DE102021119585A1

DE102021119585A1 - System und Verfahren für On-Board-Ladegerät mit pulsierendem Puffer

Info

Publication number: DE102021119585A1
Application number: DE102021119585.3A
Authority: DE
Inventors: Rafael Jimenez Pino; Pablo Gaona Rosanes; Hector Sarnago Andia; Oscar Lucia Gil
Original assignee: Lear Corp
Current assignee: Lear Corp
Priority date: 2020-07-31
Filing date: 2021-07-28
Publication date: 2022-02-03
Also published as: US11440423B2; CN114094850A; US20220032797A1

Abstract

In wenigstens einer Ausführungsform umfasst eine Vorrichtung einen PB-Wandler (Pulspuffer). Der PB-Wandler umfasst ein Gehäuse, eine Leiterplatte (PCB), wenigstens einen Induktor und wenigstens einen Kondensator und wird zur Verfügung gestellt. Die Leiterplatte ist in dem Gehäuse angeordnet und umfasst wenigstens einen ersten Leistungsschalter und wenigstens einen zweiten Leistungsschalter, die darauf angeordnet sind. Die wenigstens eine Induktivität ist im Gehäuse und außerhalb der Leiterplatte positioniert, um mit dem wenigstens einen ersten Leistungsschalter und dem wenigstens einen zweiten Leistungsschalter zusammenzuwirken. Der wenigstens eine Kondensator ist im Gehäuse und außerhalb der Leiterplatte positioniert, um eine Schnittstelle mit dem wenigstens einen ersten Leistungsschalter und dem wenigstens einen zweiten Leistungsschalter zu bilden, um eine Energieabgabe an eine oder mehrere Fahrzeugbatterien während eines Ladevorgangs zu regeln.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die hier offenbaren Aspekte können allgemein ein System und ein Verfahren zum Bereitstellen eines On-Board-Ladegeräts mit einem pulsierenden Puffer („on-board charger with a pulsating buffer“) betreffen. In einem Beispiel können das offenbarte On-Board-Ladegerät und der pulsierende Puffer in Verbindung mit der On-Board-Ladung von Fahrzeugen verwendet werden. Diese und andere Aspekte werden im Folgenden ausführlicher behandelt.
HINTERGRUND
Ein On-Board-Ladegerät („on-board charger“, OBC) eines Elektrofahrzeugs wird zum Laden einer Traktionsbatterie des Fahrzeugs verwendet. Das OBC wandelt die von einer Wechselstromquelle aufgenommene elektrische Leistung in elektrische Gleichstromleistung um und lädt die Batterie mit der elektrischen Gleichstromleistung.
ZUSAMMENFASSUNG
In wenigstens einer Ausführungsform wird eine Vorrichtung, umfassend einen PB-Wandler (Pulspuffer), zur Verfügung gestellt. Der PB-Wandler ist zum Bereitstellen einer Energieausgabe an eine oder mehrere Fahrzeugbatterien. Der PB-Wandler umfasst ein Gehäuse, eine Leiterplatte (PCB), wenigstens einen Induktor und wenigstens einen Kondensator. Die wenigstens eine Induktivität ist im Gehäuse und außerhalb der Leiterplatte positioniert, um eine Schnittstelle mit dem wenigstens einen ersten Leistungsschalter und dem wenigstens zweiten Leistungsschalter zu bilden. Der wenigstens eine Kondensator ist im Gehäuse und außerhalb der Leiterplatte positioniert, um eine Schnittstelle mit dem wenigstens einen ersten Leistungsschalter und dem wenigstens einen zweiten Leistungsschalter zu bilden, um eine Energieabgabe an die eine oder mehrere Fahrzeugbatterien während eines Ladevorgangs zu regeln.
In wenigstens einer weiteren Ausführungsform wird eine Vorrichtung zur Verfügung gestellt, die einen pulsierenden Puffer (PB)-Wandler umfasst. Der PB-Wandler umfasst ein Gehäuse, eine Leiterplatte (PCB), wenigstens einen Induktor und wenigstens einen Kondensator zur Verfügung gestellt. Die Leiterplatte ist in dem Gehäuse angeordnet und umfasst wenigstens einen ersten Leistungsschalter und wenigstens einen zweiten Leistungsschalter, die darauf angeordnet sind. Die wenigstens eine Induktivität ist im Gehäuse und außerhalb der Leiterplatte positioniert, um mit dem wenigstens einen ersten Leistungsschalter und dem wenigstens einen zweiten Leistungsschalter zusammenzuwirken. Der wenigstens eine Kondensator ist im Gehäuse und außerhalb der Leiterplatte positioniert, um eine Schnittstelle mit dem wenigstens einen ersten Leistungsschalter und dem wenigstens einen zweiten Leistungsschalter zu bilden, um eine Energieabgabe an eine oder mehrere Fahrzeugbatterien während eines Ladevorgangs zu regeln.
In wenigstens einer Ausführungsform wird eine Vorrichtung zur Verfügung gestellt, die eine gedruckte Leiterplatte (PCB), wenigstens eine Induktivität und wenigstens einen Kondensator umfasst. Die gedruckte Leiterplatte (PCB) ist in einem Gehäuse angeordnet und umfasst wenigstens einen ersten Leistungsschalter und wenigstens einen zweiten Leistungsschalter, die darauf angeordnet sind. Die wenigstens eine Induktivität ist in dem Gehäuse und außerhalb der Leiterplatte positioniert, um eine Schnittstelle mit dem wenigstens einen ersten Leistungsschalter und dem wenigstens einen zweiten Leistungsschalter zu bilden. Der wenigstens eine Kondensator ist im Gehäuse und außerhalb der Leiterplatte positioniert, um eine Schnittstelle mit dem wenigstens einen Induktor, dem wenigstens einen ersten Leistungsschalter und dem wenigstens einen zweiten Leistungsschalter zu bilden, um eine Energieausgabe zur Verfügung zu stellen, um eine erste Spannung oder eine zweite Spannung an einer oder mehreren Fahrzeugbatterien während einer Operation zu speichern.
