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TECHNISCHES GEBIET
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Diese Offenbarung betrifft im Allgemeinen die Umwandlung von Leistung, die verwendet wird, um ein elektrifiziertes Fahrzeug zu laden.
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ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
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Elektrifizierte Fahrzeuge unterscheiden sich von herkömmlichen Kraftfahrzeugen, da elektrifizierte Fahrzeuge unter Verwendung einer oder mehrerer elektrischer Maschinen, die von einer Traktionsbatterie mit Energie versorgt werden, selektiv angetrieben werden. Die elektrischen Maschinen können die elektrifizierten Fahrzeuge anstelle von oder zusätzlich zu einer Brennkraftmaschine antreiben. Beispielhafte elektrifizierte Fahrzeuge sind Hybridelektrofahrzeuge (Hybrid Electric Vehicles - HEV), Plug-in-Hybridelektrofahrzeuge (Plug-in Hybrid Electric Vehicles - PHEV), Brennstoffzellenfahrzeuge (Fuel Cell Vehicles - FCV) und batteriebetriebene Elektrofahrzeuge (Battery Electric Vehicles - BEV).
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Bei der Traktionsbatterie handelt es sich um eine Batterie mit relativ hoher Spannung, welche die elektrischen Maschinen und andere elektrische Verbraucher des elektrifizierten Fahrzeugs selektiv mit Leistung versorgt. Die Traktionsbatterie kann Batteriearrays beinhalten, die jeweils eine Vielzahl von miteinander verbundenen Batteriezellen beinhalten, welche Energie speichern. Einige elektrifizierte Fahrzeuge können die Traktionsbatterie von einer externen Leistungsquelle laden, wie zum Beispiel einer Ladestation.
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KURZDARSTELLUNG
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Eine Leistungswandlerbaugruppe gemäß einem beispielhaften Aspekt der vorliegenden Offenbarung beinhaltet unter anderem ein Gehäuse, das elektrisch an einen Ladestecker einer externen Leistungsquelle gekoppelt werden kann, einen Wandlerstecker, der einen Ladeanschluss eines elektrifizierten Fahrzeugs in Eingriff nimmt, und Schaltung, die Eingangsleistung, die von der externen Stromquelle empfangen wird, in umgewandelte Leistung umwandelt, die dem Ladeanschluss durch den Wandlerstecker zugeführt wird.
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In einer anderen beispielhaften, nicht einschränkenden Ausführungsform der vorstehenden Baugruppe ist die externe Leistungsquelle eine Gleichstromladestation.
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In einer anderen beispielhaften, nicht einschränkenden Ausführungsform einer beliebigen der vorstehenden Baugruppen stellt das Gehäuse eine weibliche Aufnahme bereit, um den Ladestecker aufzunehmen.
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Eine andere nicht einschränkende Ausführungsform einer beliebigen der vorstehenden Baugruppen beinhaltet ein Kabel, das das Gehäuse elektrisch an den Wandlerstecker koppelt.
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In einer anderen beispielhaften, nicht einschränkenden Ausführungsform einer beliebigen der vorstehenden Baugruppen erhöht die Schaltung einen Strom der Eingangsleistung, sodass ein Strom der umgewandelten Leistung höher als ein Strom der Eingangsleistung ist.
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In einer anderen beispielhaften, nicht einschränkenden Ausführungsform einer beliebigen der vorstehenden Baugruppen reduziert die Schaltung eine Spannung der Eingangsleistung, sodass eine Spannung der umgewandelten Leistung niedriger als eine Spannung der Eingangsleistung ist. In einer anderen beispielhaften, nicht einschränkenden Ausführungsform einer beliebigen der vorstehenden Baugruppen ist die Schaltung konfiguriert, um den Strom der Eingangsleistung als Reaktion auf ein Befehlssignal, das von dem elektrifizierten Fahrzeug empfangen wird, einzustellen.
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In einer anderen beispielhaften, nicht einschränkenden Ausführungsform einer beliebigen der vorstehenden Baugruppen umfasst die Schaltung einen Impedanzwandler.
