DE102019133705A1 - Batteriepaketspannungsschaltsysteme und steuerlogik für mehrteilige, elektrisch angetriebene kraftfahrzeuge - Google Patents

Batteriepaketspannungsschaltsysteme und steuerlogik für mehrteilige, elektrisch angetriebene kraftfahrzeuge Download PDF

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Chandra S. Namuduri
Suresh Gopalakrishnan
Thomas W. Nehl
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Abstract

Vorgestellt werden Batteriepaket-Spannungsschaltsysteme („V-Schalter“), Verfahren zur Herstellung/Betrieb solcher Systeme und mehrteilige, elektrisch angetriebene Kraftfahrzeuge mit Batteriepaket-V-Schalterfunktionen. Ein Verfahren zum Steuern des Betriebs eines Fahrzeugs beinhaltet eine Fahrzeugsteuerung, die ein Spannungsschaltsignal empfängt, um einen Spannungsausgang des Batteriesystems des Fahrzeugs zu ändern. Die Fahrzeugsteuerung bestimmt, ob eine Geschwindigkeit eines Fahrmotors kleiner als eine kalibrierte Grundgeschwindigkeit ist; wenn ja, sendet die Steuerung ein Pakettrennungssignal an einen Wechselrichter, um die Fahrbatteriepakete elektrisch vom Fahrmotor zu trennen. Die Fahrzeugsteuerung bestimmt, ob ein Busstrom eines Gleichstrombusses kleiner als ein kalibrierter Busstromschwellenwert ist; wenn ja, sendet die Steuerung ein Öffnungssignal zum Öffnen eines oder mehrerer Paketschützschalter und ein Schließsignal zum Schließen eines oder mehrerer Paketschützschalter, wodurch das Fahrzeugbatteriesystem die zweite Spannung ausgibt.

Description

  • EINFÜHRUNG
  • Die vorliegende Offenbarung bezieht sich im Allgemeinen auf Hybrid- und Elektrofahrzeuge („Elektroantrieb“). Genauer gesagt, beziehen sich die Aspekte dieser Offenbarung auf die Protokolle zur Spannungsumschaltung („V-Schalter“) von Batteriepaketen für Fahrzeuge mit Mehrfachpaketen und Elektroantrieb.
  • Aktuelle Serienfahrzeuge, wie das moderne Automobil, sind ursprünglich mit einem Antriebsstrang ausgestattet, der das Fahrzeug antreibt und die Bordelektronik des Fahrzeugs antreibt. Beispielsweise wird in Automobilanwendungen der Fahrzeugantriebsstrang im Allgemeinen durch einen Antriebsmotor charakterisiert, der die Antriebskraft über ein manuell oder automatisch geschaltetes Mehrganggetriebe an das Achsantriebssystem des Fahrzeugs (z.B. Differential, Achswellen, Straßenräder usw.) abgibt. Automobile wurden in der Vergangenheit aufgrund ihrer hohen Verfügbarkeit und der relativ günstigen Kosten, des geringen Gewichts und des Gesamtwirkungsgrades von einer ICE-Baugruppe (Hubkolben-Verbrennungsmotor, „internal combustion engine“) angetrieben. Zu diesen Motoren gehören Zwei- und Viertakt-Dieselmotoren mit Kompressionszündung (CI), Viertakt-Ottomotoren mit Fremdzündung (SI), Sechstaktarchitekturen und Drehmotoren als einige nicht einschränkende Beispiele. Hybrid- und Vollelektrofahrzeuge hingegen nutzen alternative Energiequellen, um das Fahrzeug anzutreiben und so die Abhängigkeit von einem Motor auf Basis fossiler Brennstoffe für die Zugkraft zu minimieren oder zu eliminieren.
  • Ein vollelektrisches Fahrzeug (FEV) - umgangssprachlich als „Elektroauto“ bezeichnet - ist eine Art von elektrisch angetriebener Fahrzeugkonfiguration, die den Verbrennungsmotor und die dazugehörigen peripheren Komponenten vollständig aus dem Antriebsstrang entfernt und sich ausschließlich auf elektrische Traktionsmotoren für den Antrieb und die Aufnahme von Zusatzlasten stützt. Motor, Kraftstoffsystem und Abgassystem eines ICE-basierten Fahrzeugs werden durch einen Elektromotor, eine Traktionsbatterie sowie eine Batteriekühl- und Ladeelektronik in einem FEV ersetzt. Hybridfahrzeugantriebe hingegen nutzen mehrere Zugkraftquellen zum Antreiben des Fahrzeugs und betreiben meist eine Verbrennungsmotoranordnung in Verbindung mit einem batteriebetriebenen oder brennstoffzellenbetriebenen Elektromotor. So ist beispielsweise ein Hybrid-Elektrofahrzeug (HEV) im Allgemeinen mit einer ICE-Baugruppe und einer Elektromaschine (E-Maschine), oft in Form einer Motor-Generator-Einheit (MGU), ausgestattet, die einzeln oder kooperativ zur Erzeugung von Zugkraft arbeiten. Da Hybridfahrzeuge in der Lage sind, ihre Leistung aus anderen Quellen als dem Motor zu beziehen, können Motoren in HEVs ganz oder teilweise abgeschaltet werden, während das Fahrzeug von den Elektromotoren angetrieben wird.
  • Während unzählige Optionen zur Verfügung stehen, gibt es drei Haupttypen von hybriden Antriebsarchitekturen, die in modernen Fahrzeugen zum Einsatz kommen: Serienhybrid, Parallelhybrid und seriell-parallele („power-split“) Hybridkonfigurationen. So beziehen beispielsweise Hybridarchitekturbaureihen die gesamte Zugkraft von Elektromotoren und eliminieren so jede mechanische Verbindung zwischen Motor und Achsantriebselementen. In diesem Fall fungiert der Motor ausschließlich als regenerative Energiequelle und treibt einen elektrischen Generator an, der die Traktionsbatteriepakete des Fahrzeugs auflädt. Bei parallelen Hybridarchitekturen haben der Motor und jede Motor-Generator-Einheit eine antreibende mechanische Verbindung zur Kraftübertragung und damit zu den Straßenrädern des Fahrzeugs. Wie der Name schon sagt, kombinieren serienparallele Hybridarchitekturen Merkmale von parallelen Hybrid- und Serienhybridantrieben. Bei den Betriebsarten Gas, Elektrik und Motorassistenz arbeiten Motor und Motor unabhängig oder gemeinsam - parallel oder in Reihe - in Abhängigkeit von der gewünschten Fahrzeuggeschwindigkeit, dem Gesamtleistungsbedarf des Fahrzeugs und dem Ladezustand (SOC) der Batterie(n).
  • Die meisten handelsüblichen Hybrid- und Elektrofahrzeuge verwenden ein wiederaufladbares Traktionsbatteriepaket (Elektrofahrzeugbatterie (EVB)), um die für den Betrieb der Motor-Generator-Einheit(en) des Antriebsstrangs erforderliche Energie zu speichern und bereitzustellen. Ein Traktionsbatteriepaket, das wesentlich größer, leistungsfähiger und kapazitätsstärker ist als eine 12-Volt-Batterie (SLI), besteht im Allgemeinen aus einem großen Stapel von Batteriezellen, die zu mehreren Batteriemodulen zusammengefasst sind, die über ein Batteriegehäuse oder eine Tragschale am Fahrzeugchassis montiert werden. Einige Fahrzeugbatteriesysteme verwenden mehrere unabhängig voneinander funktionierende Hochspannungs-Batteriepakete, um eine höhere Spannungsversorgung und eine größere Systemkapazität durch höhere Amperestunden zu gewährleisten. Ein spezielles Batteriepaket-Steuermodul (BPCM) regelt das Öffnen und Schließen von Batteriepaketschützen, um zu steuern, welches Paket oder welche Pakete die Fahrmotoren des Fahrzeugs zu einem bestimmten Zeitpunkt antreiben. Während des Betriebs des Fahrzeugs kann das Batteriesystem von einem Paket zum anderen wechseln, um die Batteriepakete und Schütze zu schützen und gleichzeitig eine konstante Spannungsversorgung zu gewährleisten, um die Funktionalität des Antriebsstrangs nicht zu beeinträchtigen.
  • BESCHREIBUNG
  • Hierin offenbart sind Batteriepaket-Spannungsschaltsysteme („V-Schalter“) mit zugehöriger Steuerlogik für Mehrfachpakete- und Elektrofahrzeuge, Verfahren zur Herstellung und zum Betrieb solcher Systeme sowie Mehrfachpakete- und Elektrofahrzeuge mit Batteriepaket-V-Schalterfunktionen. Als Beispiel werden Paket-zu-Paket Spannungsschaltungs-Steuerungsalgorithmen, Verfahren zur Durchführung dynamischer V-Schalter während eines konstanten Motordrehmomentbereichs und Protokolle zur Identifizierung eines Zustands jedes elektrischen Schalters vorgestellt, um einen sicheren und zuverlässigen V-Schalter zu gewährleisten, während das Antriebssystem des Fahrzeugs in Betrieb ist. Weiterhin werden Gleichstrom-(DC)-Busspannungsausgleichsprotokolle zum Laden/Entladen eines Buskondensators während des V-Schalters sowie Schaltregelalgorithmen für den Betrieb des Fahrzeugbatteriesystems unter Fehlerbedingungen bei Ausfall eines Schalters vorgestellt. In einem Beispiel erfolgt der V-Schalter während eines konstanten Drehmomentbereichs, z.B. wenn eine Echtzeitdrehzahl eines Fahrmotors von einer fahrzeugkalibrierten Grundmotordrehzahl abweicht. Liegt die Geschwindigkeit der E-Maschine über oder unter diesem Schwellenwert, werden alle Wechselrichterschalter ausgeschaltet, um beide Akkupakete vom Antriebssystem zu entkoppeln. Das Ausschalten aller Wechselrichterschalter kann zu einem Nullstrom der E-Maschine und einem Nulldrehmoment der E-Maschine führen und gleichzeitig den Stromfluss der Batterie zur/von der E-Maschine blockieren. Diese Funktion entkoppelt und isoliert die beiden Traktionsbatteriepakete vom Wechselrichter und Antriebssystem unter vorgegebenen Betriebsbedingungen im Antriebsstrang.