Figurenliste
Die Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung sind in den beigefügten Ansprüchen besonders hervorgehoben. Jedoch werden andere Merkmale der verschiedenen Ausführungsformen deutlicher und werden am besten durch Bezugnahme auf die folgende ausführliche Beschreibung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen, in denen verstanden werden:

1 stellt ein Blockdiagramm eines elektrischen Systems dar, das ein On-Board-Ladegerät (OBC) aufweist;
2 zeigt ein Blockdiagramm des OBC, in dem das OBC ein dreiphasiges OBC ist;
3 zeigt ein elektrisches Schema des OBC, in dem das OBC ein einphasiges OBC gemäß einer Ausführungsform ist;
4 zeigt ein elektrisches Schema des OBC, bei dem das OBC ein dreiphasiges OBC gemäß einer anderen Ausführungsform ist;
5 zeigt ein elektrisches Schema des OBC, bei dem das OBC ein 3-Phasen-OBC gemäß einer anderen Ausführungsform ist;
6 zeigt ein elektrisches Schema eines Gleises des OBC mit Spannungs-/Strom-Wellenformdiagrammen, die jeweils mit einer Netzversorgung des elektrischen Systems, primärseitigen und sekundärseitigen Leistungsschalterbrücken eines AC/DC-Wandlers des OBC, einem pulsierenden Puffer-(PB)-Wandler des OBC und einer Traktionsbatterie des elektrischen Systems verbunden sind;
7 zeigt ein Beispiel für eine Vielzahl von DC/DC-Wandlern, die zwei Spannungsdomänen gemäß einer Ausführungsform unterstützen;
8 zeigt ein ausführlicheres Beispiel eines in 7 gezeigten pulsierenden Puffer-(PB)-Wandlers gemäß einer Ausführungsform;
9 zeigt ein Diagramm eines verarbeiteten Stroms und einer verarbeiteten Spannung am PB-Wandler gemäß einer Ausführungsform;
10 zeigt ein weiteres Diagramm des verarbeiteten Stroms und der Spannung am PB-Wandler gemäß einer Ausführungsform;
11 zeigt einen weiteren PB-Wandler gemäß einer Ausführungsform;
12 zeigt ein Diagramm des verarbeiteten Stroms und der Spannung am PB-Wandler von 11 gemäß einer Ausführungsform; und
13 zeigt ein Beispiel für ein OBC, das den PB-Wandler gemäß einer Ausführungsform umfasst.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
Wie erforderlich, sind ausführliche Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung hier offenbart; jedoch ist es zu verstehen, dass die offenbarten Ausführungsformen nur beispielhaft für die Erfindung sind, die in verschiedenen und alternativen Formen verkörpert werden können. Die Figuren sind nicht notwendigerweise maßstabsgetreu; einige Merkmale können übertrieben oder verkleinert sein, um Details bestimmter Komponenten zu zeigen. Daher sind spezifische strukturelle und funktionale Details, die hier offenbart sind, nicht als einschränkend zu interpretieren, sondern lediglich als eine repräsentative Grundlage für die Lehre ein Fachmann in der Technik, um auf verschiedene Weise die vorliegende Erfindung zu verwenden.
Es ist bekannt, dass die hier offenbarten Steuerungen verschiedene Mikroprozessoren, integrierte Schaltungen, Speicherbausteine (beispielsweise FLASH, Direktzugriffsspeicher (RAM), Festwertspeicher (ROM), elektrisch programmierbarer Festwertspeicher (EPROM), elektrisch löschbarer programmierbarer Festwertspeicher (EEPROM) oder andere geeignete Varianten davon) und Software umfassen können, die miteinander zusammenwirken, um die hier offengelegte(n) Operation(en) durchzuführen. Darüber hinaus verwenden solche Steuerungen, wie offenbart, einen oder mehrere Mikroprozessoren, um ein Computerprogramm auszuführen, das in einem nichttransitorischen computerlesbaren Medium ausgebildet ist, das so programmiert ist, dass es eine beliebige Anzahl der hier offenbarten Funktionen ausführt. Des Weiteren umfasst die Steuerung(en), wie hierin zur Verfügung gestellt, ein Gehäuse und eine unterschiedliche Anzahl von Mikroprozessoren, integrierten Schaltkreisen und Speichervorrichtungen (beispielsweise FLASH, Direktzugriffsspeicher (RAM), Festwertspeicher (ROM), elektrisch programmierbarer Festwertspeicher (EPROM), elektrisch löschbarer programmierbarer Festwertspeicher (EEPROM)), die innerhalb des Gehäuses angeordnet sind. Die offenbarten Steuerungen umfassen auch hardwarebasierte Eingänge und Ausgänge zum Empfangen und Senden von Daten von bzw. zu anderen hardwarebasierten Vorrichtungen, wie hier beschrieben.
1 zeigt allgemein ein Blockdiagramm eines elektrischen Systems 10, das ein On-Board-Ladegerät (OBC) 12 aufweist. Ein Beispiel für ein OBC ist in der anhängigen US-Anmeldung Nr. 16/731,106 („die '106 Anmeldung“) mit dem Titel „ON-BOARD CHARGER (OBC) SINGLE-STAGE CONVERTER“, wie am 13. November 2019 eingereicht, die Offenbarung davon ist hiermit durch Bezugnahme in vollem Umfang enthalten. Das OBC 12 ist im Allgemeinen „an Bord“ eines Elektrofahrzeugs 13 angeordnet. Der Begriff „Elektrofahrzeug“ kann hier jede Art von Fahrzeug umfassen, das elektrische Energie für den Fahrzeugantrieb verwendet und umfasst reine Batterie-Elektrofahrzeuge (BEV), Hybrid-Elektrofahrzeuge (HEV), Plug-in-Hybrid-Elektrofahrzeuge (PHEV) und dergleichen. Das OBC 12 kann zum Laden einer Traktionsbatterie 14 des Elektrofahrzeugs 13 verwendet werden. Die Traktionsbatterie 14 kann eine Hochspannungs (HV) Gleichstrom (DC) Traktionsbatterie sein, wie pro elektrische Energieanforderungen für den elektrischen Fahrzeugantrieb diktiert.
