DE102018117885A1 - Verschachteltes Wandler-Energiesystem - Google Patents

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DE102018117885A1
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Abstract

Ein Stromsystem ist konfiguriert, um mit einer ersten Spannung Gleichstrom (DC) an ein Energiespeichersystem (ESS) zu liefern und mit einer zweiten Spannung Gleichstrom aus dem ESS. Ein Wandler ist an eine elektrische Energiequelle bei der zweiten Spannung gekoppelt. Der Wandler beinhaltet einen Aufwärtswandler und einen Abwärtswandler. Der Aufwärtswandler und der Abwärtswandler sind in einer ersten verschachtelten Anordnung, und in einer zweiten verschachtelten Anordnung, die sich von der ersten verschachtelten Anordnung unterscheidet konfigurierbar. In der ersten verschachtelten Anordnung liefert der Wandler Gleichstrom von der Energiequelle zum ESS bei der ersten Spannung, und in der zweiten verschachtelten Anordnung liefert der Wandler Gleichstrom von der ESS zur Energiequelle bei der zweiten Spannung.

Description

  • TECHNISCHES GEBIET
  • Dieses Patent bezieht sich im Allgemeinen auf mobile Energiesysteme und insbesondere auf ein Energiesystem mit verschachtelten Wandlern.
  • HINTERGRUND
  • Ein Energiespeichersystem (ESS), wie beispielsweise ein Batteriesystem in einer mobilen Anwendung erfordert einen bequemen Ansatz zur Umkehrung des Abbaus des ESS und eine effiziente Kopplung des ESS an eine Antriebseinheit. Das entleerte ESS oder der wiederaufladbare Teil davon kann physisch gegen eine geladene Einheit ausgetauscht werden. Der Austausch erfordert die Verfügbarkeit kompatibler Batteriepacks und ein System, das für den Austausch ausgelegt ist, wobei die Verwendung dieser Option für komplexere Systeme eine logistische Herausforderung darstellen kann. Eine weitere Option kann die Verwendung eines Offboard-Systems beinhalten, bei dem sich die Hauptkomponenten des Ladesystems nicht an Bord befinden. Diese Herangehensweise kann Ladestationen oder andere Arten von Ladeeinrichtungen verwenden. Ein Offboard-Ladesystem erfordert eine funktionsfähige Verbindung mit der Mobileinheit und daher ist Kompatibilität erforderlich. Eine weitere Option kann ein Bordsystem sein, bei dem die Hauptkomponenten des Ladesystems mit der Mobileinheit transportiert werden. Bei den Bordladegeräten sind die Hauptkomponenten des Ladegeräts Teil jeder einzelnen Mobileinheit anstatt an einer externen Offboard-Station, die Strom über eine Steckverbindung liefert.
  • Die Onboard-Systeme verwenden leistungselektronische Komponenten, um Leistung von einer Energiequelle an das ESS zu koppeln und zu konditionieren. Die Energiequelle kann eine gekoppelte externe Quelle oder eine Onboard-Erzeugungsquelle sein. Im Einsatz koppelt ein separater Satz von leistungselektronischen Komponenten das ESS funktionsfähig an eine Antriebseinheit an. Die Leistungselektronik ist jeweils groß, schwer und muss eventuell gekühlt werden, um effizient arbeiten zu können.
  • Dementsprechend ist es wünschenswert, Systeme und Techniken zur Bereitstellung von Ladeenergie und Antriebsenergie aus einem ESS bereitzustellen. Ebenso wünschenswert ist die Bereitstellung von Verfahren, Systemen und Fahrzeugen, die derartige Techniken anwenden. Ferner werden andere wünschenswerte Funktionen und Merkmale des Ladesystems aus der nachfolgenden ausführlichen Beschreibung und den beigefügten Ansprüchen, in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen, sowie mit dem vorangehenden technischen Gebiet und der Einführung ersichtlich offensichtlich.
  • KURZDARSTELLUNG
  • In einer exemplarischen Ausführungsform ist ein Energiesystem konfiguriert, um Gleichstrom (DC) an ein Energiespeichersystem (ESS) mit einer ersten Spannung abzugeben und Gleichstrom aus dem ESS mit einer zweiten Spannung, die sich von der ersten Spannung unterscheidet. Das System beinhaltet einen Wandler, der an der zweiten Spannung mit einer elektrischen Energiequelle gekoppelt ist. Der Wandler beinhaltet einen Aufwärtswandler und einen Abwärtswandler. Der Aufwärtswandler und der Abwärtswandler sind in einer ersten verschachtelten Anordnung über mindestens einen Schalter, der dem Aufwärtswandler und dem Abwärtswandler zugeordnet ist, und in einer zweiten verschachtelten Anordnung, die sich von der ersten verschachtelten Anordnung unterscheidet, über den mindestens einen Schalter konfigurierbar. In der ersten verschachtelten Anordnung liefert der Wandler Gleichstrom von der Energiequelle zum ESS bei der ersten Spannung, und in der zweiten verschachtelten Anordnung liefert der Wandler Gleichstrom von der ESS zur Energiequelle bei der zweiten Spannung.
  • In einer weiteren exemplarischen Ausführungsform ist ein Energiesystem konfiguriert, um Gleichstrom (DC) an ein Energiespeichersystem (ESS) mit einer ersten Spannung abzugeben und Gleichstrom aus dem ESS mit einer zweiten Spannung, die sich von der ersten Spannung unterscheidet. Das System beinhaltet einen Wandler, der an der zweiten Spannung mit einer elektrischen Energiequelle gekoppelt ist. Der Wandler beinhaltet einen Aufwärtswandler und einen Abwärtswandler. Der Aufwärtswandler und der Abwärtswandler sind in einer ersten verschachtelten Anordnung über mindestens einen Schalter, der dem Aufwärtswandler und dem Abwärtswandler zugeordnet ist, und in einer zweiten verschachtelten Anordnung, die sich von der ersten verschachtelten Anordnung unterscheidet, über den mindestens einen Schalter konfigurierbar. In der ersten verschachtelten Anordnung liefert der Wandler Gleichstrom von der Energiequelle zum ESS bei der ersten Spannung, und in der zweiten verschachtelten Anordnung liefert der Wandler Gleichstrom von der ESS zur Energiequelle bei der zweiten Spannung. Der Aufwärtswandler und der Abwärtswandler beinhalten jeweils eine Induktivität und einen Halbleiterschalter.
  • In einer weiteren exemplarischen Ausführungsform ist ein Energiesystem konfiguriert, um Gleichstrom (DC) an ein Energiespeichersystem (ESS) mit einer ersten Spannung abzugeben und Gleichstrom aus dem ESS mit einer zweiten Spannung, die sich von der ersten Spannung unterscheidet. Das System beinhaltet einen Wandler, der an der zweiten Spannung mit einer elektrischen Energiequelle gekoppelt ist. Der Wandler beinhaltet einen Aufwärtswandler und einen Abwärtswandler. Der Aufwärtswandler und der Abwärtswandler sind in einer ersten verschachtelten Anordnung über mindestens einen Schalter, der dem Aufwärtswandler und dem Abwärtswandler zugeordnet ist, und in einer zweiten verschachtelten Anordnung, die sich von der ersten verschachtelten Anordnung unterscheidet, über den mindestens einen Schalter konfigurierbar. In der ersten verschachtelten Anordnung liefert der Wandler Gleichstrom von der Energiequelle zum ESS bei der ersten Spannung, und in der zweiten verschachtelten Anordnung liefert der Wandler Gleichstrom von der ESS zur Energiequelle bei der zweiten Spannung. Der mindestens eine Schalter ist ein Halbleiterschalter.
