DE102018100271A1

DE102018100271A1 - Integriertes drahtloses energieübertragungssystem

Info

Publication number: DE102018100271A1
Application number: DE102018100271.8A
Authority: DE
Inventors: Mohamed ELSHAER; Chingchi Chen; Mark J. Ferrel; John Paul Gibeau
Original assignee: Ford Global Technologies LLC
Current assignee: Ford Global Technologies LLC
Priority date: 2017-01-12
Filing date: 2018-01-08
Publication date: 2018-07-12
Also published as: CN108297719B; US20180194236A1; CN108297719A; US10919401B2

Abstract

Ein Ladesystem beinhaltet einen Wechselrichter, der dazu konfiguriert ist, gleichgerichtete/n Netzleitungsspannung und -strom aufzunehmen, um eine Primärspule mit Energie zu versorgen, um Ladestrom in eine Sekundärspule eines Fahrzeugs zu induzieren. Das Ladesystem beinhaltet außerdem eine Steuerung, die dazu konfiguriert ist, eine Schaltfrequenz des Wechselrichters auf Grundlage von Ladespannungsdaten vom Fahrzeug zu ändern, um zu veranlassen, dass der Wechselrichter arbeitet, um eine Spannung eines Energiespeicherkondensators einer Batterieladevorrichtung des Fahrzeugs zu einem konstanten Wert zu treiben.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Offenbarung betrifft Systeme und Verfahren zum Durchführen einer drahtlosen Energieübertragung.
STAND DER TECHNIK
Der Begriff „Elektrofahrzeug“ kann verwendet werden, um Fahrzeuge mit mindestens einem Elektromotor zum Fahrzeugantrieb, wie Batterieelektrofahrzeuge (BEV) und Hybridelektrofahrzeug (HEV), zu beschreiben. Ein BEV beinhaltet mindestens einen Elektromotor, wobei die Energiequelle für den Elektromotor eine Batterie ist, die von einem externen Stromnetz wiederaufladbar ist. Ein HEV beinhaltet einen Verbrennungsmotor und einen oder mehrere Elektromotoren, wobei die Energiequelle für den Verbrennungsmotor Kraftstoff ist und die Energiequelle für die Elektromotoren eine Batterie ist. Die HEV-Batterie kann eine Batterie mit größerer Kapazität sein, die von dem externen Stromnetz wiederaufladbar ist, und kann als die Hauptenergiequelle für den Fahrzeugantrieb dienen, bis die Batterie sich auf ein geringes Energieniveau entleert, zu welchem Zeitpunkt sich das HEV mindestens teilweise zum Fahrzeugantrieb auf den Verbrennungsmotor stützen kann.
KURZDARSTELLUNG
Ein Ladesystem beinhaltet einen Wechselrichter, der dazu konfiguriert ist, Hauptleitungsspannung und -strom aufzunehmen, um eine Primärspule mit Energie zu versorgen, um Ladestrom in eine Sekundärspule eines Fahrzeugs zu induzieren, und eine Steuerung, die dazu konfiguriert ist, eine Schaltfrequenz des Wechselrichters auf Grundlage von Ladespannungsdaten vom Fahrzeug zu ändern, um zu veranlassen, dass der Wechselrichter arbeitet, um eine Spannung eines Energiespeicherkondensators einer Batterieladevorrichtung des Fahrzeugs zu einem konstanten Wert zu treiben.
Ein Verfahren für ein Fahrzeug beinhaltet Ändern einer Schaltfrequenz eines Wechselrichters durch eine Steuerung auf Grundlage von Ladespannungsdaten vom Fahrzeug, um zu veranlassen, dass der Wechselrichter arbeitet, um eine Spannung eines Energiespeicherkondensators einer Batterieladevorrichtung des Fahrzeugs zu einem konstanten Wert zu treiben, wobei der Wechselrichter dazu konfiguriert ist, gleichgerichtete/n Netzleitungsspannung und -strom aufzunehmen, um eine Primärspule mit Energie zu versorgen, um Ladestrom in eine Sekundärspule des Fahrzeugs zu induzieren.
Ein System für ein Fahrzeug beinhaltet eine Antriebsbatterie und einen Energiespeicherkondensator, dazu konfiguriert ist, Ladestrom für die Batterie zu übertragen, wobei der Kondensator zwischen der Batterie und sowohl einem Plugin-Ladeanschluss, der dazu konfiguriert ist, den leitend gelieferten Ladestrom aufzunehmen, als auch einer Fahrzeugspule, die dazu konfiguriert ist, den Ladestrom als Reaktion darauf, dass sie sich in der Nähe einer Quellspule befindet, zu generieren, verbunden ist.
Figurenliste

1 ist ein Blockdiagramm, das ein Plugin-Ladesystem für ein Hybridelektrofahrzeug (HEV) veranschaulicht;
2 ist ein Blockdiagramm, das ein drahtloses Fahrzeugladesystem veranschaulicht;
3 ist ein Blockdiagramm, das elektrische Energiekonditionierung während des drahtlosen Ladens veranschaulicht;
4 ist ein Blockdiagramm, das elektrische Energiekonditionierung während des Plugin-Ladens veranschaulicht;
5A-5B sind Blockdiagramme, die elektrische Energiekonditionierung in einem integrierten drahtlosen Ladesystem veranschaulichen;
6 ist ein Schaltplan, der einen drahtlosen Abschnitt des integrierten Ladesystems veranschaulicht;
7 ist ein Schaltplan, der einen fahrzeuginternen Ladeabschnitt des integrierten Ladesystems veranschaulicht; und
8 ist ein Ablaufdiagramm, das einen Algorithmus zur integrierten Ladesystemenergiekonditionierung veranschaulicht.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
Hier werden Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung beschrieben. Es versteht sich jedoch, dass die offenbarten Ausführungsformen lediglich Beispiele sind und andere Ausführungsformen verschiedene und alternative Formen annehmen können. Die Figuren sind nicht unbedingt maßstabsgetreu; einige Merkmale könnten vergrößert oder verkleinert dargestellt sein, um Einzelheiten bestimmter Komponenten zu zeigen. Demnach sind hierin offenbarte konkrete strukturelle und funktionelle Details nicht als einschränkend zu verstehen, sondern lediglich als repräsentative Grundlage, um den Fachmann die vielfältige Verwendung der vorliegenden Erfindung zu lehren. Der Durchschnittsfachmann wird verstehen, dass verschiedene Merkmale, die unter Bezugnahme auf beliebige der Figuren veranschaulicht und beschrieben sind, mit Merkmalen kombiniert sein können, die in einer oder mehreren anderen Figuren veranschaulicht sind, um Ausführungsformen zu erzeugen, die nicht ausdrücklich veranschaulicht oder beschrieben sind. Die Kombinationen aus veranschaulichten Merkmalen stellen repräsentative Ausführungsformen für typische Anwendungen bereit. Verschiedene Kombinationen und Modifikationen der Merkmale, die mit den Lehren dieser Offenbarung vereinbar sind, könnten jedoch für bestimmte Anwendungen oder Umsetzungen wünschenswert sein.
1 stellt ein Antriebssystem 10 eines Hybridelektrofahrzeugs (HEV) 12 dar. Bei einem HEV 12, im Nachfolgenden Fahrzeug 12, kann es sich um verschiedene Arten von Personenkraftwagen handeln, wie etwa einen Softroader (crossover utility vehicle - CUV), Geländewagen (sport utility vehicle - SUV), LKW, Wohnmobil (recreational vehicle-RV), Boot, Flugzeug oder um andere mobile Maschinen zum Befördern von Personen oder Transportieren von Gütern. Es ist anzumerken, dass es sich bei dem veranschaulichten System 10 lediglich um ein Beispiel handelt und mehr, weniger und/oder anders angeordnete Elemente verwendet werden können.
Das Fahrzeug 12 kann ein Hybridgetriebe 22, das mechanisch an einen Verbrennungsmotor 24 gekoppelt ist, und Antriebsräder 28 einer Antriebswelle 26 umfassen. Das Hybridgetriebe 22 kann auch mechanisch mit einer oder mehreren elektrischen Maschinen 20 gekoppelt sein, die in der Lage sind, als Elektromotor oder Generator zu arbeiten. Die elektrischen Maschinen 20 können elektrisch mit einer Wechselrichtersystemsteuerung (inverter system controller - ISC) 30 verbunden sein, wobei eine bidirektionale Energieübertragung zwischen den elektrischen Maschinen 20 und mindestens einer Antriebsbatterie 14 bereitgestellt wird.
Die Antriebsbatterie 14 stellt typischerweise einen Hochspannungs(high voltage - HV)-gleichstrom(direct current - DC)-ausgang bereit. In einem Elektromotormodus kann die ISC 30 den DC-Ausgang, der von der Antriebsbatterie 14 bereitgestellt wird, in einen Dreiphasenwechselstrom (alternating current - AC) umwandeln, wie es für eine ordnungsgemäße Funktionalität der elektrischen Maschinen 20 erforderlich sein kann. In einem Regenerationsmodus kann die ISC 30 den Dreiphasen-AC-Ausgang aus den elektrischen Maschinen 20, die als Generatoren fungieren, in die DC-Spannung umwandeln, die durch die Antriebsbatterie 14 gefordert wird. Zusätzlich zum Bereitstellen von Energie für den Antrieb kann die Antriebsbatterie 14 Energie für Hochspannungslasten 32, wie etwa Verdichter und Elektroheizvorrichtungen, und Niederspannungslasten 34, wie etwa elektrisches Zubehör, eine Hilfsbatterie usw., bereitstellen.
Die Antriebsbatterie 14 kann eine Vielzahl von Batteriezellen (nicht gezeigt), z. B. elektrochemische Zellen, die elektrisch mit einer Stromverteilungsbox (bussed electrical center - BEC) 36 verbunden sind, oder eine Vielzahl von Verbindern und Schaltern umfassen, die die Versorgung und Unterbrechung von elektrischer Energie zu und von den Batteriezellen ermöglichen. In einem Beispiel beinhaltet die BEC 36 einen positiven Hauptkontakt, der elektrisch mit einer positiven Klemme der Batteriezellen verbunden ist, und einen negativen Hauptkontakt, der elektrisch mit einer negativen Klemme der Batteriezellen verbunden ist, sodass das Schließen des positiven und/oder negativen Hauptkontakts den Fluss von elektrischer Energie zu und von den Batteriezellen ermöglichen kann.
Eine Batteriesteuerung 38 kann elektrisch mit der BEC 36 verbunden werden und kann, wie etwa durch Ausgeben eines Signals zur BEC 36, den Energiefluss zu und von den Batteriezellen über die BEC 36 steuern. In einem Beispiel kann die Batteriesteuerung 38 dazu ausgelegt sein, die Temperatur und den Ladestatus jeder der Batteriezellen zu überwachen und zu verwalten. Die Batteriesteuerung 38 kann ferner dazu ausgelegt sein, ein Signal zur BEC 36 auszugeben, was auf eine Anforderung hinweist, die Versorgung und Unterbrechung von elektrischer Energie als Reaktion auf das Erkennen, dass die Temperatur und/oder der SOC der Batteriezellen einen festgelegten Schwellenwert überschreitet oder unterschreitet, oder als Reaktion auf ein Signal oder eine Anforderung, das oder die von einer anderen Fahrzeugsteuerung, wie unter anderem Fahrwerkssteuerung, Antriebsstrangsteuerung, Bremssteuerung, Heizungs-, Ventilations- und Klimaanlagensteuerung usw., empfangen wird, zu ermöglichen. Während die Antriebsbatterie 14 der Beschreibung nach hierin elektrochemische Zellen beinhaltet, werden auch andere Arten von Umsetzungen von Energiespeichervorrichtungen, wie etwa Kondensatoren, berücksichtigt.