  • Begleitende Vorteile für mindestens einige der offenbarten Konzepte sind eine Architektur des Batteriesystems mit elektrischem Antrieb und ein V-Schalter-Protokoll, das ein sicheres und zuverlässiges Management von zwei oder mehreren Traktionsbatteriepaketen während des Antriebsstrangbetriebs ermöglicht. Für schwere Elektrofahrzeuge (z.B. zulässiges Gesamtgewicht (GVW) von mindestens 7.000 lbs., etwa 3.175kg) können mehrere Batteriepakete verwendet werden, um eine plattformdefinierte elektrische Reichweite unter Einhaltung von Fertigungstoleranzen und Montageeinschränkungen zu erreichen. Eine variable Paket-zu Paket-Spannungsschaltung, z.B. auf doppelte oder halbe Batteriesystemspannung, kann den Wirkungsgrad des Elektromotors verbessern und die Antriebsleistung im Hochgeschwindigkeitsbetrieb erhöhen. Weitere Vorteile können die Möglichkeit sein, die Batteriepakete während des V-Schalters vom Wechselrichter und Antriebssystem zu trennen, um den Energieaustausch für einen sicheren und zuverlässigen Betrieb zu minimieren. Offenbarte V-Schalter-Techniken können auch eine Systemfehler-Steuerstrategie beinhalten, wenn ein Schalterausfall vorliegt. Offenbarte V-Schalter-Protokolle können auch dazu beitragen, die Effizienz des Batteriesystems zu verbessern und die Lebensdauer des Akkupakete zu verlängern.
  • Aspekte dieser Offenbarung beziehen sich auf die Steuerlogik der Spannungsumschaltung von Paket zu Paket, Softwarealgorithmen und computerlesbare Medien für Fahrzeuge mit Mehrfachpaket und Elektroantrieb. In einem Beispiel wird ein Verfahren zur Steuerung des Betriebs eines Kraftfahrzeugs vorgestellt. Das Kraftfahrzeug beinhaltet mehrere Straßenräder und eine elektrische Maschine (z.B. eine oder mehrere Motor-Generator-Einheiten), die betreibbar ist, um die Räder anzutreiben und dadurch das Fahrzeug anzutreiben. Zwei oder mehr Traktionsbatteriepakete an Bord versorgen die elektrische Maschine einzeln und/oder gemeinsam. Eine Fahrzeugsteuerung, die in der Art eines Getriebeleistungswechselrichters (TPIM), eines Batteriepaket-Steuermoduls (BPCM) und/oder eines Hybrid-Steuermoduls (HCP) sein kann, steuert die elektrische Maschine und die Batteriepakete. Für hybride Elektroantriebsarchitekturen ist das Fahrzeug zusätzlich mit einem Verbrennungsmotor ausgestattet.
  • Das vorstehende repräsentative Verfahren umfasst in beliebiger Reihenfolge und in beliebiger Kombination mit einer der oben und unten aufgeführten Optionen und Funktionen: Empfangen eines Spannungsschaltsignals über die Fahrzeugsteuerung, um die Ausgangsspannung eines Batteriesystems von einer ersten Spannung auf eine zweite Spannung zu ändern; Bestimmen, ob über die Fahrzeugsteuerung, wenn eine Maschinendrehzahl der elektrischen Maschine kleiner als eine kalibrierte Grundmaschinendrehzahl ist; Übertragen, über die Fahrzeugsteuerung, an einen Leistungswechselrichter, der darauf reagiert, dass die Maschinendrehzahl kleiner als die kalibrierte Grundmaschinendrehzahl ist, eines Pakettrennungssignals zum Öffnen mehrerer Wechselrichterschalter, wodurch die ersten und zweiten Traktionsbatteriepakete elektrisch von der elektrischen Maschine getrennt werden; Bestimmen, über die Fahrzeugsteuerung, ob ein Busstrom eines Gleichstrombusses (DC), der die ersten und zweiten Traktionsbatteriepakete elektrisch mit dem Wechselrichter verbindet, kleiner als ein kalibrierter Busstromschwellenwert ist; und Übertragen, über die Fahrzeugsteuerung, an einen Satz von Paketkontaktschaltern, die darauf reagieren, dass der Busstrom kleiner als der kalibrierte Busstromschwellenwert ist, eines Öffnungssignals zum Öffnen eines der Paketkontaktschalter und eines Schließsignals zum Schließen eines weiteren der Paketkontaktschalter, wodurch bewirkt wird, dass die ersten und/oder zweiten Traktionsbatteriepakete die zweite Spannung ausgeben.
  • Andere Aspekte der Offenbarung richten sich an mehrteilige, elektrisch angetriebene Kraftfahrzeuge mit Paket-zu-Paket-V-Schalter-Funktionalität. Wie hierin verwendet, kann der Begriff „Kraftfahrzeug“ jede relevante Fahrzeugplattform umfassen, wie z.B. Personenkraftwagen (HEV, PHEV, FEV, BEV, REEV, etc.), Nutzfahrzeuge, Industriefahrzeuge, Kettenfahrzeuge, Gelände- und Geländefahrzeuge (ATV), Motorräder, Landmaschinen, Boote, Flugzeuge, etc. In einem Beispiel beinhaltet ein elektrisch angetriebenes Kraftfahrzeug eine Fahrzeugkarosserie mit mehreren Straßenrädern und, optional, eine Verbrennungsmotoranordnung. Ein oder mehrere elektrische Fahrmotoren sind an der Fahrzeugkarosserie montiert und arbeiten einzeln (z.B. in einer vollelektrischen Fahrzeug-(FEV)-Anwendung) oder in Verbindung mit einem Verbrennungsmotor (z.B. in einer Hybrid-Elektrofahrzeug-(HEV)-Anwendung), um ein oder mehrere der Fahrzeugräder anzutreiben und dadurch das Fahrzeug anzutreiben. Ein Paar Traktionsbatteriepakete sind an der Fahrzeugkarosserie montiert und können zum Betreiben der Fahrmotoren verwendet werden.
  • Das elektrisch angetriebene Kraftfahrzeug im obigen Beispiel beinhaltet auch eine residierende oder ferngesteuerte Fahrzeugsteuerung oder ein Netzwerk von Steuerungen oder Modulen, das kommunikativ mit den Fahrmotoren und Batteriepaketen verbunden ist. Die Fahrzeugsteuerung ist programmiert, um ein Spannungsschaltsignal zu empfangen, um eine Ausgangsspannung des Batteriesystems von einer niedrigen (oder hohen) Spannung auf eine hohe (oder niedrige) Spannung zu ändern. Nach Erhalt der Anforderung bestimmt die Fahrzeugsteuerung daraufhin, ob eine E-Maschinengeschwindigkeit jedes Fahrmotors kleiner als eine kalibrierte E-Maschinengrundgeschwindigkeit ist; wenn ja, sendet die Steuerung automatisch ein Pakettrennungssignal an einen Wechselrichter, um mehrere Wechselrichterschalter zu öffnen, wodurch die Traktionsbatteriepakete sich elektrisch von den Fahrmotoren trennen. Die Fahrzeugsteuerung bestimmt dann, ob ein Echtzeit-Busstrom eines Gleichstrombusses, der die Traktionsbatteriepakete elektrisch mit dem Wechselrichter verbindet, kleiner als ein kalibrierter Busstromschwellenwert ist; wenn ja, sendet die Steuerung antwortend: (1) ein Öffnungssignal zum Öffnen eines oder mehrerer Schalter in einem Satz von Paketschützschaltern und (2) ein Schließsignal zum Schließen eines oder mehrerer der Paketschützschalter. Dabei gibt das Batteriesystem die gewünschte Nieder-/Hochspannung aus.
  • Für jedes der offenbarten Fahrzeuge, Verfahren und Systeme beinhaltet der Satz von Paketschützschaltern einen ersten, zweiten und dritten Schalter: Öffnen des dritten Schalters und danach Schließen des ersten und zweiten Schalters verbindet die Traktionsbatteriepakete elektrisch parallel; umgekehrt öffnen des ersten und zweiten Schalters und danach Schließen des dritten Schalters verbindet die Traktionsbatteriepakete elektrisch in Reihe. Ist die erste Spannung größer als die zweite Spannung (z.B. Umschaltung von 800V auf 400V), öffnet die Fahrzeugsteuerung zunächst den dritten Schalter und schließt dann den ersten und zweiten Schalter. Ist dagegen die erste Spannung kleiner als die zweite Spannung (z.B. Umschalten von 400V auf 800V), öffnet die Fahrzeugsteuerung zuerst den ersten und zweiten Schalter und schließt dann den dritten Schalter.
    Für eines der offenbarten Fahrzeuge, Verfahren und Systeme kann die Fahrzeugsteuerung vor dem Übertragen des Schließsignals bestimmen, ob eine Kondensatorspannung eines Buskondensators des Gleichstrombusses kleiner (oder größer) als ein kalibrierter Kondensatorspannungsschwellenwert ist. Für eine Anforderung mit hohem bis niedrigem V-Schalter sendet die Fahrzeugsteuerung das Schließsignal zum Schließen des ersten und zweiten Schalters, wenn die Kondensatorspannung kleiner als der kalibrierte Kondensatorspannungsschwellenwert ist. Im Vergleich dazu sendet die Fahrzeugsteuerung bei einer Anforderung eines niedrigen bis hohen V-Schalters das Schließsignal, um den dritten Schalter zu schließen, wenn die Kondensatorspannung größer als der kalibrierte Kondensatorspannungsschwellenwert ist.
  • Für eines der offenbarten Fahrzeuge, Verfahren und Systeme kann die Fahrzeugsteuerung vor dem Übertragen des Schließsignals auch bestimmen, ob die jeweiligen Batterieströme der Traktionsbatteriesätze jeweils kleiner als ein kalibrierter Paketstromschwellenwert sind. Als Reaktion auf ein Bestimmen, dass alle Batteriepaketströme kleiner als der kalibrierte Paketstromschwellenwert sind, sendet die Fahrzeugsteuerung ein Pulsweitenmodulationssignal (PWM) an den Satz von Paketschützschaltern, um die jeweiligen Pulsweiten des oder der geschlossenen Schalter zu modulieren. Nach dem Schließen der entsprechenden Schalter kann die Fahrzeugsteuerung ein weiteres PWM-Signal an den Wechselrichter senden, um die Pulsweiten der Wechselrichterschalter zu modulieren und dadurch eine von den ersten und/oder zweiten Traktionsbatterie-Paketen ausgegebene Gleichspannung in eine Wechselstrom(AC)-Spannung umzuwandeln, die über einen oder mehrere Fahrmotoren empfangen wird.
  • Für jedes der offenbarten Fahrzeuge, Verfahren und Systeme kann die Fahrzeugsteuerung unter Verwendung eines oder mehrerer Stromsensoren die jeweiligen Ladeströme des ersten und zweiten Traktionsbatteriepaketen messen. Die Fahrzeugsteuerung kann nach dem Öffnen des dritten Schalters (oder des ersten und zweiten Schalters) und dem Schließen des ersten und zweiten Schalters (oder des dritten Schalters) bestimmen, ob die Batterieladeströme beide kleiner als ein kalibrierter Ladestromschwellenwert sind. Wenn ja, gleicht die Fahrzeugsteuerung eine Busspannung des DC-Bus aus, indem sie den DC-Bus von (zu) den Traktionsbatteriepaketen lädt (oder entlädt).
