DE102018100472A1

DE102018100472A1 - Elektrisches antriebssystem für elektrisches fahrzeug

Info

Publication number: DE102018100472A1
Application number: DE102018100472.9A
Authority: DE
Inventors: Fazal Urrahman Syed; Shailesh Shrikant Kozarekar
Original assignee: Ford Global Technologies LLC
Current assignee: Ford Global Technologies LLC
Priority date: 2017-01-13
Filing date: 2018-01-10
Publication date: 2018-07-19
Also published as: US20180205341A1; CN108297701A; CN108297701B; US10128786B2

Abstract

Ein Fahrzeug kann einen Wechselrichter, einen an den Wechselrichter gekoppelten Motor und eine Antriebsbatterie beinhalten, die an den Wechselrichter gekoppelt ist und eine Klemmenspannung aufweist, die gleich einer Schienenspannung zwischen Schienen des Wechselrichters ist, so dass die Schienenspannung unreguliert ist. Das Fahrzeug kann außerdem einen Spannungswandler, der konfiguriert ist, um die Klemmenspannung unter einen Zwischenbus-Spannungsschwellenwert an einem Zwischenbus zu reduzieren, und einen Zusatzwandler, der konfiguriert ist, um Leistung vom Zwischenbus aufzunehmen, um Zusatzverbraucher zu versorgen, beinhalten.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Offenbarung betrifft elektrische Antriebssysteme für Fahrzeuge.
ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
Elektrische Fahrzeuge beinhalten eine elektrische Maschine für die Erzeugung von Elektrizität und für den Vorschub. Die elektrischen Maschinen können einen Wechselrichter aufweisen, um Gleichstrom in Wechselstrom, der von der elektrischen Maschine benötigt wird, umzuwandeln. Eine Hochspannungs- oder Antriebsbatterie kann Elektrizität zu der elektrischen Antriebsmaschine oder dem elektrischen Antriebsmotor zuführen. Der Wechselrichter kann einen Aufwärtswandler beinhalten, um die Spannung der mit dem Wechselrichter verbundenen Schienen zu erhöhen, um die von der Batterie zugeführte Wechselrichterspannung aufrechtzuerhalten.
KURZDARSTELLUNG
Ein Fahrzeug kann einen Wechselrichter, einen an den Wechselrichter gekoppelten Motor und eine Antriebsbatterie beinhalten, die an den Wechselrichter gekoppelt ist und eine Klemmenspannung aufweist, die gleich einer Schienenspannung zwischen Schienen des Wechselrichters ist, so dass die Schienenspannung unreguliert ist. Das Fahrzeug kann außerdem einen Spannungswandler, der konfiguriert ist, um die Klemmenspannung unter einen Zwischenbus-Spannungsschwellenwert an einem Zwischenbus zu reduzieren, und einen Zusatzwandler, der konfiguriert ist, um Leistung vom Zwischenbus aufzunehmen, um Zusatzverbraucher zu versorgen, beinhalten.
Ein elektrisches Verteilungssystem des Fahrzeugs kann einen Halbbrücken-Abwärtswandler beinhalten, der konfiguriert ist, um Leistung von einer Antriebsbatterie aufzunehmen, die elektrisch an eine Wechselrichterschiene gekoppelt sein kann und eine Klemmenspannung aufweisen kann, die gleich einer Spannung der Wechselrichterschiene ist, und die Klemmenspannung auf eine Zwischenbusspannung herunterzutransformieren, die Leistung zu einem Zusatzspannungsregler zuführt, der konfiguriert sein kann, um eine Zusatzbusspannung eines Zusatzbusses aufrechtzuerhalten.