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In einer anderen beispielhaften, nicht einschränkenden Ausführungsform einer beliebigen der vorstehenden Baugruppen ist der Wandler über Bodenhöhe erhöht, wenn der Wandlerstecker den Ladeanschluss in Eingriff nimmt.
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Ein Leistungswandlungsverfahren gemäß einem anderen beispielhaften, nicht einschränkenden Aspekt der vorliegenden Offenbarung beinhaltet das Empfangen von Eingangsleistung von einer Leistungsquelle, die sich außerhalb eines elektrifizierten Fahrzeugs befindet, und an einem Wandler das Einstellen der Eingangsleistung, um umgewandelte Leistung bereitzustellen. Das Verfahren beinhaltet ferner das Laden einer Traktionsbatterie des elektrifizierten Fahrzeugs mit der umgewandelten Leistung.
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In einem anderen Beispiel für ein beliebiges der vorstehenden Verfahren ist die externe Leistungsquelle eine Gleichstromladestation.
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In einem anderen Beispiel für ein beliebiges der vorstehenden Verfahren umfasst das Einstellen das Erhöhen eines Stroms und das Reduzieren einer Spannung der Eingangsleistung.
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In einem anderen Beispiel für ein beliebiges der vorstehenden Verfahren erfolgt das Einstellen als Reaktion auf ein Befehlssignal, das von dem elektrifizierten Fahrzeug an den Wandler gesendet wird.
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In einem anderen Beispiel für ein beliebiges der vorstehenden Verfahren variiert das Befehlssignal auf Grundlage eines Ladezustands der Traktionsbatterie.
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In einem anderen Beispiel für ein beliebiges der vorstehenden Verfahren bewirkt das Befehlssignal, dass der Anstieg des Stroms nachlässt, nachdem ein Ladezustand der Traktionsbatterie 80 Prozent überschreitet.
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In einem anderen Beispiel für ein beliebiges der vorstehenden Verfahren beträgt die Eingangsleistung 100 kW und weist eine Eingangsspannung von 500 V und einen Eingangsstrom von 200 A auf. Das Einstellen stellt eine umgewandelte Leistung bereit, die 69 bis 96 kW beträgt und einen umgewandelten Strom von 236 bis 350 A und eine umgewandelte Spannung von 197 bis 405 V aufweist.
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In einem anderen Beispiel für ein beliebiges der vorstehenden Verfahren befindet sich der Wandler außerhalb des elektrifizierten Fahrzeugs.
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In einem anderen Beispiel für ein beliebiges der vorstehenden Verfahren ist der Wandler während des Einstellens elektrisch an einen Ladestecker der externen Leistungsquelle und einen Ladeanschluss des elektrifizierten Fahrzeugs gekoppelt.
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In einem anderen Beispiel für ein beliebiges der vorstehenden Verfahren ist der Wandler über Bodenhöhe erhöht, wenn der Wandler elektrisch an den Ladestecker gekoppelt ist.
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In einem anderen Beispiel für ein beliebiges der vorstehenden Verfahren ist der Wandler ein Impedanzwandler.
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Die Ausführungsformen, Beispiele und Alternativen der vorangehenden Absätze, die Patentansprüche oder die folgende Beschreibung und die Zeichnungen, einschließlich ihrer sämtlichen verschiedenen Aspekte oder entsprechenden Einzelmerkmale, können unabhängig voneinander oder in beliebiger Kombination miteinander betrachtet werden. Merkmale, die in Verbindung mit einer Ausführungsform beschrieben werden, gelten für alle Ausführungsformen, sofern solche Merkmale nicht inkompatibel sind.
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Figurenliste
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Die verschiedenen Merkmale und Vorteile der offenbarten Beispiele werden dem Fachmann aus der detaillierten Beschreibung ersichtlich. Die der detaillierten Beschreibung beigefügten Figuren können kurz wie folgt beschrieben werden:
- 1 veranschaulicht eine Seitenansicht eines beispielhaften elektrifizierten Fahrzeugs.
- 2 veranschaulicht einen Abschnitt des elektrifizierten Fahrzeugs aus 1 nahe einer externen Leistungsquelle.
