DE102018210875A1

DE102018210875A1 - Spannungswandlungseinheit

Info

Publication number: DE102018210875A1
Application number: DE102018210875.7A
Authority: DE
Inventors: Kazuhisa WATARU; Katsuyuki Iwasaki
Original assignee: Yazaki Corp
Current assignee: Yazaki Corp
Priority date: 2017-07-19
Filing date: 2018-07-03
Publication date: 2019-01-24
Also published as: US20190028017A1; CN109286320B; CN109286320A; JP2019022356A; US10938293B2; JP6608405B2

Abstract

Es wird eine Spannungswandlungseinheit angegeben, die umfasst: einen Spannungswandler, der bidirektional elektrische Leistung zwischen einem ersten Leistungssystem und einem zweiten Leistungssystem zuführen kann; und einen Bypass-Schalter, der parallel zu dem Spannungswandler angeordnet ist. Der Spannungswandler umfasst: einen Detektor, der eine Spannungsdifferenz zwischen dem ersten Leistungssystem und dem zweiten Leistungssystem erfasst; und eine Schalter-Steuereinrichtung, die das Schalten des Bypass-Schalters basierend auf der Spannungsdifferenz gemäß einer vorbestimmten Regel steuert.

Description

HINTERGRUND
Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Spannungswandlungseinheit, die einen Spannungswandler enthält.
Stand der Technik
Neuere Autos und andere automatische Fahrzeuge enthalten zwei Leistungssysteme mit unterschiedlichen Spannungen. Zum Beispiel ist ein Leistungssystem mit 48 V zusätzlich zu einem herkömmlichen Leistungssystem von 12 V montiert.
Durch eine wechselseitige Übertragung von elektrischer Leistung zwischen den zwei Systemen mit unterschiedlichen Spannungen wird ermöglicht, dass eines der Leistungssysteme einen durch einen Ausfall bedingten Leistungsmangel in dem anderen Leistungssystem kompensiert. Durch die wechselseitige Übertragung von elektrischer Leistung kann auch eine Batterie eines der Leistungssysteme durch die Batterie des anderen Leistungssystems geladen werden. Um eine wechselseitige Übertragung von elektrischer Leistung zu ermöglichen, wurde die Verwendung von bidirektionalen Spannungswandlern wie etwa bidirektionalen DC/DC-Wandlern vorgeschlagen.
Patentliteratur 1: JP 2016-226199 A
ZUSAMMENFASSUNG
2 zeigt einen bidirektionalen DC/DC-Wandler 210, der zwischen einem Leistungssystem A 220 und einem Leistungssystem B 230 angeordnet ist. Wie in 2 gezeigt, enthält das Leistungssystem A 220 eine erste Last 221, eine Hauptbatterie (Pb) 222 und einen Generator 223. Das Leistungssystem B 230 enthält eine Nebenbatterie (Lib) 231 und eine zweite Last 232.
Dabei ist die Spannung Vb des Leistungssystems B 230 höher als die Spannung Va des Leistungssystems A 220. Es ist zu beachten, dass die Spannungen Va und Vb variabel sind in Abhängigkeit von den Bedingungen der Batterien, Lasten und anderen Komponenten der entsprechenden Leistungssysteme.
Für eine Stromzufuhr von dem Leistungssystem A 220 zu dem Leistungssystem B 230 erhöht der bidirektionale DC/DC-Wandler 210 die Spannung Va zu ungefähr der Spannung Vb. Für eine Stromzufuhr von dem Leistungssystem B 230 zu dem Leistungssystem A 220 reduziert der bidirektionale DC/DC-Wandler 210 die Spannung Vb zu ungefähr der Spannung Va.
Wenn zum Beispiel die Differenz zwischen der Spannung Vb des Leistungssystems B 230 und der Spannung Va des Leistungssystems A 220 klein ist, ist keine Spannungswandlung für die Stromzufuhr von dem Leistungssystem B 230 zu dem Leistungssystem A 220 erforderlich.