Ein Verfahren kann von einer Steuerung eines Fahrzeugs durchgeführt werden und kann die folgenden Schritte beinhalten: Betätigen von Schaltern eines Spannungswandlers, um eine Klemmenspannung einer Antriebsbatterie zu reduzieren, um einen Zwischenbus zu versorgen, Betätigen von Schaltern eines Wechselrichters, der eine unregulierte Spannung von einer Antriebsbatterie aufnimmt, die gleich der Klemmenspannung der Batterie ist, um eine elektrische Maschine anzutreiben, und Betätigen von Schaltern eines Zusatzwandlers, um eine Zwischenspannung des Zwischenbusses zu reduzieren, um Zusatzverbraucher zu versorgen.
Figurenliste

1 ist eine Übersicht über ein Hybrid-Elektrofahrzeug mit einer Leistungsverzweigungskonfiguration; und
2 ist eine schematische Ansicht eines elektrischen Antriebs für das Hybrid-Elektrofahrzeug mit einem Abwärtswandler.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung werden hier beschrieben. Es ist versteht sich jedoch, dass die offenbarten Ausführungsformen lediglich Beispiele darstellen und andere Ausführungsformen verschiedene und alternative Formen annehmen können. Die Figuren sind nicht zwingend maßstabsgetreu; einige Merkmale können stark vergrößert oder verkleinert dargestellt sein, um Einzelheiten von bestimmten Komponenten zu zeigen. Dementsprechend sind hierin offenbarte konkrete bauliche und funktionelle Einzelheiten nicht als einschränkend auszulegen, sondern lediglich als repräsentative Basis, um einen Fachmann eine vielfältige Verwendung der vorliegenden Erfindung zu lehren. Wie der Fachmann verstehen wird, können verschiedene Merkmale, die dargestellt und unter Bezugnahme auf beliebige der Figuren beschrieben werden, mit Merkmalen kombiniert werden, die in einer oder mehreren anderen Figuren dargestellt sind, um Ausführungsformen zu erzeugen, die nicht ausdrücklich dargestellt oder beschrieben sind. Die Kombinationen von dargestellten Merkmalen stellen repräsentative Ausführungsformen für typische Anwendungen bereit. Verschiedene Kombinationen und Modifikationen der Merkmale, welche mit den Lehren dieser Offenbarung übereinstimmen, können jedoch für bestimmte Anwendungen oder Umsetzungen erwünscht sein.
Hybridfahrzeuge und elektrische Fahrzeuge weisen elektrische Antriebssysteme auf, um den elektrischen Maschinen Leistung bereitzustellen und Leistung von diesen zu empfangen. Die elektrischen Maschinen können Antriebsmotoren, Generatoren oder eine Kombination daraus sein. Das elektrische Antriebssystem kann eine Hochspannungs- oder Antriebsbatterie beinhalten. Die Antriebsbatterie kann konfiguriert sein, um die vom Wechselrichter benötigte Spannung direkt bereitzustellen. Das bedeutet, dass die Schienen des Wechselrichters ohne einen Aufwärtswandler mit der Batterie verbunden sind. Die Batterie mit höherer Spannung macht es den üblichen Zusatzverbraucherwandlern (z. B. elektrische Klimaanlage, Zusatzspannungsbus) unmöglich, die Spannung zu senken, wie durch die Standardkonfiguration heutzutage gefordert. Um eine Spannung an den erforderlichen Zusatzverbrauchern aufrechtzuerhalten, kann ein Abwärtswandler für variable Spannung konfiguriert sein, um die von der Antriebsbatterie bereitgestellte Busspannung zu senken, so dass die Zusatzspannungswandler die Spannung ohne Einstellung weiter senken können. Somit können Leistungseinsparungen durch das elektrische Fahrzeug realisiert werden, indem die Klemmenspannung der Antriebsbatterie erhöht und ein Abwärtswandler ohne zusätzliche Modifikation bereitgestellt wird.