  • In einer weiteren exemplarischen Ausführungsform ist ein Energiesystem konfiguriert, um Gleichstrom (DC) an ein Energiespeichersystem (ESS) mit einer ersten Spannung abzugeben und Gleichstrom aus dem ESS mit einer zweiten Spannung, die sich von der ersten Spannung unterscheidet. Das System beinhaltet einen Wandler, der an der zweiten Spannung mit einer elektrischen Energiequelle gekoppelt ist. Der Wandler beinhaltet einen Aufwärtswandler und einen Abwärtswandler. Der Aufwärtswandler und der Abwärtswandler sind in einer ersten verschachtelten Anordnung über mindestens einen Schalter, der dem Aufwärtswandler und dem Abwärtswandler zugeordnet ist, und in einer zweiten verschachtelten Anordnung, die sich von der ersten verschachtelten Anordnung unterscheidet, über den mindestens einen Schalter konfigurierbar. In der ersten verschachtelten Anordnung liefert der Wandler Gleichstrom von der Energiequelle zum ESS bei der ersten Spannung, und in der zweiten verschachtelten Anordnung liefert der Wandler Gleichstrom von der ESS zur Energiequelle bei der zweiten Spannung. Ein zweiter Wandler ist funktionsfähig zwischen der Energiequelle und dem Wandler angeordnet. Der zweite Wandler weist einen elektrischen Gleichspannungsausgang bei der zweiten Spannung auf.
  • In einer weiteren exemplarischen Ausführungsform ist ein Energiesystem konfiguriert, um Gleichstrom (DC) an ein Energiespeichersystem (ESS) mit einer ersten Spannung abzugeben und Gleichstrom aus dem ESS mit einer zweiten Spannung, die sich von der ersten Spannung unterscheidet. Das System beinhaltet einen Wandler, der an der zweiten Spannung mit einer elektrischen Energiequelle gekoppelt ist. Der Wandler beinhaltet einen Aufwärtswandler und einen Abwärtswandler. Der Aufwärtswandler und der Abwärtswandler sind in einer ersten verschachtelten Anordnung über mindestens einen Schalter, der dem Aufwärtswandler und dem Abwärtswandler zugeordnet ist, und in einer zweiten verschachtelten Anordnung, die sich von der ersten verschachtelten Anordnung unterscheidet, über den mindestens einen Schalter konfigurierbar. In der ersten verschachtelten Anordnung liefert der Wandler Gleichstrom von der Energiequelle zum ESS bei der ersten Spannung, und in der zweiten verschachtelten Anordnung liefert der Wandler Gleichstrom von der ESS zur Energiequelle bei der zweiten Spannung. Die Energiequelle ist eine elektrische Wechselstrom-(AC)-Energiequelle.
  • In einer weiteren exemplarischen Ausführungsform ist ein Energiesystem konfiguriert, um Gleichstrom (DC) an ein Energiespeichersystem (ESS) mit einer ersten Spannung abzugeben und Gleichstrom aus dem ESS mit einer zweiten Spannung, die sich von der ersten Spannung unterscheidet. Das System beinhaltet einen Wandler, der an der zweiten Spannung mit einer elektrischen Energiequelle gekoppelt ist. Der Wandler beinhaltet einen Aufwärtswandler und einen Abwärtswandler. Der Aufwärtswandler und der Abwärtswandler sind in einer ersten verschachtelten Anordnung über mindestens einen Schalter, der dem Aufwärtswandler und dem Abwärtswandler zugeordnet ist, und in einer zweiten verschachtelten Anordnung, die sich von der ersten verschachtelten Anordnung unterscheidet, über den mindestens einen Schalter konfigurierbar. In der ersten verschachtelten Anordnung liefert der Wandler Gleichstrom von der Energiequelle zum ESS bei der ersten Spannung, und in der zweiten verschachtelten Anordnung liefert der Wandler Gleichstrom von der ESS zur Energiequelle bei der zweiten Spannung. Zwischen dem Wandler und dem zweiten Wandler ist ein Verbindungskondensator angeordnet.
  • In einer weiteren exemplarischen Ausführungsform ist ein Energiesystem konfiguriert, um Gleichstrom (DC) an ein Energiespeichersystem (ESS) mit einer ersten Spannung abzugeben und Gleichstrom aus dem ESS mit einer zweiten Spannung, die sich von der ersten Spannung unterscheidet. Das System beinhaltet einen Wandler, der an der zweiten Spannung mit einer elektrischen Energiequelle gekoppelt ist. Der Wandler beinhaltet einen Aufwärtswandler und einen Abwärtswandler. Der Aufwärtswandler und der Abwärtswandler sind in einer ersten verschachtelten Anordnung über mindestens einen Schalter, der dem Aufwärtswandler und dem Abwärtswandler zugeordnet ist, und in einer zweiten verschachtelten Anordnung, die sich von der ersten verschachtelten Anordnung unterscheidet, über den mindestens einen Schalter konfigurierbar. In der ersten verschachtelten Anordnung liefert der Wandler Gleichstrom von der Energiequelle zum ESS bei der ersten Spannung, und in der zweiten verschachtelten Anordnung liefert der Wandler Gleichstrom von der ESS zur Energiequelle bei der zweiten Spannung. Das Antriebssystem beinhaltet mindestens einen Elektromotor, der mit dem Verbindungskondensator gekoppelt ist.
  • In einer weiteren exemplarischen Ausführungsform ist ein Energiesystem konfiguriert, um Gleichstrom (DC) an ein Energiespeichersystem (ESS) mit einer ersten Spannung abzugeben und Gleichstrom aus dem ESS mit einer zweiten Spannung, die sich von der ersten Spannung unterscheidet. Das System beinhaltet einen Wandler, der an der zweiten Spannung mit einer elektrischen Energiequelle gekoppelt ist. Der Wandler beinhaltet einen Aufwärtswandler und einen Abwärtswandler. Der Aufwärtswandler und der Abwärtswandler sind in einer ersten verschachtelten Anordnung über mindestens einen Schalter, der dem Aufwärtswandler und dem Abwärtswandler zugeordnet ist, und in einer zweiten verschachtelten Anordnung, die sich von der ersten verschachtelten Anordnung unterscheidet, über den mindestens einen Schalter konfigurierbar. In der ersten verschachtelten Anordnung liefert der Wandler Gleichstrom von der Energiequelle zum ESS bei der ersten Spannung, und in der zweiten verschachtelten Anordnung liefert der Wandler Gleichstrom von der ESS zur Energiequelle bei der zweiten Spannung. Der Wandler beinhaltet eine Vielzahl von Aufwärtswandlern und eine Vielzahl von Abwärtswandlern, wobei die Vielzahl von Aufwärts- und Abwärtswandlern in die erste verschachtelte Anordnung und die zweite verschachtelte Anordnung konfigurierbar ist.