In diesem Fall verbraucht eine Stromversorgung über den bidirektionalen DC/DC-Wandler 210 Strom für den Betrieb des bidirektionalen DC/DC-Wandlers 210, was eine Verschwendung von Strom zur Folge hat. Um zu einer Verbesserung der Kraftstoffeffizienz von Fahrzeugen beizutragen, wird zum Beispiel vorzugsweise der Stromverbrauch in einem Spannungswandler wie etwa dem bidirektionalen DC/DC-Wandler 210 während der Leistungsübertragung reduziert.
Es ist deshalb eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, den Stromverbrauch in einem Spannungswandler während der Leistungsübertragung zwischen Leistungssystemen zu reduzieren.
Um die oben beschriebenen Probleme zu beseitigen, umfasst eine Spannungswandlungseinheit gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung: einen Spannungswandler, der bidirektional elektrische Leistung zwischen einem ersten Leistungssystem und einem zweiten Leistungssystem zuführen kann; und einen Bypass-Schalter, der parallel zu dem Spannungswandler angeordnet ist. Der Spannungswandler umfasst: einen Detektor, der eine Spannungsdifferenz zwischen dem ersten Leistungssystem und dem zweiten Leistungssystem erfasst; und eine Schalter-Steuereinrichtung, die das Schalten des Bypass-Schalters basierend auf der Spannungsdifferenz gemäß einer vorbestimmten Regel steuert.
Wenn die Spannungsdifferenz eine durch die Regel definierte Bedingung erfüllt, kann die Stromversorgung ohne den Spannungswandler durchgeführt werden. Dies ermöglicht eine Reduktion des Stromverbrauchs in dem Spannungswandler während der Leistungsübertragung zwischen den Leistungssystemen.
Der Detektor kann weiterhin einen zwischen dem ersten Leistungssystem und dem zweiten Leistungssystem fließenden Strom erfassen, und die Schalter-Steuereinrichtung kann weiterhin das Schalten des Bypass-Schalters basierend auf dem Strom steuern.
Diese Konfiguration Ist für den Fall vorgesehen, dass der Stromverbrauch in Abhängigkeit von zwischen dem ersten Leistungssystem und dem zweiten Leistungssystem fließenden Strömen variiert.
Außerdem kann der Detektor weiterhin die Temperatur erfassen und kann die Schalter-Steuereinrichtung weiterhin das Schalten des Bypass-Schalters basierend auf der Temperatur steuern.
Diese Konfiguration ist für den Fall vorgesehen, dass der Stromverbrauch in Abhängigkeit von den Temperaturen variiert.
Die Regel kann durch einen Vergleich zwischen dem Stromverbrauch in dem Bypass-Schalter, während der Bypass-Schalter eingeschaltet ist, und dem Stromverbrauch in dem Spannungswandler, während der Bypass-Schalter ausgeschaltet ist, bestimmt werden.
Dementsprechend wird ein Pfad, der weniger Strom verbraucht, aus dem Pfad über den Spannungswandler und dem Pfad über den Bypass-Schalter ausgewählt.
Die Regel kann weiterhin durch einen Vergleich zwischen der Betriebsstabilität des Spanungswandlers, während der Bypass-Schalter eingeschaltet ist, und der Betriebsstabilität des Spannungswandlers, während der Bypass-Schalter ausgeschaltet ist, bestimmt werden.
Dadurch kann ein instabiler Betrieb des Spannungswandlers verhindert werden.
Gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung kann der Stromverbrauch in einem Spannungswandler während der Leistungsübertragung zwischen Leistungssystemen reduziert werden.
Figurenliste