- 3 veranschaulicht einen Leistungswandler zusammen mit Abschnitten der externen Leistungsquelle und des elektrifizierten Fahrzeugs aus 2.
- 4 veranschaulicht eine schematische Ansicht des Leistungswandlers, der externen Leistungsquelle und des elektrifizierten Fahrzeugs aus 3.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
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Diese Offenbarung betrifft im Allgemeinen das Laden einer Traktionsbatterie eines elektrifizierten Fahrzeugs von einer externen Leistungsquelle. Insbesondere richtet sich die Offenbarung auf das Reduzieren einer Ladezeit für das elektrifizierte Fahrzeug, indem Leistung von der externen Leistungsquelle umgewandelt wird, sodass die Leistung die Traktionsbatterie schneller laden kann.
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Unter Bezugnahme auf 1-3 ist ein beispielhaftes elektrifiziertes Fahrzeug 10 ein Plug-in-Hybridelektrofahrzeug (plug-in hybrid electric vehicle - PHEV), das eine Traktionsbatterie 14 beinhaltet. In einem anderen Beispiel ist das elektrifizierte Fahrzeug 10 eine andere Art von elektrifiziertem Fahrzeug, wie zum Beispiel ein batteriebetriebenes Elektrofahrzeug (battery electric vehicle - BEV), das eine Traktionsbatterie beinhaltet.
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Ein Antriebsstrang mit Leistungsverzweigung des elektrifizierten Fahrzeugs 10 setzt ein erstes Antriebssystem und ein zweites Antriebssystem ein. Das erste und das zweite Antriebssystem erzeugen ein Drehmoment, um einen oder mehrere Sätze von Fahrzeugantriebsrädern 18 anzutreiben. Das erste Antriebssystem beinhaltet eine Kombination aus einem Verbrennungsmotor und einem Generator. Das zweite Antriebssystem beinhaltet mindestens einen Elektromotor, den Generator und die Traktionsbatterie.
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Von Zeit zu Zeit ist das Laden der Traktionsbatterie 14 erforderlich. Wenn sich das elektrifizierte Fahrzeug 10 bewegt, kann Leistung aus regenerativem Bremsen die Traktionsbatterie 14 laden.
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Wenn das elektrifizierte Fahrzeug 10 stationär ist, kann eine externe Leistungsquelle 22 die Traktionsbatterie 14 laden.
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Das elektrifizierte Fahrzeug 10 beinhaltet eine Ladeanschlussklappe 26, die, wenn sie geschlossen ist, einen Ladeanschluss 30 des Fahrzeugs 10 abdeckt. Der Ladeanschluss 30 stellt eine Schnittstelle an dem elektrifizierten Fahrzeug 10 bereit, um das elektrifizierte Fahrzeug 10 elektrisch mit der externen Leistungszufuhr 22 zu verbinden.
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Wenn das elektrifizierte Fahrzeug 10 unter Verwendung der externen Leistungsquelle 22 geladen wird, öffnet ein Benutzer die Ladeanschlussklappe 26 und kann einen Ladestecker 34 elektrisch an den Ladeanschluss 30 koppeln, sodass Leistung von der Leistungsquelle 22 an die Traktionsbatterie 14 innerhalb des elektrifizierten Fahrzeugs 10 übertragen werden kann.
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Die Leistung lädt die Traktionsbatterie 14 wieder auf. Ein Ladekabel 38 kann den Ladestecker 34 mit der externen Leistungsquelle 22 verbinden.
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In diesem Beispiel ist die externe Leistungsquelle 22 Netzleistung 42 und wird dem elektrifizierten Fahrzeug 10 über eine Ladestation 46 zugeführt. Der Ladestecker 34 und das Ladekabel 38 sind ebenfalls Teile der Ladestation 46. Die Ladestation 46 ist eine Art von Elektrofahrzeugversorgungsgerät.
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Die Ladestation 46 ist in diesem Beispiel eine Gleichstrom-(DC-)Schnellladestation. Die Ladestation 46 ist konkreter eine Leistungsquelle mit 100 kW, die eine Eingangsleistung abgibt, die einen Eingangsstrom von 200 A und eine Eingangsspannung von 500 V aufweist.