Das elektrische System 10 umfasst des Weiteren eine Stromquelle für Wechselstrom (AC), wie beispielsweise eine Netzversorgung 16 eines Stromnetzes. Das OBC 12 lädt die Traktionsbatterie 14 mit elektrischer Energie aus dem Stromnetz 16. Das OBC 12 umfasst einen Eingang, der über eine externe elektrische Fahrzeugversorgungseinrichtung (EVSE) 18 mit der Netzversorgung 16 verbunden ist, um elektrische Energie von der Netzversorgung 16 aufzunehmen. Das OBC 12 umfasst einen Ausgang, der mit der Traktionsbatterie 14 verbunden ist. Das OBC 12 wandelt die von der Netzversorgung 16 aufgenommene elektrische Leistung in elektrische Gleichspannung um und lädt die Antriebsbatterie 14 mit der elektrischen Gleichspannung.
Eine Steuerung 20 ist funktionsfähig mit dem OBC 12 gekoppelt. Die Steuerung 20 kann eine elektronische Vorrichtung sein, wie beispielsweise wenigstens ein Prozessor, wenigstens ein Mikrocontroller oder ähnliches (beispielsweise ein Computer), die an Bord des Elektrofahrzeugs 13 angeordnet ist. Die Steuerung 20 kann als eine Fahrzeugsteuerung definiert werden. Die Steuerung 20 ist funktionsfähig mit dem OBC 12 gekoppelt, um Operationen des OBC 12 zu steuern. Die Steuerung 20 steuert das OBC 12, um elektrische Energie von der Netzversorgung 16 in elektrische Gleichspannung umzuwandeln und die Traktionsbatterie 14 mit der elektrischen Gleichspannung zu laden. Die Steuerung 20 steuert beispielsweise selektiv das Schalten und die Schaltdauer von Leistungsschaltern (nicht dargestellt), die im OBC 12 positioniert sind. Die Leistungsschalter können verwendet werden, um die von der Netzversorgung 16 empfangene elektrische Leistung in eine vorbestimmte Menge an elektrischer Gleichstromleistung umzuwandeln. Die Steuerung 20 kann mit anderen Knoten des elektrischen Systems 10 und des Elektrofahrzeugs 13 kommunizieren und diese steuern, einschließlich Knoten, die an den Ladeanwendungen beteiligt sind.
Verschiedene OBCs können eine zweistufige Architektur umfassen, die einen Leistungsfaktorkorrektor (PFC) und einen DC/DC-Wandler (nicht dargestellt) umfasst. Der PFC und der DC/DC-Wandler können über einen kapazitiven Energiepuffer (oder einen „DC-Zwischenkreiskondensator“, „DC link capacitor“) (ebenfalls nicht dargestellt) elektrisch gekoppelt sein. Der PFC kann an die Netzversorgung 16 angeschlossen werden und der DC/DC-Wandler ist mit der Traktionsbatterie 14 verbunden. Der PFC führt die AC/DC-Wandlung durch und wird von der Steuerung 20 gesteuert, um einen hohen Leistungsfaktor am Eingang zu gewährleisten. Die Steuerung 20 steuert den DC/DC-Wandler, um einen hochspannungsstabilisierten Eingang am DC-Zwischenkreiskondensator in einen Gleichspannungsbatteriepegel für die Traktionsbatterie 14 umzuwandeln. Dabei passt der DC/DC-Wandler die Ausgangsspannung/den Ausgangsstrom an die Anforderungen der Traktionsbatterie 14 an. In Summe fungiert der PFC als Netzvorschaltgerät und der DC/DC-Wandler passt den Ausgang an den Bereich der Traktionsbatterie 14 an.
Die PFC umfasst im Allgemeinen eine oder mehrere Induktivitäten, die sperrig und kostspielig sein können. Das Energieumwandlungsschema gewöhnlicher OBCs erfordert inhärent ein Energiespeicherelement, um die Differenz zwischen der momentanen Eingangsleistung, die sinusförmig ist, um den Normen für elektromagnetische Verträglichkeit (EMV) zu entsprechen, und der Ausgangsleistung, die konstant sein soll, zu speichern/zur Verfügung zu stellen. Aufgrund der hohen Leistungsanforderungen kann das verwendete Energiespeicherelement eine Konfiguration von Elektrolytkondensatoren sein (beispielsweise der DC-Zwischenkreiskondensator). Die eventuell erforderliche hohe Kapazität kann im Allgemeinen zu sperrigen Kondensatoren (beispielsweise dem DC-Zwischenkreiskondensator) führen, die eine geringere Leistungsdichte (beispielsweise etwa 30 % Volumen) aufweisen und erhebliche Auswirkungen auf die maximale Betriebstemperatur und die geschätzte Lebensdauer (beispielsweise die mittlere Zeit zwischen zwei Ausfällen (MTBF)) haben.
Zusätzlich können ein PFC und ein DC/DC-Wandler für jede Schiene des OBC 12 vorhanden sein. Somit kann ein 3-phasiger, gewöhnlicher OBC drei Sätze von PFCs und DC/DC-Wandlern umfassen. Wie oben beschrieben, umfasst jeder Satz mehrere Energiespeicherelemente. Insbesondere umfasst jede Schiene eine oder mehrere Induktivitäten in der PFC-Stufe und Elektrolytkondensatoren in der DC/DC-Wandler-Stufe. Dieser Aspekt kann zu einer relativ schlechten Leistungsdichte und einer relativ schlechten MTBF sowie zu erhöhten Kosten führen.
In 2 ist unter weiterer Bezugnahme auf 1 ein Blockdiagramm des OBC 12 dargestellt. Der OBC 12 kann ein n-phasiges OBC sein, wobei n eine ganze Zahl von wenigstens eins ist. In der in 2 dargestellten Ausführungsform kann das OBC 12 ein dreiphasiges OBC sein, das eine erste, zweite und dritte Gleise 22a, 22b und 22c aufweist.