Das Fahrzeug 12 kann dazu ausgelegt sein, die Antriebsbatterie 14 über eine Verbindung mit einem Stromnetz (nicht gezeigt) wiederaufzuladen. Das Fahrzeug 12 kann zum Beispiel mit dem Elektrofahrzeugversorgungsgerät (electric vehicle supply equipment-EVSE) 16 einer Ladestation zusammenarbeiten, um die Ladungsübertragung vom Stromnetz zur Antriebsbatterie 14 zu koordinieren. In einem Beispiel kann das EVSE 16 einen Ladestecker zum Einstecken in einen Ladeanschluss 18 des Fahrzeugs 12 aufweisen, wie etwa über Verbindungsstifte, die mit entsprechenden Aussparungen des Ladeanschlusses 18 zusammenpassen. Der Ladeanschluss 18 kann elektrisch mit einer fahrzeuginternen Energieumwandlungssteuerung oder Ladevorrichtung 40 verbunden sein. Die Ladevorrichtung 40 kann mit der Batteriesteuerung 38 in Verbindung stehen und kann die Energie, die vom EVSE 16 geliefert wird, konditionieren, um der Antriebsbatterie 14 gemäß einem oder mehrerer Signale von der Batteriesteuerung 38 die richtigen Spannungs- und Strompegel bereitzustellen.
Das Fahrzeug 12 kann ausgelegt sein, um Signal- oder Dreiphasen-AC-Energie vom EVSE 16 zu empfangen. Das Fahrzeug 12 kann ferner dazu in der Lage sein, verschiedene Pegel der AC-Spannung zu empfangen, einschließlich unter anderem Laden bei Pegel 1 120 Volt (V) AC, Laden bei Pegel 2 240 V AC und so weiter. In einem Beispiel können sowohl der Ladeanschluss 18 als auch das EVSE 16 dazu konfiguriert sein, den Industriestandards zu entsprechen, die das Laden elektrifizierter Fahrzeuge betreffen, wie unter anderem des Verbands der Automobilingenieure (SAE) J1772, J1773, J2954, der Internationalen Organisation für Normung (ISO) 15118-1, 15118-2, 15118-3, der deutschen DIN-Spezifikation 70121 und so weiter.
In einem Beispiel kann die Ladevorrichtung 40 kann dazu ausgelegt sein, ein Signal zur Batteriesteuerung 38 zu senden, was auf eine Anforderung hinweist, die Antriebsbatterie 14 als Reaktion auf das Bestimmen, dass das Fahrzeug 12 dem EVSE 16 verbunden wurde, aufzuladen. Zusätzlich oder alternativ kann das Fahrzeug 12 dazu konfiguriert sein, drahtloses Laden zu empfangen, wie etwa über eine Ladungsübertragung mithilfe eines elektromagnetischen Feldes, wie etwa mithilfe eines in 2 veranschaulichten beispielhaften Ladesystems. Als Reaktion auf das Empfangen der Anforderung von der Ladevorrichtung 40 kann die Batteriesteuerung 38 den Befehl an die BEC 36 ausgeben, einen oder mehrere Schalter, z. B. positive und negative Hauptkontakte, zu öffnen oder zu schließen, wobei die Übertragung von elektrischer Energie zwischen dem EVSE 16 und der Antriebsbatterie 14 ermöglicht wird.
In einigen Beispielen kann die BEC 36 eine Vorladeschaltung beinhalten, die dazu konfiguriert ist, einen Bestromungsprozess der positiven Klemme durch Verzögern des Schließens des positiven Hauptkontakts zu steuern, bis ein Spannungspegel an der positiven und der negativen Klemme einen vorbestimmten Schwellenwert erreicht hat. Nach dem Schließen des positiven und des negativen Hauptkontakts kann die Übertragung von elektrischer Energie zwischen der Antriebsbatterie 14 und einer/eines oder mehrerer Komponenten oder Systeme, wie unter anderem des EVSE 16, der elektrischen Maschinen 20 und/oder der Hoch- und Niederspannungslasten 32, 34, erfolgen.
Während 1 ein Hybridelektrofahrzeug darstellt, ist die Beschreibung hierin gleichermaßen auf ein rein elektrisches Fahrzeug anwendbar. Für ein rein elektrisches Fahrzeug, z. B. ein Batterieelektrofahrzeug (BEV), kann das Hybridgetriebe 22 ein Getriebekasten sein, der mit der elektrischen Maschine 20 verbunden ist, und der Verbrennungsmotor 24 kann nicht vorhanden sein. Die unterschiedlichen erläuterten Komponenten können eine oder mehrere damit verknüpfte Steuerungen umfassen, um den Betrieb der Komponenten zu steuern und zu überwachen. Die Steuerungen können über eines oder mehrere fahrzeuginterne Netzwerke, einschließlich unter anderem eines Steuerungsnetzwerks (controller area network - CAN), eines Ethernet-Netzwerks oder einer medienorientierten Systemübertragung (media oriented system transfer - MOST) kommunizieren.
2 veranschaulicht ein beispielhaftes drahtloses Ladesystem 41 für die Antriebsbatterie 14 des Fahrzeugs 12. In einem Beispiel kann das EVSE 16 elektrisch mit einer primären (im Nachfolgenden Sender-) Spule 44 verbunden sein und dazu konfiguriert sein, diese mit Strom zu versorgen. In solch einem Beispiel kann das Leiten von Wechselstrom durch die Senderspule 44 dazu führen, dass die Senderspule 44 Energie, wie etwa elektromagnetische Energie, emittiert. Energie, die von der Senderspule 44 emittiert wurde, kann Strom in eine zweite (im Nachfolgenden Empfänger-) Spule 46 des Fahrzeugs 12 induzieren, wenn die Empfängerspule 46 innerhalb eines vorbestimmten Abstandsschwellenwerts der Senderspule 44 positioniert ist. Die Empfängerspule 46 kann elektrisch mit der Ladevorrichtung 40 des Fahrzeugs 12 verbunden sein von dieser mit Strom versorgt werden. In einem Beispiel kann die Empfängerspule 46 dazu konfiguriert sein, ein Signal zur Ladevorrichtung 40 als Reaktion auf das Erkennen, dass die Senderspule 44 des EVSE 16, die in der Lage ist, drahtloses Laden bereitzustellen, innerhalb eines vorbestimmten Abstands verfügbar ist, zu senden. Die Empfängerspule 46 kann beispielsweise eine Nähe der Senderspule 44 auf Grundlage einer Größe des von der Senderspule 44 in die Empfängerspule 46 induzierten Stroms erkennen.
In einem Beispiel können die Senderspule 44 und die Empfängerspule 46 innerhalb leitfähiger Ladungsplatten (nicht gezeigt) des EVSE 16 bzw. des Fahrzeugs 12 positioniert sein. Wie unter Bezugnahme auf 3 ausführlicher beschrieben, kann das Fahrzeug 12 ferner einen AC/DC-Wandler (nicht gezeigt) umfassen, der dazu konfiguriert ist, den AC-Eingang, der von dem EVSE 16 empfangen wurde, in einen DC-Ausgang, der verwendet werden kann, um die Antriebsbatterie 14 aufzuladen, zu korrigieren und zu filtern. Die Senderspule 44 des EVSE 16 kann in einer einer Vielzahl von Stellen in Bezug auf das Fahrzeug 12 positioniert sein, wie unter anderem darunter, davor, dahinter, auf einer linken oder rechten Seite, darüber usw. Die Senderspule 44 und/oder die leitfähige Ladungsplatte des EVSE 16 kann zueinander oder in Bezug auf die Empfängerspule 46 des Fahrzeugs 12 ausgerichtet sein, um einen geeigneten Spalt zu erzeugen, um die Energieübertragung zum Fahrzeug 12 zu erleichtern.
In einem Beispiel kann die Empfängerspule 46 des Fahrzeugs 12 in einer einer Vielzahl von Stellen am Fahrzeug 12 positioniert sein, wie unter anderem auf der Unterseite, dem Dach, dem Front- oder Heckstoßfänger usw. In einem weiteren Beispiel können die Senderspule 44 und die Empfängerspule 46 in einer Vielzahl von räumlichen Konfigurationen zueinander sowie in Bezug auf ihre entsprechenden leitfähigen Ladungsplatten positioniert sein, wie etwa unter anderem horizontal, vertikal, um einen vordefinierten Winkel in einer oder mehreren räumlichen Dimensionen versetzt usw.
Vor dem Initiieren einer Energieübertragung vom EVSE 16 kann das Fahrzeug 12 dazu konfiguriert sein, Positionen in Bezug auf das EVSE 16 als Reaktion auf ein vordefiniertes Signal zu ändern, wie etwa als Reaktion auf ein Signal von der Empfängerspule 46, dass die Senderspule 44 des EVSE 16, die in der Lage ist, drahtloses Laden bereitzustellen, innerhalb eines vordefinierten Abstands verfügbar ist. In einem Beispiel kann das Fahrzeug 12, beispielsweise über einen oder mehrere Befehle, die von der Ladevorrichtung 40 ausgegeben wurden, dazu konfiguriert sein, die Position des Fahrzeugs 12 in Bezug auf das EVSE 16 zu ändern (oder auszurichten), sodass ein Kopplungskoeffizient k zwischen der Empfängerspule 46 und der Senderspule 44 größer als ein Koeffizientenschwellenwert ist, wobei der Kopplungskoeffizient k ein Verhältnis einer tatsächlichen Gegeninduktivität der Spulen 44, 46 zu einer maximal möglichen Induktivität der Spulen 44, 46 ist.
Der Kopplungskoeffizient k kann ein Bruchwert zwischen 0 und 1 sein, wobei 0 keine induktive Kopplung und 1 eine vollständige oder maximale induktive Kopplung angibt. In einem Beispiel kann der Kopplungskoeffizient k mit einem Wert von mehr als 0,5 auf eine enge Kopplung zwischen der Sender- und der Empfängerspule 44, 46 hinweisen und der Kopplungskoeffizient k mit einem Wert von weniger als 0,5 kann auf eine lockere Kopplung zwischen der Sender- und der Empfängerspule 44, 46 hinweisen. Der Kopplungskoeffizient k zwischen einem gegebenen Satz von Sender- und Empfängerspulen 44, 46 kann eine Funktion von beispielsweise unter anderem Geometrie, Material, Induktivität und anderen Eigenschaften und Merkmalen, die jeder der Sender- und der Empfängerspule 44, 46 zugeordnet sind, sein.
Die Ladevorrichtung 40 des Fahrzeugs 12 kann dazu ausgelegt sein, einen Ausrichtungsvorgang des Fahrzeugs 12 in Bezug auf das EVSE 16 als Reaktion auf das Empfangen eines Signals vom EVSE 16, das darauf hinweist, dass ein drahtloses Laden verfügbar ist, zu initiieren. Die Ladevorrichtung 40 kann dazu ausgelegt sein, den Ausrichtungsvorgang des Fahrzeugs 12 durch das Senden eines Signals zu einer oder mehreren Steuerungen (nicht gezeigt) des Fahrzeugs 12, die dazu ausgelegt ist, die Position des Fahrzeugs 12 zu einer vordefinierten Position zu ändern, zu initiieren.
Eine Größe eines oszillierenden Magnetfeldes, das von der Senderspule 44 als Reaktion darauf, dass das EVSE 16 Wechselstrom durch die Senderspule 44 zirkuliert, erzeugt wird, kann proportional zu einer Menge des zirkulierten Stroms sein. Die Größe des Magnetfeldes B entlang der Senderspule 44 kann in der Einheit Tesla (T) gemessen und mit der folgenden Gleichung (1) ausgedrückt werden: $B = \frac{μ_{0} I N}{l} = μ_{0} I N,$
wobei µ₀ die Permeabilität von Freiraum darstellen kann, / elektrischer Strom ist, N eine Gesamtanzahl an Drahtwindungen in der Senderspule 44 darstellen kann, / eine Länge der Senderspule 44 darstellen kann und n eine Anzahl an Drahtwindungen pro Einheitenlänge der Senderspule 44 darstellen kann.