1 zeigt ein elektrifiziertes Fahrzeug 112, das als ein Plugin-Hybrid-Elektrofahrzeug (plug-in hybrid-electric vehicle - PHEV) bezeichnet werden kann. Ein Plugin-Hybrid-Elektrofahrzeug 112 kann eine oder mehrere elektrische Maschine(n) 114 umfassen, die mechanisch an ein Hybridgetriebe 116 gekoppelt sind. Die elektrischen Maschinen 114 können als Motor oder Generator betrieben werden. Zusätzlich ist das Hybridgetriebe 116 mechanisch an einen Motor 118 gekoppelt. Das Hybridgetriebe 116 ist auch mechanisch an eine Antriebswelle 120 gekoppelt, die mechanisch an die Räder 122 gekoppelt ist. Die elektrischen Maschinen 114 können einen Vorschub oder eine Verlangsamung bereitstellen, wenn der Motor 118 ein- oder ausgeschaltet wird. Die elektrischen Maschinen 114 können außerdem als Generatoren wirken und Kraftstoffeffizienzvorteile bereitstellen, indem Energie, die normalerweise als Wärme in einem Reibungsbremssystem verloren ginge, zurückgewonnen wird. Die elektrischen Maschinen 114 können außerdem die Emissionen des Fahrzeugs verringern, indem der Motor 118 mit effizienteren Drehzahlen arbeiten kann und das Hybrid-Elektrofahrzeug 112 in einem elektrischen Modus betrieben werden kann, bei dem der Motor 118 bei bestimmten Bedingungen abgeschaltet ist. Ein elektrifiziertes Fahrzeug 112 kann auch ein batterieelektrisches Fahrzeug (battery electric vehicle - BEV) sein. Bei einer BEV-Ausgestaltung ist der Motor 118 möglicherweise nicht vorhanden. Bei anderen Konfigurationen kann das elektrifizierte Fahrzeug 112 ein Vollhybrid-Elektrofahrzeug (full hybrid-electric vehicle - FHEV) ohne Plugin-Fähigkeit sein.
Eine Antriebsbatterie oder ein Batteriepack 124 speichert Energie, die von den elektrischen Maschinen 114 genutzt werden kann. Der Fahrzeugbatteriepack 124 kann eine Ausgabe von Hochspannungs-Gleichstrom (DC) bereitstellen. Die Antriebsbatterie 124 kann elektrisch an ein oder mehrere Leistungselektronikmodule 126 gekoppelt sein. Ein oder mehrere Schütze 142 können im geöffneten Zustand die Antriebsbatterie 124 von anderen Komponenten isolieren und im geschlossenen Zustand die Antriebsbatterie 124 mit anderen Komponenten verbinden. Das Leistungselektronikmodul 126 ist ebenfalls elektrisch an die elektrischen Maschinen 114 gekoppelt und stellt die Fähigkeit zur bidirektionalen Übertragung von Energie zwischen der Antriebsbatterie 124 und den elektrischen Maschinen 114 bereit. Zum Beispiel kann eine Antriebsbatterie 124 eine Gleichspannung bereitstellen, während die elektrischen Maschinen 114 mit einem Dreiphasen-Wechselstrom (AC) arbeiten, um zu funktionieren. Das Leistungselektronikmodul 126 kann die Gleichspannung in einen Dreiphasen-Wechselstrom umwandeln, um die elektrischen Maschinen 114 zu betreiben. In einem Regenerationsmodus kann das Leistungselektronikmodul 126 den Dreiphasen-Wechselstrom von den elektrischen Maschinen 114, die als Generatoren wirken, in Gleichspannung umwandeln, die mit der Antriebsbatterie 124 kompatibel ist.