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In einer beispielhaften nicht einschränkenden Ausführungsform kann das elektrifizierte Fahrzeug 10 nur einen Teil der Ladefähigkeit der Ladestation 46 nutzen, etwa weniger als 70 Prozent der Ladefähigkeit. Das elektrifizierte Fahrzeug 10 kann zum Laden im Wesentlichen den gesamten Eingangsstrom, aber nur einen Bruchteil der Eingangsspannung verwenden, insbesondere, wenn sich die Traktionsbatterie 14 in einem niedrigen Ladezustand befindet, etwa weniger als 25 Prozent.
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Die Nennleistung für die Ladestation 46 ist somit mehr als das elektrifizierte Fahrzeug 10 verwenden kann. Dies liegt unter anderem daran, dass die Spannung der Traktionsbatterie 14 niedrig ist, wenn der Ladezustand der Traktionsbatterie 14 niedrig ist, und die Spannung der Ladestation 46 Potentiale oberhalb der Spannung der Traktionsbatterie 14 erzeugen kann, wenn sich die Traktionsbatterie 14 in einem hohen Ladezustand befindet.
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Der Unterschied in der Nennleistung kann dazu führen, dass die Traktionsbatterie 14 länger benötigt, von der Ladestation 46 zu laden, als wenn die Nennleistung für die Ladestation 46 enger darauf abgestimmt wäre, was das elektrifizierte Fahrzeug 10 verwenden könnte. Einfach gesagt ist das elektrifizierte Fahrzeug 10 nicht dazu in der Lage, die maximale Leistungsfähigkeit der Ladestation 46 zu nutzen, wenn die Ausgabeleistung von der Ladestation 46 verwendet wird, um das elektrifizierte Fahrzeug 10 bei der Eingangsspannung und dem Eingangsstrom direkt zu laden. Würde das elektrifizierte Fahrzeug 10 stattdessen von einer Leistungsquelle geladen, die einen höheren Strom aufweist, wie zum Beispiel einer DC-Schnellladestation mit einem Strom, der 350 Amp beträgt, könnte die Traktionsbatterie 14 des elektrifizierten Fahrzeugs 10 schneller geladen werden.
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In der beispielhaften Ausführungsform wird ein Wandler 50 verwendet, um den Eingangsstrom und die Eingangsspannung von der Ladestation 46 in einen umgewandelten Strom und eine umgewandelte Spannung umzuwandeln. Der umgewandelte Strom kann höher als der Eingangsstrom sein und die umgewandelte Spannung kann geringer als die Eingangsspannung sein. Der Wandler 50 empfängt somit die Eingangsleistung von der Ladestation 46 und stellt sie ein, um eine umgewandelte Leistung bereitzustellen, die die Traktionsbatterie 14 effektiver lädt. In einigen Beispielen wandelt der Wandler 50 die Eingangsspannung und den Eingangsstrom der Eingangsleistung von der Ladestation 46 in eine umgewandelte Spannung und einen umgewandelten Strom um, die/der im Wesentlichen mit einer Spannung und einem Strom der Traktionsbatterie 14 übereinstimmt.
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Die Verwendung des Wandlers 50, um den Eingangsstrom und die Eingangsspannung umzuwandeln, kann eine Zeit reduzieren, die erforderlich ist, um die Traktionsbatterie 14 zu laden. In einigen Beispielen ist eine Ladezeit um bis zu 17 Prozent reduziert worden, wenn der Wandler 50 verwendet wird, um den Eingangsstrom und die Eingangsspannung auf Werte zu reduzieren, die die Traktionsbatterie 14 effektiver laden können.
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Der Wandler 50 ist in der beispielhaften Ausführungsform ein Impedanzwandler, der ein Gehäuse 54, ein Kabel 58 und einen Wandlerstecker 62 beinhaltet. Das Kabel 58 verbindet das Gehäuse 54 elektrisch mit dem Wandlerstecker 62.