1 ist ein Konfigurationsdiagramm einer Spannungswandlungseinheit gemäß einer Ausführungsform, und
2 zeigt einen bidirektionalen DC/DC-Wandler, der zwischen einem Leistungssystem A und einem Leistungssystem B angeordnet ist.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
Im Folgenden werden Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung im Detail mit Bezug auf die Zeichnungen beschrieben. 1 ist ein Konfigurationsdiagramm einer Spannungswandlungseinheit 10 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Wie in 1 gezeigt, ist die Spannungswandlungseinheit 10 zwischen einem Leistungssystem A 220 und einem Leistungssystem B 230 angeordnet und überträgt elektrische Leistung zwischen dem Leistungssystem A 220 und dem Leistungssystem B 230. Dabei wird ein mit dem Leistungssystem A 220 gekoppelter Verbindungsanschluss als ein „Verbindungsanschluss A“ bezeichnet und wird ein mit dem Leistungssystem B 230 gekoppelter Verbindungsanschluss als ein „Verbindungsanschluss B“ bezeichnet.
Das Leistungssystem A 220 umfasst eine erste Last 221, eine Hauptbatterie (Pb) 222 und einen Generator 223. Das Leistungssystem B 220 umfasst eine Nebenbatterie (Lib) 231 und eine zweite Last 232. Die Spannung Vb des Leistungssystems B 230 ist höher als die Spannung Va des Leistungssystems A 220. Es ist zu beachten, dass die Spannungen Va und Vb variabel sind in Abhängigkeit von Bedingungen der Batterien, Lasten und anderen Komponenten der entsprechenden Leistungssysteme.
Die Spannungswandlungseinheit 10 umfasst einen Spannungswandler 100 und einen Bypass-Schalter 180. Der Bypass-Schalter 180 kann zum Beispiel ein Halbleiterschalter sein und ist parallel mit dem Spannungswandler 100 gekoppelt. Der Bypass-Schalter 180 weist einen Ein-Widerstand auf, während er eingeschaltet ist. Angesichts einer Reduktion des Stromverbrauchs ist ein niedrigerer Ein-Widerstand zu bevorzugen.
Wie in 1 gezeigt, enthält der Spannungswandler 100 einen Spannungswandlungsabschnitt 110, einen Detektor 120 und eine Schalter-Steuereinrichtung 130. Die Schalter-Steuereinrichtung 130 enthält eine Schalttabelle 131.
Der Spannungswandlungsabschnitt 110 führt eine bidirektionale Spannungswandlung zwischen dem Verbindungsanschluss A und dem Verbindungsanschluss B durch. Der Spannungswandlungsabschnitt 110 kann zum Beispiel ein bidirektionaler DC/DC-Wandler sein. Der Spannungswandlungsabschnitt 110 kann ein beliebiges Spannungswandlungsschema sein. Beispiele für das Schema sind ein lineares Reglerschema, ein Zerhackerschaltungsschema und ein Schaltreglerschema.
Der Detektor 120 erfasst physikalische Größen innerhalb und außerhalb der Spannungswandlungseinheit 10. Die zu erfassenden physikalischen Größen können die Spannung Va des mit dem Verbindungsanschluss A gekoppelten Leistungssystems A 220 und die Spannung Vb des mit dem Verbindungsanschluss B gekoppelten Leistungssystems B 230 sein. Der Detektor 120 kann weiterhin die Temperatur an und in der Nähe der Spannungswandlungseinheit 10 erfassen. Außerdem kann der Detektor 120 einen zwischen dem Leistungssystem A 220 und dem Leistungssystem B 230 über die Spannungswandlungseinheit 10 fließenden Storm erfassen.
Wenn die Spannungswandlung an der Spannungswandlungseinheit 10 nicht benötigt wird, führt die Schalter-Steuereinrichtung 130 eine Ein/Aus-Steuerung des Bypass-Schalters 180 basierend auf dem Ergebnis der Erfassung durch den Detektor 120 durch. Es ist zu beachten, dass das Erfordernis der Spannungswandlung an der Spannungswandlungseinheit 10 zum Beispiel basierend auf einem Befehl von einer Host-Einrichtung bestimmt werden kann. Die Schalter-Steuereinrichtung 130 steuert den Bypass-Schalter 180 mit Bezug auf die Schalttabelle 131 ein/aus.
Die Schalttabelle 131 definiert den Bypass-Schalter 180 in einer Korrelation mit einer Spanungsdifferenz dV zwischen der Spannung Va und der Spannung Vb ein/aus. Wenn die Spannungsdifferenz dV zwischen der Spannung Va und der Spannung Vb in einen durch die Schalttabelle 131 definierten Bereich fällt, schaltet die Schalter-Steuereinrichtung 130 den Bypass-Schalter 180 ein, während sie ansonsten den Bypass-Schalter 180 ausschaltet.
Die Schalter-Steuereinrichtung 130 kann ein Prozessor wie zum Beispiel ein Mikrocomputer sein. Die Schalttabelle 131 kann zum Beispiel in einem Speicher in einem Mikrocomputer gespeichert sein.
Wenn der Bypass-Schalter 180 ausgeschaltet ist, wird eine Stromzufuhr zwischen dem Leistungssystem A 220 und dem Leistungssystem B 230 über die Spannungswandlungseinheit 10 und den Spannungswandler 100 durchgeführt. In diesem Fall entspricht der für den Betrieb des Spannungswandlungsabschnitts 110 erforderliche Strom dem Stromverbrauch.
