DE102018111518A1

DE102018111518A1 - Wandler für reduzierte Welligkeit bei hybriden Antriebssystemen

Info

Publication number: DE102018111518A1
Application number: DE102018111518.0A
Authority: DE
Inventors: Ke Zou; Chingchi Chen; Michael W. Degner
Original assignee: Ford Global Technologies LLC
Current assignee: Ford Global Technologies LLC
Priority date: 2017-05-17
Filing date: 2018-05-14
Publication date: 2018-11-22
Also published as: CN108964072A; US10189357B2; US20180334043A1

Abstract

Ein Antriebsstrang für ein Fahrzeug enthält einen Gleichspannungswandler und eine Steuerung. Der Gleichspannungswandler beinhaltet einen Induktor und einen Ausgangskondensator und ist zwischen eine Traktionsbatterie und eine elektrische Antriebseinheit gekoppelt. Die Steuerung kann dazu ausgelegt sein, in Reaktion auf eine elektrische Verbindung zwischen dem Fahrzeug und einem Wechselstromnetz den Ausgangskondensator und den Induktor in Reihe und über Klemmen der Traktionsbatterie zu schalten, um Blindleistung aus dem Wechselstromnetz aufzunehmen.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Diese Anmeldung betrifft im Allgemeinen eine elektrische Maschine und ein Gleichspannungswandlersystem, die dazu ausgelegt sind, Stromwelligkeit beim Laden des Elektrofahrzeugs über ein Wechselstromnetz zu reduzieren.
ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
Elektrifizierte Fahrzeuge, zu denen Hybridelektrofahrzeuge (HEV) und Batterieelektrofahrzeuge (BEV) gehören, nutzen eine Traktionsbatterie, um Leistung an einen Fahrmotor zum Antrieb bereitzustellen, und einen dazwischengeschalteten Leistungswechselrichter, um Gleichstrom(DC)-Leistung in Wechselstrom(AC)-Leistung umzuwandeln. Der typische AC-Fahrmotor ist ein 3-Phasen-Motor, der durch 3 Sinussignale angetrieben werden kann, die jeweils mit einer Phasenverschiebung von 120 Grad erzeugt werden. Die Traktionsbatterie ist dazu ausgelegt, in einem bestimmten Spannungsbereich zu arbeiten und einen Spitzenstrom bereitzustellen. Die Traktionsbatterie wird alternativ als Hochspannungsbatterie bezeichnet. Eine verbesserte Leistung elektrischer Maschinen kann jedoch durch einen Betrieb in einem anderen Spannungsbereich erreicht werden, typischerweise bei Spannungen, die größer als die Klemmenspannung der Traktionsbatterie sind. Gleichermaßen werden die Stromanforderungen zum Antreiben einer elektrischen Maschine eines Fahrzeugs für gewöhnlich als Hochstrom bezeichnet.
Ferner beinhalten viele elektrifizierte Fahrzeuge einen Gleichspannungswandler, der auch als variabler Spannungswandler (Variable Voltage Converter - VVC) bezeichnet wird, um die Spannung der Traktionsbatterie auf einen Betriebsspannungspegel der elektrischen Maschine umzuwandeln. Die elektrische Maschine, die einen Fahrmotor und einen Generator beinhalten kann, kann Hochspannung und Hochstrom erfordern. Aufgrund der Spannungs- und Stromanforderungen stehen ein Batteriemodul und ein Leistungselektronikmodul üblicherweise durchgehend miteinander in Verbindung.
KURZDARSTELLUNG
Ein Antriebsstrang für ein Fahrzeug beinhaltet einen Gleichspannungswandler und eine Steuerung. Der Gleichspannungswandler beinhaltet einen Induktor und einen Ausgangskondensator und ist zwischen eine Traktionsbatterie und eine elektrische Antriebseinheit gekoppelt. Die Steuerung kann dazu ausgelegt sein, in Reaktion auf eine elektrische Verbindung zwischen dem Fahrzeug und einem Wechselstromnetz den Ausgangskondensator und den Induktor in Reihe und über Klemmen der Traktionsbatterie zu schalten, um Blindleistung aus dem Wechselstromnetz aufzunehmen.
Ein Verfahren zum Steuern eines Antriebsstrangs beinhaltet in Reaktion auf eine elektrische Verbindung zwischen einem Wechselstromnetz und einem Elektrofahrzeug, das den Antriebsstrang enthält, Modulieren eines High-Side-Schalters eines Gleichspannungswandlers gemäß Blindleistung aus dem Wechselstromnetz durch die Steuerung, um Leistung durch einen Induktor des Gleichspannungswandler zu leiten, um einen Teil der Blindleistung in einem Ausgangskondensator des Gleichspannungswandlers aufzunehmen.
Ein Antriebsstrang für ein Fahrzeug beinhaltet eine Steuerung, die dazu ausgelegt sein kann, in Reaktion auf eine elektrische Verbindung zwischen dem Fahrzeug und einem Wechselstromnetz einen Ausgangskondensator und einen Induktor eines Gleichspannungswandlers in Reihe und über Klemmen einer Traktionsbatterie zu koppeln, um Blindleistung aus dem Wechselstromnetz aufzunehmen.
Figurenliste

1 ist eine Darstellung eines elektrifizierten Fahrzeugs mit einer elektrischen Maschine und einem Gleichspannungswandler, die dazu ausgelegt sind, Stromwelligkeit beim Laden des Elektrofahrzeugs über ein Wechselstromnetz zu reduzieren.
2 ist eine Darstellung eines Hybridfahrzeugs, die typische Antriebsstrang- und Energiespeicherkomponenten, einschließlich Ladekomponenten eines Wechselstromnetzes, veranschaulicht.
3 ist eine schematische Darstellung eines Gleichspannungswandlers in einem Fahrzeug.
4 ist eine schematische Darstellung eines Antriebsstrangs eines Hybridfahrzeugs, der eine Wechselstromladevorrichtung, eine Traktionsbatterie und einen Wandler, der zum Leiten von Blindleistung zu einem DC-Bus-Kondensator ausgelegt ist, beinhaltet.
5 ist eine schematische Darstellung eines leistungsverzweigten Antriebsstrangs eines Hybridfahrzeugs, der eine integrierte Wechselstromladevorrichtung, eine Traktionsbatterie und einen Wandler, der zum Leiten von Blindleistung zu einem DC-Bus-Kondensator ausgelegt ist, beinhaltet.
6 ist eine grafische Darstellung von AC-Eigenschaften von Ladekomponenten und Komponenten eines variablen Spannungswandlers beim AC-Laden eines Hybridfahrzeugs.
7 ist eine Darstellung eines Steuersystems für einen Wandler eines Hybridfahrzeugs.
8 ist ein Ablaufdiagramm eines Steuersystems für einen Wandler, um Blindleistung zu einem DC-Bus-Kondensator zu leiten.
9 ist eine Darstellung eines Antriebsstrangs eines Hybridfahrzeugs, der eine Wechselstromnetzladevorrichtung, einen Gleichspannungswandler, eine Traktionsbatterie und einen Wechselrichter/Motor mit einem Kompensationskondensator beinhaltet.
10 ist eine Darstellung eines Antriebsstrangs eines Hybridfahrzeugs, der eine Wechselstromladevorrichtung, einen Gleichspannungswandler, eine Traktionsbatterie und einen Wechselrichter/Motor, der zum Kompensieren von Leistung beim Laden ausgelegt ist, beinhaltet.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Hier werden Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung beschrieben. Dabei versteht es sich, dass die offenbarten Ausführungsformen lediglich Beispiele sind und andere Ausführungsformen verschiedene und alternative Formen annehmen können. Die Figuren sind nicht unbedingt maßstabsgetreu; einige Merkmale sind eventuell vergrößert oder verkleinert dargestellt, um Details bestimmter Komponenten zu zeigen. Daher sind hier offenbarte konkrete strukturelle und funktionelle Einzelheiten nicht als einschränkend auszulegen, sondern lediglich als repräsentative Grundlage, um den Fachmann die vielseitige Verwendung der vorliegenden Erfindung zu lehren. Für den Durchschnittsfachmann versteht sich, dass verschiedene Merkmale, die unter Bezugnahme auf beliebige der Figuren veranschaulicht und beschrieben sind, mit Merkmalen kombiniert werden können, welche in einer oder mehreren anderen Figuren veranschaulicht sind, um Ausführungsformen zu erzeugen, die nicht explizit veranschaulicht oder beschrieben werden. 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.
Eine Einphasenwechselstrom(AC)-Ladevorrichtung für Elektrofahrzeuge gibt üblicherweise AC-Welligkeit bei verschiedenen Frequenzen ab. Typischerweise handelt es sich bei der Komponente bei doppelter Netzfrequenz um die am deutlichsten erkennbare Frequenzkomponente und weist die Netzeingangsleistung eine Pulsform mit einer DC-Verschiebung (Pin_dc), eine große AC-Komponente bei doppelter Netzfrequenz und einen Spitze-zu-Spitze-Wert von 2(Pin_dc) auf. Diese Leistungswelligkeit erzeugt eine Stromwelligkeit bei doppelter Netzfrequenz auf Batterieseite, sodass eine zusätzliche Schaltung erforderlich sein könnte, um die Batterie zu schützen. Außerdem liegen Stromwelligkeiten bei anderen Frequenzen vor, wie etwa andere Ordnungen von Harmonischen aufgrund von Netzverzerrung und der Schaltfrequenz der Halbleiterschalter einer Ladevorrichtung. Um diese Welligkeiten zu filtern, ist ein großer DC-Zwischenkreiskondensator in der Ladevorrichtung erforderlich. Durch diesen Stützkondensator erhöhen sich die Kosten, das Volumen und Gewicht der Ladevorrichtung.
Da sich das Elektrofahrzeug beim Laden über ein Wechselstromnetz nicht in Bewegung befindet, wird sein elektrisches Antriebssystem (z. B. Antriebsstrang oder Elektroantriebssystem), das einen Wechselrichter des Traktionsantriebs und eine elektrische Maschine beinhaltet, typischerweise von der Batterie getrennt. Hierbei wird ein Gleichspannungswandler betrieben, um Blindleistung aufzunehmen.
Es werden eine Vorrichtung und ein Verfahren vorgestellt, die das Elektroantriebssystem nutzen und es als Niederfrequenzstromkompensator beim Laden betreiben. Es wird ein Antriebsstrang offenbart, der einen Kondensator beinhaltet, der selektiv zwischen einer Sternpunktklemme einer elektrischen Maschine mit Sternschaltung und einer negativen Klemme des Motorwechselrichters gekoppelt ist. In einer anderen Ausführungsform ist die Steuerung für den Antriebsstrang dazu ausgelegt, Schalter des Wechselrichters beim Laden über ein Wechselstromnetz bei einer Frequenz über der Netzfrequenz zu modulieren, sodass ein Strom durch eine Phasenwicklung der elektrischen Maschine derart fließt, dass der Strom über eine andere Phasenwicklung der elektrischen Maschine zurückfließt.