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Das Gehäuse 54 beinhaltet Schaltung 64, die die Eingangsspannung und den Eingangsstrom umwandelt. Ein Fachmann auf diesem Gebiet durch den Vorteil dieser Offenbarung würde verstehen, welche Schaltung erforderlich ist, um einen Eingangsstrom und eine Eingangsspannung in einen umgewandelten Strom und eine umgewandelte Spannung einzustellen. In der beispielhaften Ausführungsform umfasst die Schaltung einen Impedanzwandler.
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Das Gehäuse 54 beinhaltet ferner eine weibliche Aufnahme 68, um den Ladestecker 34 aufzunehmen. Wenn die weibliche Aufnahme 68 den Ladestecker 34 aufnimmt, ist der Wandler 50 elektrisch an die Ladestation 46 gekoppelt. Obwohl als weibliche Aufnahme 68 beschrieben, könnte der Ladestecker 34 in anderen Beispielen anders elektrisch an das Gehäuse 54 gekoppelt werden.
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In einigen Beispielen könnte das Gehäuse 54 Kühlrippen beinhalten, um Wärmeenergieübertragung von dem Wandler 50 zu vereinfachen.
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Der Wandlerstecker 62 wird in den Ladeanschluss 30 des elektrifizierten Fahrzeugs 10 gesteckt, um den Wandler 50 elektrisch an das elektrifizierte Fahrzeug 10 zu koppeln. Der Wandler 50 ist derart größenbemessen, dass das Gehäuse 54, wenn der Wandlerstecker 62 mit dem Ladeanschluss 30 in Eingriff genommen ist, von dem Wandlerstecker 62 nach unten hängt, aber den Boden nicht erreicht. Dadurch kann der Wandler 50 und insbesondere die Verbindung zwischen dem Ladestecker 34 der Ladestation 46 und dem Gehäuse 54 über Bodenhöhe angehoben werden, wenn der Wandlerstecker 62 mit dem Ladeanschluss 30 in Eingriff genommen ist. Bodenhöhe bezieht sich für Zwecke dieser Offenbarung auf eine Höhe des Bodens unterhalb des elektrifizierten Fahrzeugs 10.
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Unter Bezugnahme auf 4 kann der Wandler 50 die Umwandlung auf Grundlage eines Befehlssignals von dem elektrifizierten Fahrzeug 10, wie zum Beispiel einem Befehlssignal 70 von einem elektrischen Batteriesteuermodul (Battery Electric Control Module - BECM) 74 des elektrifizierten Fahrzeugs 10, kontinuierlich variieren. Das Befehlssignal 70 kann zum Beispiel dem Wandler 50 befehlen, dem elektrifizierten Fahrzeug 10 den umgewandelten Strom bei einer bestimmten Stromstärke oder innerhalb eines bestimmten Stromstärkebereichs bereitzustellen. Die umgewandelte Spannung wird auf Grundlage des umgewandelten Stroms eingestellt, um Leistung an die Traktionsbatterie 14 zu maximieren.
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Die Strom- und Spannungswerte, die die Traktionsbatterie 14 am effektivsten laden, können sich ändern, wenn sich ein Ladezustand der Traktionsbatterie 14 ändert. Entsprechend kann sich das Befehlssignal 70 ändern, wenn sich der Ladezustand der Traktionsbatterie 14 ändert. Die Änderungen des Befehlssignals 70 bewirken, dass der Wandler 50 Leistung bei einer umgewandelten Spannung und einem umgewandelten Strom bereitstellt, die effektiv ist, um die Traktionsbatterie 14 bei dem aktuellen Ladezustand zu laden.
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Zum Beispiel kann das Ausgangssignal dem Wandler 50 befehlen, auf Grundlage eines Ladezustands der Traktionsbatterie 14, der weniger als 80 Prozent beträgt, einen Eingangsstrom von 350 A bereitzustellen. Wenn sich der Ladezustand der Traktionsbatterie 14 auf über 80 Prozent erhöht, bewirkt das Befehlssignal, dass sich der Eingangsstrom schrittweise auf 200 A reduziert.
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Das Befehlssignal 70 kann durch den Wandlerstecker 62 und das Kabel 58 zu der Schaltung 64 gelangen. Der Ladestecker 62 und der Ladeanschluss 30 können zum Beispiel eine Stiftverbindung beinhalten, die verwendet wird, um das Befehlssignal von dem BECM 74 an den Wandler 50 zu leiten.