Eine Größe eines elektrischen Feldes E, das als ein Ergebnis des oszillierenden Magnetfeldes erzeugt wird, kann mit Hilfe der folgenden Gleichung (2) ausgedrückt werden: $E = \frac{k_{c} Q}{d^{2}},$
wobei k_c eine Proportionalitätskonstante (oder Coulomb'sches Gesetz) ist, die einem Medium, z. B. Luft, die die Spulen umgibt, zugeordnet ist, Q eine Ladungsmenge in der Einheit Coulomb (C) darstellen kann und d einen Abstand zwischen der Senderspule 44 und der Empfängerspule 46 darstellen kann.
Oszillierende elektrische und magnetische Felder können in einem Beispiel elektromagnetische Wellen erzeugen, die mit Hilfe von Frequenz und/oder Wellenlänge gekennzeichnet sein können. Die Größe der oszillierenden elektrischen und magnetischen Felder können ferner proportional zur Frequenz und/oder Wellenlänge der erzeugten elektromagnetischen Felder sein. In einem Beispiel kann das EVSE 16 dazu konfiguriert sein, die Menge an Strom, der in der Senderspule 44 zirkuliert, zu steuern, sodass die Frequenz und/oder die Wellenlänge von durch die oszillierenden elektromagnetischen Felder erzeugten elektromagnetischen Wellen einen Frequenzschwellenwert bzw. einen Wellenlängenschwellenwert unterschreitet. In einem anderen Beispiel kann das EVSE 16 dazu konfiguriert sein, die Menge an Strom, der in der Senderspule 44 zirkuliert, zu steuern, sodass die Größe der erzeugten elektrischen und/oder magnetischen Felder eine vordefinierte Größe aufweist.
In Bezug auf 3 wird ein beispielhaftes drahtloses Ladesystem 48 zum Laden der Antriebsbatterie 14 des Fahrzeugs 12 mithilfe von drahtlosem Laden gezeigt. Das EVSE 16 kann dazu konfiguriert sein, eine vordefinierte Menge an Strom durch die Senderspule 44 mithilfe von einem oder mehreren elektrischen oder elektronischen Systemen, Untersystemen, digitalen und/oder analogen Schaltungskomponenten usw. mit Strom zu versorgen, beispielsweise zu zirkulieren. In einem Beispiel kann das EVSE 16 einen EVSE-Gleichrichter 50, eine Leistungsfaktorverbesserungs(power factor correction - PFC)-schaltung 52, einen DC/AC-Wandler 54 und ein Kompensationsnetzwerk der primären Seite (im Nachfolgenden Senderkompensationsnetzwerk) 58 beinhalten.
Der EVSE-Gleichrichter 50 kann dazu ausgelegt sein, empfangenen AC, wie AC von einem Stromnetz oder einer anderen Stromquelle, zu DC umzuwandeln. Die PFC-Schaltung 52 kann einen DC/DC-Wandler umfassen, der dazu konfiguriert ist, den vom EVSE-Gleichrichter 50 empfangenen DC-Eingang auf einen vordefinierten DC-Ausgang zu verstärken (oder zu steigern). In einem Beispiel kann die PFC-Schaltung 52 ferner einen Stützkondensator beinhalten, der als ein EMI-Filter dient, der zusammen mit dem DC/DC-Wandler dazu konfiguriert sein kann, den Leistungsfaktor zu verbessern und/oder den Oberwellenanteil, der durch den EVSE-Gleichrichter 50 in die Eingangsleistung eingeführt werden kann, zu reduzieren. Der Ausgang der PFC-Schaltung 52, d. h. eine konstante Spannung, kann als ein Eingang zum DC/AC-Wechselrichter 54 dienen. Der DC/AC-Wechselrichter 54 kann ein Brückenwechselrichter sein, der dazu konfiguriert ist, DC-Ausgang der PFC-Schaltung 52 zu einer AC-Wellenform mit einer vordefinierten Frequenz umzuwandeln. Der DC/AC-Wandler 54 kann eine Hochfrequenz-AC-Wellenform generieren.
Ein Resonanznetzwerk 56 kann ein primäres (im Nachfolgenden Sender-) Kompensationsnetzwerk 58 und ein sekundäres (im Nachfolgenden Empfänger-) Kompensationsnetzwerk 60 beinhalten, wobei jedes mit der Sender- bzw. der Empfängerspule 44, 46 gekoppelt ist. Das Resonanznetzwerk 56 kann dazu konfiguriert sein, die Leistungsübertragungseffizienz zwischen dem EVSE 16 und dem Fahrzeug 12 durch Erzeugen einer magnetischen Resonanz zwischen der Sender- und der Empfängerspule 44, 46 zu erweitern. In einem Beispiel kann jedes des Sender- und Empfängerkompensationsnetzwerks 58, 60 eine oder mehrere reaktive Komponenten definieren, wie etwa unter anderem Induktoren und Kondensatoren. Resonanzkondensatoren im Sender- und Empfängerkompensationsnetzwerk 58, 60 können zum Beispiel Magnetisierungs- und/oder Streuinduktivitätsverluste ausgleichen.
Der Ausgang des Senderkompensationsnetzwerks 58 kann dazu konfiguriert sein, die Senderspule 44 zu aktivieren (oder mit Strom zu versorgen), sodass die Senderspule 44 ein oszillierendes magnetisches Feld mit einer vordefinierten Größe erzeugt. Der Spannungs- oder Energieausgang durch die Senderspule 44, beispielsweise über ein oszillierendes magnetisches Feld, kann Strom in die Empfängerspule 46 des Fahrzeugs 12 induzieren. Die Empfängerspule 46 kann Eingang für das Empfängerkompensationsnetzwerk 60 bereitstellen.
Ein Fahrzeugleistungsgleichrichter 62 kann dazu konfiguriert sein, den AC-Ausgang des Empfängerkompensationsnetzwerks 60 zu einem DC-Ausgang, der mit der Antriebsbatterie 14 kompatibel ist, umzuwandeln. Das System 48 kann ferner einen elektromagnetischen Interferenz(EMI)-filter (nicht gezeigt) des Fahrzeugs beinhalten, wobei eine oder mehrere aktive und/oder passive Komponenten definiert werden, die angeordnet sind, um Stromwelligkeit zu reduzieren, die von dem Leistungsgleichrichter 62 des Fahrzeugs generiert wird, und dessen Ausgangsleistung geleitet wird, um die Antriebsbatterie 14 zu laden.
In Bezug auf 4 ist eine beispielhafte fahrzeuginterne Ladevorrichtung 64 des Fahrzeugs zum Laden der Antriebsbatterie 14 mithilfe von Energie, die über den Ladeanschluss 18 aufgenommen wird, gezeigt. Die fahrzeuginterne Ladevorrichtung 64 kann dazu konfiguriert sein, AC-Energie in DC-Energie umzuwandeln, die geeignet ist, um die Antriebsbatterie 14 zu laden. In einem Beispiel kann die Ladevorrichtung 40 dazu konfiguriert sein, eine oder mehrere Leistungs-(Konditionierungs- und/oder Umwandlungs-)-stufen der fahrzeuginternen Ladevorrichtung 64 zu steuern, um die Energieübertragung zur Antriebsbatterie 14 zu ermöglichen. Als Reaktion auf das Erkennen, zum Beispiel, dass das Fahrzeug 12 mit dem EVSE 16 verbunden wurde, kann die Ladevorrichtung 40 ein Signal zur Batteriesteuerung 38 senden, was eine Anforderung, die Antriebsbatterie 14 zu laden, angibt. Die Batteriesteuerung 38 kann dann den Befehl an die BEC 36 ausgeben, einen oder mehrere Schalter, z. B. positive und negative Hauptkontakte, zu öffnen oder zu schließen, wobei die Übertragung von elektrischer Energie zwischen dem EVSE 16 und der Antriebsbatterie 14 ermöglicht wird. Wie in Bezug auf 7 ausführlicher beschrieben, können eine oder mehrere Leistungsstufen der Ladevorrichtung 40 mithilfe von aktiven und/oder passiven elektrischen Schaltkomponenten, programmierbaren Vorrichtungen oder anderen Umsetzungen dargestellt sein.
Die fahrzeuginterne Ladevorrichtung 64 kann einen Leistungsgleichrichter 66 des Fahrzeugs beinhalten, der die AC-Leistung, die von einer AC-Leistungsquelle geliefert wird, wie etwa dem EVSE 16, dem Stromnetz und so weiter, in DC-Leistung umwandelt oder gleichrichtet. Die fahrzeuginterne Ladevorrichtung 64 kann eine PFC-Schaltung 67 beinhalten, die arbeitet, um den Leistungsfaktor zu verbessern und/oder den Oberwellenanteil, der durch den DC-Ausgang des Gleichrichters 66 in die Eingangsleistung eingeführt wird, zu reduzieren, wie etwa mithilfe einer verschachtelten PFC-Schaltung, die in Bezug auf 7 beschrieben ist. In einem Beispiel kann ein Leistungsfaktor einer elektrischen Schaltung ein Verhältnis sein, das die relative Beziehung von echter, oder wahrer, Leistung, die von der Schaltung verwendet wird, um zu funktionieren, und Scheinleistung, die zur Schaltung geliefert wird, ausdrückt. In einem anderen Beispiel kann ein Wert des Leistungsfaktors zwischen null (0) für eine rein induktive Last und eins (1) für eine rein resistive Last reichen.
Ein Energiespeicherkondensator 68 kann dazu konfiguriert sein, Ausgang der PFC-Schaltung 67 zu empfangen und Ladestrom für die Antriebsbatterie 14 zu übertragen. Der Energiespeicherkondensator 68 kann ein Stützkondensator, ein DC-Zwischenkreiskondensator und so weiter sein und kann bemessen sein, um zu einem Zeitpunkt, wenn ein Versorgungsspannungssignal einen vordefinierten Schwellenwert unterschreitet, ausreichend Leistung für die Antriebsbatterie 14 zu übertragen, z. B. sodass eine Spannung an der Antriebsbatterie 14 während des Nulldurchgangs nicht variiert. Die Spannung des Energiespeicherkondensators 68, wie sie von der PFC-Schaltung 67 empfangen wird, kann im Wesentlichen konstant sein, z. B. in Bezug auf die Zeit nicht variieren. Ein DC/AC-Wechselrichter 70 kann Ausgang des Energiespeicherkondensators 68 von DC zu AC invertieren, sodass er von einem oder mehreren Transformatoren eines reaktiven Kompensationsnetzwerks 72 verarbeitet werden kann.
Das reaktive Kompensationsnetzwerk 72 kann dazu konfiguriert sein, Energieausgang von dem DC/AC-Wechselrichter 70 zur Antriebsbatterie 14 zu übertragen, während galvanische Isolierung zwischen der AC-Leistungsquelle und der Antriebsbatterie 14 bereitgestellt wird. Ein Gleichrichter 74 kann dazu konfiguriert sein, AC-Ausgang des reaktiven Kompensationsnetzwerks 72 zu empfangen und DC zum Übertragen zur Antriebsbatterie 14 umzuwandeln. Es versteht sich, dass die fahrzeuginterne Ladevorrichtung 64 und die zugehörigen Leistungsstufen ausschließlich Beispiele sind und andere Anordnungen oder Kombinationen von Elementen, Stufen und Komponenten verwendet werden können. Während der DC/AC-Wechselrichter 70, das reaktive Kompensationsnetzwerk 72 und der Gleichrichter 74 als getrennte Stufen veranschaulicht sind, können die Blöcke 70, 72 und 74 und ihre Funktionen im Allgemeinen als ein DC/DC-Wandler bezeichnet werden.