  • In einer weiteren exemplarischen Ausführungsform ist ein Energiesystem konfiguriert, um Gleichstrom (DC) an ein Energiespeichersystem (ESS) mit einer ersten Spannung abzugeben und Gleichstrom aus dem ESS mit einer zweiten Spannung, die sich von der ersten Spannung unterscheidet. Das System beinhaltet einen Wandler, der an der zweiten Spannung mit einer elektrischen Energiequelle gekoppelt ist. Der Wandler beinhaltet einen Aufwärtswandler und einen Abwärtswandler. Der Aufwärtswandler und der Abwärtswandler sind in einer ersten verschachtelten Anordnung über mindestens einen Schalter, der dem Aufwärtswandler und dem Abwärtswandler zugeordnet ist, und in einer zweiten verschachtelten Anordnung, die sich von der ersten verschachtelten Anordnung unterscheidet, über den mindestens einen Schalter konfigurierbar. In der ersten verschachtelten Anordnung liefert der Wandler Gleichstrom von der Energiequelle zum ESS bei der ersten Spannung, und in der zweiten verschachtelten Anordnung liefert der Wandler Gleichstrom von der ESS zu einem Verbraucher bei der zweiten Spannung. Die erste Spannung ist geringer als die zweite Spannung. In der ersten verschachtelten Anordnung wird eine reduzierte Spannung von der Energiequelle zum ESS und in der zweiten verschachtelten Anordnung eine erhöhte Spannung vom ESS zum Verbraucher geliefert.
  • In einer weiteren exemplarischen Ausführungsform ist ein Energiesystem konfiguriert, um Gleichstrom (DC) an ein Energiespeichersystem (ESS) mit einer ersten Spannung abzugeben und Gleichstrom aus dem ESS mit einer zweiten Spannung, die sich von der ersten Spannung unterscheidet. Das System beinhaltet einen Wandler, der an der zweiten Spannung mit einer elektrischen Energiequelle gekoppelt ist. Der Wandler beinhaltet einen Aufwärtswandler und einen Abwärtswandler. Der Aufwärtswandler und der Abwärtswandler sind in einer ersten verschachtelten Anordnung über mindestens einen Schalter, der dem Aufwärtswandler und dem Abwärtswandler zugeordnet ist, und in einer zweiten verschachtelten Anordnung, die sich von der ersten verschachtelten Anordnung unterscheidet, über den mindestens einen Schalter konfigurierbar. In der ersten verschachtelten Anordnung liefert der Wandler Gleichstrom von der Energiequelle zum ESS bei der ersten Spannung, und in der zweiten verschachtelten Anordnung liefert der Wandler Gleichstrom vom ESS zum Bereitstellen von Antriebsstrom für ein elektrisches Antriebssystem eines Fahrzeugs.
  • In einer weiteren exemplarischen Ausführungsform beinhaltet ein Fahrzeug ein Energiesystem, das konfiguriert ist, um Gleichstrom (DC) an ein Energiespeichersystem (ESS) mit einer ersten Spannung abzugeben und Gleichstrom aus dem ESS mit einer zweiten Spannung, die sich von der ersten Spannung unterscheidet. Das System beinhaltet einen Wandler, der an der zweiten Spannung mit einer elektrischen Energiequelle gekoppelt ist. Der Wandler beinhaltet einen Aufwärtswandler und einen Abwärtswandler. Der Aufwärtswandler und der Abwärtswandler sind in einer ersten verschachtelten Anordnung über mindestens einen Schalter, der dem Aufwärtswandler und dem Abwärtswandler zugeordnet ist, und in einer zweiten verschachtelten Anordnung, die sich von der ersten verschachtelten Anordnung unterscheidet, über den mindestens einen Schalter konfigurierbar. In der ersten verschachtelten Anordnung liefert der Wandler Gleichstrom von der Energiequelle zum ESS bei der ersten Spannung, und in der zweiten verschachtelten Anordnung liefert der Wandler Gleichstrom von der ESS zu einem Verbraucher bei der zweiten Spannung.
  • In einer weiteren exemplarischen Ausführungsform beinhaltet ein Fahrzeug ein Energiesystem, das konfiguriert ist, um Gleichstrom (DC) an ein Energiespeichersystem (ESS) mit einer ersten Spannung abzugeben und Gleichstrom aus dem ESS mit einer zweiten Spannung, die sich von der ersten Spannung unterscheidet. Das System beinhaltet einen Wandler, der an der zweiten Spannung mit einer elektrischen Energiequelle gekoppelt ist. Der Wandler beinhaltet einen Aufwärtswandler und einen Abwärtswandler. Der Aufwärtswandler und der Abwärtswandler sind in einer ersten verschachtelten Anordnung über mindestens einen Schalter, der dem Aufwärtswandler und dem Abwärtswandler zugeordnet ist, und in einer zweiten verschachtelten Anordnung, die sich von der ersten verschachtelten Anordnung unterscheidet, über den mindestens einen Schalter konfigurierbar. In der ersten verschachtelten Anordnung liefert der Wandler Gleichstrom von der Energiequelle zum ESS bei der ersten Spannung, und in der zweiten verschachtelten Anordnung liefert der Wandler Gleichstrom von der ESS zu einem Antriebssystem des Fahrzeugs bei der zweiten Spannung. Das ESS ist ein am Fahrzeug angeordnetes Batteriespeichersystem.
  • In einer weiteren exemplarischen Ausführungsform beinhaltet ein Fahrzeug ein Energiesystem, das konfiguriert ist, um Gleichstrom (DC) an ein Energiespeichersystem (ESS) mit einer ersten Spannung abzugeben und Gleichstrom aus dem ESS mit einer zweiten Spannung, die sich von der ersten Spannung unterscheidet. Das System beinhaltet einen Wandler, der an der zweiten Spannung mit einer elektrischen Energiequelle gekoppelt ist. Der Wandler beinhaltet einen Aufwärtswandler und einen Abwärtswandler. Der Aufwärtswandler und der Abwärtswandler sind in einer ersten verschachtelten Anordnung über mindestens einen Schalter, der dem Aufwärtswandler und dem Abwärtswandler zugeordnet ist, und in einer zweiten verschachtelten Anordnung, die sich von der ersten verschachtelten Anordnung unterscheidet, über den mindestens einen Schalter konfigurierbar. In der ersten verschachtelten Anordnung liefert der Wandler Gleichstrom von der Energiequelle zum ESS bei der ersten Spannung, und in der zweiten verschachtelten Anordnung liefert der Wandler Gleichstrom von der ESS zum Antriebssystem, das mindestens einen Elektromotor beinhaltet.
  • In einer weiteren exemplarischen Ausführungsform beinhaltet ein Fahrzeug ein Energiesystem, das konfiguriert ist, um Gleichstrom (DC) an ein Energiespeichersystem (ESS) mit einer ersten Spannung abzugeben und Gleichstrom aus dem ESS mit einer zweiten Spannung, die sich von der ersten Spannung unterscheidet. Das System beinhaltet einen Wandler, der an der zweiten Spannung mit einer elektrischen Energiequelle gekoppelt ist. Der Wandler beinhaltet einen Aufwärtswandler und einen Abwärtswandler. Der Aufwärtswandler und der Abwärtswandler sind in einer ersten verschachtelten Anordnung über mindestens einen Schalter, der dem Aufwärtswandler und dem Abwärtswandler zugeordnet ist, und in einer zweiten verschachtelten Anordnung, die sich von der ersten verschachtelten Anordnung unterscheidet, über den mindestens einen Schalter konfigurierbar. In der ersten verschachtelten Anordnung liefert der Wandler Gleichstrom von der Energiequelle zum ESS bei der ersten Spannung, und in der zweiten verschachtelten Anordnung liefert der Wandler Gleichstrom von der ESS zu einem Antriebssystem des Fahrzeugs. Jeder der Aufwärtswandler und Abwärtswandler beinhalten eine Induktivität und einen Halbleiterschalter.