1 zeigt ein Hybridelektrofahrzeug, das interne elektrische Antriebsstrangkomponenten, einschließlich einer elektrischen Antriebseinheit 2 (z. B. einer elektrischen Maschine und eines Wechselrichters), eines Gleichspannungswandlers 4, einer Hochspannungsbatterie 6 und einer Batterieladevorrichtung 8, veranschaulicht. Die Batterieladevorrichtung 8 kann innerhalb des Fahrzeugs integriert sein oder kann sich außerhalb des Fahrzeugs zusammen mit einem Wechselstromnetz 10 befinden. Beim Laden des Fahrzeugs fließt Strom durch einen Induktor L des Aufwärtswandlers 4 und zu einem DC-Bus-Kondensator Cdc über einen High-Side-Schalter, der moduliert wird, um dem Stromfluss zu steuern. Hierbei kann die elektrische Antriebseinheit 2 als ein offener Stromkreis ausgelegt sein. In einer Ausführungsform kann eine Steuerung (z. B. die Batterieaufwärtswandlersteuerung) den DC-Bus-Kondensator Cdc selektiv in Eingriff nehmen oder mit dem Induktor L derart in Reihe schalten, dass die Reihenschaltung über Klemmen der Hochspannungsbatterie 6 erfolgt. Die Steuerung kann die Schalter des Batterieaufwärtswandlers bei einer Frequenz über der Netzfrequenz modulieren, um eine Stromwelligkeit auf Grundlage der Netzfrequenz und Harmonischen der Netzfrequenz zu reduzieren. Hierbei kann eine Steuerung (z. B. die Wechselrichtersteuerung der elektrischen Maschine) Schalter des Wandlers 4 selektiv modulieren, um Blindenergie aus dem Wechselstromnetz 10 aufzunehmen. Die Modulation des High-Side-Schalters des Wandlers 4 kann durchgeführt werden, um die Blindenergie in dem Kondensator Cdc und/oder in dem Induktor L aufzunehmen.
2 zeigt ein elektrifiziertes Fahrzeug 112, das als Plug-in-Hybridelektrofahrzeug (PHEV) bezeichnet werden kann. Ein Plug-in-Hybridelektrofahrzeug 112 kann eine oder mehrere elektrische Maschinen 114 umfassen, die mechanisch an ein Hybridgetriebe 116 gekoppelt sind. Die elektrischen Maschinen 114 können dazu imstande sein, als Motor oder Generator betrieben zu werden. Weiterhin ist das Hybridgetriebe 116 mechanisch an einen Motor 118 gekoppelt. Das Hybridgetriebe 116 ist ferner mechanisch an eine Antriebswelle 120 gekoppelt, die mechanisch an die Räder 122 gekoppelt ist. Die elektrischen Maschinen 114 können Vortriebs- und Abbremsfähigkeit bereitstellen, wenn der Motor 118 an- oder ausgeschaltet wird. Die elektrischen Maschinen 114 können zudem als Generatoren fungieren und können Kraftstoffeffizienzvorteile bereitstellen, indem Energie zurückgewonnen wird, die normalerweise in einem Reibungsbremssystem als Wärme verloren gehen würde. Die elektrischen Maschinen 114 können zudem Fahrzeugemissionen reduzieren, indem sie es ermöglichen, dass der Motor 118 bei effizienteren Drehzahlen betrieben wird, und es ermöglichen, dass das Hybridelektrofahrzeug 112 im Elektromodus betrieben wird, wobei der Motor 118 unter bestimmten Bedingungen ausgeschaltet ist. Bei einem elektrifizierten Fahrzeug 112 kann es sich ferner um ein Batterieelektrofahrzeug (Battery Electric Vehicle - BEV) handeln. Bei einer BEV-Konfiguration ist der Motor 118 möglicherweise nicht vorhanden. Bei anderen Konfigurationen kann das elektrifizierte Fahrzeug 112 ein Vollhybridelektrofahrzeug (Full Hybrid-Electric Vehicle - FHEV) ohne Plug-in-Fähigkeit sein.
Eine Traktionsbatterie oder ein Batteriepack 124 speichert Energie, die von den elektrischen Maschinen 114 verwendet werden kann. Das Fahrzeugbatteriepack 124 kann einen Hochspannungsgleichstrom(DC)-Ausgang bereitstellen. Die Traktionsbatterie 124 kann elektrisch an ein oder mehrere Leistungselektronikmodule 126 gekoppelt sein. Ein oder mehrere Schütze 142 können die Traktionsbatterie 124 von anderen Komponenten trennen, wenn sie geöffnet sind, und die Traktionsbatterie 124 mit anderen Komponenten verbinden, wenn sie geschlossen sind. Das Leistungselektronikmodul 126 ist ferner elektrisch an die elektrischen Maschinen 114 gekoppelt und stellt die Fähigkeit bereit, Energie bidirektional zwischen der Traktionsbatterie 124 und den elektrischen Maschinen 114 zu übertragen. Beispielsweise kann eine Traktionsbatterie 124 eine Gleichspannung bereitstellen, während die elektrischen Maschinen 114 mit einem Dreiphasenwechselstrom (AC) betrieben werden können, um zu funktionieren. Das Leistungselektronikmodul 126 kann die Gleichspannung in einen Dreiphasenwechselstrom umwandeln, um die elektrischen Maschinen 114 zu betreiben. In einem Regenerationsmodus kann das Leistungselektronikmodul 126 den Dreiphasenwechselstrom von den elektrischen Maschinen 114, die als Generatoren fungieren, in die Gleichspannung umwandeln, die mit der Traktionsbatterie 124 kompatibel ist.
Das Fahrzeug 112 kann einen variablen Spannungswandler (VVC) 152 beinhalten, der elektrisch zwischen der Traktionsbatterie 124 und dem Leistungselektronikmodul 126 gekoppelt ist. Der VVC 152 kann ein Gleichspannungsaufwärtswandler sein, der zum Erhöhen oder Hochsetzen der von der Traktionsbatterie 124 bereitgestellten Spannung ausgelegt ist. Durch Erhöhen der Spannung können Stromanforderungen gesenkt werden, was zu einer Verringerung des Verdrahtungsumfangs für das Leistungselektronikmodul 126 und die elektrischen Maschinen 114 führt. Ferner können die elektrischen Maschinen 114 mit besserer Effizienz und geringeren Verlusten betrieben werden.
Neben dem Bereitstellen von Antriebsenergie kann die Traktionsbatterie 124 Energie für weitere elektrische Fahrzeugsysteme bereitstellen. Das Fahrzeug 112 kann ein Gleichspannungswandlermodul 128 beinhalten, das den Hochspannungs-DC-Ausgang der Traktionsbatterie 124 in eine Niederspannungs-DC-Zufuhr umwandelt, die mit Niederspannungsverbrauchern des Fahrzeugs kompatibel ist. Ein Ausgang des Gleichspannungswandlermoduls 128 kann elektrisch an eine Hilfsbatterie 130 (z. B. eine 12-V-Batterie) zum Laden der Hilfsbatterie 130 gekoppelt sein. Die Niederspannungssysteme können elektrisch an die Hilfsbatterie 130 gekoppelt sein. Ein oder mehrere elektrische Verbraucher 146 können mit dem Hochspannungsbus verbunden sein. Die elektrischen Verbraucher 146 können eine zugeordnete Steuerung aufweisen, welche die elektrischen Verbraucher 146 gegebenenfalls betreibt und steuert. Zu Beispielen für elektrische Verbraucher 146 können ein Gebläse, ein elektrisches Heizelement und/oder ein Klimakompressor gehören.
Das elektrifizierte Fahrzeug 112 kann dazu ausgelegt sein, die Traktionsbatterie 124 über eine externe Leistungsquelle 136 wieder aufzuladen. Bei der externen Leistungsquelle 136 kann es sich um eine Verbindung zu einer Steckdose handeln. Die externe Leistungsquelle 136 kann elektrisch an eine Ladevorrichtung oder eine Ladestation für Elektrofahrzeuge (Electric Vehicle Supply Equipment - EVSE) 138 gekoppelt sein. Die externe Leistungsquelle 136 kann ein elektrisches Leistungsverteilungsnetz sein, wie es von einem Elektrizitätsversorgungsunternehmen bereitgestellt wird. Die EVSE 138 kann eine Schaltung und Steuerungen bereitstellen, um die Übertragung von Energie zwischen der Leistungsquelle 136 und dem Fahrzeug 112 zu regulieren und zu verwalten. Die externe Leistungsquelle 136 kann der EVSE 138 elektrische Leistung als DC oder AC bereitstellen. Die EVSE 138 kann einen Ladestecker 140 zum Einstecken in einen Ladeanschluss 134 des Fahrzeugs 112 aufweisen. Bei dem Ladeanschluss 134 kann es sich um eine beliebige Art von Anschluss handeln, der dazu ausgelegt ist, Leistung von der EVSE 138 an das Fahrzeug 112 zu übertragen. Der Ladeanschluss 134 kann elektrisch an eine Ladevorrichtung oder ein bordeigenes Leistungsumwandlungsmodul 132 gekoppelt sein. Das Leistungsumwandlungsmodul 132 kann die von der EVSE 138 zugeführte Leistung konditionieren, um der Traktionsbatterie 124 die richtigen Spannungs- und Strompegel bereitzustellen. Das Leistungsumwandlungsmodul 132 kann mit dem EVSE 138 über eine Schnittstelle verbunden sein, um die Abgabe von Leistung an das Fahrzeug 112 zu koordinieren. Der EVSE-Stecker 140 kann Stifte aufweisen, die mit entsprechenden Aussparungen des Ladeanschlusses 134 zusammenpassen. Alternativ dazu können verschiedene Komponenten, die als elektrisch gekoppelt oder verbunden beschrieben sind, Leistung unter Verwendung einer drahtlosen induktiven Kopplung übertragen.
Eine oder mehrere Radbremsen 144 können bereitgestellt sein, um das Fahrzeug 112 abzubremsen und eine Bewegung des Fahrzeugs 112 zu verhindern. Die Radbremsen 144 können hydraulisch betätigt, elektrisch betätigt oder eine Kombination davon sein. Die Radbremsen 144 können Teil eines Bremssystems 150 sein. Das Bremssystem 150 kann weitere Komponenten beinhalten, um die Radbremsen 144 zu betätigen. Der Einfachheit halber zeigt die Figur eine einzige Verbindung zwischen dem Bremssystem 150 und einer der Radbremsen 144. Eine Verbindung zwischen dem Bremssystem 150 und den weiteren Radbremsen 144 wird impliziert. Das Bremssystem 150 kann eine Steuerung beinhalten, um das Bremssystem 150 zu überwachen und zu koordinieren. Das Bremssystem 150 kann die Bremskomponenten überwachen und die Radbremsen 144 zum Abbremsen des Fahrzeugs steuern. Das Bremssystem 150 kann auf Fahrerbefehle reagieren und kann zudem autonom arbeiten, um Funktionen wie etwa Fahrdynamikregelung umzusetzen. Die Steuerung des Bremssystems 150 kann ein Verfahren zum Anwenden einer angeforderten Bremskraft umsetzen, wenn dies von einer weiteren Steuerung oder einer Unterfunktion angefordert wird.
Elektronische Module in dem Fahrzeug 112 können über ein oder mehrere Fahrzeugnetzwerke kommunizieren. Das Fahrzeugnetzwerk kann eine Vielzahl von Kommunikationskanälen beinhalten. Ein Kanal des Fahrzeugnetzwerks kann ein serieller Bus, wie etwa ein Controller Area Network (CAN), sein. Einer der Kanäle des Fahrzeugnetzwerks kann ein Ethernet-Netzwerk laut der Definition durch die Normengruppe 802 des Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE) beinhalten. Weitere Kanäle des Fahrzeugnetzwerks können diskrete Verbindungen zwischen Modulen beinhalten und können Leistungssignale von der Hilfsbatterie 130 beinhalten. Unterschiedliche Signale können über unterschiedliche Kanäle des Fahrzeugnetzwerks übertragen werden. Beispielsweise können Videosignale über einen Hochgeschwindigkeitskanal (z. B. Ethernet) übertragen werden, während Steuersignale über ein CAN oder diskrete Signale übertragen werden können. Das Fahrzeugnetzwerk kann beliebige Hardware- und Softwarekomponenten beinhalten, die eine Übertragung von Signalen und Daten zwischen Modulen unterstützen. Das Fahrzeugnetzwerk ist in 1 nicht dargestellt, jedoch kann davon ausgegangen werden, dass sich das Fahrzeugnetzwerk mit jedem Elektronikmodul verbinden kann, das in dem Fahrzeug 112 vorhanden ist. Eine Fahrzeugsystemsteuerung (Vehicle System Controller - VSC) 148 kann vorhanden sein, um den Betrieb der verschiedenen Komponenten zu koordinieren.