Wie in Bezug auf die 5A-5B ausführlicher beschrieben, kann die fahrzeuginterne Ladevorrichtung 64 ferner dazu konfiguriert sein, Leistungsübertragung von einem integrierten drahtlosen Ladesystem zu empfangen. In einem Beispiel kann das integrierte drahtlose Ladesystem dazu konfiguriert sein, 150 mit der fahrzeuginternen Ladevorrichtung 64 des Fahrzeugs 12 am Energiespeicherkondensator 68 zu verbinden. Zusätzlich oder alternativ kann das integrierte drahtlose Ladesystem, das mit der fahrzeuginternen Ladevorrichtung 64 des Fahrzeugs 12 verbunden ist, keine Leistungsfaktorverbesserungsschaltung zwischen dem Energiespeicherkondensator 68 und gleichgerichteter Netzleitungsspannungs- und -stromausgang durch den EVSE-Gleichrichter aufweisen.
5A veranschaulicht ein beispielhaftes integriertes drahtloses Ladesystem 76, das dazu konfiguriert ist, elektrischen Ladestrom für die Antriebsbatterie 14 des Fahrzeugs 12 mithilfe von drahtloser Energieübertragung über einen Luftspalt, z. B. über magnetisch gekoppelte Sender- und Empfängerspulen 44, 46, zu übertragen. Das integrierte drahtlose Ladesystem 76 kann die PFC-Schaltung 52 des beispielhaften drahtlosen Ladesystems 48 nicht aufweisen. Anders formuliert, kann das integrierte Ladesystem 76 die Leistungsfaktorverbesserungsschaltung zwischen der Verbindung 150 zum Energiespeicherkondensator 68 und dem Ausgang des EVSE-Gleichrichters 50 nicht aufweisen. Zusätzlich zu einer oder mehreren in Bezug auf die beispielhafte drahtlose Ladevorrichtung 48 aus 3 beschriebenen Komponenten beinhaltet das integrierte drahtlose Ladesystem 76 Rückkopplungsverstärkungen 78, 90, 94, ein Spannungskompensationsnetzwerk 82, ein Stromkompensationsnetzwerk 96, einen drahtlosen Fahrzeugsender 84, einen drahtlosen EVSE-Empfänger 86, Summierpunkte 80, 92 und einen Multiplikationspunkt 88. Es versteht sich, dass das integrierte drahtlose Ladesystem 76 in einigen Beispielen mehr oder weniger Steuerstufen und/oder anders verbundene Steuerstufen als die in 5A veranschaulichten beinhalten kann.
Das integrierte drahtlose Ladesystem 76 kann dazu konfiguriert sein, ein Signal zu generieren, das die Ausgangsspannung V_out 102 angibt, um die Antriebsbatterie 14 zu laden. In einem Beispiel verbindet sich der Ausgang des integrierten drahtlosen Ladesystems 76 (im Allgemeinen durch die Pfeile 150 angegeben, wie in Bezug auf 4 beschrieben) mit dem Energiespeicherkondensator 68 der fahrzeuginternen Ladevorrichtung 64, die dazu konfiguriert ist, die Ladespannung und/oder den Ladestrom für die Antriebsbatterie 14 zu übertragen. Das integrierte drahtlose Ladesystem 76 kann ferner dazu konfiguriert sein, den DC/AC-Wechselrichter 54 dazu zu veranlassen, zu arbeiten, um zu einem einheitlichen Leistungsfaktor unter gegebenen Lastbedingungen und/oder Netzleitungsbedingungen zu treiben, wie etwa unter anderem durch Veranlassen, dass der DC/AC-Wechselrichter 54 arbeitet, um die Spannung des Energiespeicherkondensators 68 zu einem konstanten Wert zu treiben, dass er arbeitet, um eine Phase des Eingangsstroms I_in zu einer Phase der Eingangsspannung V_in zu treiben und so weiter.
Der DC/AC-Wechselrichter 54 des EVSE 16 kann dazu konfiguriert sein, gleichgerichtete AC(Netz)-Leitungseingangsspannung V_in und gleichgerichteten Netzleitungseingangsstrom I_in vom EVSE-Gleichrichter 50 zu empfangen. Die Versorgungsspannung V_S und der Versorgungsstrom I_S, die vom DC/AC-Wechselrichter 54 ausgegeben werden, können die Komponenten des Resonanznetzwerks 56 mit Strom versorgen, wie etwa unter anderem die Komponenten des Resonanznetzwerks 56, das in Bezug auf 3 beschrieben ist, des Senderkompensationsnetzwerks 58, der Sender- und Empfängerspule 44, 46 und des Empfängerkompensationsnetzwerks 60. In einem Beispiel kann das Resonanznetzwerk 56 dazu konfiguriert sein, das Empfängerkompensationsnetzwerk 60 des Fahrzeugs 12 zu verwenden, um ein oder mehrere Signale auszugeben, die auf die Empfängerspannung V_R und den Empfängerstrom I_R hinweisen. Der Fahrzeugleistungsgleichrichter 62 kann dann den AC-Ausgang des Resonanznetzwerks 56 in DC-Eingang, der mit der Antriebsbatterie 14 kompatibel ist, umzuwandeln. Der Fahrzeugleistungsgleichrichter 62 kann ein Signal, das auf Ladespannungsdaten (im Nachfolgenden Ausgangsspannung V_out 102) hinweist, zur Übertragung an den Energiespeicherkondensator 68 der fahrzeuginternen Ladevorrichtung 64 generieren. In einem Beispiel kann das integrierte drahtlose Ladesystem 76 dazu konfiguriert sein, eine Schaltfrequenz f_sw des DC/AC-Wechselrichters 54 zu ändern, um den DC/AC-Wechselrichter 54 dazu zu veranlassen, die Ausgangsspannung V_out 102 des Energiespeicherkondensators 68 zu einem konstanten Wert zu treiben.
Der DC/AC-Wechselrichter 54 kann eine oder mehrere Schaltkomponenten umfassen und die Steuerlogik des EVSE 16 kann dazu konfiguriert sein, die Schaltkomponenten des DC/AC-Wechselrichters 54 gemäß einer vordefinierten Schaltfrequenz f_sw zu betreiben oder anderweitig zu steuern. In einem Beispiel kann die Steuerlogik des EVSE 16 dazu konfiguriert sein, die Schaltfrequenz f_sw der Schaltkomponenten des DC/AC-Wechselrichters 54 zu ändern, um sie zu einem einheitlichen Leistungsfaktor unter gegebenen Lastbedingungen und/oder Netzleitungsbedingungen zu treiben.
In einem Beispiel kann die Steuerlogik des EVSE 16 dazu konfiguriert sein, die Schaltfrequenz f_sw des DC/AC-Wechselrichters 54 zu ändern, um eine Spannung, z. B. Ausgangsspannung V_out 102, des Energiespeicherkondensators 68 der fahrzeuginternen Ladevorrichtung 64 zu einem konstanten Wert zu treiben. In einem anderen Beispiel kann die Steuerlogik des EVSE 16 ferner dazu konfiguriert sein, die Schaltfrequenz f_sw des DC/AC-Wechselrichters 54 zu ändern, um die gleichgerichtete Netzleitungseingangsspannung V_in und den gleichgerichteten Netzleitungseingangsstrom I_in zu synchronisieren, wie etwa, um den DC/AC-Wechselrichter 54 dazu zu veranlassen, zu arbeiten, um eine Phase des gleichgerichteten Netzleitungseingangsstroms I_in zu einer Phase der gleichgerichteten Netzleitungseingangsspannung V_in zu treiben. Wie nachfolgend ausführlicher beschrieben, kann die Steuerlogik des EVSE 16 dazu konfiguriert sein, die Schaltfrequenz f_sw der Schaltkomponenten des DC/AC-Wechselrichters 54 auf Grundlage von einem oder mehreren Parametern, die dem Fahrzeug 12 zugeordnet, sind, wie etwa unter anderem Ladespannungsdaten, die vom Fahrzeug 12 empfangen werden, zu ändern.
Die Steuerlogik des EVSE 16 kann dazu konfiguriert sein, die Schaltfrequenz f_sw des DC/AC-Wechselrichters 54 gemäß einer Schaltfrequenz f_sw, die mithilfe einer Rückkopplungssteuerung abgeleitet wird, zu ändern. Die Steuerlogikschaltung des EVSE 16 steht in Kommunikation mit der Ladevorrichtung 40 des Fahrzeugs 12 und kann dazu konfiguriert sein, ein oder mehrere Signale zu empfangen, die auf ein Referenzsignal hinweisen, das die Schaltfrequenz f_sw definiert.
Die Ladevorrichtung 40 des Fahrzeugs 12 kann dazu konfiguriert sein, die Stärke eines Referenzeingangsstroms |I_in(ref)| auf Grundlage der Ausgangsspannung V_out 102, die am Ausgang des Fahrzeugleistungsgleichrichters 62 des Fahrzeugs 12 erkannt wird, zu bestimmen. Die Ladevorrichtung 40 kann dann die Stärke eines Referenzeingangsstroms |I_in(ref)| an das Fahrzeug 12 senden. In einem Beispiel verwendet die Ladevorrichtung 40 den Summierpunkt 80, um einen Spannungsfehler e_v(t) zwischen der Ausgangsspannung V_out 102 und einer Referenzkondensatorspannung V_0(ref), die für den Energiespeicherkondensator 68 generiert wird, zu bestimmen. In manchen Fällen kann die Ladevorrichtung 40 einen Spannungsfehler e_v(t) durch Bestimmen einer Differenz zwischen der Ausgangsspannung V_out 102 und einer Referenzkondensatorspannung V_0(ref) bestimmen. Die Referenzkondensatorspannung V_0(ref) kann eine Spannung sein, die am Energiespeicherkondensator 68 der fahrzeuginternen Ladevorrichtung 64 gemessen wird. Die Referenzkondensatorspannung V_0(ref) kann ferner eine Spannung sein, von der Ladevorrichtung 40 für den Energiespeicherkondensator 68 der fahrzeuginternen Ladevorrichtung 64 generiert wird. Wie unter Bezugnahme auf 5B beschrieben wird, kann die Referenzkondensatorspannung V_0(ref) anhand eines oder mehrerer Betriebsparameter, die dem Resonanznetzwerk 56 zwischen dem EVSE 16 und dem Fahrzeug 12 zugeordnet sind, definiert werden. In einem Beispiel kann die Ladevorrichtung 40 dazu konfiguriert sein, die Referenzkondensatorspannung V_0(ref) auf Grundlage von einem oder mehreren einer Senderspuleninduktivität, einer Empfängerspuleninduktivität und eines Kopplungskoeffizienten zu bestimmen.
Der Spannungsfehler e_v(t), der vom Summierpunkt 80 ausgegeben wird, kann als Eingang zum Spannungskompensationsnetzwerk 82, das dazu konfiguriert ist, die Stärke eines Referenzeingangsstroms |I_in(ref)| zu generieren, dienen. Das Spannungskompensationsnetzwerk 82 kann dazu konfiguriert sein, einen drahtlosen Sender 84 des Fahrzeugs 12 zu verwenden, um die Stärke eines Referenzeingangsstroms |I_in(ref)| zum EVSE 16 zu senden. In einem Beispiel kann der drahtlose Sender 84 ein Signal zum drahtlosen Empfänger 86 senden, das auf die Stärke eines Referenzeingangsstroms |I_in(ref)| hinweist. Während der drahtlose Sender 84 in einigen Beispielen dazu konfiguriert sein kann, ein Signal, das auf die Stärke des Referenzeingangsstroms |I_in(ref)| zum Empfang durch den drahtlosen Empfänger 86 des EVSE 16 hinweist, wiederholt zu senden, wird außerdem in Erwägung gezogen, dass der drahtlose Sender 84 dazu konfiguriert sein kann, die Stärke des Referenzeingangsstroms |I_in(ref)| als Reaktion auf eine entsprechende Anfrage vom EVSE 16 an das EVSE 16 zu senden.