Während der Bypass-Schalter 180 eingeschaltet ist, wird die Stromzufuhr zwischen dem Leistungssystem A 220 und dem Leistungssystem B 230 über die Spannungswandlungseinheit 10 und den Bypass-Schalter 180 durchgeführt. Weil der Bypass-Schalter 180 einen Ein-Widerstand aufweist, entspricht der Stromverbrauch dem Produkt aus einem Strom durch den Bypass-Schalter 180 und der Spannungsdifferenz dV oder dem durch das Dividieren des Quadrats der Spannungsdifferenz dV durch den Ein-Widerstand erhaltenen Wert.
Die Schalttabelle 131 definiert ein/aus des Bypass-Schalters 180 in einer Korrelation mit einer Spannungsdifferenz dV, um den Stromverbrauch zu reduzieren. Im Detail werden der Stromverbrauch, während der Bypass-Schalter 180 ausgeschaltet ist, und der Stromverbrauch, während der Bypass-Schalter 180 eingeschaltet ist, vorläufig für jede Spannungsdifferenz dV aus den Spezifikationen, Messwerten oder anderen Parametern des Spannungswandlungsabschnitts 110 und des Bypass-Schalters 180 bestimmt, um die Schalttabelle 131 vorzubereiten. Mit Bezug auf die Schalttabelle 131 wird ein Pfad ausgewählt, der einen geringeren Stromverbrauch benötigt.
Wenn zum Beispiel die Spezifikationen der Spannungswandlungsabschnitt 110 von 3 kW, eine Spannungsdifferenz von dV1 und eine Wandlungseffizienz des Spannungswandlungsabschnitts 110 von 97% sind, ist der Stromverbrauch in dem Spannungswandlungsabschnitt 110 90 W (berechnet durch 3 kW × (1 - 0,97)). Wenn dagegen der Bypass-Schalter 180 einen Ein-Widerstand von 1 mΩ aufweist, ist der Stromverbrauch in dem Bypass-Schalter 180 (dV1^210,0019) W. Wenn der Stromverbrauch in dem Bypass-Schalter 180 kleiner ist als in dem Spannungswandlungsabschnitt 110, definiert die Schalttabelle 131, dass der Bypass-Schalter 180 bei der Spannungsdifferenz dV1 einzuschalten ist.
Dementsprechend kann die Schalttabelle 131 zum Beispiel einem Format folgen, in dem der Bypass-Schalter 180 eingeschaltet wird, wenn die Beziehungen V1 < dV < V2 und V3 < dV < V4 erfüllt werden. Natürlich kann die Schalttabelle 131 auch durch ein anderes Format definiert werden.
Der Spannungswandlungsabschnitt 110 kann zum Beispiel ein instabiles Verhalten aufweisen, während die Spannungsdifferenz dV klein ist. Der Spannungswandlungsabschnitt 110 kann zum Beispiel Aufwärts- und Abwärtsoperationen wiederholen, wodurch eine Brummspannung und Fluktuationen in der Spannung vergrößert werden.
Um ein instabiles Verhalten zu verhindern, kann die Schalttabelfe 131 definieren, dass der Bypass-Schalter 180 unabhängig von der Größe des Stromverbrauchs einzuschalten ist, wenn die Spannungsdifferenz dV in einen Bereich fällt, in dem der Spannungswandlungsabschnitt 110 ein instabiles Verhalten veranlasst. Dadurch kann ein instabiles Verhalten des Spannungswandlungsabschnitts 110 verhindert werden. In diesem Fall kann die Schalttabelle 131 eine zusätzliche Regel enthalten, die definiert, dass der Bypass-Schalter 180 einzuschalten ist, wenn die Beziehung V5 < dV < V6 erfüllt wird.
Der Stromverbrauch in dem Spannungswandlungsabschnitt 110 und in dem Bypass-Schalter 180 kann auch durch andere Faktoren als die Spannungsdifferenz dV beeinflusst werden. Wenn zum Beispiel der Stromverbrauch in Abhängigkeit von Umgebungstemperaturen variiert, wird eine Schalttabelle 131 für jede Umgebungstemperatur vorbereitet.
In diesem Fall erfasst der Detektor 120 eine Umgebungstemperatur und führt die Schalter-Steuereinrichtung 130 eine Ein/Aus-Steuerung des Bypass-Schalters 180 basierend auf einer der Schalttabellen 131 durch, die der erfassten Umgebungstemperatur entspricht. Zum Beispiel kann eine Schalttabelle 131 für jeweils fünf Grad der Temperatur vorbereitet werden, wobei dann eine der erfassten Temperatur entsprechende Schalttabelle 131 verwendet wird.
Wenn in einem anderen Fall der Stromverbrauch in Abhängigkeit von durch den Spannungswandlungsabschnitt 110 fließenden Strömen variiert, wird die Schalttabelle 131 für jeden Strom vorbereitet. In diesem Fall erfasst der Detektor 120 einen zwischen dem Verbindungsanschluss A und dem Verbindungsanschluss B der Spannungswandlungseinheit 10 fließenden Strom und führt die Schalter-Steuereinrichtung 130 eine Ein/Aus-Steuerung des Bypass-Schalters 180 basierend auf einer der Schalttabellen 131 in Entsprechung zu dem erfassten Strom durch.
In einem anderen Fall können Schalttabellen 131 in Entsprechung zu dem Typ von Batterien der Leistungssysteme vorbereitet werden. Zum Beispiel kann eine Schalttabelle 131 für jeden Typ (Blei, Lithiumionen, Kondensator usw.) der Nebenbatterie 231 des Leistungssystems B 230 vorbereitet werden.
Gemäß der Spannungswandlungseinheit 10 der oben beschriebenen Ausführungsform erfasst der Detektor 120 eine Spannungsdifferenz zwischen den Leistungssystemen und steuert die Schalter-Steuereinrichtung 130 das Schalten des Bypass-Schalters 180 basierend auf der Spannungsdifferenz. Dadurch wird eine Stromzufuhr ohne den Spannungswandlungsabschnitt 110 ermöglicht, was eine Reduktion des Stromverbrauchs in dem Spannungswandler 100 während einer Leistungsübertragung zwischen den Leistungssystemen zur Folge hat.
Bezugszeichenliste