  • In einer weiteren exemplarischen Ausführungsform beinhaltet ein Fahrzeug ein Energiesystem, das konfiguriert ist, um Gleichstrom (DC) an ein Energiespeichersystem (ESS) mit einer ersten Spannung abzugeben und Gleichstrom aus dem ESS mit einer zweiten Spannung, die sich von der ersten Spannung unterscheidet. Das System beinhaltet einen Wandler, der an der zweiten Spannung mit einer elektrischen Energiequelle gekoppelt ist. Der Wandler beinhaltet einen Aufwärtswandler und einen Abwärtswandler. Der Aufwärtswandler und der Abwärtswandler sind in einer ersten verschachtelten Anordnung über mindestens einen Schalter, der dem Aufwärtswandler und dem Abwärtswandler zugeordnet ist, und in einer zweiten verschachtelten Anordnung, die sich von der ersten verschachtelten Anordnung unterscheidet, über den mindestens einen Schalter konfigurierbar. In der ersten verschachtelten Anordnung liefert der Wandler Gleichstrom von der Energiequelle zum ESS bei der ersten Spannung, und in der zweiten verschachtelten Anordnung liefert der Wandler Gleichstrom von der ESS zu einem Antriebssystem des Fahrzeugs bei der zweiten Spannung. Der mindestens eine Schalter umfasst einen Halbleiterschalter.
  • In einer weiteren exemplarischen Ausführungsform beinhaltet ein Fahrzeug ein Energiesystem, das konfiguriert ist, um Gleichstrom (DC) an ein Energiespeichersystem (ESS) mit einer ersten Spannung abzugeben und Gleichstrom aus dem ESS mit einer zweiten Spannung, die sich von der ersten Spannung unterscheidet. Das System beinhaltet einen Wandler, der an der zweiten Spannung mit einer elektrischen Energiequelle gekoppelt ist. Der Wandler beinhaltet einen Aufwärtswandler und einen Abwärtswandler. Der Aufwärtswandler und der Abwärtswandler sind in einer ersten verschachtelten Anordnung über mindestens einen Schalter, der dem Aufwärtswandler und dem Abwärtswandler zugeordnet ist, und in einer zweiten verschachtelten Anordnung, die sich von der ersten verschachtelten Anordnung unterscheidet, über den mindestens einen Schalter konfigurierbar. In der ersten verschachtelten Anordnung liefert der Wandler Gleichstrom von der Energiequelle zum ESS bei der ersten Spannung, und in der zweiten verschachtelten Anordnung liefert der Wandler Gleichstrom von der ESS zu einem Antriebssystem des Fahrzeugs bei der zweiten Spannung. Ein zweiter Wandler ist zwischen der Energiequelle und dem Wandler angeordnet. Der zweite Wandler weist einen elektrischen Gleichspannungsausgang bei der zweiten Spannung auf.
  • In einer weiteren exemplarischen Ausführungsform beinhaltet ein Fahrzeug ein Energiesystem, das konfiguriert ist, um Gleichstrom (DC) an ein Energiespeichersystem (ESS) mit einer ersten Spannung abzugeben und Gleichstrom aus dem ESS mit einer zweiten Spannung, die sich von der ersten Spannung unterscheidet. Das System beinhaltet einen Wandler, der an der zweiten Spannung mit einer elektrischen Energiequelle gekoppelt ist. Der Wandler beinhaltet einen Aufwärtswandler und einen Abwärtswandler. Der Aufwärtswandler und der Abwärtswandler sind in einer ersten verschachtelten Anordnung über mindestens einen Schalter, der dem Aufwärtswandler und dem Abwärtswandler zugeordnet ist, und in einer zweiten verschachtelten Anordnung, die sich von der ersten verschachtelten Anordnung unterscheidet, über den mindestens einen Schalter konfigurierbar. In der ersten verschachtelten Anordnung liefert der Wandler Gleichstrom von der Energiequelle zum ESS bei der ersten Spannung, und in der zweiten verschachtelten Anordnung liefert der Wandler Gleichstrom von der ESS zu einem Antriebssystem des Fahrzeugs bei der zweiten Spannung. Die Energiequelle ist eine elektrische Wechselstrom-(AC)-Energiequelle.
  • In einer weiteren exemplarischen Ausführungsform beinhaltet ein Fahrzeug ein Energiesystem, das konfiguriert ist, um Gleichstrom (DC) an ein Energiespeichersystem (ESS) mit einer ersten Spannung abzugeben und Gleichstrom aus dem ESS mit einer zweiten Spannung, die sich von der ersten Spannung unterscheidet. Das System beinhaltet einen Wandler, der an der zweiten Spannung mit einer elektrischen Energiequelle gekoppelt ist. Der Wandler beinhaltet einen Aufwärtswandler und einen Abwärtswandler. Der Aufwärtswandler und der Abwärtswandler sind in einer ersten verschachtelten Anordnung über mindestens einen Schalter, der dem Aufwärtswandler und dem Abwärtswandler zugeordnet ist, und in einer zweiten verschachtelten Anordnung, die sich von der ersten verschachtelten Anordnung unterscheidet, über den mindestens einen Schalter konfigurierbar. In der ersten verschachtelten Anordnung liefert der Wandler Gleichstrom von der Energiequelle zum ESS bei der ersten Spannung, und in der zweiten verschachtelten Anordnung liefert der Wandler Gleichstrom von der ESS zu einem Antriebssystem des Fahrzeugs bei der zweiten Spannung. Das Antriebssystem ist zwischen dem Wandler und dem zweiten Wandler gekoppelt.
  • In einer weiteren exemplarischen Ausführungsform beinhaltet ein Fahrzeug ein Energiesystem, das konfiguriert ist, um Gleichstrom (DC) an ein Energiespeichersystem (ESS) mit einer ersten Spannung abzugeben und Gleichstrom aus dem ESS mit einer zweiten Spannung, die sich von der ersten Spannung unterscheidet. Das System beinhaltet einen Wandler, der an der zweiten Spannung mit einer elektrischen Energiequelle gekoppelt ist. Der Wandler beinhaltet einen Aufwärtswandler und einen Abwärtswandler. Der Aufwärtswandler und der Abwärtswandler sind in einer ersten verschachtelten Anordnung über mindestens einen Schalter, der dem Aufwärtswandler und dem Abwärtswandler zugeordnet ist, und in einer zweiten verschachtelten Anordnung, die sich von der ersten verschachtelten Anordnung unterscheidet, über den mindestens einen Schalter konfigurierbar. In der ersten verschachtelten Anordnung liefert der Wandler Gleichstrom von der Energiequelle zum ESS bei der ersten Spannung, und in der zweiten verschachtelten Anordnung liefert der Wandler Gleichstrom von der ESS zu einem Antriebssystem des Fahrzeugs bei der zweiten Spannung. Der Wandler ist eine Vielzahl von Aufwärtswandlern und eine Vielzahl von Abwärtswandlern, wobei die Vielzahl von Aufwärts- und Abwärtswandlern in die erste verschachtelte Anordnung und die zweite verschachtelte Anordnung konfigurierbar ist.