Die Ladevorrichtung 40 des Fahrzeugs 12 kann einen drahtlosen Sender 84 verwenden, um ein Referenzsignal an das EVSE 16 zu senden, z. B. ein Signal, das auf eine Stärke eines Referenzeingangsstroms |I_in(ref)| hinweist. In einigen Beispielen kann die Ladevorrichtung 40 des Fahrzeugs 12 ein Signal, das auf die Stärke eines Referenzeingangsstroms |I_in(ref)| hinweist, als Reaktion auf das Erkennen der Ausgangsspannung V_out 102 am Ausgang des Fahrzeugleistungsgleichrichters 62 des Fahrzeugs 12 an das EVSE 16 senden. Ein Signal, das auf die Stärke eines Referenzeingangsstroms |I_in(ref)| hinweist, kann ein Gleichstrom(direct current - DC)-signal sein, z. B. ein Signal, das über einen vordefinierten Zeitraum hinweg konstant ist und/oder als eine Funktion der Zeit nicht variiert, und kann eine Stärke des gleichgerichteten Netzleitungsstroms, der vom DC/AC-Wechselrichter 54 empfangen wird, darstellen. In einem Beispiel kann eine Veränderung der Größe eines Referenzeingangsstroms |I_in(ref)| einer Veränderung der Menge an Ladungsleistung, die von der Ladevorrichtung 40 für die Antriebsbatterie 14 angefordert wird, entsprechen, z. B. kann eine Erhöhung der Ladungsleistung, die von der Ladevorrichtung 40 angefordert wird, bewirken, dass sich die Stärke eines Referenzeingangsstroms |I_in(ref)| erhöht, und so weiter.
Ein drahtloser Empfänger 86 des EVSE 16 kann mit der Steuerlogik des EVSE 16 verbunden sein und dazu konfiguriert sein, ein Signal vom Fahrzeug 12 zu empfangen, das auf die Stärke eines Referenzeingangsstroms |I_in(ref)| hinweist. Die Steuerlogik des EVSE 16 kann ferner dazu konfiguriert sein, die Schaltfrequenz f_sw des DC/AC-Wechselrichters 54 unter Verwendung der empfangenen Stärke eines Referenzeingangsstroms |I_in(ref)| zu ändern, um den DC/AC-Wechselrichter 54 dazu zu veranlassen, zu arbeiten, um eine Spannung des Energiespeicherkondensators 68 der fahrzeuginternen Batterieladevorrichtung 64 des Fahrzeugs 12 zu einem konstanten Wert zu treiben.
Die Steuerlogik des EVSE 16 kann ferner dazu konfiguriert sein, die empfangene Stärke eines Referenzeingangsstroms |I_in(ref)| zu verwenden, um den DC/AC-Wechselrichter 54 dazu zu veranlassen, zu arbeiten, um eine Phase des gleichgerichteten Netzleitungsstroms zu einer Phase der gleichgerichteten Netzleitungsspannung zu treiben. In einem Beispiel kann die Steuerlogik des EVSE 16 dazu konfiguriert sein, die empfangene Stärke eines Referenzeingangsstroms |I_in(ref)| mit einem Wert der gleichgerichteten Netzleitungsspannung V_in, die zum Eingang des DC/AC-Wechselrichters 54 geliefert wird, zu multiplizieren, z. B. am Multiplikationspunkt 88. Die gleichgerichtete Netzleitungseingangsspannung V_in kann in einigen Fällen mithilfe der Rückkopplungsverstärkung 90 vor der Multiplikation mit der empfangenen Stärke eines Referenzeingangsstroms |I_in(ref)| skaliert oder verstärkt werden. In einigen Fällen kann der Ausgang des Multiplikationspunkts 88 ein Signal sein, das auf einen zeitlich veränderlichen Referenzeingangsstrom |I_in(ref)| hinweist.
Die Steuerlogik des EVSE 16 kann ferner dazu konfiguriert sein, einen Fehler e_I(t) zwischen dem Ausgang des zeitlich veränderlichen Referenzeingangsstroms |I_in(ref)| durch den Multiplikationspunkt 88 und dem gleichgerichteten Netzleitungseingangsstrom I_in, der am Eingang zum DC/AC-Wechselrichter 54 empfangen wird, zu bestimmen. In einem Beispiel kann die Steuerlogik des EVSE 16 eine Differenz zwischen dem gleichgerichteten Netzleitungseingangsstrom I_in und dem zeitlich veränderlichen Referenzeingangsstrom I_in(ref) bestimmen, z. B. am Summierpunkt 92. In einem Beispiel kann der gleichgerichtete Netzleitungseingangsstrom I_in mithilfe der Rückkopplungsverstärkung 94 vor der Bestimmung einer Differenz zwischen dem gleichgerichteten Netzleitungseingangsstrom I_in(ref) und dem Referenzeingangsstrom I_in skaliert, z. B. verstärkt, werden.
Das Stromkompensationsnetzwerk 96 kann dazu konfiguriert sein, einen Frequenzbefehl auf Grundlage eines Ausgangs des Stromfehlers e_I(t) durch den Summierpunkt 92 zu generieren. Die Steuerlogik des EVSE 16 kann dazu konfiguriert sein, den Frequenzbefehl zu verwenden, um die Schaltfrequenz f_sw zu definieren, die auf den DC/AC-Wechselrichter 54 anzuwenden ist. Die Steuerlogik des EVSE 16 kann deshalb eine Schaltfrequenz f_sw des DC/AC-Wechselrichters 54 zu einer Schaltfrequenz f_sw ändern, die anhand eines Frequenzbefehlsausgangs durch das Stromkompensationsnetzwerk 96 bestimmt wird. In einem Beispiel ändert die Steuerlogik des EVSE 16 die Schaltfrequenz f_sw, die auf die Schaltkomponenten des DC/AC-Wechselrichters 54 angewendet wird, zu einer Schaltfrequenz f_sw, die anhand eines Frequenzbefehls, der vom Kompensationsnetzwerk 96 empfangen wird, bestimmt wird. In einigen Beispielen kann das Ändern der Schaltfrequenz f_sw bewirken, dass ein Wert des Ausgangs des Stromfehlers e_I(t) durch den Summierpunkt 92 gegen null getrieben wird.
Die Steuerlogik des EVSE 16 kann ferner dazu konfiguriert sein, die Schaltkomponenten des DC/AC-Wechselrichters 54 gemäß einem vordefinierten Phasenverschiebungswinkel α zu betreiben. In einem Beispiel kann die Steuerlogik den Phasenverschiebungswinkel α des DC/AC-Wechselrichters 54 ändern, um das Ändern der Schaltfrequenz f_sw auf ein festgelegtes Band von Frequenzen zu begrenzen. Die Steuerlogik des EVSE 16 kann zum Beispiel den Phasenverschiebungswinkel α des DC/AC-Wechselrichters 54 ändern, um das Ändern der Schaltfrequenzen f_sw auf einen Bereich von Frequenzen von 81,3-90 kHz zu begrenzen, jedoch werden auch anderen Frequenzbereiche, -werte und -bänder berücksichtigt. Wie nachfolgend ausführlicher beschrieben, kann die Steuerlogik des EVSE 16 dazu konfiguriert sein, den Phasenverschiebungswinkel α des DC/AC-Wechselrichters 54 auf Grundlage der gleichgerichteten Netzleitungsspannung V_in und eines oder mehrerer Betriebsparameter, die dem Resonanznetzwerk 56 zwischen dem EVSE 16 und dem Fahrzeug 12 zugeordnet sind, zu ändern. Die Parameter, die dem Resonanznetzwerk 56 zugeordnet sind, können Parameter sein, wie etwa unter anderem Senderspuleninduktivität, Empfängerspuleninduktivität, Kopplungskoeffizient und so weiter.
Die Steuerlogik des EVSE 16 zum Beispiel kann dazu konfiguriert sein, als Eingang ein oder mehrere Signale von einer Vielzahl von Sensoren (nicht gezeigt) zu empfangen, wie etwa unter anderem Spannungssensoren, Stromsensoren und dergleichen, die auf einen oder mehrere Betriebsparameter, die dem Resonanznetzwerk 56 zugeordnet sind, hinweisen. Die Steuerlogik kann eine Spulenparameterschätzvorrichtung 100 beinhalten, die dazu konfiguriert ist, zum Beispiel auf Grundlage des Eingangs von der Vielzahl von Sensoren des Resonanznetzwerks 56 ein oder mehrere Signale auszugeben, die auf einen Kopplungskoeffizienten k zwischen der Sender- und der Empfängerspule 44, 46, die Senderspuleninduktivität L_p und die Empfängerspuleninduktivität L_s hinweisen. Während die Spulenparameterschätzvorrichtung 100 so beschrieben ist, dass sie ein Teil des EVSE 16 ist, versteht es sich, dass die Spulenparameterschätzvorrichtung 100 und deren Funktionen vollständig oder teilweise im Fahrzeug 12 bleiben. Außerdem, während die Spulenparameterschätzvorrichtung 100 so beschrieben ist, dass sie Signale sendet, die auf einen Kopplungskoeffizienten k, eine Senderspuleninduktivität L_p und eine Empfängerspuleninduktivität L_s hinweist, kann die Spulenparameterschätzvorrichtung 100 in einigen Beispielen zusätzlich oder alternativ andere Betriebsparameter, die dem Resonanznetzwerk 56 zugeordnet sind, senden, ob errechnet, vom Sensor angegeben oder auf Grundlage einer Kombination davon.
Als Reaktion auf ein Signal von der Spulenparameterschätzvorrichtung 100 kann die Steuerlogik des EVSE 16 eine Phasenverschiebungswinkel-Lookup-Tabelle 98 abfragen, um einen Phasenverschiebungswinkel α zu bestimmen, der einer Kombination aus der gleichgerichteten Netzleitungsspannung V_in und einem oder mehreren der empfangenen Betriebsparameter, die dem Resonanznetzwerk 56 zugeordnet sind, entspricht. Die Phasenverschiebungswinkel-Lookup-Tabelle 98 kann eine Vielzahl von Phasenverschiebungswinkeln α beinhalten, wobei jeder einer Kombination aus der gleichgerichteten Netzleitungsspannung V_in und eines oder mehrerer einer Vielzahl von Kopplungskoeffizienten k, Senderspuleninduktivitäten L_p und Empfängerspuleninduktivitäten L_s entspricht. Das Ändern der Phasenverschiebung α des DC/AC-Wechselrichters 54 auf Grundlage der Phasenverschiebungswinkel-Lookup-Tabelle 98 kann bewirken, dass der DC/AC-Wechselrichter 54 das Ändern der Schaltfrequenz f_sw auf ein festgelegtes Band (Bereich) von Frequenzen begrenzt. Die Steuerlogik des EVSE 16 kann den Phasenverschiebungswinkel α des DC/AC-Wechselrichters 54 gemäß einem Phasenverschiebungswinkel a, der aus der Phasenverschiebungswinkel-Lookup-Tabelle 98 resultiert, ändern. Das Ändern des Phasenverschiebungswinkels α des DC/AC-Wechselrichters 54 kann bewirken, dass der DC/AC-Wechselrichter 54 das Ändern der Schaltfrequenz f_sw auf ein festgelegtes Band von Frequenzen begrenzt, z. B. bewirken, dass der DC/AC-Wechselrichter 54 das Ändern der Schaltfrequenzen f_sw auf einen Bereich von Frequenzen von 81,3-90 kHz begrenzt.
In einigen Beispielen kann der DC/AC-Wechselrichter 54 zwei Paare von Schaltkomponenten beinhalten, wobei jedes Paar ferner eine Hauptschaltkomponente (Hauptschalter) und eine komplementäre Schaltkomponente (komplementäre Komponente) beinhaltet. Die Steuerlogik des EVSE 16 kann dazu konfiguriert sein, eine Schaltfrequenz f_sw zu ändern und/oder einen Phasenverschiebungswinkel α des DC/AC-Wechselrichters 54 durch Ausgeben eines Befehls, einen oder mehrere der Hauptschalter zu öffnen oder zu schließen, zu ändern. Die komplementäre Schaltkomponente kann jeweils einen Schalter definieren, der dazu konfiguriert ist, als Reaktion darauf, dass sich die Hauptschaltkomponente zwischen einem offenen Zustand und einem geschlossenen Zustand verändert, sich zu einem Zustand zu verändern, der entgegengesetzt (komplementär) zu einem Zustand der entsprechenden Hauptschaltkomponente ist.