3 zeigt eine Darstellung eines VVC 152, der Aufwärtswandler ausgelegt ist. Der VVC 152 kann Eingangsklemmen beinhalten, die über die Schütze 142 an Klemmen der Traktionsbatterie 124 gekoppelt sein können. Der VVC 152 kann Ausgangsklemmen beinhalten, die an Klemmen des Leistungselektronikmoduls 126 gekoppelt sind. Der VVC 152 kann so betrieben werden, dass veranlasst wird, dass eine Spannung an den Ausgangsklemmen größer ist als eine Spannung an den Eingangsklemmen. Das Fahrzeug 112 kann eine VVC-Steuerung 200 beinhalten, die elektrische Parameter (z. B. Spannung und Strom) an verschiedenen Stellen innerhalb des VVC 152 überwacht und steuert. Bei einigen Auslegungen kann die VVC-Steuerung 200 als Teil des VVC 152 enthalten sein. Die VVC-Steuerung 200 kann eine Ausgangsspannungsreferenz, $V_{d c}^{*} .,$
bestimmen. Die VVC-Steuerung 200 kann auf Grundlage der elektrischen Parameter und der Spannungsreferenz, $V_{d c}^{*},$
ein Steuerungssignal bestimmen, das ausreichend ist, um zu veranlassen, dass der VVC 152 die erwünschte Ausgangsspannung erreicht. Bei einigen Auslegungen kann das Steuersignal als pulsweitenmoduliertes (PWM-) Signal umgesetzt sein, wobei ein Arbeitszyklus des PWM-Signals variiert wird. Das Steuersignal kann mit einer vorgegebenen Schaltfrequenz betrieben werden. Die VVC-Steuerung 200 kann dem VVC 152 befehlen, die gewünschte Ausgangsspannung unter Verwendung des Steuersignals bereitzustellen. Das konkrete Steuersignal, bei dem der VVC 152 betrieben wird, kann direkt mit dem Grad der Spannungshochsetzung in Zusammenhang stehen, die vom VVC 152 bereitgestellt werden soll.
Die Ausgangsspannung des VVC 152 kann gesteuert werden, um eine gewünschte Referenzspannung zu erreichen. Bei einigen Auslegungen kann der VVC 152 ein Aufwärtswandler sein. Bei einer Aufwärtswandlerauslegung, bei der die VVC-Steuerung 200 den Arbeitszyklus steuert, kann die ideale Beziehung zwischen der Eingangsspannung V_in und der Ausgangsspannung V_out und dem Arbeitszyklus D anhand der folgenden Gleichung veranschaulicht werden: $V_{o u t} = \frac{V_{i n}}{(1 - D)}$
Der gewünschte Arbeitszyklus D kann bestimmt werden, indem die Eingangsspannung (z. B. Traktionsbatteriespannung) gemessen und die Ausgangsspannung auf die Referenzspannung eingestellt wird. Der VVC 152 kann ein Abwärtswandler sein, der die Spannung von Eingang zu Ausgang reduziert. Bei einer Abwärtswandlerauslegung kann ein anderer Ausdruck abgeleitet werden, der die Eingangs- und die Ausgangsspannung mit dem Arbeitszyklus in Beziehung setzt. Bei einigen Auslegungen kann der VVC 152 ein Abwärts-Aufwärts-Wandler sein, der die Eingangsspannung erhöhen oder verringern kann. Die hier beschriebene Steuerstrategie ist nicht auf eine bestimmte Topologie von variablen Spannungswandlern beschränkt.
In Bezug auf 3 kann der VVC 152 das Spannungspotenzial der elektrischen Leistung, die von der Traktionsbatterie 124 bereitgestellt wird, hochsetzen oder „hochtransformieren“. Die Traktionsbatterie 124 kann Hochspannungs(High Voltage - HV)-DC-Leistung bereitstellen. Bei einigen Auslegungen kann die Traktionsbatterie 124 eine Spannung zwischen 150 und 400 Volt bereitstellen. Das Schütz 142 kann elektrisch in Reihe zwischen der Traktionsbatterie 124 und dem VVC 152 gekoppelt sein. Wenn das Schütz 142 geschlossen ist, kann die HV-DC-Leistung von der Traktionsbatterie 124 zu dem VVC 152 übertragen werden. Ein Eingangskondensator 202 kann elektrisch parallel an die Traktionsbatterie 124 gekoppelt sein. Der Eingangskondensator 202 kann die Busspannung stabilisieren und jegliche Spannungs- und Stromwelligkeit verringern. Der VVC 152 kann die HV-DC-Leistung aufnehmen und das Spannungspotenzial der Eingangsspannung gemäß dem Arbeitszyklus hochsetzen oder „hochtransformieren“.
Ein Ausgangskondensator 204 kann elektrisch zwischen den Ausgangsklemmen des VVC 152 gekoppelt sein. Der Ausgangskondensator 204 kann die Busspannung stabilisieren und Spannungs- und Stromwelligkeit am Ausgang des VVC 152 reduzieren.
Der VVC 152 kann weiterhin in Bezug auf 3 eine erste Schaltvorrichtung 206 und eine zweite Schaltvorrichtung 208 beinhalten, um eine Eingangsspannung hochzusetzen, um die hochgesetzte Ausgangsspannung bereitzustellen. Die Schaltvorrichtungen 206, 208 können dazu ausgelegt sein, selektiv einen Strom zu einem elektrischen Verbraucher (z. B. dem Leistungselektronikmodul 126 und den elektrische Maschinen 114) zu leiten. Jede Schaltvorrichtung 206, 208 kann einzeln durch eine Gate-Treiberschaltung (nicht dargestellt) der VVC-Steuerung 200 gesteuert werden und kann jede Art eines steuerbaren Schalters (z. B. einen Bipolartransistor mit isolierter Gate-Elektrode (IGBT) oder Feldeffekttransistor (FET)) beinhalten. Die Gate-Treiberschaltung kann jeder der Schaltvorrichtungen 206, 208 elektrische Signale bereitstellen, die auf dem Steuersignal basieren (z. B. Arbeitszyklus des PWM-Steuersignals). Eine Diode kann über jede der Schaltvorrichtungen 206, 208 gekoppelt sein. Die Schaltvorrichtungen 206, 208 können jeweils einen zugehörigen Schaltverlust aufweisen. Die Schaltverluste sind diejenigen Leistungsverluste, die während Zustandsänderungen der Schaltvorrichtung (z. B. Ein-Aus- und Aus-Ein-Übergängen) auftreten. Die Schaltverluste können durch den hindurchfließenden Strom und die Spannung an der Schaltvorrichtung 206, 208 während des Übergangs quantifiziert werden. Die Schaltvorrichtungen können ebenfalls zugehörige Leitungsverluste aufweisen, die auftreten, wenn die Vorrichtung eingeschaltet wird.
Das Fahrzeugsystem kann Sensoren zum Messen elektrischer Parameter des VVC 152 beinhalten. Ein erster Spannungssensor 210 kann dazu ausgelegt sein, die Eingangsspannung zu messen (z. B. Spannung der Batterie 124) und der VVC-Steuerung 200 ein entsprechendes Eingangssignal (V_bat) bereitzustellen. In einer oder mehreren Ausführungsformen kann der erste Spannungssensor 210 die Spannung an dem Eingangskondensator 202 messen, die der Batteriespannung entspricht. Ein zweiter Spannungssensor 212 kann die Ausgangsspannung des VVC 152 messen und der VVC-Steuerung 200 ein entsprechendes Eingangssignal (V_dc) bereitstellen. In einer oder mehreren Ausführungsformen kann der zweite Spannungssensor 212 die Spannung an dem Ausgangskondensator 204 messen, die der DC-Bus-Spannung entspricht. Der erste Spannungssensor 210 und der zweite Spannungssensor 212 können eine Schaltung beinhalten, um die Spannungen auf einen Pegel zu skalieren, der für die VVC-Steuerung 200 angemessen ist. Die VVC-Steuerung 200 kann eine Schaltung beinhalten, um die Signale von dem ersten Spannungssensor 210 und dem zweiten Spannungssensor 212 zu filtern und zu digitalisieren.
Ein Eingangsinduktor 214, der oft als Boost-Induktor bezeichnet wird, kann zwischen der Traktionsbatterie 124 und den Schaltvorrichtungen 206, 208 elektrisch in Reihe geschaltet sein. Der Eingangsinduktor 214 kann zwischen dem Speichern und Freisetzen von Energie in dem VVC 152 wechseln, um das Bereitstellen der variablen Spannungen und Ströme als Ausgang des VVC 152 und das Erreichen der gewünschten Spannungsverstärkung zu ermöglichen. Ein Stromsensor 216 kann den Eingangsstrom durch den Eingangsinduktor 214 messen und der VVC-Steuerung 200 ein entsprechendes Stromsignal (I_L) bereitstellen. Der Eingangsstrom durch den Eingangsinduktor 214 kann ein Ergebnis der Spannungsdifferenz zwischen der Eingangs- und der Ausgangsspannung des VVC 152, der Leitzeit der Schaltvorrichtungen 206, 208 und der Induktivität L des Eingangsinduktors 214 sein. Die VVC-Steuerung 200 kann eine Schaltung beinhalten, um das Signal von dem Stromsensor 216 zu skalieren, zu filtern und zu digitalisieren.
Die VVC-Steuerung 200 kann dazu programmiert sein, die Ausgangsspannung des VVC 152 zu steuern. Die VVC-Steuerung 200 kann Eingaben von dem VVC 152 und anderen Steuerungen über das Fahrzeugnetzwerk empfangen und die Steuersignale bestimmen. Die VVC-Steuerung 200 kann die Eingangssignale (V_bat, V_dc, I_L, $V_{d c}^{*}$
) überwachen, um die Steuersignale zu bestimmen. Beispielsweise kann die VVC-Steuerung 200 der Gate-Treiberschaltung Steuersignale bereitstellen, die einem Arbeitszyklusbefehl entsprechen. Die Gate-Treiberschaltung kann dann jede Schaltvorrichtung 206, 208 auf Grundlage des Arbeitszyklusbefehls steuern.
Die Steuersignale zu dem VVC 152 können dazu ausgelegt sein, die Schaltvorrichtungen 206, 208 mit einer bestimmten Schaltfrequenz anzutreiben. Innerhalb jedes Zyklus der Schaltfrequenz können die Schaltvorrichtungen 206, 208 mit dem angegebenen Arbeitszyklus betrieben werden. Der Arbeitszyklus definiert die Zeitspanne, in der sich die Schaltvorrichtungen 206, 208 in einem eingeschalteten Zustand und einem ausgeschalteten Zustand befinden. Beispielsweise kann ein Arbeitszyklus von 100 % die Schaltvorrichtungen 206, 208 in einem kontinuierlich angeschalteten Zustand ohne Ausschalten betreiben. Ein Arbeitszyklus von 0 % kann die Schaltvorrichtungen 206, 208 in einem kontinuierlich ausgeschalteten Zustand ohne Anschalten betreiben. Ein Arbeitszyklus von 50 % kann die Schaltvorrichtungen 206, 208 für eine Hälfte des Zyklus in einem eingeschalteten Zustand und für eine Hälfte des Zyklus in einem ausgeschalteten Zustand betreiben. Die Steuersignale für die zwei Schalter 206, 208 können komplementär sein. Das heißt, das Steuersignal, das an eine der Schaltvorrichtungen (z. B. 206) gesendet wird, kann eine umgekehrte Version des Steuersignals sein, das an die andere Schaltvorrichtung (z. B. 208) gesendet wird. Die Verwendung einer komplementären Steuerung der Schaltvorrichtungen 206, 208 ist wünschenswert, um einen Shoot-Through-Zustand zu vermeiden, bei dem Strom direkt durch eine High-Side-Schaltvorrichtung 206 und eine Low-Side-Schaltvorrichtung 208 strömt. Die High-Side-Schaltvorrichtung 206 wird auch als Durchlassvorrichtung 206 bezeichnet und die Low-Side-Schaltvorrichtung 208 wird auch als Ladevorrichtung 208 bezeichnet.