  • In einer weiteren exemplarischen Ausführungsform beinhaltet ein Fahrzeug ein Energiesystem, das konfiguriert ist, um Gleichstrom (DC) an ein Energiespeichersystem (ESS) mit einer ersten Spannung abzugeben und Gleichstrom aus dem ESS mit einer zweiten Spannung, die sich von der ersten Spannung unterscheidet. Das System beinhaltet einen Wandler, der an der zweiten Spannung mit einer elektrischen Energiequelle gekoppelt ist. Der Wandler beinhaltet einen Aufwärtswandler und einen Abwärtswandler. Der Aufwärtswandler und der Abwärtswandler sind in einer ersten verschachtelten Anordnung über mindestens einen Schalter, der dem Aufwärtswandler und dem Abwärtswandler zugeordnet ist, und in einer zweiten verschachtelten Anordnung, die sich von der ersten verschachtelten Anordnung unterscheidet, über den mindestens einen Schalter konfigurierbar. In der ersten verschachtelten Anordnung liefert der Wandler Gleichstrom von der Energiequelle zum ESS bei der ersten Spannung, und in der zweiten verschachtelten Anordnung liefert der Wandler Gleichstrom von der ESS zur Energiequelle bei der zweiten Spannung. Die erste Spannung ist geringer als die zweite Spannung. Die erste verschachtelte Anordnung liefert eine reduzierte Spannung von der Energiequelle zum ESS und die zweite verschachtelte Anordnung eine erhöhte Spannung vom ESS zu einem Antriebssystem des Fahrzeugs.
  • Figurenliste
  • Die vorliegende Offenbarung wird im Folgenden in Verbindung mit den nachstehenden Zeichnungsfiguren beschrieben, worin gleiche Bezugszeichen gleiche Elemente bezeichnen und worin gilt:
    • 1 ist ein Funktionsblockdiagramm eines elektrifizierten Fahrzeugs, das ein Energiesystem gemäß einer exemplarischen Ausführungsform beinhaltet; und
    • 2 ist ein Blockdiagramm der mit dem elektrifizierten Fahrzeug von 1 dargestellten Aspekte des Energiesystems gemäß den hierin beschriebenen exemplarischen Ausführungsformen.
  • AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
  • Die folgende ausführliche Beschreibung dient lediglich als Beispiel und soll die Anwendung und Verwendung in keiner Weise einschränken. Weiterhin besteht keine Absicht, im vorstehenden technischen Bereich, Hintergrund, der Kurzzusammenfassung oder der folgenden ausführlichen Beschreibung an eine ausdrücklich oder implizit vorgestellte Theorie gebunden zu sein. Es sollte verstanden werden, dass in den Zeichnungen entsprechende Bezugszeichen gleiche oder entsprechende Teile und Merkmale bezeichnen. Der hierin verwendete Begriff „System“ oder „Modul“ kann sich auf alle Kombinationen oder Sammlungen mechanischer oder elektrischer Hardware-, Software-, Firmwareprodukte, elektronischer Steuerkomponenten, Verarbeitungslogik und/oder Prozessorgeräte, einzeln oder in allen Kombinationen beziehen, unter anderem einschließlich einer anwendungsspezifischen integrierten Schaltung (ASIC), einer elektronischen Schaltung und eines Prozessors (gemeinsam genutzt, dediziert oder Gruppenprozessor) die ein oder mehrere Software- oder Firmwareprogramme, einen Speicher, der Software- oder Firmwareanweisungen enthalten, eine kombinatorische Logikschaltung und/oder andere geeignete Komponenten ausführen, die die beschriebene Funktionalität bieten.
  • Die Ausführungsbeispiele können hierin als funktionale und/oder logische Blockkomponenten und verschiedene Verarbeitungsschritte beschrieben sein. Es ist zu beachten, dass derartige Blockkomponenten aus einer beliebigen Anzahl der Kombinationen oder Sammlungen mechanischer oder elektrischer Hardware-, Software- und/oder Firmware-Komponenten aufgebaut sein können, die zur Ausführung der erforderlichen Funktionen konfiguriert sind. Eine Ausführungsform der Erfindung kann beispielsweise verschiedene Kombinationen oder Sammlungen mechanischer oder elektrischer Komponenten, integrierte Schaltkreiskomponenten, Speicherelemente, digitale Signalprozessorelemente, Logikelemente, Nachschlagetabellen oder dergleichen, einsetzen, die eine Vielzahl von mehreren Funktionen unter der Steuerung eines oder mehrerer Mikroprozessoren oder anderer Steuervorrichtungen durchführen können. Zudem werden Fachleute erkennen, dass die hierin beschriebenen exemplarischen Ausführungsformen in Verbindung mit einer beliebigen Anzahl an mechanischen oder elektronischen Systemen ausgeführt werden können und/oder dass das hierin beschriebene Fahrzeugsystem lediglich ein Ausführungsbeispiel möglicher Implementierungen ist.
  • Der Kürze halber sind konventionelle Komponenten und Techniken und weitere funktionale Aspekten der Systeme (und die einzelnen Bedienelemente der Systeme) hierin vielleicht nicht im Detail beschrieben. Weiterhin sollen die in den verschiedenen Figuren dargestellten Verbindungslinien exemplarische Funktionsbeziehungen und/oder physikalische Verbindungen zwischen den verschiedenen Elementen darstellen. Es sollte beachtet werden, dass viele alternative oder zusätzliche funktionale Beziehungen oder physikalische Verbindungen in einer Ausführungsform der Erfindung vorhanden sein können.
  • Gemäß der hierin beschriebenen exemplarischen Ausführungsform kann ein Antriebssystem 10 in einer mobilen Einheit eingesetzt werden, wie beispielsweise in einem in 1 dargestellten Fahrzeug 12, das ein ESS 14 verwendet, für welches eine Aufladung erforderlich sein kann, und ein Antriebssystem 16, das auf eine Energieversorgung, zum Beispiel aus dem ESS 14, anspricht. Das Fahrzeug 12 kann ein beliebiges von einer Anzahl an unterschiedlichen Arten von Landfahrzeugen, Seefahrzeugen oder Luftfahrzeugen sein und in bestimmten Ausführungsformen kann es beispielsweise ein Personenkraftfahrzeug einer beliebigen Konfiguration sein. Wie in 1 dargestellt, kann das Fahrzeug 12 zusätzlich zu dem vorgenannten Energiesystem 10, dem ESS 14 und dem Antriebssystem 16 eine beliebige oder eine beliebige Kombination aus: einer Karosserie 24, Rädern 26, einem elektronischen Steuersystem 28, einem Lenksystem 30 und einem Bremssystem 32 beinhalten. Die Räder 26 können jeweils drehbar mit der Karosserie 24 gelagert sein. In verschiedenen Ausführungsformen kann sich das Fahrzeug 12 von dem dargestellten in 1 unterscheiden. In bestimmten Ausführungsformen kann beispielsweise die Anzahl der Räder 26 variieren. Als zusätzliche Beispiele kann das Fahrzeug 12 in verschiedenen Ausführungsformen keine Räder 26 aufweisen, die auf eine Straße reagieren, kann jedoch ein anderes Verfahren zum Umwandeln eines Drehmoments in eine Bewegung beinhalten, beispielsweise durch geneigte Flügel, die gegen ein Fluid arbeiten.