Die Gleise 22a, 22b, 22c können jeweils den gleichen Typ elektrischer Schaltungen in Form eines „modularen Wandlers“ umfassen, der jeweils einen AC/DC-Wandler 24a, 24b, 24c enthält. Jeder AC/DC-Wandler 24a, 24b, 24c ist eine einstufige Topologie. Im Gegensatz zu gewöhnlichen OBCs, die eine zweistufige Architektur aufweisen, die einen PFC, einen DC-Zwischenkreiskondensator und einen DC/DC-Wandler für jede Gleise umfasst, kann der OBC 12 eine einstufige Architektur aufweisen, die einen AC/DC-Wandler für jedes Gleis 22a, 22b, 22c umfasst.
Das OBC 12 umfasst des Weiteren einen pulsierenden Puffer (PB)-Wandler 26. Der PB-Wandler 26 wird von den AC/DC-Wandlern 24a, 24b, 24c gemeinsam genutzt. Insbesondere können die AC/DC-Wandler 24a, 24b, 24c einzeln in Kaskade mit dem PB-Wandler 26 verbunden sein, wie in 2 dargestellt. Die AC/DC-Wandler 24a, 24b, 24c sind eingangsseitig mit der Netzversorgung 16 und ausgangsseitig mit der Eingangsseite des PB-Wandlers 26 verbunden. Das ausgangsseitige Ende des PB-Wandlers 26 ist mit der Traktionsbatterie 14 verbunden. Die AC/DC-Wandler 24a, 24b, 24c dienen zusammen mit dem PB-Wandler 26 der Umwandlung von elektrischer Leistung aus dem Netz 16 in elektrische Gleichleistung zum Laden der Traktionsbatterie 14. Insbesondere steuert die Steuerung 20 den Betrieb der AC/DC-Wandler 24a, 24b, 24c und den Betrieb des PB-Wandlers 26 entsprechend den Steuerstrategien für das OBC 12 zur Umwandlung von elektrischer Leistung aus dem Versorgungsnetz 16 in elektrische Gleichleistung zum Laden der Traktionsbatterie 14.
Die AC/DC-Wandler 24a, 24b, 24c umfassen die gleiche Art von elektrischer Schaltung und funktionieren auch gleich. Daher wird im Folgenden nur der AC/DC-Wandler 24a ausführlicher beschrieben. Generell umfasst der AC/DC-Wandler 24a eine Wandlertopologie, die auf die Verwendung einer klassischen PFC und der zugehörigen Induktivität verzichtet. Der AC/DC-Wandler 24a kann mit dem pulsierenden Puffer (PB)-Wandler 26 kombiniert werden, um die Verwendung eines Energiespeicherkondensators (beispielsweise ist der Energiespeicherkondensator parallel zum Wandler 26) mit der Traktionsbatterie 14 zu maximieren. Dieser Aspekt kann die Anforderungen an die Kondensatorgröße erheblich reduzieren.
Im Betrieb wandelt der AC/DC-Wandler 24a den Eingangswechselstrom von der Netzversorgung 16 direkt in eine Gleichspannung und einen positiven oszillierenden Strom (d. h. „Stromwelligkeit“) um. Der Eingangswechselstrom von der Netzversorgung 16 ist selbstverständlich sinusförmig. Der Ausgang des AC/DC-Wandlers 24a ist eine Gleichspannung und ein Strom-Ripple („current ripple“). Der PB-Wandler 26 verarbeitet die Gleichspannung und die Stromwelligkeit am Ausgang des AC/DC-Wandlers 24a nach, um die Stromwelligkeit vorzugsweise zu eliminieren oder im Wesentlichen zu eliminieren (oder zu minimieren oder wenigstens zu reduzieren) und den Ausgang des AC/DC-Wandlers 24a in einen Gleichspannungsausgang auf Batterie-Level umzuwandeln.
In 3 ist unter ständiger Bezugnahme auf die 1 und 2, ist ein elektrisches Schaltbild des OBC 12 dargestellt, in dem der OBC 12 ein einphasiger OBC ist. Die Darstellung des OBC 12 in 3 stellt eine einphasige direkte OBC-Implementierung (unidirektional) dar. Wie in 3 dargestellt, umfasst der OBC 12 einen AC/DC-Wandler 24 und einen pulsierenden Pufferwandler (PB) 26. Der AC/DC-Wandler 24 ist mit der Netzversorgung 16 verbunden. Der PB-Wandler 26 ist mit der Traktionsbatterie 14 verbunden.
Wie des Weiteren in 3 gezeigt, umfasst der AC/DC-Wandler 24 eine Gruppe von vier Dioden, die einen Volldioden-Brückengleichrichter 28 am vorderen Ende des AC/DC-Wandlers 24 bilden. Der Gleichrichter 28 ist mit der Netzversorgung 16 verbunden, um den AC-Eingang für den AC/DC-Wandler 24 gleichzurichten. Der AC/DC-Wandler 24 umfasst des Weiteren eine erste Gruppe von vier Leistungsschaltern, die eine primärseitige Leistungsschalterbrücke 30 auf einer Primärseite eines Transformators Tx bilden. Der AC/DC-Wandler 24 umfasst des Weiteren eine zweite Gruppe von vier Leistungsschaltern, die eine sekundärseitige Leistungsschalterbrücke 32 auf einer sekundären Seite des Transformators Tx bilden. In einer Verfeinerung können die mehreren sekundärseitigen Leistungsschalterbrücken 32 auf der sekundären Seite des Transformators Tx zur Verfügung gestellt werden (vorzugsweise jeweils mit einer separaten Sekundärspule von Tx).
Der AC/DC-Wandler 24 mit primärseitigen und sekundärseitigen Leistungsschalterbrücken 30, 32 auf den jeweiligen Seiten des Transformators Tx umfasst eine Struktur, die auf einer dual-aktiven Brückentopologie (DAB) basiert. Die Steuerung 20 steuert die Leistungsschaltbrücken 30, 32, um die gleichgerichtete Spannung, die vom Gleichrichter 28 eingespeist wird, in den Gleichspannungs- und Strom-Ripple-Ausgang umzuwandeln. Der Gleichspannungs- und Strom-Ripple-Ausgang wird vom AC/DC-Wandler 24 an den PB-Wandler 26 ausgegeben.