  • Für jedes der offenbarten Fahrzeuge, Verfahren und Systeme kann die Fahrzeugsteuerung ein weiteres Öffnungssignal zum Öffnen des zuvor geschlossenen ersten und zweiten Schalters (oder dritten Schalters) nach dem Öffnen des dritten Schalters (oder des ersten und zweiten Schalters) übertragen. Wenn alle drei Schalter geöffnet sind, kann die Fahrzeugsteuerung bestimmen, ob die jeweiligen elektrischen Ströme der Traktionsbatteriepakete ungefähr gleich Null sind. Wenn ja, kann die Fahrzeugsteuerung automatisch reagieren, indem sie eine Schaltzustandsanzeige anzeigt und/oder speichert, die anzeigt, dass sich der dritte Schalter (oder der erste und zweite Schalter) in einem offenen Zustand befindet.
  • Die obige Zusammenfassung soll nicht jede Ausführungsform oder jeden Aspekt der vorliegenden Offenbarung darstellen. Vielmehr stellt die vorstehende Zusammenfassung lediglich eine Veranschaulichung einiger der hierin dargestellten neuen Konzepte und Merkmale dar. Die vorgenannten Merkmale und Vorteile sowie weitere Merkmale und damit verbundene Vorteile dieser Offenbarung ergeben sich aus der folgenden ausführlichen Beschreibung der veranschaulichten Beispiele und repräsentativen Ausführungsformen für die Durchführung der vorliegenden Offenbarung im Zusammenhang mit den beigefügten Zeichnungen und den beigefügten Ansprüchen. Darüber hinaus beinhaltet diese Offenbarung ausdrücklich alle Kombinationen und Unterzusammenstellungen der oben und unten dargestellten Elemente und Merkmale.
  • Figurenliste
    • 1 ist ein schematisches Diagramm, das eine repräsentative leistungsverzweigte Hybrid-Antriebsstrangarchitektur eines mehrteiligen, elektrisch angetriebenen Kraftfahrzeugs mit Paket-zu-Paket-Spannungsschaltfähigkeiten gemäß den Aspekten der vorliegenden Offenbarung darstellt.
    • 2 ist ein schematisches Diagramm, das ein repräsentatives elektrisch angetriebenes Fahrzeugbatteriesystem mit mehreren Traktionsbatteriepaketen gemäß den Aspekten der vorliegenden Offenbarung darstellt.
    • 3 ist ein Flussdiagramm, das einen repräsentativen V-Schalter-Algorithmus für den Betrieb mehrerer Traktionsbatteriepakete eines elektrisch angetriebenen Fahrzeugs veranschaulicht, der den gespeicherten Anweisungen entsprechen kann, die von einer Onboard- oder Fernsteuerungslogik, einer programmierbaren elektronischen Steuereinheit oder einer anderen computergestützten Vorrichtung oder einem anderen computergestützten Vorrichtungsnetzwerk gemäß den Aspekten der offenbarten Konzepte ausgeführt werden.
  • Die vorliegende Offenbarung ist für verschiedene Änderungen und alternative Formen zugänglich, und einige repräsentative Ausführungsformen sind exemplarisch in den Figuren dargestellt und werden hierin ausführlich beschrieben. Es ist jedoch zu verstehen, dass sich die neuen Aspekte dieser Offenbarung nicht auf die in den oben aufgeführten Zeichnungen dargestellten besonderen Formen beschränken. Vielmehr soll die Offenbarung alle Änderungen, Äquivalente, Kombinationen, Subkombinationen, Permutationen, Gruppierungen und Alternativen umfassen, die in den Geltungsbereich dieser Offenbarung fallen und von den beigefügten Ansprüchen erfasst werden.
  • DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
  • Diese Offenbarung ist anfällig für Ausführungsformen in vielen verschiedenen Formen. Repräsentative Ausführungsformen der Offenbarung sind in den Figuren dargestellt und werden hierin ausführlich beschrieben, mit dem Verständnis, dass diese Ausführungsformen als Beispiel für die offenbarten Prinzipien und nicht für Einschränkungen der allgemeinen Aspekte der Offenbarung dienen. Insofern sollten Elemente und Einschränkungen, die beispielsweise in den Abschnitten Zusammenfassung, Einleitung, Beschreibung und detaillierte Beschreibung beschrieben, aber nicht ausdrücklich in den Ansprüchen dargelegt sind, nicht einzeln oder gemeinsam durch Implikation, Schlussfolgerung oder anderweitig in die Ansprüche aufgenommen werden.
  • Für die Zwecke der vorliegenden detaillierten Beschreibung, sofern nicht ausdrücklich abgelehnt: Das Singular beinhaltet den Plural und umgekehrt; die Worte „und“ und „oder“ sollen sowohl konjunktiv als auch disjunktiv sein; die Worte „jeder“ und „alle“ sollen beide „jeder und alle“ bedeuten; und die Worte „beinhaltet“, „inklusive“, „umfassend“, „hat“, und dergleichen sollen jeweils „beinhaltet ohne Begrenzung “ bedeuten. Darüber hinaus können hierin Wörter der Annäherung, wie „etwa“, „fast“, „„im Wesentlichen“, „ungefähr“ und dergleichen, im Sinne von „bei, nah, oder nah bei“ oder „innerhalb 0-5% of“ oder „innerhalb akzeptabler Fertigungstoleranzen “ oder zum Beispiel irgendeine logische Kombination davon verwendet werden. Schließlich können Richtungsadjektive und Adverbien, wie z.B. vorne, hinten, innen, außen, steuerbord, backbord, vertikal, horizontal, oben, unten, links, rechts, usw., in Bezug auf ein Kraftfahrzeug stehen, wie z.B. eine Vorwärtsfahrtrichtung eines Kraftfahrzeugs, wenn das Fahrzeug funktionell auf eine normale Fahrfläche ausgerichtet ist.
  • Unter Bezugnahme auf die Figuren, wobei sich gleichartige Bezugszeichen auf gleichartige Merkmale in den verschiedenen Ansichten beziehen, ist in 1 eine schematische Darstellung eines repräsentativen Automobils dargestellt, das im Allgemeinen bei 10 bezeichnet und hierin zum Zwecke der Diskussion als Hybrid-Elektro-PKW dargestellt ist. Gemäß einem spezifischeren, nicht einschränkenden Beispiel ist der Antriebsstrang 11 ein dualmodiger, leistungsverzweigter hybrider elektrischer Antriebsstrang mit einem 6,0-Liter(L)-V8-Motor 12 und zwei 60-Kilowatt-(kW)-Mehrphasen-Permanentmagnetmotoren 14 und 16, die an einem mehrstufigen elektrisch verstellbaren Getriebe (EVT) 18 montiert sind. Das abgebildete Automobil 10 - im Folgenden auch kurz „Kraftfahrzeug“ oder „Fahrzeug“ genannt - ist nur eine exemplarische Anwendung, mit der neue Aspekte und Merkmale dieser Offenbarung geübt werden können. In gleicher Weise ist die Umsetzung der vorliegenden Konzepte in einen dualen, leistungsverzweigten hybriden elektrischen Antriebsstrang auch als exemplarische Anwendung der hierin offenbarten neuen Konzepte zu werten. Daher wird davon ausgegangen, dass Aspekte und Merkmale der Offenbarung auf andere Konfigurationen des Elektroantriebsstrangs angewendet und für jeden logisch relevanten Kraftfahrzeugtyp verwendet werden können. Schließlich wurden nur ausgewählte Komponenten gezeigt und werden hierin näher beschrieben. Dennoch können die nachfolgend erläuterten Fahrzeuge und Batteriesysteme zahlreiche zusätzliche und alternative Merkmale und andere handelsübliche Peripheriekomponenten beinhalten, z.B. zur Durchführung der verschiedenen Methoden und Funktionen dieser Offenbarung.
  • Der Hybrid-Antriebsstrang 11 von 1 kann so ausgelegt sein, dass er das Fahrzeug 10 startet und antreibt, das Fahrzeug in allen Geschwindigkeitsbereichen zwischen niedrigen und hohen Fahrgeschwindigkeiten betreibt und die gesamte Bordelektronik des Fahrzeugs antreibt. Ein „elektrisch variables Getriebe“, wie in den Zeichnungen dargestellt, umfasst ein Planetengetriebe, das funktional mit jedem der Motoren 12, der ersten Motor-Generator-Einheit (MGU) 14 und der zweiten MGU 16 verbunden ist. Die Kanalisierung der jeweiligen Drehmomente des Motors 12 und der beiden Motor-Generator-Einheiten 14, 16 (austauschbar als „Traktionsmotoren“ bezeichnet) zu verschiedenen Elementen des Planetengetriebezahnrads ermöglicht es einer der Antriebsquellen, den Betrieb einer der beiden anderen Antriebsquellen zu unterstützen oder auszugleichen. So ermöglicht die Kombination aus einem Motor 12 und mehreren Motor/Generator-Einheiten 14, 16, die funktional mit dem EVT 18 verbunden sind, das Steuern und Auswählen von Drehzahlen und Drehmomenten des Motors und des Motors/der Generatoren unabhängig voneinander, um ein Fahrzeug 10 effizienter zu betreiben.
  • Das Fahrzeug 10 ist mit einem Fahrzeugbatteriesystem 15 ausgestattet, das beispielsweise mehrere als Batteriemodule angeordnete Batteriezellen umfassen kann, die zu mehreren Traktionsbatteriepaketen 21A und 21B gestapelt sind. Diese Batteriezellen können jede geeignete Batterietechnologie verwenden, einschließlich beispielsweise Blei-Säure, Nickel-Metallhydrid (NiMH), Lithium-Ionen („Li-Ionen“), Li-Ionen-Polymer, Zink-Luft, Lithium-Luft, Nickel-Cadmium (NiCad), ventilgeregelte Blei-Säure („VRLA“), einschließlich absorbierter Glasmatte („AGM“), Nickel-Zink (NiZn), geschmolzenes Salz (z.B. eine Na-NiCl2-Batterie) oder eine Kombination davon. Jedes Batteriepaket oder jede Batteriezelle kann einem oder mehreren Sensoren zugeordnet werden, um eine oder mehrere Batterieeigenschaften (z.B. Spannung, Strom, Temperatur, SOC, Kapazität, etc.) zu messen, die jedem Paket/Zelle zugeordnet sind. Das Fahrzeugbatteriesystem 15 ist funktional mit den ersten und zweiten Motor/Generatoreneinheiten 14, 16 verbunden, um elektrischen Strom zu übertragen und elektrischen Strom von diesen MGUs zu empfangen. Die residente Fahrzeugsteuerung 23 ist kommunikativ mit dem Motor 12, den Fahrmotoren 14, 16, dem Fahrzeugbatteriesystem 15 und dem Getriebe 18 verbunden, um dessen Betrieb zu steuern. Steuerung, Steuermodul, Modul, Steuereinheit, Prozessor und alle Kombinationen davon können so definiert sein, dass sie eine oder mehrere Kombinationen einer oder mehrerer logischer Schaltungen, anwendungsspezifische integrierte Schaltungen (ASICs), elektronische Schaltungen, Zentraleinheit(en) (z.B, Mikroprozessoren)) und zugehöriger Speicher und Speicher (z.B. nur lesend, programmierbar nur lesend, wahlfrei, Festplatte, greifbar, etc.)), kombinatorische Logikschaltung(en), Ein-/Ausgabeschaltung(en) und Vorrichtungen, etc., unabhängig davon, ob sie resident, remote oder eine Kombination aus beidem sind.