  • In dem in 1 veranschaulichten Beispiel kann das Fahrzeug 12 mindestens ein Antriebssystem 16 beinhalten, das in diesen Beispielen die Räder 26 antreiben kann. Das Antriebssystem 16 kann einen Motor 42 und/oder einen Elektromotor beinhalten, der vorzugsweise eine Vorrichtung beinhalten kann, wie etwa einen Motor 36. Unter Einbeziehung des Motors 36 ist das Fahrzeug 12 ein elektrifiziertes Fahrzeug. In einer Reihe von Beispielen kann der Motor 36 ein Elektromotor-Generator und/oder mehr als ein Motor sein. Der Motor 36 kann über das ESS 14 oder durch eine oder mehrere zusätzliche Energiequellen über das Energiesystem 10 gespeist werden. In exemplarischen Ausführungsformen kann das ESS 14 eine Batterie oder Batterien sein.
  • Das Antriebssystem 16 einen Verbrennungsmotor 42 beinhalten, wie etwa in einer Hybridanordnung mit dem Motor 36 oder in einer anderen alternativen Konfiguration. In einer Reihe von Beispielen kann das elektronische Steuersystem 28 Variationen von Komponenten oder Modulen beinhalten, die zusammen verpackt oder an verschiedenen Orten des Fahrzeugs 12 verteilt sein können. In einer Reihe von Beispielen kann das elektronische Steuersystem 28 ein Motorsteuermodul, ein Karosseriesteuermodul, ein Getriebesteuermodul, ein Batteriemanagementsystem, ein Fahrzeugintegrationssteuermodul und/oder eine oder mehrere weitere Komponenten zum Steuern eines Systems, einer Funktion oder eines Betriebs des Fahrzeugs 12 beinhalten. Das Antriebssystem 16 kann mit mindestens einigen der Räder 26 über eine oder mehrere Antriebswellen 40 gekoppelt sein. In einigen Beispielen kann das Antriebssystem 16 den Motor 42 und/oder ein Getriebe 44 beinhalten, um eine variable Ausgabe vorzusehen. In einer Reihe von Beispielen kann der Motor 36 mit dem Getriebe 44 gekoppelt sein. In weiteren Beispielen können der Motor 42 und/oder das Getriebe 44 möglicherweise nicht notwendig sein und weggelassen werden.
  • In den in 1 dargestellten Beispielen kann das Lenksystem 30 die Richtung von mindestens einigen der Räder 26 steuern. In bestimmten Ausführungsformen kann das Fahrzeug 12 autonom sein, wobei Lenkbefehle verwendet werden, die von einem Prozessor, wie etwa im elektronischen Steuersystem 28, erzeugt werden. Die Bremsanlage 32 kann das Bremsen für das Fahrzeug 12 vorsehen. Das Bremssystem 32 kann Eingaben von einem Fahrer über ein Bremspedal (nicht dargestellt) empfangen, das die Fahrzeugverzögerung durch Radbremsen (nicht dargestellt) und/oder durch den Betrieb des Motors 36 in einem regenerativen Modus steuern kann. Ein Fahrer kann auch Eingaben über ein Gaspedal (nicht dargestellt) vorsehen, um eine gewünschte Geschwindigkeit oder Beschleunigung des Fahrzeugs 12 anzuweisen. Die Reaktion des Fahrzeugs 12 auf diese Eingaben kann mindestens teilweise durch eine Ausgabegeschwindigkeit und/oder ein Drehmoment des Motors 36 bewirkt werden. Ähnlich der vorstehenden Beschreibung bezüglich möglicher Variationen für das Fahrzeug 12 können in bestimmten Ausführungsformen Lenken, Bremsen und/oder Beschleunigen durch einen Computer anstatt durch einen Fahrer, wie etwa durch eine autonome Fähigkeit, angewiesen werden.
  • Unter Bezugnahme auf 2 kann die Karosserie 24 des Fahrzeugs 12 gemäß den hierin beschriebenen exemplarischen Ausführungsformen eine Reihe von Komponenten des Antriebssystems 10 tragen, die schematisch dargestellt sind. Wenn sie sich an dem Fahrzeug 12 befinden, werden die Komponenten als an Bord bezeichnet. Das Energiesystem 10 kann eine Onboard-Ladesystem-Topologie verwenden, die mit einer Vielzahl von Ladesystemvariationen kompatibel sein kann. In einer Reihe von Beispielen können Funktionen des Energiesystems 10 im elektronischen Steuersystem 28 von 1 ausgeführt werden, das elektrisch mit dem Energiesystem 10 gekoppelt sein kann. In weiteren Beispielen können Funktionen des Energiesystems 10 in anderen Steuerungen außerhalb des elektronischen Steuersystems 28 ausgeführt werden.
  • Wenn das ESS 14 geladen werden soll, können das Fahrzeug 12 und die Energiequelle 54 in Nähe zueinander gebracht werden, um eine Verbindung, wie etwa durch eine Kabelverbindung 52 und/oder eine induktive Kopplung (nicht dargestellt), zu ermöglichen. Der Ladevorgang kann eine Steuerung durch das Energiesystem 10 beinhalten, die beispielsweise eine beliebige oder eine beliebige Kombination beinhalten kann von: Überspannungsschutz; Filterung; Umwandlung zwischen Wechselstrom (AC) und Gleichstrom (DC); Leistungsfaktorkorrektur (PFC); und/oder DC-DC-Abwärts- oder Aufwärtswandlung. In einer Reihe von Beispielen kann das Laden gesteuert werden, um mehrere Stufen mit unterschiedlichen Strom- und/oder Spannungsmodi vorzusehen. Systemschutzeinrichtungen, wie etwa eine Isolierung, können durch das Energiesystem 10 vorgesehen sein. Dementsprechend kann das Energiesystem 10 in einer Reihe von Beispielen eine Bordsteuerung einer Reihe von Faktoren im Ladevorgang vorsehen, wenn Strom über die Kabelverbindung mit der Energiequelle 54 empfangen und an das ESS 14 geliefert wird.
  • Die Energiequelle 54 von einem Typ sein, der normalerweise in einem Wohnhaus verfügbar ist, wie etwa eine 120-V- oder 240-V-, 60-Hz-Bodenstromversorgung. Die Wechselspannung kann an Bord des Fahrzeugs 12 durch eine Schutzvorrichtung, wie etwa einen Überspannungsschutz 60, empfangen werden, um Schutz vor Spannungsschwankungen in der Versorgung vorzusehen. Die Wechselspannung kann vom Überspannungsschutz 60 zu einem Filter 62 geleitet werden, der die Übertragung von elektromagnetischem Rauschen reduzieren kann. Die Wechselstromschaltung kann vom Filter 62 zu einem Gleichrichter 64 weitergehen, wo die Wechselspannung in Gleichstrom umgewandelt werden kann. Der Gleichrichter 64 kann eine beliebige geeignete Gleichrichtungsanordnung beinhalten, wie etwa Dioden, siliziumgesteuerte Gleichrichter (SCRs) oder Bipolartransistoren mit isoliertem Gate (IGBTs), die in einer Brückenkonfiguration verbunden sind. Auf der gegenüberliegenden Seite des Gleichrichters 64 von dem Filter 62 beginnt der DC-Bus 66. Die DC-Bus 66 beinhaltet DC-Busschienen 68, 70.