Der Strom, der von den Schaltvorrichtungen 206, 208 gesteuert wird, kann eine Welligkeitskomponente beinhalten, die eine Größe aufweist, die mit einer Größe des Stroms sowie dem Arbeitszyklus und der Schaltfrequenz der Schaltvorrichtungen 206, 208 variiert. In Bezug auf den Eingangsstrom tritt der schlimmste Fall einer Welligkeitsstromgröße unter Bedingungen mit relativ hohem Eingangsstrom auf. Wenn der Arbeitszyklus fest ist, verursacht ein Anstieg des Induktorstroms einen Anstieg der Größe des Welligkeitsstroms. Die Größe des Welligkeitsstroms steht ferner mit dem Arbeitszyklus in Verbindung. Die höchste Welligkeitsstromgröße liegt vor, wenn der Arbeitszyklus gleich 50 % ist. Die allgemeine Beziehung zwischen der Größe des Induktorwelligkeitsstroms und dem Arbeitszyklus kann sein, wie in 5 dargestellt. Auf Grundlage dieser Tatsachen kann es von Vorteil sein, Maßnahmen umzusetzen, um die Welligkeitsstromgröße unter Bedingungen mit Hochstrom und mittleren Arbeitszyklen zu verringern.
Bei der Konzeption des VVC 152 können die Schaltfrequenz und der Induktivitätswert des Induktors 214 derart ausgewählt werden, dass eine maximal zulässige Welligkeitsstromgröße erfüllt wird. Die Welligkeitskomponente kann eine periodische Variation sein, die an einem DC-Signal auftritt. Die Welligkeitskomponente kann durch eine Welligkeitskomponentengröße und eine Welligkeitskomponentenfrequenz definiert sein. Die Welligkeitskomponente kann Harmonische aufweisen, die in einem hörbaren Frequenzbereich liegen, der zur Geräuschsignatur des Fahrzeugs beitragen kann. Ferner kann die Welligkeitskomponente Schwierigkeiten beim genauen Steuern von Vorrichtungen verursachen, die von der Quelle versorgt werden. Bei Schaltübergängen können die Schaltvorrichtungen 206, 208 bei dem maximalen Induktorstrom (DC-Strom plus Welligkeitsstrom) ausgeschaltet werden, was an den Schaltvorrichtungen 206, 208 zu einer hohen Spannungsspitze führen kann. Aufgrund der Größen- und Kosteneinschränkungen kann der Induktivitätswert basierend auf dem geleiteten Strom ausgewählt werden. Im Allgemeinen kann die Induktivität bei steigendem Strom aufgrund von Sättigung abnehmen.
Die Schaltfrequenz kann so ausgewählt werden, dass eine Größe der Welligkeitsstromkomponente in Worst-Case-Szenarien begrenzt wird (z. B. Bedingungen mit höchstem Eingangsstrom und/oder Arbeitszyklus nahe 50 %). Die Schaltfrequenz der Schaltvorrichtungen 206, 208 kann so ausgewählt sein, dass sie eine Frequenz (z. B. 10 kHz) ist, die größer ist als eine Schaltfrequenz des Motor/Generator-Wechselrichters (z. B. 5 kHz), der an einen Ausgang des VVC 152 gekoppelt ist. Bei einigen Anwendungen kann die Schaltfrequenz des VVC 152 so ausgewählt sein, dass sie eine vorgegebene feste Frequenz ist. Die vorgegebene feste Frequenz ist im Allgemeinen derart ausgewählt, dass sie Spezifikationen bezüglich Geräuschen und Welligkeitsstrom erfüllt. Die Auswahl der vorgegebenen festen Frequenz stellt jedoch womöglich nicht die beste Leistung über alle Betriebsbereiche des VVC 152 bereit. Die vorgegebene feste Frequenz kann beste Ergebnisse bei einer bestimmten Reihe von Betriebsbedingungen bereitstellen, kann aber bei anderen Betriebsbedingungen ein Kompromiss sein.
Ein Erhöhen der Schaltfrequenz kann die Welligkeitsstromgröße verringern und Spannungsbelastungen an den Schaltvorrichtungen 206, 208 senken, kann aber zu höheren Schaltverlusten führen. Während die Schaltfrequenz für Worst-Case-Welligkeitsbedingungen ausgewählt sein kann, kann der VVC 152 nur für einen kleinen Anteil der gesamten Betriebszeit unter den Worst-Case-Welligkeitsbedingungen betrieben werden. Dies kann zu unnötig hohen Schaltverlusten führen, welche die Kraftstoffeffizienz senken könnten. Außerdem kann die feste Schaltfrequenz das Geräuschspektrum in einem sehr engen Bereich konzentrieren. Die erhöhte Geräuschdichte in diesem engen Bereich kann zu spürbaren Problemen mit Geräuschen, Schwingungen und Rauigkeit (Noise, Vibration and Harshness - NVH) führen.
Die VVC-Steuerung 200 kann dazu programmiert sein, die Schaltfrequenz der Schaltvorrichtungen 206, 208 basierend auf dem Arbeitszyklus und dem Eingangsstrom zu variieren. Die Variation der Schaltfrequenz kann die Kraftstoffeffizienz verbessern, indem Schaltverluste reduziert werden und Probleme mit NVH reduziert werden, während unter Worst-Case-Betriebsbedingungen Welligkeitsstromziele eingehalten werden.
Unter Bedingungen mit relativ hohem Strom können die Schaltvorrichtungen 206, 208 eine erhöhte Spannungsbelastung erfahren. Bei einem maximalen Betriebsstrom des VVC 152 kann es gewünscht sein, eine relativ hohe Schaltfrequenz auszuwählen, welche die Welligkeitskomponentengröße bei einem angemessenen Niveau von Schaltverlusten verringert. Die Schaltfrequenz kann auf Grundlage der Eingangsstromgröße derart ausgewählt sein, dass die Schaltfrequenz steigt, wenn die Eingangsstromgröße steigt. Die Schaltfrequenz kann bis zu einer vorgegebenen maximalen Schaltfrequenz erhöht werden. Die vorgegebene maximale Schaltfrequenz kann auf einem Niveau sein, das einen Kompromiss zwischen niedrigeren Welligkeitskomponentengrößen und höheren Schaltverlusten bereitstellt. Die Schaltfrequenz kann in Einzelschritten oder kontinuierlich über den Betriebsstrombereich geändert werden.
Die VVC-Steuerung 200 kann dazu programmiert sein, die Schaltfrequenz als Reaktion darauf zu reduzieren, dass der Stromeingang kleiner ist als ein vorgegebener maximaler Strom. Der vorgegebene maximale Strom kann ein maximaler Betriebsstrom des VVC 152 sein. Die Änderung der Schaltfrequenz kann auf der Größe des Stromeingangs zu den Schaltvorrichtungen 206, 208 basieren. Wenn der Strom größer als der vorgegebene maximale Strom ist, kann die Schaltfrequenz auf eine vorgegebene maximale Schaltfrequenz eingestellt werden. Wenn der Strom abnimmt, nimmt die Größe der Welligkeitskomponente ab. Durch einen Betrieb bei niedrigeren Schaltfrequenzen werden Schaltverluste reduziert, wenn der Strom abnimmt. Die Schaltfrequenz kann basierend auf dem Leistungseingang zu den Schaltvorrichtungen variiert werden. Wenn die Eingangsleistung von dem Eingangsstrom und der Batteriespannung abhängig ist, können die Eingangsleistung und der Eingangsstrom auf eine ähnliche Weise verwendet werden.
Da der Welligkeitsstrom auch von dem Arbeitszyklus beeinflusst wird, kann die Schaltfrequenz auf Grundlage des Arbeitszyklus variiert werden. Der Arbeitszyklus kann auf Grundlage eines Verhältnisses der Eingangsspannung zu der Ausgangsspannung bestimmt werden. Demnach kann die Schaltfrequenz ebenfalls auf Grundlage des Verhältnisses zwischen der Eingangsspannung und der Ausgangsspannung variiert werden. Wenn der Arbeitszyklus nahe 50 % liegt, ist die vorhergesagte Welligkeitsstromgröße ein maximaler Wert und kann die Schaltfrequenz auf die vorgegebene maximale Frequenz eingestellt werden. Die vorgegebene maximale Frequenz kann ein maximaler Schaltfrequenzwert sein, der so ausgewählt ist, dass die Welligkeitsstromgröße minimiert wird. Die Schaltfrequenz kann in Einzelschritten oder kontinuierlich über den Arbeitszyklusbereich geändert werden.
Die VVC-Steuerung 200 kann dazu programmiert sein, die Schaltfrequenz von der vorgegebenen maximalen Frequenz in Reaktion auf einen Betrag einer Differenz zwischen dem Arbeitszyklus und dem Arbeitszykluswert (z. B. 50 %), bei dem die vorhergesagte Welligkeitskomponentengröße ein Maximum ist, zu reduzieren. Wenn der Betrag der Differenz kleiner als ein Schwellenwert ist, kann die Schaltfrequenz auf die vorgegebene Frequenz eingestellt werden. Wenn der Betrag der Differenz sinkt, kann die Schaltfrequenz zu vorgegebenen maximalen Frequenz hin erhöht werden, um die Welligkeitskomponentengröße zu verringern. Wenn der Betrag der Differenz kleiner als ein Schwellenwert ist, kann die Schaltfrequenz auf die vorgegebene maximale Frequenz eingestellt werden.
Die Schaltfrequenz kann auf zwischen der vorgegebenen maximalen Frequenz und einer vorgegebenen minimalen Frequenz begrenzt werden. Die vorgegebene minimale Frequenz kann ein Frequenzwert sein, der größer ist als eine vorgegebene Schaltfrequenz des Leistungselektronikmoduls 126, das an einen Ausgang des variablen Spannungswandlers 152 gekoppelt ist. Die Schaltfrequenz kann zudem auf parasitärer Induktivität im Zusammenhang mit dem Gate des IGBT basieren.
4 ist eine schematische Darstellung 300 eines Antriebsstrangs eines Hybridfahrzeugs, der ein Wechselstromnetz 310, eine Batterieladevorrichtung 308, eine Traktionsbatterie 306, einen Gleichspannungswandler 304 und eine elektrische Antriebseinheit 302 beinhaltet. Die elektrische Antriebseinheit 302 beinhaltet eine elektrische Maschine und einen Wechselrichter zum Antreiben der elektrischen Maschine. Während des Antriebs ist der Gleichspannungswandler 304 dazu ausgelegt, eine Spannung der Batterie auf eine Betriebsspannung an dem DC-Bus-Kondensator 312 hochzusetzen, und während des Ladens ist der Gleichspannungswandler 304 dazu ausgelegt, Blindleistung zu dem DC-Bus-Kondensator 312 zu leiten. Im Allgemeinen wird ein Batterieaufwärtswandler verwendet, um die niedrigere Batteriespannung auf die höhere DC-Busspannung hochzusetzen, um eine einfachere Elektromotorsteuerung und eine bessere Effizienz bei vielen Hybridelektrofahrzeugen (HEV) und einigen Batterieelektrofahrzeugen umzusetzen. Diese Veranschaulichung zeigt eine unabhängige Einphasen-Ladevorrichtung, bei der es sich um eine Einphasen-Ladevorrichtung mit AC-Level 1, -Level 2 oder -Level 3 handeln kann. Hierbei beinhaltet der Batterieaufwärtswandler 304, der auch als Gleichspannungswandler oder variabler Spannungswandler (VVC) bezeichnet wird, einen High-Side-Schalter 314, einen Low-Side-Schalter 316, einen Induktor 318 und den DC-Bus- oder Ausgangskondensator 320. Bei den High-Side- und Low-Side-Schaltern (314, 316) handelt es sich typischerweise um Halbleitervorrichtungen (Solid State Devices - SSD), wie z. B. Bipolartransistoren mit isolierter Gate-Elektrode (Insulated Gate Bipolar Junction Transistors - IGBTs), Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistoren (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistors - MOSFETs) oder Bipolartransistoren (Bipolar Junction Transistors - BJTs), die häufig bei einer Vielzahl von Automobil- und Industrieanwendungen wie etwa Elektromotorantrieben, Leistungswechselrichtern, Gleichspannungswandlern und Leistungsmodulen eingesetzt werden. Der Betrieb eines IGBT und eines MOSFET ist spannungsgesteuert, wobei der Betrieb auf einer Spannung basiert, die an ein Gate des IGBT oder MOSFET angelegt wird, während der Betrieb eines BJT stromgesteuert ist, wobei der Betrieb auf einem Strom basiert, der an eine Basis des BJT angelegt wird.