  • Die Fahrzeugsteuerung 23 kann eine Hardware mit integrierter Schaltung (IC) sein, die programmiert ist, um eine oder mehrere Software- oder Firmwareprogramme oder -routinen auszuführen, z.B. unter Verwendung einer geeigneten Signalkonditionierungs- und Pufferschaltung, und andere Komponenten, um die beschriebene Funktionalität bereitzustellen. Software, Firmware, Programme, Anweisungen, Routinen, Code, Algorithmen und ähnliche Begriffe können definiert werden, um alle vom Controller ausführbaren Befehlssätze, einschließlich Kalibrierungen und Nachschlagetabellen, zu verstehen. Eine Steuerung kann mit einer Reihe von Steuerroutinen entworfen werden, die ausgeführt werden, um eine oder mehrere gewünschte Funktionen bereitzustellen.
  • Steuerroutinen werden beispielsweise von einer zentralen Verarbeitungseinheit ausgeführt und sind betreibbar, um Eingänge von Abtastgeräten und anderen vernetzten Steuermodulen zu überwachen und Steuer- und Diagnoseroutinen auszuführen, um den Betrieb von Geräten und Stellgliedern zu steuern. Routinen können in Echtzeit, kontinuierlich, systematisch, sporadisch und/oder in regelmäßigen Abständen ausgeführt werden, z.B. alle 100 Mikrosekunden, 3,125, 6,25, 12,5, 25 und 100 Millisekunden usw. während des laufenden Fahrzeugbetriebs. Alternativ können Routinen als Reaktion auf das Auftreten eines Ereignisses während des Betriebs des Fahrzeugs 10 ausgeführt werden.
  • EVT 18 von 1 ist selektiv als stufenloses Leistungsgetriebe betreibbar und beinhaltet mehrere Zahnradgetriebe, wie beispielsweise einen ersten Planetenradsatz (PGS) 22, einen zweiten PGS 24 und ein Zahnradgetriebe 44, und trägt dazu bei, eine zusammengesetzte leistungsverzweigte Hybrid-Antriebsstrang 11-Architektur durch Einbeziehen einer zusammengesetzten Planetenradanordnung 20 zu definieren. Diese Verbund-Planetengetriebeanordnung 20 besteht aus zwei Elementen des ersten PGS 22, die funktional mit zwei Elementen des zweiten PGS 24 verbunden sind. Der erste PGS 22 besteht aus einem Hohlradelement 28, einem Planetenträgerelement 30 und einem Sonnenradelement 32. Ein oder mehrere Planetenräder 29 sind mit dem Hohlrad 28 verzahnt und auf dem Planetenträgerelement 30 montiert, während das Sonnenradelement 32 mit dem/den Planetenrad(rädern) 29 verzahnt und konzentrisch mit dem Hohlrad 28 ausgerichtet ist. In diesem Zusammenhang beinhaltet der zweite PGS 24 ein Hohlradelement 34, ein Planetenträgerelement 36 und ein Sonnenradelement 38. Ein oder mehrere Planetenräder 35 sind mit dem Hohlrad 34 verzahnt und auf dem Planetenträgerelement 36 montiert, während das Sonnenradelement 38 mit dem/den Planetenrad(rädern) 35 verzahnt und konzentrisch mit dem Hohlrad 34 ausgerichtet ist. Das Trägerelement 36 des zweiten Radsatzes 24 ist mit dem Sonnenradelement 32 des ersten Radsatzes 22 verbunden, um sich z.B. im Gleichtakt damit zu drehen. Das Hohlradelement 34 des zweiten Zahnradsatzes 24 ist mit dem Trägerelement 30 des ersten Zahnradsatzes 22 verbunden, um sich z.B. unisono damit zu drehen. Schließlich wird das Hohlradelement 28 des ersten Radsatzes 22 in Verbindung mit einem Verteilergetriebe 44 dargestellt. Die Verbindungspunkte des EVT 18 werden durch wählbare und feste Verbindungen dargestellt, so dass die resultierende Struktur effektiv einen Mehrpunkthebel erzeugt, wenn wählbare Drehmomentübertragungsvorrichtungen C-0, C-1, C-2, C-3 und C-4 einzeln und in ausgewählten Kombinationen ein- und ausgeschaltet werden.
  • Wie in 1 dargestellt, können der Motor 12 und die erste Motor/Generator-Einheit 14 oder zumindest die jeweiligen drehmomentübertragenden Abtriebswellen davon zur Drehung auf einer gemeinsamen ersten Drehachse A1 angeordnet sein. Umgekehrt kann die zweite Motor-Generator-Einheit 16 oder zumindest deren drehmomentübertragende Abtriebswelle zur Drehung auf einer zweiten Drehachse A2 angeordnet sein. Gemäß dem veranschaulichten Beispiel ist die erste Achse A1 im Wesentlichen parallel zur zweiten Achse A2. Der Getriebezug 44 von 1 ist eingerichtet, um die zweite Motor-Generator-Einheit 16 funktional mit der Verbund-Planetengetriebeanordnung 20 an einem entsprechenden Verbindungspunkt zu verbinden. Das Getriebe 44 kann entweder als ein- oder zweistufiger Flachwellenradsatz oder als dritter PGS eingerichtet werden.
  • Der Motor 12, die erste MGU 14 und die zweite MGU 16 sind funktional mit dem EVT 18 über Eingangselementanordnungen verbunden, die das Drehmoment zwischen den Zugkraftquellen und der Verbundplanetengetriebeanordnung 20 übertragen. Als nicht einschränkendes Beispiel beinhaltet die Eingangselementanordnung: eine Motorabtriebswelle des Motors 12, die als Motorein-/Ausgangselement 46 dient; einen Rotor der ersten MGU 14, der als erstes Motorein-/Ausgangselement 48 dient; und einen Rotor der zweiten MGU 16, der als zweites Motorein-/Ausgangselement 50 dient. Das Motor-Ein-/Ausgangselement 46 liefert das Motordrehmoment für den EVT 18, während die Motor-Ein-/Ausgangselemente 48, 50 das Drehmoment von ihren jeweiligen Motor-Generator-Einheiten 14, 16 für den EVT 18 bereitstellen. Eine Dämpferanordnung 64, die funktional mit der Ein-/Ausgangswelle 46 des Motors 12 verbunden ist, ist eingerichtet, um vom Motor 12 erzeugte Drehschwingungen zu absorbieren, bevor diese Schwingungen auf die Planetenradanordnung 20 von EVT 18 übertragen werden können.
  • Es kann wünschenswert sein, dass das erste Motoreingangselement 48 kontinuierlich oder selektiv (z.B. über die Drehmomentübertragungsvorrichtung C-0) mit dem Sonnenradelement 38 verbunden ist. Das zweite Motoreingangselement 50 kann kontinuierlich oder selektiv (z.B. über die Drehmomentübertragungsvorrichtung C-4) mit dem Getriebezug 44 verbunden sein. Das EVT 18 beinhaltet auch ein Abtriebselement 52, das in der Art einer Getriebeabtriebswelle sein kann, das kontinuierlich oder selektiv mit einem dritten Verbindungspunkt verbunden ist. Um das Fahrzeug 10 zu starten und anzutreiben, ist das Abtriebselement 52 betreibbar, um das Drehmoment von der Verbundplanetengetriebeanordnung 20 auf ein Achsantriebssystem 13 zu übertragen, das hierin durch das Differential 17, die Antriebsräder 19 und die Achse 25 dargestellt wird. Eine regenerative Bremsung kann durch Übertragung des Drehmoments vom Achsantriebssystem 13 über das Abtriebselement 52 und EVT 18 auf die MGUs 14, 16 im Betrieb im Stromerzeugungsmodus erreicht werden.
  • Die ICE-Anordnung 12 treibt das Fahrzeug 10 unabhängig von den Fahrmotoren 14 und 16 an, z.B. in einer „nur Motor“-Betriebsart oder in Zusammenarbeit mit einem oder beiden Motoren 14 und 16, z.B. in einer „Motor-Boost“- und/oder einer „Motor-Launch“-Betriebsart. In dem in 1 dargestellten Beispiel kann die ICE-Anordnung 12 ein beliebiger verfügbarer oder nachträglich entwickelter Motor sein, wie beispielsweise ein Zwei- oder Viertakt-Dieselmotor oder ein Viertakt-Otto- oder Flex-Fuel-Motor, der leicht angepasst ist, um seine verfügbare Leistung typischerweise bei einer Reihe von Umdrehungen pro Minute (U/min) bereitzustellen. Obwohl in 1 nicht explizit dargestellt, ist zu beachten, dass das Achsantriebssystem 13 jede verfügbare Konfiguration annehmen kann, einschließlich der Layouts für Vorderradantrieb (FWD), Hinterradantrieb (RWD), Vierradantrieb (4WD), Allradantrieb (AWD), Allradantrieb (AWD), etc.
  • In der Nähe von 2 ist ein an Bord befindliches wiederaufladbares Energiespeichersystem (RESS) 115 dargestellt, das zum Speichern von elektrischer Hochspannungsenergie für den Antrieb eines elektrisch angetriebenen Fahrzeugs, wie beispielsweise des Hybrid-Elektrofahrzeugs 10 aus 1, geeignet ist. RESS 115 kann ein tiefzyklisches, hochkapazitives Batteriesystem sein, das für ca. 400 bis 800 VDC oder mehr ausgelegt ist, z.B. abhängig von der gewünschten Fahrzeugreichweite, dem Gesamtgewicht des Fahrzeugs und den Leistungswerten der verschiedenen Verbraucher, die elektrische Leistung aus dem RESS 115 beziehen. Zu diesem Zweck kann die RESS 115 mehrere Hochspannungsbatterien 121A und 121B beinhalten, die unabhängig voneinander wiederaufladbar sind und selektiv elektrisch mit einer oder mehreren mehrphasigen elektrischen Maschinen, wie beispielsweise dem Drehstrom-Fahrmotor 114, verbunden werden können. Während in 2 nur zwei Traktionsbatteriepakete 121A, 121B und ein Fahrmotor 114 zur Veranschaulichung dargestellt sind, können in RESS 115 drei oder mehr Batteriepakete zur Versorgung mehrerer Fahrmotoren verwendet werden.