Wie des Weiteren in 3 gezeigt, umfasst der PB-Wandler 26 ein Paar Leistungsschalter 34, eine Induktivität Lr und einen Energiespeicherkondensator C_b. Der PB-Wandler 26 weist somit eine Strom-Ripple-Verarbeitung auf Basis einer pulsierenden Puffertopologie auf. Der PB-Wandler 26 empfängt den Strom-Ripple, der vom AC/DC-Wandler 24 ausgegeben wird. Die Steuerung 20 steuert das Paar von Leistungsschaltern 34, um den Strom-Ripple zu eliminieren und den Ausgang des AC/DC-Wandlers 24 in einen Batterie-Level-Gleichstromausgang zum Laden der Traktionsbatterie 14 umzuwandeln.
Wie in 3 gezeigt, sind die Leistungsschalter der primärseitigen und sekundärseitigen Leistungsschalterbrücken 30, 32 des AC/DC-Wandlers 24 und die Leistungsschalter des Leistungsschalterpaares 34 des PB-Wandlers 26 MOSFETs.
Im OBC 12 befindet sich nur ein einziges magnetisches Bauteil, nämlich der Transformator Tx, im DC/DC-Block des AC/DC-Wandlers 24. Der PB-Wandler 26 ersetzt die DC-Zwischenkreiskondensator-Kompensationsfunktion eines gewöhnlichen OBC. Der PB-Wandler 26 kompensiert den Strom-Ripple, der vom AC/DC-Wandler 24 an den PB-Wandler 26 ausgegeben wird, um eine glatte DC-Ausgangsspannung zur Verfügung zu stellen und dadurch die Größe des Energiespeicherkondensators C_b des PB-Wandlers 26 erheblich zu reduzieren.
In 4 ist unter ständiger Bezugnahme auf die 1, 2 und 3 ein elektrisches Schaltbild des OBC 12 dargestellt, in dem der OBC 12 ein 3-phasiger OBC gemäß einer Ausführungsform ist. Die Darstellung des OBC 12 in 4 stellt eine 3-phasige direkte OBC-Implementierung (unidirektional) dar. Wie in 4 dargestellt, umfasst der OBC 12 drei Gleise 22a, 22b, 22c, die jeweils AC/DC-Wandler 24a, 24b, 24c aufweisen. Die AC/DC-Wandler 24a, 24b, 24c sind parallel zueinander zwischen der Netzversorgung 16 und dem PB-Wandler 26 angeschlossen. Dabei sind die AC/DC-Wandler 24a, 24b, 24c eingangsseitig mit der Netzversorgung 16 und ausgangsseitig der PB-Wandler 26 mit der Traktionsbatterie 14 verbunden.
Jede Schiene 22a, 22b, 22c nimmt elektrische Leistung von der Netzversorgung 16 auf und wandelt sie in elektrische Gleichstromleistung zum Laden der Traktionsbatterie 14 um. Jede Schiene 22a, 22b, 22c kann zum Beispiel 3,6 kW elektrische Leistung zum Laden der Traktionsbatterie 14 liefern. Somit kann der in 4 gezeigte dreiphasige OBC 12 in diesem Fall 10,8 kW (3 * 3,6 kW) an elektrischer Leistung zum Laden der Traktionsbatterie 14 liefern.
Wie beschrieben und dargestellt, weist das OBC 12 eine modulare Implementierung auf, die sowohl eine einphasige OBC-Implementierung, wie in 3 gezeigt, als auch eine mehrphasige OBC-Implementierung, wie eine dreiphasige OBC-Implementierung, wie in 4 gezeigt, ermöglicht. Zusätzlich zu den bereits erwähnten Vorteilen der einphasigen OBC-Implementierung weist die mehrphasige OBC-Implementierung den Vorteil auf, dass sie einen einzigen PB-Wandler 26 gemeinsam nutzt, was des Weiteren eine Kostenreduzierung ermöglicht. Des Weiteren kann durch die mehrphasige OBC-Implementierung die Restwelligkeit am Ausgang des AC/DC-Wandlers 24a, 24b, 24c reduziert werden. Aufgrund der Reduzierung bei der mehrphasigen OBC-Implementierung kann diese Bedingung die Verwendung einer kleineren Induktivität Lr und eines kleineren Energiespeicherkondensators C_b als Komponenten des PB-Wandlers 26 ermöglichen (typischerweise für die 3-Phasen-OBC-Implementierung eine Reduzierung der Größe gegenüber der Leistung im Verhältnis 3:1).
Wie angedeutet, ist das in 3 und 4 gezeigte OBC 12 unidirektional, d. h. der Strom fließt von der Netzversorgung 16 zum AC/DC-Wandler 24 zum PB-Wandler 26 zur Traktionsbatterie 14. Das OBC 12 kann jedoch bidirektional sein. Zum Beispiel kann das in 3 und 4 gezeigte OBC 12 bidirektional gemacht werden, indem die Dioden des Gleichrichters 28 des AC/DC-Wandlers 24 durch aktive Schalter, wie MOSFET-Schalter (wie in 5 gezeigt), ersetzt werden, um dadurch den Gleichrichter bidirektional zu machen. Folglich kann die Topologie des OBC 12 unter Verwendung eines synchronen Gleichrichters (bidirektional) implementiert werden, was einen bidirektionalen Leistungsfluss ermöglicht: Netz-zu-Fahrzeug („grid-to-vehicle“, G2V) und Fahrzeug-zu-Netz („vehicle-to-grid“, V2G).
Unter ständiger Bezugnahme auf die 1, 2, 3 und 4 wird nun in 5 ein elektrisches Schaltbild des OBC 12 gezeigt, in dem der OBC 12 ein 3-phasiger OBC gemäß einer anderen Ausführungsform ist. Die Darstellung des OBC 12 in 5 stellt eine 3-phasige, direkte OBC-Implementierung (bidirektional) dar. Wie in 5 dargestellt, umfasst das OBC 12 drei Gleise 22a, 22b, 22c, die jeweils AC/DC-Wandler 24a, 24b, 24c aufweisen. Das OBC 12 umfasst des Weiteren einen PB-Wandler 26x. Der PB-Wandler 26x ist mit den AC/DC-Wandlern 24a, 24b, 24c in Kaskade geschaltet. Die AC/DC-Wandler 24a, 24b, 24c sind parallel zueinander geschaltet, eingangsseitig mit der Netzversorgung 16 und ausgangsseitig zusammen mit dem PB-Wandler 26x mit der Traktionsbatterie 14 verbunden. Im Betrieb stellen alle drei AC/DC-Wandler 24a, 24b, 24c Energie für den PB-Wandler 26x zur Verfügung, der die Energie kompensiert (d.h. die Energieausgänge der AC/D-Wandler kompensiert), um die elektrische Gleichstromleistung (d.h. Konstantspannungs- und Konstantstromausgang) zum Laden der Traktionsbatterie 14 zur Verfügung zu stellen.