Hierbei kann die Verwendung von SSDs oder Hochleistungsrelais genutzt werden, um einen Strom zwischen einer Batterie und einer elektrischen Maschine / elektrischen Antriebseinheit 302 des Fahrzeugs zu steuern, zu verändern oder zu modulieren. Beim Laden können die Schalter (314, 316) jedoch moduliert werden, um eine Stromwelligkeit zu reduzieren. Das Verfahren zur Welligkeitsreduzierung richtet die wellige Blindleistung an den DC-Zwischenkreiskondensator 320 in dem Batterieaufwärtswandler 304 unter Verwendung seiner Halbleiterschalter (314, 316). Oftmals werden andere Frequenzen als die Netzfrequenz in Betracht gezogen; beispielsweise liegt ein Schwerpunkt auf der Welligkeit bei doppelter Netzfrequenz, die ausgewählt werden kann, da diese Frequenzkomponente typischerweise die stärkste Welligkeitskomponente ist (z. B. in dem Fall, dass die Eingangsspannung und der Eingangsstrom Leistungsfaktor Eins aufweisen, was bei den meisten handelsüblichen Ladevorrichtungen zutrifft). Dieses Verfahren und diese Struktur können jedoch für Fälle ohne Leistungsfaktor Eins und für andere Frequenzkomponenten durch Einstellen eines Induktivitätswerts, eines Kondensatorwerts, eines Modulationsarbeitszyklus und einer Modulationsfrequenz verwendet werden, da das Elektroantriebssystem während des Ladens nicht betrieben wird und die Welligkeiten durch die Ladevorrichtung zur Batterieseite geleitet werden.
5 ist eine schematische Darstellung eines leistungsverzweigten Antriebsstrangs eines Hybridfahrzeugs, der eine Wechselstromladevorrichtung, eine Traktionsbatterie und einen Wandler, der zum Leiten von Blindleistung zu einem DC-Bus-Konfiguriert ausgelegt ist, beinhaltet. Dieses System ist eine integrierte Ladevorrichtung von Elektrofahrzeugen, die das bordeigene elektrische Antriebssystem nutzen, um die Batterieladefunktionen umzusetzen. Bei dieser Topologie dienen die Wicklungen von Elektromotoren und Generatoren als Induktoren und wird ihren entsprechenden Wechselrichtern befohlen, eine Leistungsfaktorkorrektur(Power Factor Correction -PFC)-Funktion umzusetzen.
In 5 beinhaltet ein Antriebsstrangs 400 eines Hybridfahrzeugs eine elektrische Antriebseinheit 402, die dazu ausgelegt sein kann, Drehmoment zum Antrieb eines Rades des Fahrzeugs bereitzustellen oder einen Strom unter Verwendung von Drehkraft des Rades zu erzeugen. In der elektrischen Antriebseinheit 402 ist eine elektrische Maschine 424 an einen Wechselrichter 422 der elektrischen Maschine gekoppelt, der einen Wechselstrom in einen Gleichstrom (DC) umwandelt. In diesem Beispiel beinhaltet die elektrische Antriebseinheit 402 ferner einen Generator 428, der an einen Generatorwechselrichter 426 gekoppelt ist. Während des Betriebs des Fahrzeugs wird eine Hochspannungstraktionsbatterie 406, mit der ein Glättungskondensator 412 parallel geschaltet sein kann, verwendet, um eine Antriebskraft zum Drehen der elektrischen Maschine bereitzustellen und von der elektrischen Maschine aus Drehenergie des Rades gewonnene Energie zu speichern. Wenn sich das Fahrzeug nicht in Bewegung befindet, kann es wünschenswert sein, den Ladezustand (State of Charge, SOC) der Batterie 406 durch Koppeln der Batterie 406 mit einem Wechselstromnetz 410 über eine Batterieladevorrichtung zu erhöhen, bei der es sich in diesem Beispiel um die elektrische Antriebseinheit 402 handelt. Ein Artefakt der Verwendung des Wechselstromnetzes 410 ist, dass Harmonische der Netzfrequenz zu Spannungsspitzen führen können, die auf die Batterie und Komponenten des Antriebsstrangs 400 übertragen werden. Hierbei beinhaltet der Gleichspannungs- oder Batterieaufwärtswandler 404 einen Induktor 408, einen High-Side-Schalter 414, einen Low-Side-Schalter 416 und einen Kondensator 420. Beim Laden kann die elektrische Antriebseinheit 402 eine Sternpunktklemme des Motors 424 und des Generators 428 mit dem Wechselstromnetz 410 in Eingriff nehmen und Schalter des Motor- und Generatorwechselrichters 422/426 so modulieren, dass Blindleistung durch die Induktionswicklungen der elektrischen Maschinen 424/428 geleitet wird. Dadurch ist es möglich, dass ein Strom, der durch die Wicklungen der elektrischen Maschinen 424/428 fließt, zu dem Batterieaufwärtswandler 404 fließt, sodass er von dem Kondensator 420 und dem Induktor 408 bei Ineingriffnahme durch den Schalter 414 aufgenommen werden kann. Der Strom wird über den Pull-up-Schalter (z. B. 414) und den Pull-down-Schalter (z. B. 416) gesteuert.
Bei der Batterieladevorrichtung kann es sich um eine Ladevorrichtung mit AC-Level 1, -Level 2 oder -Level 3 handeln, wie vom Verband der Automobilingenieure (Society of Automotive Engineers - SAE) definiert und z. B. in SAE J1772 und anderen SAE-Spezifikationen beschrieben. Hierbei schaltet der High-Side-Schalter 414, der ein Relais, IGBT, MOSFET oder anderer Halbleiterschalter sein kann, den Kondensator Cdc 420 selektiv über die Klemmen der Batterie mit dem Induktor L 408 des Batterieaufwärtswandlers 404 in Reihe. Während das Fahrzeug mit dem Wechselstromnetz gekoppelt ist und sich nicht in Bewegung befindet, können die Statorwicklungen der elektrischen Maschinen 424/428 verwendet werden, um Strom an den Aufwärtswandler 404 über die Wechselrichter 422/426 zu übertragen. Die Wechselrichter 422/426 können die Schalter modulieren oder können Schalter statisch in Eingriff nehmen, um den Strom zu leiten, während die Schalter 414/416 des Wandlers 404 mit einer Frequenz fsw modulieren können, die größer als die Netzfrequenz des Wechselstromnetzes 410 ist. Die Frequenz fsw kann größer als das 20-Fache (z. B. 1 kHz, 1,2 kHz, 2 kHz, 2,4 kHz, 5 kHz oder 6 kHz) der Netzfrequenz (z. B. 50 Hz oder 60 Hz) sein.
Der Glättungskondensator Cdc 420 wird als Energiespeichervorrichtung zum Aufnehmen von welliger Leistung verwendet. Die Induktivität L 408 wird zum Übertragen der Blindenergie zum Kondensator 420 verwendet und wird typischerweise nicht als Energiespeichervorrichtung verwendet. Je nach dem Induktivitätswert des Induktors 408, der Schaltfrequenz und einem Welligkeitsbetrag niedriger Frequenz kann der Induktor 408 in einem diskontinuierlichen Modus oder kontinuierlichen Modus betrieben werden. Es versteht sich, dass der Betrieb der Schalter der Wechselrichter 422/426 derart erfolgt, dass kein stationäres Drehmoment an die elektrische Maschine angelegt wird, da transiente Drehmomente, die von den Feldern induziert werden, im Allgemeinen gleich und entgegengesetzt sind oder derart kompensiert werden, dass das Drehmoment im Wesentlichen gleich null ist. Beispielsweise wird durch Fließen des gleichen (kompensierten) Stroms durch alle Phasen einer elektrischen Maschine ein ausgeglichenes homogenes Feld in der elektrischen Maschine erzeugt, sodass sich ein minimales oder gar kein Drehmoment ergibt. Weiterhin können die Schalter der Wechselrichter 422/426 moduliert werden, um die Rotorposition und Unterschiede bei Eigenschaften der elektrischen Komponenten des Wechselrichters (z. B. Schalter, Dioden und Verbindungen) und Phasen der elektrischen Maschine auszugleichen.
6 ist eine grafische Darstellung von AC-Eigenschaften 600 von Lade- und Antriebsstrangkomponenten beim AC-Laden eines Hybridfahrzeugs in Abhängigkeit der Zeit 602. Eine Eingangsleistung 604, ein Induktorstrom 606 und eine DC-Stützkondensatorspannung 608 sind in Abhängigkeit der Zeit 602 grafisch dargestellt. Beim Zeitpunkt 610 ist der Strom gleich null, wenn die DC-Eingangsleistung gleich der Netzleistung ist, und beim Zeitpunkt 612 mit ½ Netzfrequenz ist die Eingangsleistung gleich null, wenn der Strom am kleinsten ist. Diese Wellenformen zeigen die Eingangsleistung, den Induktorstrom und die Kondensatorspannung (es sind nur DC- und Komponenten mit doppelter Netzfrequenz dargestellt). Während dieser Messung wird die Batterieladevorrichtung derart betrieben, dass eine Eingangsspannung und ein Eingangsstrom zur Batterieladevorrichtung den Leistungsfaktor Eins erreichen, jedoch kann in den meisten Fällen eine typische handelsübliche Ladevorrichtung keinen Leistungsfaktor Eins erreichen. Jedoch können diese Steuerverfahren und -schaltungen in Fällen und Systemen ohne Leistungsfaktor Eins und mit anderen Frequenzkomponenten angewandt werden.
Zu Berechnungszwecken sei angenommen, dass die gesamten Niederfrequenz-Welligkeiten auf der AC-Seite zur Batterieseite über die Ladevorrichtung übertragen werden. Die Eingangsleistung kann dann auf Folgendem beruhen: $P_{i n} = P_{i n_d c} \times (1 + cos (2 f_{g r i d} \times 2 π t))$
Die vom Kondensator C_Batt aufzunehmende Blindenergie kann auf folgender Grundlage berechnet werden: $Δ E_{C a p} = \int_{0}^{1 / 4 f_{g r i d}} P_{i n_d c} \times cos (2 π \times 2 f_{g r i d} t) d t = \frac{P_{i n_d c}}{2 π f_{g r i d}} J$
Der Spannungshub des Kondensators kann auf folgender Grundlage berechnet werden: $Δ V_{c} = \frac{P_{i n_d c}}{4 π f_{g r i d} \times C_{d c} \times V_{C_d c}}$
$C_{d c} = \frac{P_{i n_d c}}{4 π f_{g r i d} \times Δ V_{c} \times V_{C_d c}}$
Gleichung (4) bietet eine Orientierungshilfe zur Kondensatorauswahl. Wenn z. B. eine Ladevorrichtung mit 3,3 kW und einer Netzfrequenz von 60 Hz, einer Kondensatorgleichspannung von 400 V und einer Kondensatorspannungswelligkeit von 50 V angenommen werden (3.300/(4*π*60*50*400)), kann somit ein 200-µF-Kondensator verwendet werden, um die Anforderung der Gleichung 4 zu erfüllen.