Die Steuerlogik des EVSE 16 kann dazu konfiguriert sein, eine Schaltfrequenz f_sw zu ändern und/oder den Phasenverschiebungswinkel des DC/AC-Wechselrichters 54 durch Ausgeben eines Befehls, einen oder mehrere der Hauptschalter als Reaktion darauf, dass die Spannung des Hauptschalters einen vordefinierten Spannungsschwellenwert unterschreitet, zu öffnen oder zu schließen, zu ändern. In einem Beispiel kann die Steuerlogik des EVSE 16 einem ersten Hauptschalter befehlen, sich zu öffnen, und als Reaktion darauf, dass die Spannung des ersten Hauptschalters nach dem Öffnungsbefehl einen vordefinierten Spannungsschwellenwert unterschreitet, einem zweiten Hauptschalter befehlen, sich zu schließen. Die Steuerlogik zum Beispiel kann den Schließbefehl als Reaktion darauf, dass die Spannung des ersten Hauptschalters nach dem Öffnungsbefehl geringer als 20 % der Spannung ist, die zu einem Zeitpunkt der Ausgabe des Öffnungsbefehls am ersten Schalter gemessen wurde, an den zweiten Hauptschalter ausgeben.
Die Steuerlogik des EVSE 16 kann dazu konfiguriert sein, eine Schaltfrequenz f_sw zu ändern und/oder den Phasenverschiebungswinkel des DC/AC-Wechselrichters 54 durch Ausgeben eines Befehls, einen oder mehrere der Hauptschalter als Reaktion darauf, dass der Strom des Hauptschalters einen vordefinierten Stromschwellenwert unterschreitet, zu öffnen oder zu schließen, zu ändern. In einem Beispiel kann die Steuerlogik des EVSE 16 einem ersten Hauptschalter befehlen, sich zu schließen, und als Reaktion darauf, dass der Strom des ersten Hauptschalters nach dem Schließbefehl einen vordefinierten Stromschwellenwert unterschreitet, einem zweiten Hauptschalter befehlen, sich zu öffnen. Die Steuerlogik zum Beispiel kann den Öffnungsbefehl als Reaktion darauf, dass der Strom des ersten Hauptschalters nach dem Schließbefehl geringer als 20 % des Stroms ist, der zu einem Zeitpunkt der Ausgabe des Schließbefehls am ersten Schalter gemessen wurde, an den zweiten Hauptschalter ausgeben.
5B veranschaulicht ein beispielhaftes System 99 zum Bestimmen der Referenzkondensatorspannung V_0(ref). Das System 99 kann die Ladevorrichtung 40 des Fahrzeugs 12 beinhalten, die dazu konfiguriert ist, die Referenzkondensatorspannung V_0(ref) auf Grundlage eines oder mehrerer Betriebsparameter, die dem Resonanznetzwerk 56 zwischen dem EVSE 16 und dem Fahrzeug 12 zugeordnet ist, zu bestimmen. In einem Beispiel kann die Ladevorrichtung 40 dazu konfiguriert sein, eine Referenzspannungs-Lookup-Tabelle 101 abzufragen, um die Referenzkondensatorspannung V_0(ref), die einem oder mehreren der empfangenen Betriebsparameter, die dem Resonanznetzwerk 56 zugeordnet sind, entspricht, zu bestimmen. Die Referenzspannungs-Lookup-Tabelle 101 kann Referenzkondensatorspannungen V_0(ref) beinhalten, wobei jede einem oder mehrerer einer Vielzahl von Kopplungskoeffizienten k, Senderspuleninduktivitäten L_p und Empfängerspuleninduktivitäten L_s entspricht. Das Ändern einer Schaltfrequenz f_sw des DC/AC-Wechselrichters 54 auf Grundlage einer Referenzkondensatorspannung V_0(ref), die aus einem oder mehreren Betriebsparametern, die dem Resonanznetzwerk 56 zugeordnet sind, resultieren, können bewirken, dass der DC/AC-Wechselrichter 54 arbeitet, um eine Spannung des Energiespeicherkondensators 68 der fahrzeuginternen Batterieladevorrichtung 64 des Fahrzeugs 12 zu einem konstanten Wert zu treiben.
Unter Bezugnahme auf 6 ist ein beispielhaftes Schaltdiagramm 104, das eine integrierte drahtlose Ladevorrichtung für ein Fahrzeug 12 veranschaulicht, gezeigt. Das EVSE 16 empfängt elektrische AC-Netzleitungsenergie von einer Leistungsquelle, wie etwa unter anderem einem Stromversorgungsgenerator, und so weiter. Der EVSE-Gleichrichter 50 kann eine Vielzahl von Dioden 105a-d beinhalten und kann dazu konfiguriert sein, AC-Eingangsspannung, die von der AC-Leistungsquelle empfangen wird, in DC-Ausgangsspannung gleichzurichten, d. h. umzuwandeln, um die Antriebsbatterie 14 zu laden. In einem Beispiel können die Dioden 105a-d paarweise in Reihe verbunden sein, sodass die Dioden 105b und 105c während eines positiven halben Zyklus der variierenden Eingangsspannung leiten, während die Dioden 105a und 105d in Sperrrichtung vorgespannt sind, und sodass die Dioden 105a und 105d während eines negativen halben Zyklus leiten und die Dioden 105b und 105c in Sperrrichtung vorgespannt sind. In einigen Fällen kann der EVSE-Gleichrichter 50 ferner einen Filterkondensator 106 beinhalten, der dazu konfiguriert ist, das Ausgangssignal, das von den Dioden 105a-d generiert wird, zu glätten.
Der gleichgerichtete Netzleitungsspannungs- und -stromsignalausgang des EVSE-Gleichrichters 50 kann als Eingang zum DC/AC-Wechselrichter 54 dienen, wie zum Beispiel unter Bezugnahme auf 5A beschrieben. Der DC/AC-Wechselrichter 54 umfasst eine Vielzahl von Hochfrequenzschaltern 108a-d. Die Schalter 108a-d können Halbleitervorrichtungen sein, z. B. Metalloxid-Halbleiter-Feldeffekt-Transistor (metaloxide semiconductor field-effect transistor - MOSFET), Bipolartransistoren mit isolierter Gate-Elektrode (insulated gate bipolar transistor - IGBT), Bipolartransistor (bipolar junction transistor - BJT) und so weiter, die in einer Vollbrückenkonfiguration angeordnet sind. Die Steuerlogik des EVSE 16 kann dazu konfiguriert sein, eine Schaltfrequenz f_sw der Schalter 108a-d zu ändern, um zu bewirken, dass der DC/AC-Wechselrichter 54 eine Spannung, z. B. Ausgangsspannung V_out 102, des Energiespeicherkondensators 68 der fahrzeuginternen Ladevorrichtung 64 zu einem konstanten Wert treibt. Die Steuerlogik des EVSE 16 kann ferner dazu konfiguriert sein, die Schaltfrequenz f_sw der Schalter 108a-d zu ändern, um die gleichgerichtete Netzleitungseingangsspannung V_in und den gleichgerichteten Netzleitungseingangsstrom I_in zu synchronisieren, wie etwa, um zu bewirken, dass der DC/AC-Wechselrichter 54 arbeitet, um eine Phase des gleichgerichteten Netzleitungseingangsstroms I_in zu einer Phase der gleichgerichteten Netzleitungseingangsspannung V_in zu treiben.
Die Steuerlogik des EVSE 16 kann ferner dazu konfiguriert sein, die Schaltfrequenz f_sw der Schalter 108a-d auf Grundlage von einem oder mehreren Parametern, die dem Fahrzeug 12 zugeordnet sind, wie etwa unter anderem Ladungsspannungsdaten, die vom Fahrzeug 12 empfangen werden, zu ändern. Bei den Ladungsspannungsdaten kann es sich um Ausgangsspannung V_out 102 handeln, die bereits vom Gleichrichter 62 des Fahrzeugs 12 ausgegeben wurde, oder Daten, die davon abgeleitet sind. Die Steuerlogik des EVSE 16 kann dazu konfiguriert sein, die Schaltfrequenz f_sw der Schalter 108a-d auf Grundlage der Rückkopplungsschleifen zu ändern, wie zum Beispiel unter Bezugnahme auf mindestens 5A beschrieben ist.
In einem anderen Beispiel kann die Steuerlogik des EVSE 16 dazu konfiguriert sein, einen Phasenverschiebungswinkel α der Schalter 108a-d auf Grundlage der gleichgerichteten Netzleitungsspannung V_in und eines oder mehrerer Betriebsparameter, die dem Resonanznetzwerk 56 zugeordnet sind, wie etwa unter anderem Senderspuleninduktivität L_p, Empfängerspuleninduktivität L_s, eines Kopplungskoeffizienten k und so weiter, zu ändern. Das Ändern des Phasenverschiebungswinkels α der Schalter 108a-d auf Grundlage der gleichgerichteten Netzleitungsspannung V_in und der Betriebsparameter des Resonanznetzwerks 56 kann das Ändern der Schaltfrequenz f_sw auf ein festgelegtes Band (Bereich) von Frequenzen begrenzen. Der DC/AC-Wechselrichter 54 kann dazu konfiguriert sein, die Versorgungsspannung V_S und den Versorgungsstrom I_S, die das Resonanznetzwerk 56 mit Strom versorgen, auszugeben.
Das Resonanznetzwerk 56 beinhaltet das Senderkompensationsnetzwerk 58 des EVSE 16, das am Eingang der Senderspule 44 angeordnet ist, und das Empfängerkompensationsnetzwerk 60 des Fahrzeugs 12, das am Ausgang der Empfängerspule 46 angeordnet ist. Die Kompensationsnetzwerke 58, 60 können eine Vielzahl von reaktiven Komponenten beinhalten, z. B. Induktoren und/oder Kondensatoren, die dazu konfiguriert sind, die Leistungsübertragung zu maximieren und/oder die Effizienz der Leistungsübertragung zwischen dem EVSE 16 und dem Fahrzeug 12 zu maximieren. In einem Beispiel können die Kompensationsnetzwerke 58, 60 Impedanzanpassungsnetzwerke sein, die dazu konfiguriert sind, die Quellimpedanz und die Eingangsimpedanz anzupassen.
Der Fahrzeugleistungsgleichrichter 62 beinhaltet eine Vielzahl von Gleichrichterdioden 110a-d, die in einer Vollbrückenanordnung am Ausgang des Empfängerkompensationsnetzwerk 60 des Resonanznetzwerks 56 angeordnet ist. Die Gleichrichterdioden 110a-d können dazu konfiguriert sein, den AC-Leistungsausgang durch das Empfängerkompensationsnetzwerk 60 in DC-Eingang, der mit der Antriebsbatterie 14 kompatibel ist, gleichzurichten, d. h. umzuwandeln. In einigen Beispielen kann die Schaltung 104 ferner einen elektromagnetischen Interferenzfilter (nicht gezeigt) beinhalten, der zum Beispiel einen oder mehrere Induktoren und Kondensatoren definiert, die in einer Tiefpassfilterkonfiguration angeordnet sind und dazu konfiguriert sind, Stromwelligkeitsausgang durch die Gleichrichterdioden 110a-d zu reduzieren.
Als Reaktion auf das Erkennen von Ausgangsspannung V_out 102, die von dem Fahrzeugleistungsgleichrichter 62 generiert wird, kann die Ladevorrichtung 40 des Fahrzeugs 12 dazu konfiguriert sein, die Stärke eines Referenzeingangsstroms |I_in(ref)| zu bestimmen. Die Ladevorrichtung 40 kann ferner dazu konfiguriert sein, die Stärke des Referenzeingangsstroms |I_in(ref)| an das EVSE 16 mithilfe des drahtlosen Senders 84 des Fahrzeugs 12 zu senden, wie zum Beispiel unter Bezugnahme auf 5A beschrieben.
