriert ist, eine DC-Wechselrichteranschlussspannung an eine Batteriespannung zu klemmen; und eine Steuerung, die dazu konfiguriert ist, während der Antriebsstrang in einem Regenerationsmodus betrieben wird, IGBTs des Aufwärtswandlers zum Erhöhen einer Stromfluktuationsgröße durch eine Drosselspule des Aufwärtswandlers zu modulieren, um die Bypassdiode durch Erhöhen eines Mittels der DC-Wechselrichteranschlussspannung auszuschalten.
Fahrzeugantriebsstrang nach Anspruch 14, wobei die Steuerung ferner dazu konfiguriert ist, die IGBTs des Aufwärtswandlers zu modulieren, um eine Spannungsfluktuation über einen Eingangskondensator des Aufwärtswandlers zu verringern, um die Bypassdiode durch Erhöhen eines Mittels der DC-Wechselrichteranschlussspannung auszuschalten.
Fahrzeugantriebsstrang nach Anspruch 14, wobei die Steuerung dazu konfiguriert ist, wenn die DC-Anschlussspannung innerhalb eines vorbestimmten Bereichs von der Batteriespannung liegt, einen oberen IGBT einzuschalten und einen unteren IGBT auszuschalten, wenn der Antriebsstrang sich in einem Antriebsmodus befindet, und den oberen IGBT und den unteren IGBT zu modulieren, wenn der Antriebsstrang sich in einem Regenerationsmodus befindet.
Fahrzeugantriebsstrang nach Anspruch 16, wobei der vorbestimmte Bereich innerhalb von 25 Volt ist.
Fahrzeugantriebsstrang nach Anspruch 14, wobei die Steuerung ferner dazu konfiguriert ist, den unteren IGBT und einen oberen IGBT des Aufwärtswandlers mit einer Regenerationsfrequenz, die niedriger als eine Betriebsfrequenz ist, zu modulieren.
Fahrzeugantriebsstrang nach Anspruch 18, wobei die Betriebsfrequenz des Aufwärtswandlers wenigstens 5 kHz beträgt und die Regenerationsfrequenz höchstens 2,5 kHz beträgt.
Fahrzeugantriebsstrang nach Anspruch 19, wobei die IGBTs so moduliert werden, dass ein Prozentsatz der Ein-Zeit des unteren IGBT größer als ein 2%-PWM-Tastgrad ist.