7 ist ein Blockdiagramm eines Wandlersignalflusses 500 eines Steuersystems für ein Hybridfahrzeug beim AC-Laden. Die Steuerung des Wandlers wird derart durchgeführt, dass die Blindleistung des Ladevorgangs über das Wechselstromnetz zum DC-Bus- oder Ausgangskondensator geleitet wird. Hierbei können netzseitige Messgrößen Spannung/Strom (z. B. Iac und Vac) einschließen, die von einem ersten Steuerblock 502 (z. B. einer AC-Ladevorrichtungssteuerung) berechnet werden können, um Phaseninformationen und Eingangsleistungsdaten zu erzeugen. Die Phaseninformationen und Eingangsleistungsdaten können an einen zweiten Steuerblock 504 übermittelt werden, der sich innerhalb des Fahrzeugs befinden kann, und zusammen mit Messinformationen verwendet werden, die einen Strom des Induktors Lm (Ilm) und eine Spannung des Kondensators (Vc1) beinhalten können. Die Ausgabe dieses Steuerflusses ist ein Wandler-Ansteuersignal, das verwendet wird, um den Kondensator C₁ (z. B. den Ausgangskondensator 420) zwischen der Sternpunktklemme der elektrischen Maschine und der negativen Klemme des Wechselrichters zu koppeln. Weiterhin kann dieses Wandler-Ansteuersignal dazu verwendet werden, Schalter des Wechselrichters (z. B. Schalter innerhalb des Motorwechselrichters 422 und des Generatorwechselrichters 426) zusammen mit den Schaltern in dem Wandler (z. B. 404) zu verwenden.
8 ist ein Ablaufdiagramm 700 eines Steuersystems für einen Gleichspannungswandler, um Blindleistung zu einem Ausgangs- oder DC-Bus-Kondensator zu leiten. Bei Schritt 702 verzweigt sich eine Steuerung auf Grundlage eines Betriebsmodus eines Hybridfahrzeugs. Wenn sich das Fahrzeug nicht in einem Lademodus befindet, kehrt die Steuerung zu Schritt 702 zurück. Wenn der Betriebsmodus ein Lademodus ist, geht die Steuerung zu Schritt 704 über.
Bei Schritt 704 berechnet die Steuerung die Eingangsleistungswelligkeit (z. B. Pin, wie in 6 dargestellt) und einen Betriebsverlust des Wechselrichters und geht zu Schritt 606 über. Bei Schritt 606 verzweigt sich die Steuerung auf Grundlage davon, ob die Eingangsleistungswelligkeit einen Schwellenwert überschreitet. Der Schwellwert kann auf einem vorgegebenen Wert beruhen; z. B. kann der vorgegebene Wert den maximal zulässigen Welligkeitswert zur Batterie beinhalten oder kann der vorgegebene Wert durch die Ladeeffizienzanforderung und den Wandlerschaltungsverlust bestimmt werden. Wenn die Eingangsleistungswelligkeit kleiner als der Schwellenwert ist, bricht die Steuerung ab, und wenn die Eingangsleistungswelligkeit größer als der Schwellenwert ist, geht die Steuerung zu Schritt 708 über.
Bei Schritt 708 koppelt die Steuerung einen Ausgangskondensator zwischen Klemmen der Batterie, um die Blindleistung zu „kompensieren“. Nachdem der Kompensationskondensator gekoppelt wurde, geht die Steuerung zu Schritt 710 über.
Bei Schritt 710 betreibt die Steuerung den Wandler, um Blindleistung aus dem Ladebetrieb zum Ausgangskondensator über die Schalter des Wandlers zu leiten. In einer Ausführungsform ohne den Ausgangskondensator betreibt die Steuerung den Wandler, um Blindleistung durch den Induktor des Wandlers zu leiten. Danach geht die Steuerung zu Schritt 712 über. Bei Schritt 712 verzweigt sich die Steuerung in Reaktion auf einen Ladestatus; wenn das Laden nicht abgeschlossen ist, zweigt die Steuerung zu Schritt 710 ab und betreibt den Wechselrichter weiter. Wenn das Laden abgeschlossen ist, bricht die Steuerung bei Schritt 714 ab.
9 ist eine Darstellung eines Antriebsstrangs 900 eines Hybridfahrzeugs, der eine elektrische Maschine 902 beinhaltet, die dazu ausgelegt sein kann, Drehmoment zum Antrieb eines Rades des Fahrzeugs bereitzustellen oder einen Strom unter Verwendung von Drehkraft des Rades zum Drehen der elektrischen Maschine 902 zu erzeugen. Die elektrische Maschine ist an einen Wechselrichter 904 der elektrischen Maschine gekoppelt, der einen Wechselstrom in einen Gleichstrom (DC) umwandelt. Während des Betriebs des Fahrzeugs wird eine Hochspannungstraktionsbatterie 906 verwendet, um eine Antriebskraft zum Drehen der elektrischen Maschine bereitzustellen und von der elektrischen Maschine aus Drehenergie des Rades gewonnene Energie zu speichern. Wenn sich das Fahrzeug nicht in Bewegung befindet, kann es wünschenswert sein, den Ladezustand (SOC) der Batterie 906 durch Koppeln der Batterie 906 mit einem Wechselstromnetz 910 über eine Batterieladevorrichtung 908 zu erhöhen. Ein Artefakt der Verwendung des Wechselstromnetzes ist, dass Harmonische der Netzfrequenz zu Spannungsspitzen führen können, die auf die Batterie und Komponenten des Antriebsstrangs übertragen werden. Da eine erforderliche Betriebsspannung des Wechselrichters 904 und der elektrischen Maschine 902 anders als die Spannung der Batterie 906 sein kann, kann ein Gleichspannungswandler 912 verwendet werden, um die Batteriespannung auf die Betriebsspannung zu erhöhen/verringern oder hoch-/herabzusetzen. Der Gleichspannungswandler 912, der auch als variabler Spannungswandler (VVC) bezeichnet wird, kann einen High-Side-Schalter 914, einen Low-Side-Schalter 916, einen Induktor 918 und den einen Ausgangskondensator 920 beinhalten. Bei den High-Side- und Low-Side-Schaltern (914, 916) handelt es sich typischerweise um Halbleitervorrichtungen (SSD), wie z. B. Bipolartransistoren mit isolierter Gate-Elektrode (IGBTs), Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistoren (MOSFETs) oder Bipolartransistoren (BJTs), die häufig bei einer Vielzahl von Automobil- und Industrieanwendungen wie etwa Elektromotorantrieben, Leistungswechselrichtern, Gleichspannungswandlern und Leistungsmodulen eingesetzt werden. Der Betrieb eines IGBT und eines MOSFET ist spannungsgesteuert, wobei der Betrieb auf einer Spannung basiert, die an ein Gate des IGBT oder MOSFET angelegt wird, während der Betrieb eines BJT stromgesteuert ist, wobei der Betrieb auf einem Strom basiert, der an eine Basis des BJT angelegt wird.
Während des Antriebs ist der Gleichspannungswandler 912 dazu ausgelegt, eine Spannung der Batterie auf eine Betriebsspannung an dem DC-Bus-Kondensator 920 hochzusetzen, und während des Ladens ist der Gleichspannungswandler 912 dazu ausgelegt, Blindleistung zu dem DC-Bus-Kondensator 920 zu leiten. Im Allgemeinen wird ein Batterieaufwärtswandler verwendet, um die niedrigere Batteriespannung auf die höhere DC-Busspannung hochzusetzen, um eine einfachere Elektromotorsteuerung und eine bessere Effizienz bei vielen Hybridelektrofahrzeugnen (HEV) und einigen Batterieelektrofahrzeugen umzusetzen. Diese Veranschaulichung betrifft eine unabhängige Einphasen-Ladevorrichtung, bei der es sich um eine Einphasen-Ladevorrichtung mit AC-Level 1, -Level 2 oder -Level 3 handeln kann, wie vom Verband der Automobilingenieure (SAE) definiert und z. B. in SAE J1772 und anderen SAE-Spezifikationen beschrieben.
Hierbei ist ein Kondensator 922 selektiv an die Sternpunktklemme der elektrischen Maschine 902 über einen Schalter 924 gekoppelt und werden die Schalter (928A, 928B, 928C, 930A, 930B und 930C) des Wechselrichters 904 derart moduliert, dass sie Blindleistung durch die Induktionswicklungen 926A, 926B und 926C der elektrischen Maschine 902 fließen lassen. Dadurch ist es möglich, dass ein Strom, der durch die Wicklungen der elektrischen Maschine 926A, 926B und 926C fließt, derart fließt, dass er vom Kondensator 920 aufgenommen wird, wenn er vom Schalter 924 in Eingriff genommen wird. Der Strom wird über Pull-up-Schalter 928A, 928B und 928C und Pull-down-Schalter 930A, 930B und 930C gesteuert; diese Schalter werden auch als High-Side-Schalter 928A, 928B und 928C und Low-Side-Schalter 930A, 930B und 930C bezeichnet. Hierbei koppelt der Schalter R1 924, der ein Relais, IGBT, MOSFET oder anderer Halbleiterschalter sein kann, den Kondensator C1 922 selektiv zwischen der Sternpunktklemme der elektrischen Maschine 902 und dem negativen Bus des Wechselrichters 904. Während das Fahrzeug an das Wechselstromnetz gekoppelt ist und sich nicht in Bewegung befindet, können die Statorwicklungen (d. h. Induktoren L1, L2 und L3) der elektrischen Maschine verwendet werden, um Strom über den Wechselrichter zum Aufwärtswandler zu übertragen. Der Wechselrichter hat die Schalter (928 und 930) bei einer Frequenz fsw moduliert, die größer als die Netzfrequenz des Wechselstromnetzes 910 ist. Die Frequenz fsw kann größer als das 20-Fache (z. B. 1 kHz, 1,2 kHz, 2 kHz, 2,4 kHz, 5 kHz oder 6 kHz) der Netzfrequenz (z. B. 50 Hz oder 60 Hz) sein.
Der Glättungskondensator C1 922 wird als Energiespeichervorrichtung zum Aufnehmen von welliger Leistung verwendet. Der Induktor Lm stellt die Wicklungsinduktivität der elektrischen Maschine 902 dar. Die Induktivität Lm wird zum Übertragen der Blindenergie zum Kondensator 922 verwendet und wird typischerweise nicht als Energiespeichervorrichtung verwendet. Je nach dem Induktivitätswert der Wicklungen (926A, 926B und 926C), der Schaltfrequenz und einem Welligkeitsbetrag niedriger Frequenz kann der Induktor in einem diskontinuierlichen Modus oder kontinuierlichen Modus betrieben werden.
Die Schalter in den Dreiphasen-Zweigen sind in zwei Gruppen unterteilt: die oberen drei Schalter (928A, 928B und 928C) und die unteren drei Schalter (930A, 930B und 930C). Innerhalb jeder Gruppe können die Schalter in verschiedenen Modi betrieben werden. Beispielsweise arbeiten in einem ersten „parallelen“ Modus die drei Schalter (z. B. die oberen Schalter oder die unteren Schalter) gleichzeitig, sodass alle oberen Schalter gleichsam angeschaltet sind und alle unteren Schalter gleichsam angeschaltet sind. Ein anderer Modus ist ein „verschachtelter“ Modus, bei dem die drei Schalter (z. B. die oberen Schalter oder die unteren Schalter) in 1/3 des Schaltzyklus getrennt betrieben werden. Ein dritter „selektiver“ Modus besteht darin, dass jeweils nur ein oder zwei Schalter betrieben werden. Obwohl dies unter Verwendung von 3-phasigen elektrischen Maschinen veranschaulicht wurde, ist diese Erfindung nicht auf eine 3-phasige elektrische Maschine beschränkt, da sie auch in einer 6-phasigen, 9-phasigen oder anderen mehrphasigen elektrischen Maschine umgesetzt werden kann, bei welcher der Kompensationskondensator zwischen einer Sternpunktklemme der mehrphasigen elektrischen Maschine und einer negativen Klemme des Wechselrichters für die elektrische Maschine gekoppelt ist. Der Betrieb der Schalter erfolgt derart, dass kein stationäres Drehmoment an die elektrische Maschine angelegt wird, da transiente Drehmomente, die von den Feldern induziert werden, in einigen Ausführungsform im Allgemeinen gleich und entgegengesetzt sind oder derart kompensiert werden, dass das Drehmoment im Wesentlichen gleich null ist. Beispielsweise wird durch Fließen des gleichen (kompensierten) Stroms durch alle Phasen einer elektrischen Maschine ein ausgeglichenes homogenes Feld in der elektrischen Maschine erzeugt, sodass sich ein minimales oder gar kein Drehmoment ergibt. Weiterhin können die Schalter moduliert werden, um die Rotorposition und Unterschiede bei Eigenschaften der elektrischen Komponenten des Wechselrichters (z. B. Schalter, Dioden und Verbindungen) und Phasen der elektrischen Maschine (z. B. 926A, 926A und 926A) auszugleichen.