Zusätzlich zur Bereitstellung von Energie für den Vorschub kann die Antriebsbatterie 124 Energie für andere elektrische Systeme des Fahrzeugs bereitstellen. Das Fahrzeug 112 kann ein DC/DC-Wandlermodul 128 beinhalten, das die Hochspannungs-Gleichstromausgabe der Antriebsbatterie 124 in eine Niederspannungs-Gleichstromversorgung umwandelt, die mit Niederspannungs-Fahrzeugverbrauchern kompatibel ist. Ein Ausgang des DC/DC-Wandlermoduls 128 kann elektrisch an eine Zusatzbatterie 130 (z. B. eine 12-V-Batterie) gekoppelt sein, um die Zusatzbatterie 130 zu laden. Die Niederspannungssysteme können elektrisch an die Zusatzbatterie 130 gekoppelt sein. Ein Abwärtswandler 132 kann sich am Hochspannungsbus befinden, um Busspannungen für die elektrischen Verbraucher 146 und den DC/DC-Wandler 128 zu reduzieren. Ein oder mehrere elektrische Verbraucher 146 können an den Hochspannungsbus gekoppelt sein. Die elektrischen Verbraucher 146 können eine zugehörige Steuerung aufweisen, die die elektrischen Verbraucher 146 in geeigneter Weise betreibt und steuert. Beispiele für elektrische Verbraucher 146 können ein Gebläse, ein elektrisches Heizelement und/oder ein Klimaanlagenverdichter sein.
Eine oder mehrere Radbremsen 144 können bereitgestellt sein, um das Fahrzeug 112 zu verlangsamen und eine Bewegung des Fahrzeugs 112 zu verhindern. Die Radbremsen 144 können hydraulisch, elektrisch oder in einer Kombination daraus betätigt werden. Die Radbremsen 144 können einen Teil eines Bremssystems 150 bilden. Das Bremssystem 150 kann weitere Komponenten beinhalten, um die Radbremsen 144 zu betreiben. Der Einfachheit halber zeigt die Figur eine einzelne Verbindung zwischen dem Bremssystem 150 und einer der Radbremsen 144. Eine Verbindung zwischen dem Bremssystem 150 und den anderen Radbremsen 144 ist impliziert. Das Bremssystem 150 kann eine Steuerung beinhalten, um das Bremssystem 150 zu überwachen und zu koordinieren. Das Bremssystem 150 kann die Komponenten der Bremse überwachen und die Radbremsen 144 steuern, um das Fahrzeug zu verlangsamen. Das Bremssystem 150 kann auf Befehle vom Fahrer reagieren und kann auch autonom arbeiten, um Merkmale wie Stabilitätssteuerung zu implementieren. Die Steuerung des Bremssystems 150 kann ein Verfahren zum Aufbringen einer erforderlichen Bremskraft implementieren, wenn diese von einer anderen Steuerung oder Unterfunktion angefordert wird.
Elektronikmodule in dem Fahrzeug 112 können über ein oder mehrere Fahrzeugnetzwerke kommunizieren. Das Fahrzeugnetzwerk kann eine Vielzahl von Kanälen für die Kommunikation beinhalten. Ein Kanal des Fahrzeugnetzwerks kann ein serieller Bus wie etwa ein CAN (Controller Area Network)-Bus sein. Einer der Kanäle des Fahrzeugnetzwerks kann ein Ethernet-Netzwerk beinhalten, definiert durch die 802er Normenfamilie des Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE). Zusätzliche Kanäle des Fahrzeugnetzwerks können diskrete Verbindungen zwischen Modulen beinhalten und können Leistungssignale von der Zusatzbatterie 130 beinhalten. 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 alle Hardware- und Softwarekomponenten umfassen, die zur Übertragung von Signalen und Daten zwischen Modulen beitragen. Das Fahrzeugnetzwerk ist in 1 nicht gezeigt, aber es kann impliziert sein, dass das Fahrzeugnetzwerk mit jedem Elektronikmodul, das in dem Fahrzeug 112 vorhanden ist, verbunden sein kann. Eine Fahrzeugsystemsteuerung (vehicle system controller - VSC) 148 kann vorhanden sein, um den Betrieb der verschiedenen Komponenten zu koordinieren.