In 7 ist ein beispielhaftes Schaltdiagramm 112 gezeigt, das ein integriertes drahtloses Ladesystem für die fahrzeuginterne Ladevorrichtung des Fahrzeugs 12 veranschaulicht. In einem Beispiel kann die Schaltung 112 eine oder mehrere Leistungsstufen der fahrzeuginternen Ladevorrichtung 64 veranschaulichen, wie unter Bezugnahme auf 4 beschrieben. Die Schaltung 112 empfängt elektrische Energie von einer AC-Leistungsquelle, zum Beispiel über den Ladeanschluss 18 des Fahrzeugs 12. Während in 7 nicht veranschaulicht, kann die Schaltung 112 eine Vorladungsschaltung mit einem Vorladungskontakt beinhalten, der in Reihe mit einem Vorladungswiderstand verbunden ist und dazu konfiguriert ist, den Bestromungsprozess von einer oder mehreren Klemmen der Antriebsbatterie 14 zu steuern. Die Vorladungsschaltung kann parallel mit einem positiven Hauptkontakt elektrisch verbunden sein, sodass, wenn der Vorladungskontakt geschlossen ist, der positive Hauptkontakt geöffnet werden kann und der negative Hauptkontakt geschlossen werden kann, wodurch ermöglicht wird, dass elektrische Energie durch die Vorladungsschaltung strömt, wodurch ein Bestromungsprozess der positiven Klemme der Antriebsbatterie 14 gesteuert wird.
Die Schaltung 112 kann den Fahrzeugleistungsgleichrichter 66 beinhalten, der dazu konfiguriert ist, Niederfrequenz-AC-Eingangsspannung, die von der AC-Leistungsquelle empfangen wird, in DC-Ausgangsspannung gleichzurichten, d. h. umzuwandeln, um die Antriebsbatterie 14 aufzuladen. In einem Beispiel kann der Gleichrichter 66 eine Vielzahl von Dioden 114a-d beinhalten, die paarweise in Reihe verbunden sind, sodass die Dioden 114b und 114c während eines positiven halben Zyklus der Eingangsspannung leiten, während die Dioden 114a und 114d in Sperrrichtung vorgespannt sind, und sodass die Dioden 114a und 114d während eines negativen halben Zyklus leiten und die Dioden 114b und 114c in Sperrrichtung vorgespannt sind.
Die PFC-Schaltung 67 der Schaltung 112 kann dazu konfiguriert sein, Eingangsstromoberwellen, wie etwa Eingangsstromwelligkeitsamplitude, zu reduzieren, wodurch ein Leistungsfaktor verbessert und die Effizienz des Ladeprozesses erhöht werden. In einem Beispiel ist die PFC-Schaltung 67 ein zweizelliger verschachtelter Aufwärtswandler. Die PFC-Schaltung 67 beinhaltet Induktoren 116a-b, Hochfrequenzschalter 118a-b und Dioden 120a-b. Bei den Schaltern 118a-b kann es sich um einen oder mehrere Halbleiterschalter handeln, wie etwa MOSFET, IGBT, BJT und so weiter. In einem Beispiel kann es sich bei den Schaltern 118a-b um N-Kanal-MOSFETs vom Verarmungstyp handeln.
Wenn sich die Schalter 118a-b in einer geschlossenen Position befinden, generiert die elektrische Energie, die durch einen entsprechenden der Induktoren 116a-b strömt, ein magnetisches Feld, wodurch bewirkt wird, dass der Induktor Energie speichert. Wenn sich die Schalter 118a-b in einer offenen Position befinden, lädt der entsprechender Induktoren 116a-b den Filterkondensator 130 über eine entsprechende der Dioden 120a-b. In einem Beispiel kann das Phasenverschieben der Anschalt- und Ausschaltbefehl, die an jeden der Schalter 118a-b ausgegeben werden, Welligkeit im Ausgangsstrom der Induktoren 116a-b reduzieren.
Der Filterkondensator 130 stellt einer nächsten Leistungsstufe der Schaltung 112 elektrische Energie bereit, wenn einer der Schalter 118a-b geschlossen ist. In einem Beispiel ermöglicht die Phasenverschiebung, die zwischen Anschalt- und Ausschaltbefehlen durch die Ladevorrichtung 40 an jedem der Schalter 118a-b eingesetzt wird, dem Filterkondensator 130, eine im Wesentlichen konstante Ausgangsspannung zum Eingang zum Energiespeicherkondensator 68 zu erzeugen. In ihrem in Sperrrichtung vorgespannten Zustand zu einem Zeitpunkt, wenn ein entsprechender der Schalter geschlossen ist, verlangsamen die Dioden 120a-b eine Entladung des Energiespeicherkondensators 68.
Der DC/AC-Wechselrichter 70 kann dazu konfiguriert sein, Leistung zu einem reaktiven Kompensationsnetzwerk 72 zu übertragen, das eine galvanische Trennung zwischen der AC-Leistungsquelle und der Antriebsbatterie 14 bereitstellt. Der DC/AC-Wechselrichter 70 umfasst einen Kondensator 68 und eine Vielzahl von Hochfrequenzschaltern 134a-d. Der Energiespeicherkondensator 68 kann mit einer integrierten drahtlosen Ladevorrichtung verbunden 150 sein, wie etwa einer integrierten drahtlosen Ladevorrichtung, die keine Leistungsfaktorverbesserungsschaltung zwischen dem Energiespeicherkondensator 68 und dem Netzleitungseingang zum EVSE-Gleichrichter 50 aufweist, wie zum Beispiel unter Bezugnahme auf die 5A-5B und 6 beschrieben. Die Spannung des Energiespeicherkondensators 68, die von der integrierten drahtlosen Ladevorrichtung empfangen wird, kann im Wesentlichen konstant sein.
Die Vielzahl von Schaltern 134a-d, z. B. MOSFETs, IGBTs und/oder BJTs, kann in einer Vollbrückenkonfiguration auf einer primären Seite 136a eines Transformators des reaktiven Kompensationsnetzwerks 72 angeordnet sein. Die Ladevorrichtung 40 kann dazu konfiguriert sein, der Vielzahl von Hochfrequenzschaltern 134a-d zu befehlen, sich an- und auszuschalten, sodass die Schalter 134a, 134c bei einem vordefinierten Arbeitszyklus und einer vordefinierten Phasenverschiebung in Bezug aufeinander geschaltet werden und die Schalter 134b, 134d außerdem bei einem vordefinierten Arbeitszyklus und einer vordefinierten Phasenverschiebung in Bezug aufeinander und in Bezug auf die Schalter 134a, 134c geschaltet werden.
Das reaktive Kompensationsnetzwerk 72 beinhaltet ferner Kondensatoren 138 und 140, die auf einer sekundären Seite 136b des Transformators angeordnet sind und dazu konfiguriert sind, Oberwellen und/oder reaktiven Leistungsverbrauch des Transformators auszugleichen, wodurch ein Resonanzbetrieb des Transformators mit Kapazität der Schalter 134a-d bereitgestellt wird und das Nullspannungsschalten (zero voltage switching - ZVS) erleichtert wird.
Der Gleichrichter 74 beinhaltet eine Vielzahl von Gleichrichterdioden 142a-d, die in einer Vollbrückenkonfiguration auf einer sekundären Seite 100b des Transformators des reaktiven Kompensationsnetzwerks 72 angeordnet sind. Die Gleichrichterdioden 142a-d können dazu konfiguriert sein, den AC-Leistungsausgang durch den Transformator in DC-Eingang, der mit der Antriebsbatterie 14 kompatibel ist, gleichzurichten, d. h. umzuwandeln. Der Ausgang des Gleichrichters 74 kann in einem Beispiel zur Antriebsbatterie 14 des Fahrzeugs 12 geleitet werden. In einigen Beispielen kann der Ausgang des Gleichrichters 74, bevor er zur Antriebsbatterie 14 geleitet wird, an einem EMI-Filter (nicht gezeigt) empfangen werden, der einen oder mehrere Induktoren und Kondensatoren definiert, die in einer Tiefpassfilterkonfiguration angeordnet sind, um den Stromwelligkeitsausgang durch die Gleichrichterdioden 142a-d zu reduzieren.
Unter Bezugnahme auf 8 ist ein beispielhafter Prozess 152 zum Laden der Antriebsbatterie 14 mithilfe eines integrierten Ladesystems gezeigt. Der Prozess 152 kann bei Block 154 beginnen, wo die Steuerlogik des EVSE 16 ein Signal empfängt, das auf eine Anforderung hinweist, drahtloses Laden bereitzustellen. In einem Beispiel empfängt das EVSE 16 in Kommunikation mit dem Fahrzeug 12 eine Anforderung von der Ladevorrichtung 40 des Fahrzeugs 12, um Energie mithilfe eines integrierten drahtlosen Ladesystems zu übertragen.
Die Steuerlogik des EVSE 16 bestimmt bei Block 156, ob eine Stärke des Referenzeingangsstroms |I_in(ref)| vom Fahrzeug 12 empfangen wurde. In einem Beispiel kann die Ladevorrichtung 40 des Fahrzeugs 12 dazu konfiguriert sein, die Stärke des Referenzeingangsstroms |I_in(ref)| auf Grundlage der erkannten Ausgangsspannung V_out 102 zu bestimmen und die bestimmte Stärke zum EVSE 16 zu senden. Die Ladevorrichtung 40 kann ferner dazu konfiguriert sein, die Stärke des Referenzeingangsstroms |I_in(ref)| auf Grundlage eines Spannungsfehlers e_v(t) zwischen der Ausgangsspannung V_out 102 und einer Referenzeingangsspannung V_0(ref) zu bestimmen. Bei Block 158 sendet die Steuerlogik des EVSE 16 ein Signal an das Fahrzeug 12, das auf eine Anforderung hinweist, Stärke des Referenzeingangsstroms |I_in(ref)| als Reaktion auf das Bestimmen bei Block 156, dass die Stärke des Referenzeingangsstroms |I_in(ref)| nicht empfangen wurde, bereitzustellen.
Bei Block 160 ändert die Steuerlogik des EVSE 16 die Schaltfrequenz f_sw des DC/AC-Wechselrichters 54 auf Grundlage einer vordefinierten Schaltfrequenz f_sw als Reaktion auf das Bestimmen bei Block 156, dass die Stärke des Referenzeingangsstroms |I_in(ref)| empfangen wurde. Die Steuerlogik kann zum Beispiel eine Schaltfrequenz f_sw, die auf einen oder mehrere Schalter des DC/AC-Wechselrichters 54 angewandt wird, gemäß einem Frequenzbefehl, der von einem Stromfehler e_I(t) zwischen dem zeitlich veränderlichen Referenzeingangsstrom I_in(ref) und dem gleichgerichteten Netzleitungseingangsstrom I_in abgeleitet wird, ändern.
Die Steuerlogik des EVSE 16 bestimmt bei Block 162, ob die gleichgerichtete Netzleitungsspannung V_in und der eine oder die mehreren Betriebsparameter, die dem Resonanznetzwerk 56 zugeordnet sind, empfangen wurden. In einem Beispiel kann die Steuerlogik dazu konfiguriert sein, einen oder mehrere Signale zu empfangen, die auf einen Kopplungskoeffizienten k zwischen der Sender- und der Empfängerspule 44, 46, eine Senderspuleninduktivität L_p und einer Empfängerspuleninduktivität L_s hinweisen. Bei Block 164 überwacht die Steuerlogik einen oder mehrere Signale, die auf eine gleichgerichtete Netzleitungsspannung V_in und einen oder mehrere Spulenbetriebsparameter hinweisen, als Reaktion auf das Bestimmen bei Block 162, dass die gleichgerichtete Netzleitungsspannung V_in und/oder ein oder mehrere Spulenbetriebsparameter nicht empfangen wurden.