Zusätzlich zu den zuvor erwähnten Vorteilen weist diese dreiphasige OBC mit Kaskaden-PB-Wandler-Implementierung, die in 5 dargestellt ist, die Vorteile der gemeinsamen Nutzung eines einzigen optimierten PB-Wandlers 26x auf, wodurch die Leistungsdichte des gesamten OBC erhöht wird (beispielsweise ein gewisser Kostenabzug aufgrund zusätzlicher Halbleiter im PB-Wandler 26x). Des Weiteren umfasst der Vorteil die Maximierung der Nutzung des Energiespeicherkondensators C_b des PB-Wandlers 26x unabhängig von der Spannung der Traktionsbatterie 14, um dadurch eine höhere Leistung zu erreichen. Der Energiespeicherkondensator C_b des PB-Wandlers 26x kann eine maximale Arbeitsspannung aufweisen, die höher ist als die erforderliche Ausgangsspannung. Dann kann der Energiespeicherkondensator C_b bei dieser in 5 gezeigten Topologie mit einer höheren Spannung arbeiten, die weniger Strom benötigt (das steht in direktem Zusammenhang mit den Verlusten in dieser Stufe).
Bezugnehmend auf 6 und unter fortlaufender Bezugnahme auf 1, 2, 3 und 4 ist ein elektrisches Schaltbild einer Gleise des OBC 12 mit Spannungs-/Strom-Wellenformdiagrammen dargestellt, die jeweils der Netzversorgung 16, den primärseitigen und sekundärseitigen Leistungsschalterbrücken 30, 32 des AC/DC-Wandlers 24, dem PB-Wandler 26 und der Traktionsbatterie 14 zugeordnet sind.
Im Betrieb gibt die Netzversorgung 16 eine Spannung/einen Strom an das OBC 12 ab. Das Spannungs-/Strom-Wellenformdiagramm 40 stellt die von der Netzversorgung 16 in das OBC 12 eingespeiste Spannung/den eingespeisten Strom dar. Die eingespeiste Spannung/der eingespeiste Strom umfasst eine eingespeiste Spannung (vac), die eine sinusförmige Spannungswellenform 40a aufweist, und einen eingespeisten Strom (iac), der eine entsprechende sinusförmige Stromwellenform 40b aufweist.
Der Gleichrichter 28 des AC/DC-Wandlers 24 empfängt die Eingangsspannung/den Eingangsstrom von der Netzversorgung 16 und richtet die Eingangsspannung/den Eingangsstrom in eine gleichgerichtete Spannung/einen gleichgerichteten Strom gleich. Das Spannungs-/Strom-Wellenformdiagramm 42 stellt die gleichgerichtete Ausgangsspannung/den gleichgerichteten Ausgangsstrom des Gleichrichters 28 dar. Die gleichgerichtete Ausgangsspannung/der gleichgerichtete Ausgangsstrom umfasst eine gleichgerichtete Ausgangsspannung (vp) mit einer gleichgerichteten, sinusförmigen Spannungswellenform 42a und einen gleichgerichteten Ausgangsstrom (ip) mit einer entsprechenden gleichgerichteten, sinusförmigen Stromwellenform 42b.
Die primärseitige Leistungsschalterbrücke 30 des AC/DC-Wandlers 24 auf der DC/DC-Primärseite des Transformators Tx empfängt die gleichgerichtete Ausgangsspannung/den gleichgerichteten Ausgangsstrom von dem Gleichrichter 28. Wie im Folgenden noch ausführlicher beschrieben wird, steuert die Steuerung 20 die Operation der primärseitigen Leistungsschalterbrücke 30, um eine erforderliche Menge an gleichgerichtetem Ausgangsstrom zu entnehmen, der mit der gleichgerichteten Ausgangsspannung vom Gleichrichter 28 verbunden ist, und daraus eine primärseitige Ausgangsspannung/einen primärseitigen Ausgangsstrom auf der Primärseite des Transformators Tx zu erzeugen. Das Spannungs-/Strom-Wellenformdiagramm 44 stellt die primärseitige Ausgangsspannung/den primärseitigen Ausgangsstrom dar. Die primärseitige Ausgangsspannung/der primärseitige Ausgangsstrom weist eine primärseitige Ausgangsspannung (vop) mit einer gleichgerichteten, sinusförmigen Spitzenspannungs-Wellenform 44a und einen primärseitigen Ausgangsstrom (iop) mit einer gespiegelten, sinusförmigen Spitzenstrom-Wellenform 44b auf.
Im Allgemeinen steuert die Steuerung 20 in Verbindung mit der Steuerung des Betriebs der primärseitigen Leistungsschalterbrücke 30 zur Erzeugung der primärseitigen Ausgangsspannung/des Ausgangsstroms (vop)/(iop) den Betrieb der sekundärseitigen Leistungsschalterbrücke 32 des AC/DC-Wandlers 24 zur Erzeugung einer sekundärseitigen Eingangsspannung/eines sekundärseitigen Eingangsstroms auf der Sekundärseite des Transformators Tx aus der primärseitigen Spannung/dem Strom (vop)/(iop). Das Spannungs-/Strom-Wellenformdiagramm 46 stellt die sekundärseitige Eingangsspannung/den sekundärseitigen Eingangsstrom dar. Die sekundärseitige Eingangsspannung/der sekundärseitige Eingangsstrom umfasst eine sekundärseitige Eingangsspannung (vos), die eine Gleichspannungsspitzen-Wellenform 46a aufweist, und einen sekundärseitigen Eingangsstrom (ios), der eine gespiegelte, sinusförmige Spitzenstrom-Wellenform 46b aufweist.