Nun wird unter Bezugnahme auf 2 ein elektrisches Verteilungssystem für das Fahrzeug 112 gezeigt. Das Verteilungssystem weist eine Hochspannungs-Antriebsbatterie 124 auf, die mit Schienen 180 des Wechselrichters 126 verbunden ist. Die Schienen 180 weisen die gleiche Spannung wie die Klemmen der Antriebsbatterie 124 auf. Die Klemmenspannung kann höher als 500 Volt sein. Der Wechselrichter 126 ist mit einem Antriebsmotor 114 oder einem Generator verbunden. Ein Spannungswandler 132 ist parallel mit dem Wechselrichter 126 und der Hochspannungsbatterie 124 verbunden. Der Spannungswandler 132 weist einen Ausgang zu einem Zwischenbus 182 auf, der andere Zusatzverbraucher mit Leistung versorgt, einschließlich eines DC/DC-Wandlers 128 und eines elektrischen AC-Kompressor-DC/DC-Wandler 146. Der Spannungswandler 132 kann ein Abwärtswandler sein, wie in 2 gezeigt, oder eine andere Art von Spannungsregler, der auf dem Gebiet bekannt oder derzeit unbekannt ist. Der Zwischenbus 182 kann eine Spannung unter 400 Volt aufweisen. Beide Wandler 128, 146 sind Zusatzregler für zusätzliche elektrische Verbraucher. Die Zusatzregler 128, 146 können ebenfalls Abwärtswandler oder eine andere Art von Spannungsregler, der auf dem Gebiet bekannt oder derzeit unbekannt ist, sein. Die Zusatzregler können konfiguriert sein, um eine Zusatzbusspannung eines Zusatzbusses aufrechtzuerhalten, um die elektrischen Verbraucher zu versorgen. Die elektrischen Zusatzverbraucher können ein Klimaanlagensystem des Fahrzeugs, ein Heizsystem, Infotainsysteme, Fahrzeugsteuersysteme oder andere Fahrzeug- oder Nichtfahrzeugverbraucher sein, die eine heruntertransformierte Spannung benötigen. Der Spannungswandler 132 kann einen oberen und unteren Schalter 172, 170 mit jeweiligen antiparallelen Dioden und ein Kondensatorpaar 178 eines zwischengeschalteten Induktors 174 in einer Tiefpassfilteranordnung beinhalten. Die Schalter können IGBT-Schalter oder eine beliebige andere Art von Halbleiterschalter sein. Das Fahrzeug kann außerdem einen Glättungskondensator 176 parallel zu den Schienen 180 des Wechselrichters 126 beinhalten, um die Schienenspannung aufrechtzuerhalten.
Die in der Beschreibung verwendeten Ausdrücke sind eher beschreibende Ausdrücke als 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. Obwohl verschiedene Ausführungsformen so beschrieben sein können, dass sie Vorteile bereitstellen oder gegenüber anderen Ausführungsformen oder Umsetzungen auf dem Stand der Technik in Bezug auf eine oder mehrere erwünschte Eigenschaften bevorzugt sind, wird ein durchschnittlicher Fachmann erkennen, dass ein oder mehrere Merkmale oder eine oder mehrere Eigenschaften in Frage gestellt werden können, um die gewünschten Gesamtattribute des Systems zu erreichen, welche von der konkreten Anwendung und Umsetzung abhängig sind. Zu diesen Attributen können gehören unter anderem Kosten, Festigkeit, Haltbarkeit, Kosten über die Lebensdauer hinweg, Marktgängigkeit, Erscheinungsbild, Verpackung, Größe, Wartbarkeit, Gewicht, Herstellbarkeit, Einfachheit der Montage usw. Ausführungsformen, die in Bezug auf eine oder mehrere Eigenschaften als weniger wünschenswert als andere Ausführungsformen oder Implementierungen des Stands der Technik beschrieben werden, liegen somit nicht außerhalb des Umfangs der Offenbarung und können für bestimmte Anwendungen wünschenswert sein.