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In derartigen Beispielen kann der Wandler 50 das Befehlssignal 70 lesen und das Signal etwas modifizieren, bevor das Signal zu der Ladestation 46 gelangt. Dadurch wird sichergestellt, dass die Ladestation 46 den Strom und die Spannung weiterhin bei angemessenen Werten zur Umwandlung durch den Wandler 50 bereitstellt. Das Befehlssignal 70 gelangt somit nicht einfach durch den Wandler 50. Das heißt, dass das Befehlssignal 70 von dem Fahrzeug 10 zu dem Wandler 50 einen Strom von zum Beispiel 300 A von dem Wandler 50 erfordern kann. Das Befehlssignal 70 wird aber an dem Wandler 50 geändert, sodass das Befehlssignal von dem Wandler 50 zu der Ladestation 46 immer noch einen Strom von 200 A von der Ladestation 46 erfordern kann.
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In dem spezifischen Beispiel ist der Wandler 50 ein nicht isolierter Leistungswandler, der Eingangsleistung von 100 kW von der Ladestation 46 bei einer Eingangsspannung von 500 V und einem Eingangsstrom von 200 A empfängt. Die Eingangsleistung wird durch den Wandler 50 in eine umgewandelte Leistung umgewandelt, die 69 bis 96 kW beträgt. Die umgewandelte Leistung weist eine umgewandelte Spannung auf, die 197 bis 405 Volt beträgt, und einen umgewandelten Strom, der 236 bis 350 A beträgt. Die umgewandelte Leistung gelangt von dem Wandler 50 zu dem Ladeanschluss 30.
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Der Wandler 50 kann in der beispielhaften Ausführungsform ein Aftermarket-Artikel sein oder bei Verkauf mit dem elektrifizierten Fahrzeug 10 angeboten werden. Der beispielhafte Wandler 50 ist getrennt von dem elektrifizierten Fahrzeug 10. Ein Benutzer kann den Wandler 50 zum Beispiel verwenden, wenn von einer externen Leistungsquelle geladen wird, die eine Nennleistung unterhalb der Fähigkeit des elektrifizierten Fahrzeugs 10 aufweist, wie zum Beispiel die Ladestation 46.
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In einem anderen Beispiel könnte der Wandler 50 als optionales Merkmal innerhalb des elektrifizierten Fahrzeugs 10 enthalten sein. Ein Benutzer könnte zum Beispiel die Installation des Wandlers 50 als Fahrzeugoption fordern.
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Merkmale der offenbarten Beispiele können einen Wandler und ein Umwandlungsverfahren beinhalten, die Ladezeiten für eine Traktionsbatterie reduzieren können, wenn versucht wird, die Traktionsbatterie unter Verwendung einer Infrastruktur zu laden, die einen Nennstrom unterhalb der maximalen Ladestromfähigkeit der Traktionsbatterie aufweist.
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In einigen Beispielen kann eine Ladezeit für eine von einem gegebenen Ladezustand zu ladende Traktionsbatterie verglichen mit dem Laden der Traktionsbatterie von der externen Leistungsquelle ohne Umwandlung der Leistung um bis zu 25 Prozent reduziert werden, wenn der Wandler verwendet wird, um Leistung von einer externen Leistungsquelle umzuwandeln. In einem derartigen Beispiel ist der nominale Spannungsbereich zwischen 300 und 400 V und weist das elektrifizierte Fahrzeug eine Ladestromgrenze von 350 A auf. In anderen Beispielen übersteigen die Ladezeitverbesserungen 25 Prozent bei weitem.
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Die vorhergehende Beschreibung ist eher beispielhafter als einschränkender Natur. Dem Fachmann können sich Variationen und Modifikationen der offenbarten Beispiele erschließen, die nicht zwangsläufig vom Kern dieser Offenbarung abweichen. Somit kann der Schutzumfang dieser Offenbarung lediglich durch Lektüre der folgenden Patentansprüche bestimmt werden.