In der in 6 gezeigten Ausführungsform des OBC 12 umfasst der OBC 12 des Weiteren einen Kondensator Cs, der parallel zwischen der sekundärseitigen Leistungsschalterbrücke 32 und dem PB-Wandler 26 geschaltet ist. Der Kondensator Cs wird mit der sekundärseitigen Eingangsspannung/dem Eingangsstrom (vos)/(ios) geladen, um daraus eine sekundärseitige Ausgangsspannung/einen Ausgangsstrom zu liefern. Das Spannungs-/Stromverlaufsdiagramm 48 stellt die sekundärseitige Ausgangsspannung/den sekundärseitigen Ausgangsstrom dar. Die sekundärseitige Ausgangsspannung/der sekundärseitige Ausgangsstrom umfasst eine positive Quellengleichspannung (vs) 48a und einen gleichgerichteten, sinusförmigen Quellenstrom (is) 48b.
Der PB-Wandler 26 entnimmt einen Pufferstrom, der mit einer Pufferspannung aus dem Kondensator Cs verbunden ist. Wie im Folgenden noch ausführlicher beschrieben wird, steuert die Steuerung 20 die Operation von zwei Leistungsschaltern 34 des PB-Wandlers 26, damit der PB-Wandler 26 eine erforderliche Menge an Pufferstrom entnimmt, der mit der Pufferspannung verbunden ist, und daraus eine Soll-Batteriespannung/einen Soll-Strom erzeugt. Die Soll-Batteriespannung/der Soll-Strom wird vom PB-Wandler 26 ausgegeben, um die Traktionsbatterie 14 zu laden.
Das Spannungs-/Strom-Wellenformdiagramm 50 stellt den Pufferstrom (ib), der vom PB-Wandler 26 gezogen wird, und die zugehörige Pufferspannung (vb) dar. Die Pufferspannung (vb) ist eine positive, sinusförmige DC-Offset-Spannung 50a und der Pufferstrom (ib) weist eine sinusförmige Spitzenstrom-Wellenform 50b auf.
Das Spannungs-/Strom-Wellenformdiagramm 52 stellt die Batteriespannung/den Batteriestrom dar, die tatsächlich vom PB-Wandler 26 ausgegeben werden, um die Traktionsbatterie 14 zu laden. Die vom PB-Wandler 26 ausgegebene Batteriespannung/der ausgegebene Strom umfasst eine positive Gleichspannung (vbatt) 52a und einen positiven Gleichstrom (ibatt) 52b.
7 zeigt ein Beispiel eines anderen elektrischen Systems 100, das eine Vielzahl von DC/DC-Wandlern 24a - 24c umfasst, die gemäß einer Ausführungsform zwei Spannungsdomänen unterstützen. Das elektrische System 100 umfasst des Weiteren eine Vielzahl von Netzversorgungen 16a, 16b, 16c, ein OBC 120, einen PB-Wandler 126 und die Traktionsbatterie 14. Jede Netzversorgung 16a, 16b, 16c ist funktionsfähig mit einer entsprechenden Schiene 22a, 22b, 22c verbunden. Das OBC 120 kann ein n-phasiges OBC sein, wobei n eine ganze Zahl von wenigstens eins ist. In der in 2 dargestellten Ausführungsform kann das OBC 12 ein dreiphasiges OBC sein, das eine erste, zweite und dritte Schiene 22a, 22b und 22c aufweist. Jede Netzversorgung 16a, 16b, 16c ist betriebsmäßig mit einer entsprechenden Schiene 22a, 22b, 22c gekoppelt.
Die Gleise 22a, 22b, 22c können jeweils den gleichen Typ elektrischer Schaltungen in Form eines „modularen Wandlers“ umfassen, der jeweils einen AC/DC-Wandler 24a, 24b, 24c enthält. Jeder AC/DC-Wandler 24a, 24b, 24c ist eine einstufige Topologie. Wie in ähnlicher Weise in Verbindung mit 2 erörtert, kann das OBC 12 daher im Gegensatz zu gewöhnlichen OBCs, die eine zweistufige Architektur aufweisen, die einen PFC, einen DC-Zwischenkreiskondensator und einen DC/DC-Wandler für jedes Gleis umfasst, eine einstufige Architektur aufweisen, die einen AC/DC-Wandler für jedes Gleis 22a, 22b, 22c umfasst.
Der PB-Wandler 126 kann von den AC/DC-Wandlern 24a, 24b, 24c gemeinsam genutzt werden. Insbesondere können die AC/DC-Wandler 24a, 24b, 24c einzeln in Kaskade mit dem PB-Wandler 26 verbunden sein, wie in 7 dargestellt. Die AC/DC-Wandler 24a, 24b, 24c können an ihren jeweiligen Eingangsenden mit einer entsprechenden Netzversorgung 16a, 16b, 16c verbindbar sein und sind an ihren jeweiligen Ausgangsenden mit dem Eingangsende des PB-Wandlers 26 verbunden.
Die Ausgangsseite des PB-Wandlers 126 ist mit der Traktionsbatterie 14 verbunden. Wie bereits erwähnt, dienen die AC/DC-Wandler 24a, 24b, 24c zusammen mit dem PB-Wandler 126 dazu, elektrische Energie aus den Netzversorgungen 16a, 16b, 16c in elektrische Gleichstromenergie zum Laden der Traktionsbatterie 14 umzuwandeln. Insbesondere steuert eine Steuerung 120 die Operation der AC/DC-Wandler 24a, 24b, 24c und die Operation des PB-Wandlers 126 gemäß Steuerstrategien für das OBC 120, um elektrische Energie von den Netzversorgungen 16a, 16b, 16c in elektrische Gleichstromenergie zum Laden der Traktionsbatterie 14 zu wandeln.