Claims

Fahrzeug, umfassend: einen Wechselrichter; einen an den Wechselrichter gekoppelten Motor; eine Antriebsbatterie, die an den Wechselrichter gekoppelt ist und eine Klemmenspannung aufweist, die gleich einer Schienenspannung zwischen Schienen des Wechselrichters ist, so dass die Schienenspannung unreguliert ist; einen Spannungswandler, der konfiguriert ist, um die Klemmenspannung unter einen Zwischenbus-Spannungsschwellenwert an einem Zwischenbus zu reduzieren; und einen Zusatzwandler, der konfiguriert ist, um Leistung vom Zwischenbus aufzunehmen, um Zusatzverbraucher zu versorgen.
Fahrzeug nach Anspruch 1, wobei der Spannungswandler einen oberen und unteren Schalter mit jeweiligen antiparallelen Dioden und ein Kondensatorpaar eines zwischengeschalteten Induktors in einer Tiefpassfilterausgangsanordnung beinhaltet, so dass die Ausgangsspannung durch Umschalten der Schalter reguliert ist.
Fahrzeug nach Anspruch 1, wobei der Spannungswandler ein Abwärtswandler ist.
Fahrzeug nach Anspruch 1, wobei der Zusatzwandler ein Abwärtswandler ist.
Fahrzeug nach Anspruch 1, wobei der Zwischenbus-Spannungsschwellenwert 400 Volt beträgt.
Fahrzeug nach Anspruch 1, wobei die Klemmenspannung über 400 Volt liegt.
Elektrisches Verteilungssystem eines Fahrzeugs, umfassend: einen Halbbrücken-Abwärtswandler, der konfiguriert ist, um Leistung von einer Antriebsbatterie aufzunehmen, die elektrisch an eine Wechselrichterschiene gekoppelt ist und eine Klemmenspannung aufweist, die gleich einer Spannung der Wechselrichterschiene ist, und die Klemmenspannung auf eine Zwischenbusspannung herunterzutransformieren, die Leistung zu einem Zusatzspannungsregler zuführt, der konfiguriert ist, um eine Zusatzbusspannung eines Zusatzbusses aufrechtzuerhalten.
Elektrisches Verteilungssystem eines Fahrzeugs nach Anspruch 7, wobei die Klemmenspannung höher als 400 Volt ist.
Elektrisches Verteilungssystem eines Fahrzeugs nach Anspruch 7, wobei die Zwischenbusspannung unter 400 Volt liegt.
Elektrisches Verteilungssystem eines Fahrzeugs nach Anspruch 7, wobei der Zusatzbus mit einem Klimaanlagensystem des Fahrzeugs verbunden ist.
Elektrisches Verteilungssystem eines Fahrzeugs nach Anspruch 7, wobei der Zusatzbus mit einer Zusatzbatterie verbunden ist.
Verfahren, umfassend: durch eine Steuerung eines Fahrzeugs, Betreiben eines Spannungswandlers und eines Wechselrichters, die mit einer unregulierten Klemmenspannung einer Antriebsbatterie verbunden sind, so dass der Spannungswandler die Spannung reduziert, um eine Zwischenbusspannung zuzuführen, und der Wechselrichter eine elektrische Maschine antreibt; und Betreiben eines Zusatzwandlers, um die Zwischenbusspannung zu reduzieren, um Zusatzverbraucher zu versorgen.
Verfahren nach Anspruch 12, wobei der Spannungswandler einen oberen und unteren Schalter mit jeweiligen antiparallelen Dioden und ein Kondensatorpaar eines zwischengeschalteten Induktors in einer Tiefpassfilterausgangsanordnung beinhaltet, so dass die Ausgangsspannung durch Umschalten der Schalter reguliert wird.
Verfahren nach Anspruch 12, wobei der Spannungswandler ein Abwärtswandler ist.
Verfahren nach Anspruch 12, wobei der Zusatzwandler ein Abwärtswandler ist.