  • Die ersten (B1) und zweiten (B2) Traktionsbatteriepakete 121A, 121B können elektrisch parallel zu einer Hochspannungs-Gleichstromschiene 160 und einem Wechselrichter 162 zum Steuern der Übertragung elektrischer Energie zum und vom Fahrmotor 114 geschaltet werden. Jedes Paket 121A, 121B ist mit einem entsprechenden Stapel 162A und 162B von Batteriezellen ausgestattet, einschließlich Lithium-Ionen-Zellen, Lithium-Polymer-Zellen oder anderen wiederaufladbaren elektrochemischen Zellen, die eine ausreichend hohe Leistungsdichte bieten, sowie mit jeder erforderlichen leitfähigen Batterie-Trägerstruktur und Strom-Konditionierungshardware. Die Anzahl und Anordnung der Batteriezellen 162A, 162B in jedem Paket 121A, 121B kann je nach Verwendungszweck des RESS 115 variieren, z.B. bei 96 oder mehr solcher Zellen pro Paket, die in bestimmten Hochspannungsanwendungen verwendet werden. Obwohl sich das Aussehen unterscheidet, kann die RESS 115 von 2 jede der oben beschriebenen Optionen und Merkmale in Bezug auf das Fahrzeugbatteriesystem 15 von 1 beinhalten und umgekehrt.
  • Ein DC-zu-AC- und AC-zu-DC-Leistungswechselrichter 162, der Teil eines Getriebe-Wechselrichtermoduls (TPIM) sein kann, verbindet sich über mehrphasige Wicklungen 166 mit dem Fahrmotor 114, um elektrische Energie zwischen dem Motor 114 und den Batteriepaketen 121A, 121B zu übertragen. Der Wechselrichter 162 kann mehrere Wechselrichter und entsprechende Motorsteuermodule beinhalten, die zum Empfangen von Motorsteuerbefehlen und daraus resultierenden Steuerwechselrichterzuständen zum Bereitstellen von Motorantrieben oder regenerativen Funktionen betrieben werden können. Der Wechselrichter 162 kann einen Satz 164 von Halbleiterschaltern SI1-SI6 (im Folgenden auch „Wechselrichterschalter“ genannt) umfassen, die zusammenwirkend Gleichstrom (DC) aus den Energiespeichern - Akkupakete 121A, 121B - in Wechselstrom (AC) umwandeln, um die elektrische Maschine 114 über Hochfrequenzschaltung zu betreiben. Jeder Halbleiterschalter SI1-SI6 kann als spannungsgesteuerte bipolare Schaltvorrichtung in Form von Bipolartransistor mit isoliertem Gate (IGBT), Metalloxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor (MOSFET), Breitband-GAN-Vorrichtung (WBG) oder einem anderen geeigneten Schalter mit einem entsprechenden Gate ausgeführt werden, an das ein Gatesignal angelegt wird, um den eingeschalteten und ausgeschalteten Zustand eines bestimmten Schalters zu ändern. Typischerweise gibt es für jede Phase einer dreiphasigen elektrischen Maschine mindestens einen Halbleiterschalter.
  • Die Traktionsbatteriepakete 121A, 121B beinhalten einen Satz 168 von Halbleiterschaltern oder Schützen S1-S3 (im Folgenden auch als „Paketschützschalter“ bezeichnet), die unabhängig voneinander auf Signale von einer geeigneten Steuerung oder einem speziellen Steuermodul reagieren, um die elektrische Leistung des Batteriesystems 115 zu regeln. Die Schütze/Schalter S1-S3 sind so ausgelegt, dass sie unter elektrischer Last schließen, um die sofortige oder nahezu sofortige Abgabe von elektrischer Energie an das Antriebssystem des Fahrzeugs zu gewährleisten und eine beliebige Anzahl von Fahrzeugzubehör anzutreiben. Wie bei den Halbleiter-Wechselrichterschaltern 164 innerhalb des Wechselrichters 162 können die Paketschützschalter 168 aus hocheffizienten Schaltgeräten wie Breitspaltgalliumnitrid (GaN) oder Siliziumkarbid (SiC) MOSFETs, IGBTs oder anderen geeigneten elektronischen Geräten aufgebaut sein. Der erste Schützschalter S1 ist in elektrischer Reihe mit dem ersten Traktionsbatteriepaket 121A und in elektrischer Parallelschaltung mit dem zweiten Traktionsbatteriepaket 121B. In diesem Zusammenhang ist der Schützschalter S2 des zweiten Satzes in elektrischer Reihe mit dem zweiten Traktionsbatteriepaket 121B und elektrisch parallel zum ersten Traktionsbatteriepaket 121A. Umgekehrt ist der dritte Schützschalter S3 in elektrischer Reihe mit den beiden Traktionsbatterien 121A, 121B. Eine Gleichstrom-Batterieausgangsspannung wird über die positiven und negativen Spannungsbusschienen 170A bzw. 170B geliefert, wobei ein fester Gleichstrom-Buskondensator 172 parallel zu den beiden Traktionsbatteriepaketen 121A, 121B elektrisch geschaltet ist.
  • Um die elektrische Effizienz der Motoren zu verbessern und die Antriebsleistung im Hochgeschwindigkeitsbetrieb zu erhöhen, werden Batteriepaket-V-Schaltsysteme und die dazugehörige Steuerlogik zur Regelung der Spannungsabgabe von Mehrfach-Traktionsbatteriepaketen in Hybrid- und Elektrofahrzeugen vorgestellt. Der V-Schalter kann während eines konstanten Drehmomentbereichs implementiert werden, z.B. wenn eine in Echtzeit gemessene Geschwindigkeit der E-Maschine (Motor) unterhalb einer im Speicher gespeicherten, kalibrierten Grundmaschine (Motor) liegt. Wenn die Maschinengeschwindigkeit um mindestens einen vorgegebenen Hochgeschwindigkeits-Offsetwert (HS) unter diesem Schwellenwert liegt, können alle Paket-zu-Paket-Motorwechselrichterschalter ausgeschaltet (d.h. geöffnet) werden, um die Batteriepakete vom Antriebssystem zu entkoppeln. Das Ausschalten dieser Wechselrichterschalter kann zu einem Nullstrom der E-Maschine und einem Nulldrehmoment der E-Maschine führen, während gleichzeitig der Stromfluss der Batteriepakete zur/von der E-Maschine blockiert wird. Diese Funktion entkoppelt und isoliert die Batteriepakete vom Wechselrichter und Antriebssystem unter vorgegebenen Betriebsbedingungen im Antriebsstrang. Für zumindest einige Ausführungsformen ist die Grundgeschwindigkeit der E-Maschine maschinenspezifisch, bestimmt durch Prüfstandsversuche und die Konstruktion der E-Maschine. Für eine bestimmte E-Maschine kann die Grunddrehzahl für eine bestimmte Spannung festgelegt werden, z.B. als die höchste Drehzahl, die die E-Maschine noch das volle Drehmoment erzeugt. Für diese Anwendung kann der Schwellenwert unterhalb der kalibrierten Grundgeschwindigkeit der E-Maschine eingestellt werden, um einen zuverlässigen und sicheren Systembetrieb zu gewährleisten.
  • Während des Betriebs des Elektroantriebsstrangs kann ein Busspannungsausgleich implementiert werden, um beispielsweise eine Spannung über einen oder mehrere Sternpunkte des Wechselrichters zu stabilisieren. So wird beispielsweise das Öffnen aller von Paket-zu-Paket- Motorwechselrichterschalter (z. B. vor einem V-Schalterereignis) durchgeführt, um das E-Antriebssystem des Fahrzeugs vom Batteriesystem des Fahrzeugs zu trennen. Während eines Hochspannungs- (z.B. 800V) zu Niederspannungs- (z.B. 400V) V-Schaltereignisses wird die in einem oder mehreren Buskondensatoren gespeicherte Energie selektiv in die Traktionsbatteriepakete des Batteriesystems entladen. In der in 2 dargestellten repräsentativen Architektur kann dieser Vorgang durch Öffnen aller sechs Halbleiter-Wechselrichterschalter SI1-SI6, dann Öffnen des dritten Schützschalters S3 und anschließendem Schließen der ersten und zweiten Schützschalter S1, S2 erreicht werden. Dabei werden die Batteriepakete 121A, 121B vom Wechselrichter 162 und Motor 114 getrennt und parallel zum DC-Bus-Kondensator 172 elektrisch platziert. Während eines Niederspannungs- (z.B. 400V) zu Hochspannungs- (z.B. 800V) V-Schaltereignisses (z.B. für DC-Schnellladung) kann der Kondensator aus dem Batteriesystem vorgeladen werden (z.B. bei einer Anfangsspannung von ca. 400V bis 800V). In der in 2 dargestellten repräsentativen Architektur kann dieser Vorgang erreicht werden, indem alle sechs Halbleiter-Wechselrichterschalter SI1-SI6 geöffnet, dann die ersten und zweiten Schützschalter S1, S2 geöffnet und danach der dritte Schützschalter S3 geschlossen wird, z.B. in einem linearen Bereich, um den Kondensatorstoßstrom in akzeptablen Grenzen zu halten. Dabei werden die Batteriepakete 121A, 121B vom Wechselrichter 162 und Motor 114 getrennt und mit dem DC-Bus-Kondensator 172 in elektrische Reihe geschaltet.
  • Für den Busspannungsausgleich kann es zunächst wünschenswert sein, zu bestätigen, dass der resultierende Lade-/Entladestrom innerhalb einer paketkalibrierten akzeptablen Grenze liegt, oder optional einen oder mehrere geschlossene Schützschalter in einem vorbestimmten linearen Bereich zum Regeln des Lade-/Entladestroms zu betreiben. Die entsprechenden elektrischen Ströme der Traktionsbatterie 121A, 121B aus 2 können beispielsweise mit den speziellen Stromsensoren 174A und 174B gemessen werden, die in ein Batteriegehäuse eines entsprechenden Batteriepakets integriert werden können. Die paketkalibrierte zulässige Grenze kann als maximaler Lade-/Entladestrom des Akkupakets eingestellt werden, der aus einer entsprechenden Batteriespezifikation ersichtlich ist. Dieser maximale Akkupaketstrom kann eingestellt werden, um Überhitzung oder Überladung der Akkupakete zu vermeiden und zu vermeiden, dass einer der Schützschalter des Akkupakets geschlossen wird, während eine akzeptable Mindestladezeit eingehalten wird. In diesem Fall kann eine Fahrzeugsteuerung einen entsprechenden Gesamtladestrom für jedes Paket messen; nach der Messung bewertet der RESS 115, ob jeder dieser gemessenen Gesamtladeströme kleiner als das vom Batteriesystem kalibrierte Ladestrommaximum ist.