  • Ein Wandler 72 kann im DC-Bus 66 benachbart zum Gleichrichter 64 angebracht sein. Der Wandler 72 kann ein N-phasiger, transformatorloser Wandler sein, um eine schrittweise (verstärkte) Gleichstromleistung zum Laden eines Zwischenkreiskondensators 76 zu liefern, der mit dem DC-Bus 66 zwischen den Schienen 68 und 70 gekoppelt ist. Der Wandler beinhaltet die Schalter 78, 80 und 82. Die Schalter 78, 80 und 92 können eine Halbleitervorrichtung, wie etwa einen Metalloxidhalbleiter-Feldeffekttransistor (MOSFET), einen isolierten Gate-Bipolartransistor (IGBT), einen Gate-abschaltbaren Thyristor (GTO) oder eine andere elektronische Schaltvorrichtung wie das Schaltelement beinhalten. Die Schalter 78, 80 und 82 können mit antiparallelen Dioden vorgesehen sein. Die Schalter 74, 76 und 78 sind zum Leiten (EIN) und Sperren (AUS) steuerbar. Der Schalter 74 kann in der DC-Busschiene 68 angebracht sein, um eine Ein-Aus-Steuerung zu ermöglichen. Der Wandler 72 kann weiterhin eine Vielzahl, N, von verschachtelten Induktionsstufen 74 und zwei verschachtelten Induktionsstufen 84 und 86 beinhalten. Die Induktionsstufe 84 beinhaltet einen Induktor 88, eine Diode 90 und einen Schalter 80. Die Induktionsstufe 86 beinhaltet einen Induktor 92, eine Diode 94 und einen Schalter 82.
  • Der Zwischenkreiskondensator 76 kann von der Energiequelle 54 durch den Wandler 72 geladen werden. Der Wandler 72 kann elektrisch über einen Gate-Treiber 96 mit einer Steuerung gekoppelt sein. Die Steuerung 96 kann von einer Niederspannungsquelle 100 gespeist werden. Die Steuerung und der Gate-Treiber 96 ist funktionsfähig, um einen Antriebseingang für die Gates der Halbleitervorrichtungen der Schalter 78, 80 und 82 bereitzustellen. Die Steuerung 96 sieht eine Schaltsteuerung für den Wandler 72 vor und steuert die Schalter 78, 80 und 82 gemäß einer Steuerlogik, die programmiert werden kann, um die gewünschte Ausgabe vorzusehen und für Antworten auf Betriebsmodi, Spannungsstatus und weitere Faktoren. Obwohl der Wandler 72 eine N-phasige, transformatorlose Wandlerstruktur verwendet, können im Energiesystem 10 andere Wandler-Topologien verwendet werden, wie beispielsweise Induktor-Kondensator-(LC)- Netzwerke.
  • In exemplarischen Ausführungsformen kann ein zweiter Wandler 100 im DC-Bus 66 zwischen dem Zwischenkreiskondensator 76 und dem ESS 14 verbunden werden. Der Wandler 100 beinhaltet einen unidirektionalen Aufwärtswandler 102 und einen unidirektionalen Abwärtswandler 104, die in einer verschachtelten Konfiguration 106 angeordnet sind. Es werden zusätzliche Aufwärts- und/oder Abwärtswandler innerhalb der verschachtelten Konfiguration 106 geschätzt. Der Wandler 100 beinhaltet einen Schalter 108, der innerhalb der DC-Schiene 68 angeordnet ist.
  • Der Aufwärtswandler 102 beinhaltet einen Schalter 110, einen Induktor 112 und einen Schalter 114. Der Aufwärtswandler 104 beinhaltet einen Schalter 116, einen Induktor 118 und einen Schalter 120. Zwischen der DC-Schiene 68 und der DC-Schiene 70 ist innerhalb des Wandlers 100 ein Verbindungskondensator 122 vorgesehen. Die Schalter 108, 110, 114, 116 und 120 können eine Halbleitervorrichtung, wie etwa einen Metalloxidhalbleiter-Feldeffekttransistor (MOSFET), ein installiertes Gate, einen Bipolartransistor (IGBT), einen Gate-abschaltbaren Thyristor (GTO) oder eine andere elektronische Schaltvorrichtung wie das Schaltelement, beinhalten und können mit antiparallelen Dioden versehen sein. Die Schalter 108, 110, 114, 116 und 120 können weiterhin zum Leiten von (EIN) und Sperren (AUS) Betriebsarten steuerbar sein.
  • Der Wandler 100 kann elektrisch mit einer Steuerung und einem Gate-Treiber 122 gekoppelt werden. Die Steuerung 122 kann von der Niederspannungsquelle 100 gespeist werden. Die Steuerung und der Gate-Treiber 122 ist funktionsfähig, um einen Antriebseingang für die Gates der Halbleitervorrichtungen der Schalter 108, 110, 114, 116 und 120 bereitzustellen. Die Steuerung 122 sieht eine Schaltsteuerung für den Wandler 100 vor und steuert die Schalter 108, 110, 114, 116 und 120 gemäß einer Steuerlogik, die programmiert werden kann, um die gewünschte Ausgabe vorzusehen und für Reaktionen auf Betriebsarten, Spannungsstatus und weitere Faktoren.
  • Das ESS 14 ist durch einen Trennmagnetschalter 124 mit dem DC-Bus 66 verbunden. Ebenfalls optional mit dem DC-Bus 66 verbunden ist ein Leistungsmodul 126, das die Niederspannungsquelle 132 und die Niederspannungs-Gleichstromversorgung für verschiedene Niederspannungslasten 128 im Fahrzeug 12 bereitstellt.
  • Ein oder mehrere Motorsteuermodule 130 koppeln an den DC-Bus 66 am Zwischenkreiskondensator 76. Zusätzliche Hochspannungskomponenten (über ungefähr 15 Volt DC) 132 können mit dem Zwischenkreis 66 gekoppelt werden. Die Motorsteuermodule 130 sind in bekannter Weise so funktionsfähig, dass sie in Abhängigkeit von der Spannung auf dem DC-Bus 66 am Zwischenkreiskondensator 76 und in Abhängigkeit von Steuersignalen von einer oder mehreren der elektronischen Steuerungen 28 den Motor 36 mit Gleich- oder Wechselstrom versorgen.
  • Die verschachtelte Konfiguration 106 der Wandler 102 und 104 innerhalb des zweiten Wandlers 100 kann von der Nennspannung des ESS 14 bezogen auf die DC-Busspannung am Zwischenkreiskondensator 76 und der Konfiguration des Antriebssystems 16 einschließlich des Motors 36 abhängig sein. Der Wandler 100 kann entweder ein Abwärts- oder ein Aufwärtswandler sein, abhängig von der Nennspannung des ESS 14 und der vom Wandler 72 gelieferten Spannung. Der Wandler 100 kann beispielsweise als ein Abwärtswandler konfiguriert sein, der eine Spannungsabsenkung (Buck) liefert, wenn die Spannung des ESS 14 niedriger ist als die Spannung, die vom Wandler 72 ausgegeben wird. Alternativ kann der Wandler 100 ein Aufwärtswandler sein, der eine Spannungserhöhung (Boost) vom ESS 14 entsprechend der höheren Ausgangsspannung des Wandlers 72 und der Spannung auf dem DC-Bus am Verbindungskondensator 76 liefert. Es ist zu beachten, wenn bei alternativen Anordnungen die Spannung des ESS 14 höher als die des Wandlers 72 ist, kann der Wandler 100 als Aufwärtswandler konfiguriert werden, um eine Spannungserhöhung vom Wandler 72 auf das ESS 14 zum Laden bereitzustellen, und als Abwärtswandler, um eine Spannungsabsenkung vom ESS 14 auf den DC-Bus am Zwischenkreiskondensator 76 bereitzustellen.