10 ist eine Darstellung eines Antriebsstrangs 1000 eines Hybridfahrzeugs, der eine elektrische Maschine 1002 beinhaltet, die dazu ausgelegt sein kann, Drehmoment zum Antrieb eines Rades des Fahrzeugs bereitzustellen oder einen Strom unter Verwendung von Drehkraft des Rades zum Drehen der elektrischen Maschine 1002 zu erzeugen. Die elektrische Maschine ist an einen Wechselrichter 1004 der elektrischen Maschine gekoppelt, der einen Wechselstrom in einen Gleichstrom (DC) umwandelt. Während des Betriebs des Fahrzeugs wird eine Hochspannungstraktionsbatterie 1006 verwendet, um eine Antriebskraft zum Drehen der elektrischen Maschine bereitzustellen und von der elektrischen Maschine aus Drehenergie des Rades gewonnene Energie zu speichern. Wenn sich das Fahrzeug nicht in Bewegung befindet, kann es wünschenswert sein, den Ladezustand (SOC) der Batterie 1006 durch Koppeln der Batterie 1006 mit einem Wechselstromnetz 1010 über eine Batterieladevorrichtung 1008 zu erhöhen. Ein Artefakt der Verwendung des Wechselstromnetzes ist, dass Harmonische der Netzfrequenz zu Spannungsspitzen führen können, die auf die Batterie und Komponenten des Antriebsstrangs übertragen werden. Da eine erforderliche Betriebsspannung des Wechselrichters 1004 und der elektrischen Maschine 1002 anders als die Spannung der Batterie 1008 sein kann, kann ein Gleichspannungswandler 1012 verwendet werden, um die Batteriespannung auf die Betriebsspannung zu erhöhen/verringern oder hoch-/herabzusetzen. Der Gleichspannungswandler 1012, der auch als variabler Spannungswandler (VVC) bezeichnet wird, kann einen High-Side-Schalter 1014, einen Low-Side-Schalter 1016, einen Induktor 1018 und den einen Ausgangskondensator 1020 beinhalten. Bei den High-Side- und Low-Side-Schaltern (1014, 1016) handelt es sich typischerweise um Halbleitervorrichtungen (SSD), wie z. B. Bipolartransistoren mit isolierter Gate-Elektrode (IGBTs), Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistoren (MOSFETs) oder Bipolartransistoren (BJTs), die häufig bei einer Vielzahl von Automobil- und Industrieanwendungen wie etwa Elektromotorantrieben, Leistungswechselrichtern, Gleichspannungswandlern und Leistungsmodulen eingesetzt werden. Der Betrieb eines IGBT und eines MOSFET ist spannungsgesteuert, wobei der Betrieb auf einer Spannung basiert, die an ein Gate des IGBT oder MOSFET angelegt wird, während der Betrieb eines BJT stromgesteuert ist, wobei der Betrieb auf einem Strom basiert, der an eine Basis des BJT angelegt wird.
Während des Antriebs ist der Gleichspannungswandler 1012 dazu ausgelegt, eine Spannung der Batterie auf eine Betriebsspannung an dem DC-Bus-Kondensator 1020 hochzusetzen, und während des Ladens ist der Gleichspannungswandler 1012 dazu ausgelegt, Blindleistung zu dem DC-Bus-Kondensator 1020 zu leiten. Im Allgemeinen wird ein Batterieaufwärtswandler verwendet, um die niedrigere Batteriespannung auf die höhere DC-Busspannung hochzusetzen, um eine einfachere Elektromotorsteuerung und eine bessere Effizienz bei vielen Hybridelektrofahrzeugnen (HEV) und einigen Batterieelektrofahrzeugen umzusetzen. Diese Veranschaulichung betrifft eine unabhängige Einphasen-Ladevorrichtung, bei der es sich um eine Einphasen-Ladevorrichtung mit AC-Level 1, -Level 2 oder -Level 3 handeln kann, wie vom Verband der Automobilingenieure (SAE) definiert und z. B. in SAE J1772 und anderen SAE-Spezifikationen beschrieben.
Ein Artefakt der Verwendung des Wechselstromnetzes ist, dass Harmonische der Netzfrequenz zu Spannungsspitzen führen können, die auf den Antriebsstrang übertragen werden. Hierbei kann ein Strom durch wenigstens eine der Phasen der elektrischen Maschine 1002 über den Wechselrichter 1004 geleitet werden. Ein Strom kann derart geleitet werden, dass er durch wenigstens eine Wicklung der elektrischen Maschine (z. B. 1026A, 1026B und 1016C) fließt und dann über eine andere Wicklung der elektrischen Maschine zurückfließt. Der Strom wird über Pull-up-Schalter 1028A, 1028B und 1028C und Pull-down-Schalter 1030A, 1030B und 1030C gesteuert. Beispielsweise kann ein Strom derart geleitet werden, dass er durch eine erste Phase 1026A fließt, indem ein erster Schalter 1028A eingeschaltet wird, und kann der Strom dann über eine zweite Phase 1026B durch Einschalten eines zweiten Schalters 1030B zurückfließen. In einer alternativen Ausführungsform kann der Strom über eine zweite Phase 1026B und eine dritte Phase 1026C durch Einschalten eines zweiten Schalters 1030B und eines dritten Schalters 1030C zurückfließen.
Eine Ersatzschaltung für 10 ist im Grunde eine H-Brücke mit einem Induktor über die Brücke. Der Induktor Lm stellt die Ersatzwicklungsinduktivität der Phasen bei entweder Reihen- oder Parallelschaltung je nach der Schalterauslegung dar, die andere Werte je nach verschiedenen Schaltungsanordnungen aufweisen kann. Die Pull-up-Schalter 1028A, 1028B und 1028C und die Pull-down-Schalter 1030A, 1030B und 1030C bilden einen Vollbrückenwechselrichter und werden derart gesteuert, dass sie den Induktorstrom I_Lm erzeugen. Die Pull-up-Schalter 1028A, 1028B und 1028C und die Pull-down-Schalter 1030A, 1030B und 1030C können bei einer Frequenz fsw betrieben werden, die weitaus höher (> das 20-Fache) als die Netzfrequenz des Wechselstromnetzes sein kann. Und die Pull-up-Schalter 1028A, 1028B und 1028C und die Pull-down-Schalter 1030A, 1030B und 1030C können derart gesteuert werden, dass der Induktorstrom I_Lm der Eingangsleistung so folgt, dass Blindleistungskomponenten davon kompensiert werden. Obwohl dies unter Verwendung von 3-phasigen elektrischen Maschinen veranschaulicht wurde, ist diese Ausführungsform nicht auf eine 3-phasige elektrische Maschine beschränkt, da sie auch in einer 6-phasigen, 9-phasigen oder anderen mehrphasigen elektrischen Maschine umgesetzt werden kann, bei welcher ein Strom über wenigstens eine Phase fließt und dann über wenigstens eine andere Phase zurückfließt. Der Betrieb der Schalter erfolgt derart, dass kein stationäres Drehmoment an die elektrische Maschine angelegt wird, da transiente Drehmomente, die von den Feldern induziert werden, in einigen Ausführungsform im Allgemeinen gleich und entgegengesetzt sind oder derart kompensiert werden, dass das Drehmoment im Wesentlichen gleich null ist. Beispielsweise wird durch Fließen des gleichen (kompensierten) Stroms durch eine Phase einer elektrischen Maschine und Zurückfließen des Stroms über eine getrennte andere Phase ein ausgeglichenes homogenes Feld in der elektrischen Maschine erzeugt, sodass sich ein minimales oder gar kein Drehmoment ergibt. Bei einem anderen Beispiel wird durch Fließen eines Stroms durch eine Phase einer elektrischen Maschine und Zurückfließen des Stroms über die zwei übrigen Phasen ein ausgeglichenes homogenes Feld in der elektrischen Maschine erzeugt, sodass sich ein minimales oder gar kein Drehmoment ergibt. Weiterhin können die Schalter moduliert werden, um die Rotorposition und Unterschiede bei Eigenschaften der elektrischen Komponenten des Wechselrichters (z. B. Schalter, Dioden und Verbindungen) und Phasen der elektrischen Maschine (z. B. 1026A, 1026A und 1026A) auszugleichen.
In der folgenden Analyse wird ferner angenommen, dass die Eingangsspannung und der Eingangsstrom den Leistungsfaktor Eins aufweisen, was bei den meisten gewerblichen Ladevorrichtungen der Fall ist. In einem Fall ohne den Leistungsfaktor Eins und bei anderen Frequenzkomponenten ist die Analyse jedoch ähnlich. Hier werden zwei Fälle untersucht: erstens, wenn I_Lm einen hohen DC-Wert plus AC-Welligkeit aufweist, und zweitens, wenn I_Lm keinen oder einen geringen DC-Wert plus AC-Welligkeit aufweist.
In dem Fall, in dem I_Lm einen hohen DC-Wert plus AC-Welligkeit aufweist, ist der Induktorstrom stets positiv und folgt die AC-Komponente des Induktorstroms I_Lm der Eingangsblindleistung, um netzseitige Welligkeit zu kompensieren. Hierbei kann die Stromwelligkeit am Induktor auf folgender Grundlage berechnet werden: $Δ I_{L} = \frac{P_{i n_d c}}{4 π f_{g r i d} \times L_{m} \times I_{L_d c}}$
Wobei die erforderliche Induktivität der Motorstatorwicklungen auf Folgendem beruhen kann: $L_{m} = \frac{P_{i n_d c}}{4 π f_{g r i d} \times Δ I_{L} \times I_{L_d c}}$
Gleichung 6 bietet eine Orientierungshilfe für eine empfohlene Induktivität. Beispielweise kann bei einer Ladevorrichtung mit 3,3 kW und einer Netzfrequenz von 60 Hz, einer Stromwelligkeit von 50 A und einem Induktorgleichstrom von 400 A eine Ersatzinduktivität der Statorwicklungen von 200 µH verwendet werden, um die Anforderung zu erfüllen.
Die Steuerung des Wechselrichters soll die Niederfrequenz-Blindleistung zum Induktor leiten. Die netzseitigen Messgrößen können Spannung/Strom (z. B. Iac und Vac) einschließen, die zum Erzeugen von Phaseninformationen und Eingangsleistungsdaten verwendet werden können. Die Phaseninformationen und Eingangsleistungsdaten können zusammen mit den Fahrzeugmessinformationen verwendet werden, die den Strom des Induktors Lm (Ilm) einschließen können.