  • Das Betreiben eines Paketschützschalters in einem linearen Bereich zur Reduzierung des Lade-/Entladestroms kann das Steuern eines Eingangs zu einem Halbleiterschalter auf einem Pegel beinhalten, der bestimmt ist, um diesen Schalter vollständig AUS zu halten (z.B. Schaltstrom < 0,1 Milliampere (mA)) oder auf einem Pegel, um diesen Schalter vollständig EIN zu halten (z.B. Schaltspannungsabfall < Sättigungsspannung von 2V). Ein Silizium-IGBT kann beispielsweise eine Spannung von etwa 0V bis -15V über seine Gate- und Emitteranschlüsse verwenden, um einen vollständigen AUS-Zustand aufrechtzuerhalten, und eine Spannung von etwa 12V bis 18V über seine Gate- und Emitteranschlüsse, um einen vollständigen EIN-Zustand aufrechtzuerhalten. Es kann möglich sein, die Spannung über den Gate- und Emitteranschlüssen auf eine Spannung oberhalb der Schwellenspannung (z.B. 5V) zu regeln, damit die Vorrichtung mit der Durchführung des Lade-/Entladestroms beginnen kann, aber einen Spannungsabfall aufweist, der ungefähr proportional zum Strom ist. Der lineare Betrieb der Vorrichtung kann daher eine Spannung anlegen, die größer ist als eine Sättigungsspannung des IGBT, die bei kontrollierter Strommenge erhalten bleibt, indem die Spannung an den Gate- und Emitteranschlüssen eingestellt wird, z.B. zwischen 5V und 10V.
  • Um einen sicheren und zuverlässigen Betrieb des V-Schalters zu gewährleisten, kann es notwendig sein, einen Schaltzustand jedes einzelnen Schützschalters zu identifizieren, um die Abfolge der fehlersicheren Schützschalter zu unterstützen. Unter erneuter Bezugnahme auf die Systemarchitektur von 2 kann ein Hochspannungs- (z.B. 800V) zu Niederspannungs-(z.B. 400V) V-Schalterbetrieb das erste Öffnen des dritten Schützschalters S3 und dann das Schließen der ersten und zweiten Schützschalter S1, S2 beinhalten. Die Schalter S1 und S2 werden anschließend so geöffnet, dass alle drei Schalter S1-S3 geöffnet sind; die Sensoren 174A, 174B messen gleichzeitig die elektrischen Ströme des ersten und zweiten Traktionsbatteriepakets 121A, 121B. Wenn beide gemessenen Ströme Null erreichen, kann das Fahrzeugbatteriesystem (RESS) 115 bestätigen, dass sich der Schalter S3 in einem offenen Zustand befindet. Danach können die Schalter S1 und S2 geschlossen werden, um zu bestimmen, ob sich die Paketströme von Null auf einen bestimmten Wert ändern, z.B. während der Entladung des DC-Bus-Kondensators 172. In diesem Fall kann das Fahrzeugbatteriesystem (RESS) 115 bestätigen, dass sich die Schalter S1 und S2 in einem geschlossenen Zustand befinden. Während eines Niederspannungs- (z.B. 400V) zu Hochspannungs- (z.B. 800V) V-Schaltereignisses werden die ersten und zweiten Schützschalter S1, S2 zuerst geöffnet und dann der dritte Schützschalter S3 geschlossen. Der Schalter S3 wird anschließend geöffnet, so dass alle drei Schalter geöffnet sind; die Sensoren 174A, 174B messen gleichzeitig die elektrischen Ströme des ersten und zweiten Traktionsbatteriepakets 121A, 121B. Wenn diese gemessenen Ströme Null erreichen, kann das Fahrzeugbatteriesystem (RESS) 115 bestätigen, dass sich die Schalter S1 und S2 in einem offenen Zustand befinden. Anschließend wird S3 wieder geschlossen und die Paketströme werden gemessen, um zu bestätigen, dass sie sich von Null auf einen bestimmten Wert ändern, z.B. zum Laden des Gleichstrombuskondensators 172. Wenn dies der Fall ist, kann das Fahrzeugbatteriesystem (RESS) 115 bestätigen, dass der Schalter S3 geschlossen ist.
  • Während des Betriebs des Elektroantriebsstrangs kann es wünschenswert sein, ein „Switch Fault Operation Protocol“ zu implementieren, wenn festgestellt wird, dass ein oder mehrere Batteriesystemschalter ausgefallen sind. Wenn festgestellt wird, dass der dritte Schützschalter S3 nicht während eines Hoch-/Niederspannungs-V-Schalters geöffnet werden kann, kann das Fahrzeugbatteriesystem (RESS) 115 standardmäßig die Hochspannungskonfiguration (z.B. 800V) beibehalten: S1 = offen; S2 = offen; S3 = geschlossen. In gleicher Weise kann das Fahrzeugbatteriesystem (RESS) 115 nach dem Bestimmen, dass die ersten und zweiten Schützschalter S1 und/oder S2 nach dem Öffnen des Schalters S3 während eines Hoch-/Niedrig-V-Schalters nicht geschlossen werden können, wieder auf die Hochspannungs-Systemkonfiguration zurückfallen. Ebenso kann das Fahrzeugbatteriesystem (RESS) 115 nach dem Bestimmen, dass die Paketspannung aufgrund einer ausgefallenen Zelle nicht ausgeglichen werden kann, automatisch wieder in die Konfiguration des Hochspannungssystems zurückkehren. Nach dem Bestimmen, dass die ersten und/oder zweiten Schützschalter S1, S2 während eines Nieder-/Hochspannungs-V-Schalters nicht geöffnet werden können, kann das Fahrzeugbatteriesystem (RESS) 115 automatisch auf eine Niederspannungs-Systemkonfiguration (z.B. 400V) zurückgesetzt werden: S1 = geschlossen; S2 = geschlossen; S3 = offen. Ebenso kann RESS 115 nach dem Bestimmen, dass der Paketschützschalter S3 nach dem Öffnen der Schalter S1 und S2 nicht schließen kann, wieder auf die Konfiguration des Niederspannungssystems zurückgreifen.
  • Unter Bezugnahme auf das Flussdiagramm von 3 wird ein verbessertes Verfahren oder eine verbesserte Steuerstrategie zum Steuern der Spannungsabgabe von Mehrfach-Traktionsbatteriepaketen, wie beispielsweise den Batteriepaketen 21A, 21B von 1 oder den Batteriepaketen 121A, 121B von 2, eines elektrisch angetriebenen Fahrzeugs, wie beispielsweise dem Automobil 10 von 1, im Allgemeinen bei 200 gemäß den Aspekten der vorliegenden Offenbarung beschrieben. Einige oder alle der in 3 dargestellten und im Folgenden näher beschriebenen Vorgänge können repräsentativ für einen Algorithmus sein, der prozessorausführbaren Anweisungen entspricht, die beispielsweise im Haupt- oder Hilfs- oder Fernspeicher gespeichert und beispielsweise von einer On-Board- oder Fernbedienung, einer Verarbeitungseinheit, einer Steuerlogikschaltung oder einem anderen Modul, einer Vorrichtung und/oder einem Netzwerk von Vorrichtungen ausgeführt werden, um eine oder alle der oben oder unten beschriebenen Funktionen im Zusammenhang mit den offenbarten Konzepten auszuführen. Es ist zu beachten, dass die Reihenfolge der Ausführung der veranschaulichten Operationssätze geändert, zusätzliche Sätze hinzugefügt und einige der beschriebenen Sätze geändert, kombiniert oder beseitigt werden können.
  • Das Verfahren 200 beginnt an der Klemmenleiste 201 von 3 mit prozessorausführbaren Anweisungen für eine programmierbare Steuerung oder ein Steuermodul oder einen ähnlich geeigneten Prozessor, um ein Initialisierungsverfahren für ein Echtzeit-Batteriepaket-V-Schalter-Protokoll aufzurufen, das eine dynamische Paket-zu-Paket-Spannungsschaltung während des Betriebs des Antriebssystems ermöglicht. Während die veranschaulichte Steuerungsmethode 200 als komplementär zu den Paket-Level-, Cell-to-Cell-Schalttechniken gedacht ist, kann sie für die Spannungsumschaltung auf Systemebene und Paket-zu-Paket vorgesehen sein. Diese Routine kann in Echtzeit, kontinuierlich, systematisch, sporadisch und/oder in regelmäßigen Abständen während des aktiven Fahrzeugbetriebs ausgeführt werden. Als weitere Option kann die Klemmleiste 201 als Reaktion auf ein Befehlseingabesignal eines Benutzers oder ein Broadcast-Prompt-Signal von einem Backend oder Middleware-Computerknoten initialisieren, der beispielsweise das Sammeln, Analysieren, Sortieren, Speichern und Verteilen von Fahrzeugdaten übernimmt. Das Steuerungssystem kann betreibbar sein, um relevante Informationen und Eingaben zu empfangen, zu verarbeiten und zu synthetisieren sowie Steuerlogik und Algorithmen auszuführen, um verschiedene Antriebsstrangkomponenten zur Erreichung von Steuerzielen zu regeln. In diesem Zusammenhang kann die Fahrzeugsteuerung 23 als eine verteilte Steuerungsarchitektur verkörpert werden, die aus einem TPIM, einem Getriebesteuermodul (TCM), einem Motorsteuermodul (ECM) und/oder einem Batteriepaket-Steuerungsmodul (BPCM) mit einem integrierten Hybrid-Steuerungsmodul (HCP) besteht, das eine hierarchische Steuerung und Koordination der vorgenannten Module ermöglicht.
  • Nach der Initialisierung des V-Schalter-Protokolls des Batteriepakets stellt das Verfahren 200 prozessorausführbare Anweisungen am Prozessblock 203 für eine Fahrzeugsteuerung oder ein dediziertes Steuermodul zum Empfangen einer Spannungsumschaltanforderung zum Ändern einer Gesamtausgangsspannung eines Batteriesystems von einer ersten Spannung auf eine zweite Spannung (z.B. von 400V auf 800V oder von 800V auf 400V) bereit. Über eine geeignete Mensch-Maschine-Schnittstelle (HMI), die funktional mit einem Netzwerk von fahrzeuginternen Vorrichtungen verbunden ist, kann beispielsweise ein Fahrzeugführer den Betrieb eines Antriebsstrangs durch eine Anforderung eines gewünschten Drehmoments mit anschließender Spannungsanpassung steuern, um alle damit verbundenen Laständerungen zu unterstützen. Zu den exemplarischen Fahrzeug-Bediengeräten gehören ein Gaspedal, ein Bremspedal, ein Wählhebel für den Getriebegang und ein Wählhebel für die Geschwindigkeitsregelung des Fahrzeugs. Jedes der oben genannten HMI-Geräte kommuniziert über einen LAN-Bus (Local Area Network) mit Fern- und/oder residenten Steuermodulen, Sensoren, Geräten und Stellgliedern. Bei steuerungsautomatisierten (autonomen) Fahrmanövern kann die Anforderung des Spannungsschalters über ein Antriebsstrangsteuermodul (PCM) an das BPCM übertragen werden.