Bei Block 166 ändert die Steuerlogik des EVSE 16 einen Phasenverschiebungswinkel α des DC/AC-Wechselrichters 54 auf Grundlage eines vordefinierten Phasenverschiebungswinkels α. In einem Beispiel steuert die Steuerlogik die eine oder die mehreren Schaltkomponenten des DC/AC-Wechselrichters 54, um einen Phasenverschiebungswinkel α zu ändern, um das Ändern einer Schaltfrequenz des DC/AC-Wechselrichters 54 auf einen vordefinierten festgelegten Bereich von Frequenzen zu begrenzen. In einem anderen Beispiel kann die Steuerlogik einen Phasenverschiebungswinkel α vom Ausgang der gleichgerichteten Netzleitungsspannung V_in durch den EVSE-Gleichrichter 50 und einen oder mehrere Betriebsparameter, die dem Resonanznetzwerk 56 zugeordnet sind, ableiten.
Die Steuerlogik des EVSE 16 bestimmt, ob das drahtlose Laden des Fahrzeugs 12 bei Block 168 abgeschlossen wurde. In einem Beispiel kann die Steuerlogik dazu konfiguriert sein, ein oder mehrere Signale vom Fahrzeug 12 zu empfangen, das auf eine Anforderung hinweist, die drahtlose Ladungsübertragung zu beenden. Als Reaktion auf das Bestimmen bei Block 168, dass das drahtlose Laden des Fahrzeugs 12 nicht abgeschlossen wurde, kehrt die Steuerlogik des EVSE 16 zu Block 156 zurück. Der Prozess 152 kann als Reaktion darauf, dass die Steuerlogik bei Block 168 bestimmt, dass das drahtlose Laden des Fahrzeugs 12 abgeschlossen wurde, enden. In einigen Beispielen kann der Prozess 152 als Reaktion auf das Empfangen eines Signals, das auf eine Anforderung hinweist, drahtloses Laden bereitzustellen, oder als Reaktion auf ein anderes Signal oder eine andere Anforderung wiederholt werden.
Die hier offenbarten Prozesse, Verfahren oder Algorithmen können einer Verarbeitungsvorrichtung, einer Steuerung oder einem Computer zuführbar sein oder davon umgesetzt werden, die bzw. der eine bestehende programmierbare elektronische Steuereinheit oder eine dedizierte elektronische Steuereinheit aufweisen kann. Gleichermaßen können die Prozesse, Verfahren oder Algorithmen als Daten und Anweisungen gespeichert sein, die von einer Steuerung oder einem Computer in vielen Formen, einschließlich unter anderem Informationen, die permanent auf nicht beschreibbaren Speichermedien, wie etwa ROM-Vorrichtungen, gespeichert sind, und Informationen, die veränderbar auf beschreibbaren Speichermedien, wie etwa Disketten, Magnetbändern, CDs, RAM-Vorrichtungen und sonstigen magnetischen und optischen Medien, gespeichert sind, ausgeführt werden können. Die Prozesse, Verfahren und Algorithmen können auch in einem von Software ausführbaren Objekt umgesetzt sein. Alternativ können die Vorgänge, Verfahren oder Algorithmen ganz oder teilweise unter Verwendung geeigneter Hardwarekomponenten, wie etwa anwendungsspezifischer integrierter Schaltungen (Application Specific Integrated Circuits - ASICs), feldprogrammierbarer Gate-Anordnungen (Field-Programmable Gate Arrays - FPGAs), Zustandsmaschinen, Steuerungen oder sonstiger Hardwarekomponenten oder Vorrichtungen oder einer Kombination aus Hardware-, Software- und Firmwarekomponenten, ausgeführt sein.
Bei den in der Beschreibung verwendeten Ausdrücken handelt es sich um beschreibende und nicht um einschränkende Ausdrücke, und es versteht sich, dass verschiedene Änderungen vorgenommen werden können, ohne vom Geist und Umfang der Offenbarung abzuweichen. Wie zuvor beschrieben, können die Merkmale verschiedener Ausführungsformen miteinander kombiniert werden, um weitere Ausführungsformen der Erfindung zu bilden, die unter Umständen nicht ausdrücklich beschrieben oder veranschaulicht sind. Wenngleich verschiedene Ausführungsformen gegenüber anderen Ausführungsformen oder Umsetzungen nach dem Stand der Technik hinsichtlich einer oder mehrerer gewünschter Eigenschaften als vorteilhaft oder bevorzugt beschrieben sein können, erkennt ein Durchschnittsfachmann, dass ein oder mehrere Merkmale oder eine oder mehrere Eigenschaften in Frage gestellt werden können, um die gewünschten Gesamtattribute des Systems zu erreichen, die von der konkreten Anwendung und Umsetzung abhängig sind. Diese Attribute können Folgendes einschließen: Kosten, Festigkeit, Lebensdauer, Lebenszykluskosten, Marktfähigkeit, Erscheinungsbild, Verpackung, Größe, Betriebsfähigkeit, Gewicht, Herstellbarkeit, bequeme Montage usw., sind jedoch nicht darauf beschränkt. Von daher liegen Ausführungsformen, welche in Bezug auf eine oder mehrere Eigenschaften als weniger wünschenswert als andere Ausführungsformen oder Umsetzungen nach dem Stand der Technik beschrieben werden, nicht außerhalb des Schutzumfangs der Offenbarung und können für bestimmte Anwendungen wünschenswert sein.

Claims

Ladesystem, umfassend: einen Wechselrichter, der dazu konfiguriert ist, gleichgerichtete/n Netzleitungsspannung und -strom aufzunehmen, um eine Primärspule mit Energie zu versorgen, um Ladestrom in eine Sekundärspule eines Fahrzeugs zu induzieren; und eine Steuerung, die dazu konfiguriert ist, eine Schaltfrequenz des Wechselrichters auf Grundlage von Ladespannungsdaten vom Fahrzeug zu ändern, um zu veranlassen, dass der Wechselrichter arbeitet, um eine Spannung eines Energiespeicherkondensators einer Batterieladevorrichtung des Fahrzeugs zu einem konstanten Wert zu treiben.
System nach Anspruch 1, wobei das Ändern der Frequenz ferner veranlasst, dass der Wechselrichter arbeitet, um eine gleichgerichtete Netzeingangsstromphase zu einer gleichgerichteten Netzleitungsspannungsphase zu treiben.
System nach Anspruch 1, wobei die Steuerung ferner dazu konfiguriert ist, einen Phasenverschiebungswinkel des Wechselrichters zu ändern, um das Ändern der Frequenz auf ein festgelegtes Band von Frequenzen zu begrenzen.
System nach Anspruch 3, wobei das Ändern des Phasenverschiebungswinkels auf einem einer Primärspuleninduktivität, einer Sekundärspuleninduktivität und eines Kopplungskoeffizienten zwischen der Primär- und der Sekundärspule beruht.
System nach Anspruch 3, wobei der Wechselrichter zwei Hauptschalter beinhaltet, die dazu konfiguriert sind, sich als Reaktion auf einen Befehl von der Steuerung zu öffnen und zu schließen, und wobei das Ändern des Phasenverschiebungswinkels Ändern eines Zeitraums zwischen Ausgeben von aufeinanderfolgenden Schließbefehlen an die Hauptschalter beinhaltet.
System nach Anspruch 1, wobei der Wechselrichter zwei Hauptschalter beinhaltet, die dazu konfiguriert sind, sich als Reaktion auf einen Befehl von der Steuerung zu öffnen und zu schließen, und wobei das Ändern der Frequenz nach dem Ausgeben eines Befehls, einen Schalter zu öffnen, Ausgeben eines Befehls, einen anderen Schalter zu schließen, als Reaktion darauf, dass die Spannung am Schalter, dessen Öffnen befohlen wird, einen vordefinierten Schwellenwert unterschreitet, beinhaltet.
System nach Anspruch 1, wobei der Wechselrichter zwei Hauptschalter beinhaltet, die dazu konfiguriert sind, sich als Reaktion auf einen Befehl von der Steuerung zu öffnen und zu schließen, und wobei das Ändern der Frequenz nach dem Ausgeben eines Befehls, einen Schalter zu schließen, Ausgeben eines Befehls, einen anderen Schalter zu öffnen, als Reaktion darauf, dass der Strom am Schalter, dessen Schließen befohlen wird, einen vordefinierten Schwellenwert unterschreitet, beinhaltet.
Verfahren für ein Fahrzeug, umfassend: Ändern einer Schaltfrequenz eines Wechselrichters durch eine Steuerung auf Grundlage von Ladespannungsdaten vom Fahrzeug, um zu veranlassen, dass der Wechselrichter arbeitet, um eine Spannung eines Energiespeicherkondensators einer Batterieladevorrichtung des Fahrzeugs zu einem konstanten Wert zu treiben, wobei der Wechselrichter dazu konfiguriert ist, gleichgerichtete/n Netzleitungsspannung und -strom aufzunehmen, um eine Primärspule mit Energie zu versorgen, um Ladestrom in eine Sekundärspule des Fahrzeugs zu induzieren.
Verfahren nach Anspruch 8, wobei das Ändern der Frequenz ferner veranlasst, dass der Wechselrichter arbeitet, um eine Eingangsstromphase des Wechselrichters zu einer gleichgerichteten Netzleitungsspannungsphase zu treiben.
Verfahren nach Anspruch 8, ferner umfassend Ändern eines Phasenverschiebungswinkels des Wechselrichters, um das Ändern der Frequenz auf ein festgelegtes Band von Frequenzen zu begrenzen.
Verfahren nach Anspruch 10, wobei das Ändern des Phasenverschiebungswinkels auf einem einer Primärspuleninduktivität, einer Sekundärspuleninduktivität und eines Kopplungskoeffizienten zwischen der Primär- und der Sekundärspule beruht.
Verfahren nach Anspruch 10, wobei der Wechselrichter zwei Hauptschalter beinhaltet, die dazu konfiguriert sind, sich als Reaktion auf einen Befehl von der Steuerung zu öffnen und zu schließen, und wobei das Ändern des Phasenverschiebungswinkels Ändern eines Zeitraums zwischen Ausgeben von aufeinanderfolgenden Schließbefehlen an die Hauptschalter beinhaltet.
Verfahren nach Anspruch 8, wobei der Wechselrichter zwei Hauptschalter beinhaltet, die dazu konfiguriert sind, sich als Reaktion auf einen Befehl von der Steuerung zu öffnen und zu schließen, und wobei das Ändern der Frequenz nach dem Ausgeben eines Befehls, einen Schalter zu öffnen, Ausgeben eines Befehls, einen anderen Schalter zu schließen, als Reaktion darauf, dass die Spannung am Schalter, dessen Öffnen befohlen wird, unter einen vordefinierten Schwellenwert fällt, beinhaltet.
Verfahren nach Anspruch 8, wobei der Wechselrichter zwei Hauptschalter beinhaltet, die dazu konfiguriert sind, sich als Reaktion auf einen Befehl von der Steuerung zu öffnen und zu schließen, und wobei das Ändern der Frequenz nach dem Ausgeben eines Befehls, einen Schalter zu schließen, Ausgeben eines Befehls, einen anderen Schalter zu öffnen, als Reaktion darauf, dass der Strom am Schalter, dessen Schließen befohlen wird, unter einen vordefinierten Schwellenwert fällt, beinhaltet.
System für ein Fahrzeug, umfassend: eine Antriebsbatterie; und einen Energiespeicherkondensator, der dazu konfiguriert ist, Ladestrom für die Batterie zu übertragen, wobei der Kondensator zwischen der Batterie und sowohl einem Plugin-Ladeanschluss, der dazu konfiguriert ist, den leitend gelieferten Ladestrom aufzunehmen, als auch einer Fahrzeugspule, die dazu konfiguriert ist, den Ladestrom als Reaktion darauf, dass sie sich in der Nähe einer Quellspule befindet, zu generieren, verbunden ist.