Im zweiten Fall, bei dem I_Lm keinen oder einen geringen DC-Wert plus AC-Welligkeit aufweist, kann der Induktorstrom negativ sein. Und die AC-Komponente des Induktorstroms folgt der Eingangsblindleistung, um die netzseitige Welligkeit auszugleichen. Eine Eingangsleistung mit dem Leistungsfaktor Eins kann auf den folgenden Gleichungen beruhen: $P_{i n_a c} = P_{i n_d c} cos (2 f_{g r i d} \times 2 π t))$
$E_{i n_a c} = \frac{P_{i n_d c}}{4 π f_{g r i d}} (1 + sin (2 f_{g r i d} \times 2 π t))$
$I_{L m} = \pm \sqrt{\frac{P_{i n_d c}}{4 π f_{g r i d} L_{m}} (1 + sin (2 f_{g r i d} \times 2 π t))}$
Gleichung 9 stellt den Induktorstromwert bereit, der verwendet wird, um die Leistung bei einer Welligkeit bei doppelter Netzfrequenz unter Bedingungen mit Leistungsfaktor Eins zu kompensieren. Die Polarität des Induktorstroms kann nach Wunsch ausgewählt werden, um den Leitungsverlust der Schaltung (z. B. durch die Schalter und Komponenten des Antriebsstrangs) zu minimieren. 6 zeigt Wellenformen, die mit Eigenschaften der Schaltung assoziiert sind, einschließlich eines Induktorstroms, der für eine Ausführungsform veranschaulichend ist, bei der die Polarität jedes Mal umgeschaltet wird, wenn der Induktorstrom auf null geht.
Die Steuerlogik oder die durch die Steuerung durchgeführten Funktionen können in einer oder mehreren Figuren durch Ablaufdiagramme oder ähnliche Diagramme dargestellt sein. Diese Figuren stellen repräsentative Steuerstrategien und/oder -logik bereit, die unter Verwendung von einer oder mehreren Verarbeitungsstrategien, wie etwa ereignisgesteuert, unterbrechungsgesteuert, Multitasking, Multithreading und dergleichen, umgesetzt werden können. Demnach können unterschiedliche dargestellte Schritte oder Funktionen in der veranschaulichten Reihenfolge oder parallel durchgeführt oder in manchen Fällen weggelassen werden. Wenngleich dies nicht immer ausdrücklich dargestellt ist, erkennt der Durchschnittsfachmann, dass eine/r oder mehrere der dargestellten Schritte oder Funktionen je nach konkreter verwendeter Verarbeitungsstrategie wiederholt ausgeführt werden können. Ebenso ist die Verarbeitungsreihenfolge nicht zwingend erforderlich, um die hier beschriebenen Merkmale und Vorteile zu erreichen, sondern soll der Veranschaulichung und Beschreibung dienen. Die Steuerlogik kann hauptsächlich als Software umgesetzt sein, die durch eine mikroprozessorbasierte Fahrzeug-, Motor- und/oder Antriebsstrangsteuerung, wie etwa die Steuerung, ausgeführt wird. Selbstverständlich kann die Steuerlogik je nach der konkreten Anwendung als Software, Hardware oder eine Kombination aus Software und Hardware in einer oder mehreren Steuerungen umgesetzt sein. Bei einer Umsetzung als Software kann die Steuerlogik in einer/einem oder mehreren computerlesbaren Speichervorrichtungen oder -medien bereitgestellt sein, in denen Daten gespeichert sind, die Code oder Anweisungen darstellen, der/die durch einen Computer zum Steuern des Fahrzeugs oder seiner Teilsysteme ausgeführt wird/werden. Die computerlesbaren Speichervorrichtungen oder -medien können eine oder mehrere einer Reihe bekannter physischer Vorrichtungen beinhalten, die elektrischen, magnetischen und/oder optischen Speicher nutzen, um ausführbare Anweisungen und zugehörige Kalibrierungsinformationen, Betriebsvariablen und dergleichen zu speichern.
Die hier offenbarten Prozesse, Verfahren oder Algorithmen können einer Verarbeitungsvorrichtung, einer Steuerung oder einem Computer zuführbar sein/davon angewendet werden, die/der eine bereits bestehende programmierbare elektronische Steuerungseinheit oder eine spezielle elektronische Steuereinheit enthalten kann. Gleichermaßen können die Prozesse, Verfahren oder Algorithmen als Daten und Anweisungen gespeichert sein, die durch eine Steuerung oder einen Computer in vielen Formen ausgeführt werden können, darunter unter anderem Informationen, die permanent auf nicht beschreibbaren Speichermedien, wie etwa Festwertspeicher(ROM)-Vorrichtungen, gespeichert sind, und Informationen, die veränderbar auf beschreibbaren Speichermedien, wie etwa Disketten, Magnetbändern, Compact Discs (CDs), Direktzugriffsspeicher(RAM)-Vorrichtungen und weiteren magnetischen und optischen Medien, gespeichert sind. Die Prozesse, Verfahren und Algorithmen können ferner in einem von Software ausführbaren Objekt umgesetzt sein. Alternativ dazu können die Prozesse, Verfahren oder Algorithmen ganz oder teilweise unter Verwendung geeigneter Hardwarekomponenten, wie z. B. anwendungsspezifischer integrierter Schaltungen (ASIC), feldprogrammierbarer Gate-Arrays (FPGAs), Zustandsmaschinen, Steuerungen oder anderer Hardwarekomponenten oder Vorrichtungen oder einer Kombination aus Hardware-, Software- und Firmwarekomponenten, ausgeführt sein.
Obwohl vorstehend Ausführungsbeispiele beschrieben sind, sollen diese Ausführungsformen nicht alle möglichen Formen beschreiben, welche durch die Ansprüche umfasst werden. Die in der Beschreibung verwendeten Ausdrücke sind vielmehr 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 erfindungsgemäße Ausführungsformen auszubilden, die unter Umständen nicht ausdrücklich beschrieben oder dargestellt 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 der Durchschnittsfachmann, dass ein oder mehrere Merkmale oder eine oder mehrere Eigenschaften in Frage gestellt werden können, um die gewünschten Gesamtattribute des Systems zu erzielen, die von der konkreten Anwendung und Umsetzung abhängen. Zu diesen Attributen gehören u. a. Kosten, Festigkeit, Lebensdauer, Lebenszykluskosten, Marktfähigkeit, Erscheinungsbild, Verpackung, Größe, Wartbarkeit, Gewicht, Herstellbarkeit, einfache Montage usw. Daher liegen Ausführungsformen, welche in Bezug auf eine oder mehrere Eigenschaften als weniger wünschenswert als andere Ausführungsformen oder Umsetzungen aus dem Stand der Technik beschrieben werden, nicht außerhalb des Umfangs der Offenbarung und können für bestimmte Anwendungen wünschenswert sein.

Claims

Antriebsstrang für ein Fahrzeug, umfassend: einen Gleichspannungswandler, der einen Induktor und einen Ausgangskondensator beinhaltet und zwischen einer Traktionsbatterie und einer elektrischen Antriebseinheit gekoppelt ist; und eine Steuerung, die dazu ausgelegt ist, in Reaktion auf eine elektrische Verbindung zwischen dem Fahrzeug und einem Wechselstromnetz den Ausgangskondensator und den Induktor in Reihe und über Klemmen der Traktionsbatterie zu schalten, um Blindleistung aus dem Wechselstromnetz aufzunehmen.
Antriebsstrang nach Anspruch 1, wobei die Steuerung ferner dazu ausgelegt ist, Schalter des Wandlers zu modulieren, um Blindleistung durch den Induktor des Wandlers und den Ausgangskondensator zu kompensieren.
Antriebsstrang nach Anspruch 1, ferner umfassend eine Einphasen-Ladevorrichtung, die dazu ausgelegt ist, die elektrische Verbindung zwischen dem Wechselstromnetz und dem Gleichspannungswandler zu bilden.
Antriebsstrang nach Anspruch 1, ferner umfassend eine integrierte Ladevorrichtung, die dazu ausgelegt ist, die elektrische Verbindung zwischen dem Wechselstromnetz und dem Gleichspannungswandler über eine Sternpunktklemme von sowohl einer ersten als auch zweiten elektrischen Maschine zu bilden.
Antriebsstrang nach Anspruch 1, wobei die elektrische Antriebseinheit einen Stromwechselrichter und eine elektrische Maschine beinhaltet.
Antriebsstrang nach Anspruch 5, wobei die Steuerung ferner dazu ausgelegt ist, Schalter des Wechselrichters zu modulieren, um Blindleistung aus dem Wechselstromnetz in wenigstens einer Phase der elektrischen Maschine aufzunehmen.
Antriebsstrang nach Anspruch 5, wobei die Steuerung ferner dazu ausgelegt ist, Schalter des Wechselrichters zu modulieren, um Blindleistung aus dem Wechselstromnetz in wenigstens einer Phase der elektrischen Maschine und einem Kompensationskondensator, der zwischen eine Sternpunktklemme der elektrischen Maschine und eine negative Klemme des Wechselrichters gekoppelt ist, aufzunehmen.
Verfahren zum Steuern eines Antriebsstrangs, umfassend: in Reaktion auf eine elektrische Verbindung zwischen einem Wechselstromnetz und einem Elektrofahrzeug, das den Antriebsstrang enthält, Modulieren eines High-Side-Schalters eines Gleichspannungswandlers gemäß Blindleistung aus einem Wechselstromnetz durch die Steuerung, um Leistung durch einen Induktor des Gleichspannungswandler zu leiten, um einen Teil der Blindleistung in einem Ausgangskondensator des Gleichspannungswandlers aufzunehmen.
Verfahren nach Anspruch 8, ferner umfassend, in Reaktion auf die elektrische Verbindung, Koppeln eines Ausgangskondensators des Gleichspannungswandlers zwischen Klemmen einer Traktionsbatterie des Antriebsstrangs.
Verfahren nach Anspruch 9, ferner umfassend, in Reaktion auf die elektrische Verbindung, Modulieren von Schaltern eines Wechselrichters gemäß Blindleistung aus dem Wechselstromnetz, um ein Feld in einer elektrischen Maschine mit Sternschaltung in dem Antriebsstrang zu induzieren, um einen Teil der Blindleistung aufzunehmen.
Antriebsstrang für ein Fahrzeug, umfassend: eine Steuerung, die dazu ausgelegt ist, in Reaktion auf eine elektrische Verbindung zwischen dem Fahrzeug und einem Wechselstromnetz einen Ausgangskondensator und einen Induktor eines Gleichspannungswandlers in Reihe und über Klemmen einer Traktionsbatterie zu schalten, um Blindleistung aus dem Wechselstromnetz aufzunehmen.
Antriebsstrang nach Anspruch 11, wobei der Ausgangskondensator und der Induktor des Gleichspannungswandlers über einen Schalter des Wandlers gekoppelt sind, der mit einer Frequenz moduliert wird, die größer als eine Netzfrequenz des Wechselstromnetzes ist.
Antriebsstrang nach Anspruch 11, ferner umfassend eine elektrische Maschine mit Sternschaltung, die an einen Wechselrichter gekoppelt ist, wobei die Steuerung ferner dazu ausgelegt ist, in Reaktion auf eine elektrische Verbindung zwischen dem Fahrzeug und dem Wechselstromnetz Schalter des Wechselrichters derart zu modulieren, dass ein Strom in der elektrischen Maschine fließt, um Blindleistung aus dem Wechselstromnetz in wenigstens einer Wicklung der elektrischen Maschine aufzunehmen.
Antriebsstrang nach Anspruch 13, wobei die Steuerung ferner dazu ausgelegt ist, die Schalter zu modulieren, um Blindleistung durch den Induktor des Wandlers und den Ausgangskondensator zu kompensieren.
Antriebsstrang nach Anspruch 13, wobei die Steuerung ferner dazu ausgelegt ist, Schalter zu modulieren, um Blindleistung aus dem Wechselstromnetz in wenigstens einer Phase der elektrischen Maschine und einem Kompensationskondensator, der zwischen eine Sternpunktklemme der elektrischen Maschine und eine negative Klemme des Wechselrichters gekoppelt ist, aufzunehmen.