  • Als Reaktion auf die Anforderung des Spannungsschalters bestimmt das Verfahren 200 im Entscheidungsblock 205, ob eine Drehzahl der E-Maschine (z.B. eine Drehzahl der ersten und/oder zweiten Motorwellen 48, 50 aus 1) kleiner ist als eine maschinenkalibrierte Grundmaschinendrehzahl um mindestens einen vorgegebenen schnellen Offsetwert (HS) (z.B. ca. 1,5% oder mehr). Jede MGU 14, 16 kann mit verschiedenen Abtastvorrichtungen zur Überwachung des Motorbetriebs ausgestattet sein, einschließlich eines Wellensensors (nicht dargestellt) mit einem Ausgang, der die Drehposition, z.B. Winkel und/oder Drehzahl (U/min), anzeigt. Wenn entweder MGU 14, 16 mit einer Geschwindigkeit arbeitet, die bei oder über der Grundmaschinendrehzahl (Block 205 = NEIN) liegt, wechselt das Verfahren 200 von 3 zur Prozessblock 207, löscht oder ignoriert die Anforderung zum Schalten der Spannung und fährt danach zur Klemmenblock 209 fort und beendet oder schleppt zurück zur Klemmenblock 201.
  • Nach dem Bestimmen, dass die Geschwindigkeit der E-Maschine um mindestens den vorgegebenen HS-Offsetwert (Block 205 = JA) niedriger als die kalibrierte Grundmaschinendrehzahl ist, trennt das Batteriesystem die Traktionsbatteriepakete automatisch elektrisch vom elektrischen Antriebssystem des Fahrzeugs am Prozessblock 211. Gemäß den veranschaulichten Beispielen kann die residente Fahrzeugsteuerung 23 von 1 ein oder mehrere Paketisolationssignale an den TPIM-Leistungsumrichter 162 senden, der wiederum den Satz 164 der Halbleiterschalter SI1-SI6 von 2 methodisch öffnet, wodurch die Traktionsbatteriepakete 121A, 121B elektrisch vom Fahrmotor 114 getrennt werden. Nach dem Isolieren der Traktionsbatteriepakete bei Prozessblock 211 fährt das Verfahren 200 mit dem Entscheidungsblock 213 fort, um einen gemessenen Echtzeit-Busstrom eines Gleichstrombusses, wie beispielsweise einer Hochspannungs-Gleichstromschiene 160 aus 2, auszuwerten, um zu bestimmen, ob der gemessene Busstrom kleiner als ein systemkalibrierter Busstromschwellenwert ist. Dieser Busstrom-Schwellenwert kann ein relativ kleiner Wert sein, beispielsweise in der Größenordnung von etwa 5,0 Ampere (A) oder weniger. Normalerweise sinkt der DC-Bus-Strom in weniger als einer (1) Millisekunde (ms) nach dem Öffnen der Wechselrichterschalter schnell auf Null (0) A. Wenn der gemessene Busstrom noch nicht unter den Busstromschwellenwert (Block 213 = NEIN) gesunken ist, kann der RESS 115 zur Messung des Busstroms in einer kontinuierlichen Schleife laufen, bis er unter diesen Schwellenwert fällt.
  • Nach der Bestätigung, dass der DC-Busstrom unter den Busstromschwellenwert (Block 213 = JA) gefallen ist, stellt der Prozessblock 215 des Verfahrens 200 speichergespeicherte, prozessorausführbare Anweisungen für eine Fahrzeugsteuerung zur Verfügung, um das Öffnen eines oder mehrerer der Paketschützschalter S1-S3 zu steuern, je nachdem, ob es sich bei dem V-Schalter um einen Hoch-Niedrig- oder einen Nieder-/Hochspannungs-Schaltvorgang handelt. Während des Betriebs des Fahrzeugs 10 von 1 kann der Fahrzeugführer wünschen, die Fahrzeuggeschwindigkeit und damit den Bedarf an Motordrehmoment zu reduzieren. Eine Verringerung des Motordrehmomentbedarfs führt zu einer Verringerung der Belastung des Fahrzeugbatteriesystems; das Fahrzeugbatteriesystem (RESS) 115 schaltet die Ausgangsspannung des Batteriesystems entsprechend ab (z.B. von 800V auf 400V). In diesem Fall sendet die Fahrzeugsteuerung 23 ein Schaltsignal zum Öffnen des dritten Schützschalters S3 am Prozessblock 215. Andererseits kann der Fahrzeugführer eine Erhöhung der Fahrzeuggeschwindigkeit bei gleichzeitiger Erhöhung des Motordrehmoments und gleichzeitig der Belastung des Batteriesystems wünschen. Folglich erhöht das Fahrzeugbatteriesystem (RESS) 115 daraufhin die Ausgangsspannung des Batteriesystems (z.B. von 400V auf 800V). In diesem Fall sendet die Fahrzeugsteuerung 23 ein Schaltsignal zum Öffnen des ersten und zweiten Schützschalters S1, S2 am Prozessblock 215.
  • Mit weiterem Bezug auf 3 fährt das Verfahren 200 mit dem Entscheidungsblock 217 fort, um festzustellen, ob ein gemessener Echtzeit-Paketstrom jedes einzelnen Traktionsbatteriepakete kleiner oder gleich einem paketkalibrierten Stromschwellenwert (z.B. Null (0) Ampere) ist oder nicht. Die Fahrzeugsteuerung 23 von 1 kann die Stromsensoren 174A und 174B von 2 veranlassen, die elektrischen Stromausgänge der Traktionsbatteriepakete 121A, 121B zu überwachen. Wenn einer der gemessenen Akkupaketströme nicht gleich dem Schwellenwert für den Akkupaketstrom (Block 217 = NEIN) ist, kann der RESS 115 in einer kontinuierlichen Schleife laufen, um wiederholt die Akkupaketströme zu messen und zu vergleichen, bis bestätigt wird, dass alle Akkupaketströme bei oder unter diesem Schwellenwert liegen (z.B. Null Ampere erreicht haben). Sobald die RESS 115 in der Lage ist, zu bestätigen, dass die Batterieströme Null sind (Block 217 = JA), geht das Verfahren 200 zum Prozessblock 219 über, wobei ein (erstes) Pulsweitenmodulationssignal (PWM) gesendet wird, um die jeweiligen Pulsweiten der Paketschützschalter zu modulieren, die bei Prozessblock 215 nicht geöffnet wurden. Da alle drei Schützschalter S1-S3 Leistungsschalter sind, kann die RESS 115 die einzelnen Impulsbreiten jedes geschlossenen Schalters (z.B. zwischen ca. 5% und 95%) anpassen, um einen durchschnittlichen Lade- oder Entladestrom zu steuern, der kleiner als eine Paketstromgrenze zum Laden und Entladen eines Kondensators 172 ist.
  • Vor, zeitgleich mit oder nach der Verwendung der PWM-Steuerung zum Steuern der zu schließenden Paketschützschalter fährt das Verfahren 200 mit dem Entscheidungsblock 221 fort, um eine gemessene Echtzeit-Kondensatorspannung eines Buskondensators, wie beispielsweise des DC-Buskondensators 172 aus 2, auszuwerten, um zu bestimmen, ob die gemessene Kondensatorspannung kleiner oder größer als ein paketkalibrierter Kondensatorspannungsschwellenwert ist. Dieser Kondensatorspannungsschwellenwert kann als kondensatorspezifischer Spannungswert eingestellt werden, bei dem die Buskondensatorspannung nahe einer Batteriespannung liegt (z.B. 800V beim Umschalten von 400V auf 800V). Für einen Betrieb mit hohem bis niedrigem V-Schalter kann die RESS 115 bestimmen, ob die gemessene Kondensatorspannung kleiner als die Kondensatorspannungsschwelle ist. Im Gegensatz dazu kann der RESS 115 bestimmen, ob die gemessene Kondensatorspannung größer als der Kondensatorspannungsschwellenwert für einen niedrigen bis hohen V-Schalterbetrieb ist. Eine negative Bestimmung aus der Auswertung der gemessenen Echtzeit-Kondensatorspannung (Block 221 = NEIN) bewirkt, dass das Verfahren 200 zum Prozessblock 219 zurückgeschleift wird und die Impulsbreiten der zu schließenden Paketschützschalter weiter moduliert.
  • Nachdem bestätigt wurde, dass die gemessene Kondensatorspannung kleiner (oder größer als) der Kondensatorspannungsschwellenwert während eines hoch-zu-niedrigen (oder niedrig-zuhoch) V-Schalterbetriebs (Block 221 = JA) ist, stellt der Prozessblock 223 des Verfahrens 200 speichergespeicherte prozessorausführbare Anweisungen für eine Fahrzeugsteuerung zur Verfügung, um einen oder mehrere der Paketschützschalter S1-S3 geschlossen zu steuern, je nachdem, ob der V-Schalter ein hoch-zu-niedrig- oder ein niedrig-zu-hochspannungs-Schaltvorgang ist. Um die Ausgangsspannung des Batteriesystems (z.B. von 800V bis 400V) zu erreichen, sendet die Fahrzeugsteuerung 23 ein Schalter-Schließsignal, um den ersten und zweiten Paket-Schutzschalter S1, S2 am Prozessblock 223 zu schließen. Andererseits sendet die Fahrzeugsteuerung 23 ein Schalter-Schließsignal zum Schließen des dritten Schützschalters S3 am Prozessblock 223, um die Ausgangsspannung des Batteriesystems zu erhöhen (z.B. von 400V auf 800V). Bei Prozessblock 225 ermöglicht das Verfahren 200 die PWM-Steuerung des Wechselrichters. So wird beispielsweise ein (zweites) PWM-Signal an den Wechselrichter 162 von 2 übertragen, um die jeweiligen Pulsweiten der Wechselrichterschalter SI1-SI6 zu modulieren, um die gesamte von den beiden Traktionsbatteriepaketen 121A, 121B ausgegebene Gleichspannung in eine gewünschte Wechselspannung umzuwandeln, die an den Fahrmotor 114 übertragen wird, um ein gewünschtes Drehmoment zu erreichen. Das Verfahren 200 kann danach mit der Klemmenleiste 209 fortfahren und die Klemmenleiste 201 abschließen oder zurückschleifen und die oben beschriebenen Vorgänge wiederholen.