10: Spannungswandlungseinheit
100: Spannungswandler
110: Spannungswandlungsabschnitt
120: Detektor
130: Schalter-Steuereinrichtung
131: Schalttabelle
180: Bypass-Schalter
220: Stromsystem A
222: Hauptbatterie
230: Stromsystem B
231: Nebenbatterie

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

JP 2016226199 A [0004]

Claims

Spannungswandlungseinheit, die umfasst: einen Spannungswandler, der bidirektional elektrische Leistung zwischen einem ersten Leistungssystem und einem zweiten Leistungssystem zuführen kann, und einen Bypass-Schalter, der parallel zu dem Spannungswandler angeordnet ist, wobei: der Spannungswandler enthält: einen Detektor, der eine Spannungsdifferenz zwischen dem ersten Leistungssystem und dem zweiten Leistungssystem erfasst, und eine Schalter-Steuereinrichtung, die das Schalten des Bypass-Schalters basierend auf der Spannungsdifferenz gemäß einer vorbestimmten Regel steuert.
Spannungswandlungseinheit nach Anspruch 1, wobei: der Detektor weiterhin einen zwischen dem ersten Leistungssystem und dem zweiten Leistungssystem fließenden Strom erfasst, und die Schalter-Steuereinrichtung weiterhin das Schalten des Bypass-Schatters basierend auf dem Strom steuert.
Spannungswandlungseinheit nach Anspruch 1 oder 2, wobei: der Detektor weiterhin die Temperatur erfasst, und die Schalter-Steuereinrichtung weiterhin das Schalten des Bypass-Schalters basierend auf der Temperatur steuert.
Spannungswandlungseinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Regel durch einen Vergleich zwischen dem Stromverbrauch in dem Bypass-Schalter, während der Bypass-Schalter eingeschaltet ist, und dem Stromverbrauch in dem Spannungswandler, während der Bypass-Schalter ausgeschaltet ist, bestimmt wird.
Spannungswandlungseinheit nach Anspruch 4, wobei die Regel weiterhin durch einen Vergleich zwischen der Betriebsstabilität des Spannungswandlers, während der Bypass-Schalter eingeschaltet ist, und der Betriebsstabilität des Spannungswandlers, während der Bypass-Schalter ausgeschaltet ist, bestimmt wird.