  • In Abhängigkeit von den Signalen der Steuerungen 96 und 122 kann der Schalter 108 während des Betriebs des Energiesystems 10 zum Laden des Zwischenkreiskondensators 76 auf AUS (offen) gestellt werden, um den Wandler 100 und damit das ESS 14 vom DC-Bus 66 einschließlich des Zwischenkreiskondensators 76 und der Energiequelle 54 zu trennen. Der mit der Quelle 54 gekoppelte Wandler 72 erhöht die Spannung entsprechend auf die Sollspannung für den DC-Bus 66 am Zwischenkreiskondensator 76 und lädt den Verbindungskondensator 76 effektiv auf. Der Schalter 108 kann in den EIN-(geschlossenen)-Zustand versetzt werden, um den Wandler 100 und damit das ESS 114 mit dem DC-Bus 66 und der Energiequelle 54 zu verbinden. In einem Ladebetriebsmodus wird die DC-Leistung vom Wandler 100 an das ESS 14 und in einem Antriebsmodus die DC-Leistung vom Wandler 100 vom ESS 14 an den Verbindungskondensator 76 gekoppelt.
  • Der Wandler 100 ist durch die Anordnung der Schalter 108, 110, 114, 116 und 120 funktionsfähig, um eine erhöhte Spannung vom ESS 14 zum Verbindungskondensator 76 bzw. eine reduzierte Spannung vom Verbindungskondensator 76 zum ESS 14 und umgekehrt zu liefern. In einer exemplarischen Ausführungsform ist die ESS-Spannung 14 niedriger als die Spannung des DC-Busses 66 am Verbindungskondensator 76. Im Antriebsmodus werden die beiden Wandler 102 und 104 miteinander verschachtelt, um einen höherwertigen Aufwärtswandler zu erzeugen (Boost), der die Spannung vom ESS 14, z. B. V2 = 350 V, auf eine höhere Spannung, z. B. V1 = 600 V, erhöht. Im Lademodus werden die beiden Wandler 102 und 104 zur Spannungsabsenkung (Buck), z. B. V1 = 600 V, auf die Spannung ESS 14, z. B. V2 = 350 V verschachtelt.
  • Die Verschachtelung der Wandler 102 und 104 erhöht die Leistung der Restwelligkeit und vereinfacht somit das Design des Wandlers 100. Die Eingangs- und Ausgangsinduktoren 112 und 118 (Boost und Buck) sind für den verschachtelten und bidirektionalen Betrieb optimiert. Der Wandler 100 ermöglicht zudem eine transformatorlose Isolierung über Festköper, Halbleiterschalter 110, 114, 116 und 120. Als weiterer Vorteil ermöglicht eine Anordnung eines Energiesystems 10 gemäß den exemplarischen Ausführungsformen die Kopplung der Motorsteuermodule 130 an den DC-Bus 76 am Zwischenkreiskondensator 76 zwischen dem Wandler 72 und dem Wandler 100.
  • Anhand der vorstehenden Beispiele ermöglicht ein Energiesystem mit reduzierter Komponentenanzahl und Systemmasse eine Optimierung des Wandlers um die ESS- und Verbindungskondensator-Konstruktion. Während die Beispiele in der vorstehenden detaillierten Beschreibung dargestellt wurden, versteht es sich, dass es eine große Anzahl an Varianten gibt. Es versteht sich zudem, dass Details lediglich Beispiele sind und den Umfang, die Anwendbarkeit oder die Konfiguration dieser Offenbarung nicht in irgendeiner Weise einschränken sollen. Vielmehr wird die vorstehende ausführliche Beschreibung den Fachleuten eine bequeme Roadmap zur Implementierung der Beispiele der Erfindung zur Verfügung stellen. Es versteht sich, dass verschiedene Änderungen an der Funktion und der Anordnung von Elementen vorgenommen werden können, die in Beispielen beschrieben sind, ohne vom Umfang abzuweichen, wie in den beigefügten Ansprüchen dargelegt.

Claims (10)

  1. Ein Energiesystem ist konfiguriert, um einem Energiespeichersystem (ESS) Gleichstrom (DC) mit einer ersten Spannung zu liefern und um von dem ESS mit einer zweiten Spannung, die sich von der ersten Spannung unterscheidet, elektrische Gleichstromleistung zu liefern, wobei das System Folgendes umfasst: einen Wandler, der mit einer elektrischen Energiequelle bei der zweiten Spannung funktionsfähig gekoppelt ist, wobei der Wandler Folgendes umfasst: einen Aufwärtswandler und einen Abwärtswandler, wobei der Aufwärtswandler und der Abwärtswandler in einer ersten verschachtelten Anordnung über die selektive Konfiguration mindestens eines dem Aufwärtswandler und dem Abwärtswandler zugeordneten Schalters und in einer zweiten verschachtelten Anordnung, die sich von der ersten verschachtelten Anordnung unterscheidet, über die selektive Konfiguration des mindestens einen Schalters konfigurierbar sind, und worin, in der ersten verschachtelten Anordnung der Wandler bei der ersten Spannung Gleichstrom von der Stromquelle zum ESS liefert, und in der zweiten verschachtelten Anordnung der Wandler Gleichstrom vom ESS zu einem Verbraucher bei der zweiten Spannung liefert.
  2. Energiesystem nach Anspruch 1, worin jeder der Aufwärtswandler und der Abwärtswandler einen Induktor und einen Halbleiterschalter umfasst, die funktionsfähig gekoppelt sind.
  3. Energiesystem nach Anspruch 1, worin der mindestens eine Schalter einen Halbleiterschalter umfasst.
  4. Energiesystem nach Anspruch 1, ferner umfassend einen zweiten Wandler, der funktionsfähig zwischen der Energiequelle und dem Wandler angeordnet ist, wobei der zweite Wandler einen elektrischen Gleichstromausgang bei der zweiten Spannung aufweist.
  5. Energiesystem nach Anspruch 4, wobei die Energiequelle eine elektrische Wechselstrom-(AC)-Energiequelle ist.
  6. Energiesystem nach Anspruch 4, wobei ein Verbindungskondensator zwischen dem Wandler und dem zweiten Wandler angeordnet ist und der Verbraucher ein Antriebssystem mit mindestens einem Elektromotor umfasst, der mit dem Verbindungskondensator gekoppelt ist.
  7. Das Energiesystem nach Anspruch 1, wobei jeder der Aufwärts- und der Abwärtswandler unidirektional ist.
  8. Energiesystem nach Anspruch 1, wobei der Wandler eine Vielzahl von Aufwärtswandlern und eine Vielzahl von Abwärtswandlern umfasst, wobei die Vielzahl von Aufwärts- und Abwärtswandlern in die erste verschachtelte Anordnung und die zweite verschachtelte Anordnung konfigurierbar ist.
  9. Energiesystem nach Anspruch 1, wobei die erste Spannung niedriger ist als die zweite Spannung, wobei die erste verschachtelte Anordnung eine reduzierte Spannung von der Energiequelle zum ESS und die zweite verschachtelte Anordnung eine erhöhte Spannung vom ESS zum Verbraucher liefert.
  10. Fahrzeug umfassend ein Energiesystem gemäß einem der vorangehenden Ansprüche.
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