  • Aspekte dieser Offenbarung können in einigen Ausführungsformen durch ein computerausführbares Programm von Anweisungen, wie beispielsweise Programmmodule, die allgemein als Softwareanwendungen oder Anwendungsprogramme bezeichnet werden, die von einer Steuerung ausgeführt werden, oder die hierin beschriebenen Steuerungsvarianten umgesetzt werden. Software kann in nicht einschränkenden Beispielen Routinen, Programme, Objekte, Komponenten und Datenstrukturen beinhalten, die bestimmte Aufgaben erfüllen oder bestimmte Datentypen implementieren. Die Software kann eine Schnittstelle bilden, die es einem Computer ermöglicht, entsprechend einer Eingabequelle zu reagieren. Die Software kann auch mit anderen Codesegmenten zusammenarbeiten, um eine Vielzahl von Aufgaben als Reaktion auf Daten zu initiieren, die in Verbindung mit der Quelle der empfangenen Daten empfangen wurden. Die Software kann auf einer Vielzahl von Speichermedien gespeichert werden, wie CD-ROM, Magnetplatte, Blasenspeicher und Halbleiterspeicher (z.B. verschiedene Arten von RAM oder ROM).
  • Darüber hinaus können Aspekte der vorliegenden Offenbarung mit einer Vielzahl von Computersystem- und Computernetzkonfigurationen praktiziert werden, einschließlich Multiprozessorsystemen, mikroprozessorbasierter oder programmierbarer Verbraucherelektronik, Minicomputern, Großrechnern und dergleichen. Darüber hinaus können Aspekte der vorliegenden Offenbarung in verteilten Computerumgebungen praktiziert werden, in denen Aufgaben von residenten und entfernten Verarbeitungsvorrichtungen ausgeführt werden, die über ein Kommunikationsnetzwerk verbunden sind. In einer verteilten Computerumgebung können sich die Programmmodule sowohl auf lokalen als auch auf entfernten Computerspeichermedien einschließlich Speichergeräten befinden. Aspekte der vorliegenden Offenbarung können daher in Verbindung mit verschiedener Hardware, Software oder einer Kombination derselben, in einem Computersystem oder einem anderen Verarbeitungssystem umgesetzt werden.
  • Jedes der hierin beschriebenen Verfahren kann maschinenlesbare Anweisungen zur Ausführung beinhalten: (a) einen Prozessor, (b) eine Steuerung und/oder (c) jede andere geeignete Verarbeitungsvorrichtung. Jeder hierin offenbarte Algorithmus, jede Software, Steuerlogik, jedes Protokoll oder Verfahren kann als Software verkörpert werden, die auf einem greifbaren Medium gespeichert ist, wie beispielsweise einem Flash-Speicher, einer CD-ROM, einer Diskette, einer Festplatte, einer digitalen vielseitigen Festplatte (DVD) oder anderen Speichervorrichtungen. Der gesamte Algorithmus, die Steuerungslogik, das Protokoll oder Verfahren und/oder Teile davon können alternativ von einer anderen Vorrichtung als einer Steuerung ausgeführt und/oder in Firmware oder dedizierter Hardware auf verfügbare Weise verkörpert werden (z.B. implementiert durch eine anwendungsspezifische integrierte Schaltung (ASIC), eine programmierbare Logikvorrichtung (PLD), eine feldprogrammierbare Logikvorrichtung (FPLD), diskrete Logik usw.). Obwohl spezifische Algorithmen mit Bezug auf die hierin dargestellten Flussdiagramme beschrieben werden, können alternativ viele andere Methoden zur Implementierung der exemplarischen maschinenlesbaren Anweisungen verwendet werden.
  • Aspekte der vorliegenden Offenbarung wurden mit Bezug auf die veranschaulichten Ausführungsformen ausführlich beschrieben; die Fachkräfte werden jedoch erkennen, dass viele Änderungen daran vorgenommen werden können, ohne vom Umfang der vorliegenden Offenbarung abzuweichen. Die vorliegende Offenbarung beschränkt sich nicht auf die hierin offenbarte genaue Konstruktion und Zusammensetzung; alle Modifikationen, Änderungen und Abweichungen, die sich aus den vorstehenden Beschreibungen ergeben, sind im Rahmen der Offenbarung im Sinne der beigefügten Ansprüche. Darüber hinaus beinhalten die vorliegenden Konzepte ausdrücklich alle Kombinationen und Subkombinationen der vorhergehenden Elemente und Merkmale.

Claims (10)

  1. Ein Verfahren zum Steuern des Betriebs eines Kraftfahrzeugs, wobei das Kraftfahrzeug mehrere Räder beinhaltet, eine elektrische Maschine, die betreibbar ist, um mindestens eines der Räder anzutreiben, um dadurch das Kraftfahrzeug anzutreiben, ein erstes und zweites Traktionsbatteriepaket, die betreibbar sind, um die elektrische Maschine zu betreiben, und eine Fahrzeugsteuerung, die die elektrische Maschine und die Batteriepakete steuert, wobei das Verfahren umfasst: Empfangen, über die Fahrzeugsteuerung, eines Spannungsschaltsignals, um eine Ausgangsspannung eines Batteriesystems von einer ersten Spannung auf eine zweite Spannung zu ändern; Bestimmen, über die Fahrzeugsteuerung, ob eine Maschinengeschwindigkeit der elektrischen Maschine kleiner als eine kalibrierte Grundmaschinengeschwindigkeit ist, Übertragen, über die Fahrzeugsteuerung, eines Pakettrennungssignals an einen Wechselrichter, der darauf anspricht, dass die Maschinengeschwindigkeit kleiner als die kalibrierte Grundmaschinengeschwindigkeit ist, um mehrere Wechselrichterschalter zu öffnen und dadurch die ersten und zweiten Traktionsbatteriepakete elektrisch von der elektrischen Maschine zu trennen; Bestimmen, über die Fahrzeugsteuerung, ob ein Busstrom eines Gleichstrom-(DC)-Busses, der das erste und zweite Traktionsbatteriepaket elektrisch mit dem Wechselrichter verbindet, kleiner als ein kalibrierter Busstromschwellenwert ist, und Übertragen, über die Fahrzeugsteuerung, eines Öffnungssignals zum Öffnen eines der Paketschützschalter und eines Schließsignals zum Schließen eines weiteren der Paketschützschalter an einen Satz von Paketschützschaltern, wenn der Busstrom kleiner als der kalibrierte Busstromschwellenwert ist, wodurch das erste und/oder zweite Traktionsbatteriepaket die zweite Spannung ausgeben.
  2. Das Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Satz von Paketschützschaltern erste, zweite und dritte Schalter beinhaltet, und wobei das Schließen des ersten und zweiten Schalters und das Öffnen des dritten Schalters das erste und zweite Traktionsbatteriepaket parallel elektrisch verbindet und das Schließen des dritten Schalters beim Öffnen des ersten und zweiten Schalters das erste und zweite Traktionsbatteriepaket elektrisch in Reihe verbindet.
  3. Das Verfahren nach Anspruch 2, wobei die erste Spannung größer als die zweite Spannung ist, das Öffnungssignal den dritten Schalter öffnet, und das Schließsignal den ersten und zweiten Schalter schließt.
  4. Das Verfahren nach Anspruch 3, ferner umfassend: Bestimmen, über die Fahrzeugsteuerung, vor dem Schließen des ersten und zweiten Schalters, ob eine Kondensatorspannung eines Buskondensators des Gleichstrombusses kleiner als ein kalibrierter Kondensatorspannungsschwellenwert ist, wobei das Übertragen des Schließsignals an den Satz von Paketschützschaltern zum Schließen des ersten und zweiten Schalters in Erwiderung darauf erfolgt, dass die Kondensatorspannung kleiner als der kalibrierte Kondensatorspannungsschwellenwert ist.
  5. Das Verfahren nach Anspruch 4, ferner umfassend: Bestimmen, über die Fahrzeugsteuerung, bevor der erste und der zweite Schalter geschlossen werden, ob erste und zweite Batteriepaketströme der ersten bzw. zweiten Traktionsbatteriepakete beide kleiner oder gleich einem kalibrierten Paketstromschwellenwert sind; und Übertragen, über die Fahrzeugsteuerung, an den Satz von Paketschützschaltern, in Erwiderung darauf, dass die ersten und zweiten Batteriepaketströme kleiner oder gleich dem kalibrierten Paketstromschwellenwert sind, eines ersten Pulsweitenmodulationssignals, um die ersten und zweiten Pulsweiten des ersten bzw. zweiten Schalters zu modulieren.
  6. Das Verfahren nach Anspruch 5, ferner umfassend das Übertragen, über die Fahrzeugsteuerung, eines zweiten Pulsweitenmodulationssignals an den Wechselrichter nach dem Schließen des ersten und zweiten Schalters, um die Impulsbreiten der Wechselrichterschalter zu modulieren und dadurch eine von dem ersten und/oder zweiten Traktionsbatteriepaket ausgegebene Gleichspannung in eine über die elektrische Maschine empfangene Wechselstrom (AC)-Spannung umzuwandeln.
  7. Das Verfahren nach Anspruch 3, ferner umfassend: Messen, über erste und zweite Stromsensoren, erster und zweiter Ladeströme des ersten bzw. zweiten Traktionsbatteriepakets; Bestimmen, über die Fahrzeugsteuerung, nach dem Öffnen des dritten Schalters und dem Schließen der ersten und zweiten Schalter, ob die ersten und zweiten Ladeströme beide kleiner als ein kalibrierter Ladestromschwellenwert sind; und Ausgleichen einer Busspannung des Gleichstrom-(DC)-Busses durch Entladen eines Buskondensators des Gleichstrombusses in die ersten und zweiten Traktionsbatteriepakete.
  8. Das Verfahren nach Anspruch 3, ferner umfassend: Übertragen, über die Fahrzeugsteuerung, eines zweiten Öffnungssignals an den Satz von Paketschützschaltern nach dem Öffnen des dritten Schalters, um die ersten und zweiten Schalter zu öffnen; Bestimmen, ob erste und zweite Ströme der ersten bzw. zweiten Traktionsbatteriepakete ungefähr gleich Null sind; Speichern, über die Fahrzeugsteuerung, einer Schaltzustandsanzeige in einer Speichervorrichtung, in Erwiderung darauf, dass die ersten und zweiten Ströme etwa gleich Null sind, und die anzeigt, dass sich der dritte Schalter in einem offenen Zustand befindet; und Übertragen eines zweiten Schließsignals zum Schließen der ersten und zweiten Schalter.
  9. Das Verfahren nach Anspruch 2, wobei die erste Spannung kleiner als die zweite Spannung ist, das Öffnungssignal die ersten und zweiten Schalter öffnet und das Schließsignal den dritten Schalter schließt.
  10. Das Verfahren nach Anspruch 9, ferner umfassend: Bestimmen, über die Fahrzeugsteuerung, vor dem Schließen des dritten Schalters, ob eine Kondensatorspannung eines Buskondensators eines Gleichstrom-(DC)-Busses größer als ein kalibrierter Kondensatorspannungsschwellenwert ist, wobei das Übertragen des Schließsignals an den Satz von Paketschützschaltern zum Schließen des dritten Schalters, in Erwiderung darauf erfolgt, dass die Kondensatorspannung größer als der kalibrierte Spannungsschwellenwert ist.
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