Die AC/DC-Wandler 24a, 24b, 24c umfassen die gleiche Art von elektrischer Schaltung und funktionieren auch gleich. Wie oben erwähnt, umfasst jeder AC/DC-Wandler 24a, 24b, 24c eine Wandlertopologie, die die Verwendung einer klassischen PFC und der zugehörigen Induktivität vernachlässigt. Der AC/DC-Wandler 24a kann mit dem PB-Wandler 126 kombiniert werden, um die Verwendung eines Energiespeicherkondensators zu maximieren, der parallel zur Traktionsbatterie 14 geschaltet ist. Dieser Aspekt kann die Anforderungen an die Größe des Gleiskondensators erheblich reduzieren.
Im Betrieb wandelt der AC/DC-Wandler 24a den Eingangswechselstrom von der Netzversorgung 16a direkt in eine Gleichspannung und einen positiven oszillierenden Strom (d.h. „Strom-Ripple“) um. Der Eingangswechselstrom aus der Netzversorgung 16 ist selbstverständlich sinusförmig. Der Ausgang des AC/DC-Wandlers 24a ist eine Gleichspannung und ein Strom-Ripple. Der PB-Wandler 26 verarbeitet den Gleichspannungs- und Strom-Ripple-Ausgang des AC/DC-Wandlers 24a nach, um den Strom-Ripple vorzugsweise zu eliminieren oder im Wesentlichen zu eliminieren (oder zu minimieren oder wenigstens zu reduzieren) und den Ausgang des AC/DC-Wandlers 24a in einen DC-Ausgang auf Batterie-Level zu transformieren. Es ist bekannt, dass die AC/DC-Wandler 24b, 24c ähnlich arbeiten wie der AC/DC-Wandler 24a, wie oben direkt erwähnt, um die Strom-Ripple zu minimieren und den Ausgang des AC/DC-Wandlers 24b, 24c in den Batterie-Level-Gleichstromausgang zu transformieren. Das OBC 120 umfasst einen ersten Schalter 130a und einen zweiten Schalter 130b. Der erste Schalter 130a ist betriebsmäßig mit einem Eingang des AC/DC-Wandlers 24b gekoppelt. Die Steuerung 120 steuert selektiv, welche der Netzversorgungen 24a, 24b dem AC/DC-Wandler 24b Wechselstromenergie zur Verfügung stellt. Die Steuerung 120 steuert selektiv, welche der Netzversorgungen 24b, 24c dem AC/DC-Wandler 24c AC-Energie zur Verfügung stellt. Der erste und zweite Schalter 130a, 130b ermöglichen eine Versorgungsspannung aus einer dreiphasigen Wechselspannungsquelle (beispielsweise sind beide Schalter 130a, 130b ausgeschaltet) oder aus einer einphasigen Wechselspannungsquelle (beide Schalter 130a, 130b sind eingeschaltet) und/oder aus einer einphasigen Wechselspannung (beispielsweise sind beide Schalter 130a, 130b eingeschaltet).
Im Allgemeinen kann der Leistungswert für das OBC 120 durch die Versorgungsmöglichkeiten von Haushaltssteckdosen definiert werden (beispielsweise 3,3 kW für 240Vac/16A-Steckdosen, 7,2K für 240Vac/32A-Steckdosen, 11 kW für 240Vac/48A und 22kW für 240Vac/96A-Drehstromsteckdosen). Um die Verlustleistung oder das Gewicht, das direkt mit dem Strom zusammenhängt, zu verringern, können die Erstausrüster (OEMs) die Fahrzeugkonstruktionen beispielsweise auf ein 800V-Hochspannungsnetz umstellen. Bei direkter DC-Ladung (von einer externen DC-Stromversorgung) mit gleichem Strom (gleiche Verkabelung) verdoppelt sich die Spannungsfähigkeit bei gleichzeitiger Verkürzung der Ladezeit. Im 800V-Szenario arbeitet der PB-Wandler 126 mit 800V und kann Komponenten umfassen, die beispielsweise 1200V standhalten können. Unter solchen Bedingungen kann der PB-Wandler 126 aufgrund der höheren Spannung im Vergleich zu 400V-OBCs Ströme von 30 Arms verarbeiten.
In Bezug auf das System 100 sind zwei Spannungsdomänen dargestellt (beispielsweise Wechselspannungsdomäne 140 und 800-V-Gleichspannungsdomäne 142), wobei die Wechselspannungsdomäne 140 im Allgemeinen galvanisch von der Hochspannungsbatteriedomäne 142 (oder der Sekundärseite des OBC 120) getrennt ist. Die elektronischen Komponenten, die die AC/DC-Wandler 24a, 24b, 24c und den PB-Wandler 126 sowie verschiedene stromführende Komponenten (beispielsweise Stromschienen, Leiterplatten (PCBs), Verbindungen) umfassen, müssen Luft- und Kriechstrecken einhalten, um die elektrische Sicherheit in Bezug auf eine OBC-Chassis-Masse (beispielsweise Fahrzeugmasse) zu schützen.
8 zeigt allgemein eine ausführlichere Implementierung des PB-Wandlers 126 gemäß einer Ausführungsform. In einem Beispiel kann der PB-Wandler 126 als Buck-Typ PB-Wandler 126 implementiert werden. In diesem Fall kann der PB-Wandler 126 die Gleichspannung, die von einem oder mehreren der AC/DC-Wandler 24a, 24b, 24c zur Verfügung gestellt wird, auf die Traktionsbatterie 14 herunterregeln. Der PB-Wandler 126, wie er in 8 dargestellt ist, ähnelt im Allgemeinen dem PB-Wandler 26, wie er in 6 dargestellt ist.
Der PB-Wandler 126 umfasst eine Vielzahl von Leistungsschaltern 34a und 34b, eine Induktivität Lr und einen Energiespeicherkondensator C_b. Der PB-Wandler 26 weist somit eine Strom-Ripple-Verarbeitung auf Basis einer pulsierenden Puffertopologie auf. Der PB-Wandler 26 empfängt den vom AC/DC-Wandler 24 ausgegebenen Strom-Ripple. Die Steuerung 20 steuert die Leistungsschalter 34a, 34b, um den Strom-Ripple zu eliminieren und den Ausgang des AC/DC-Wandlers 24 in einen DC-Ausgang auf Batterie-Level zum Laden der Traktionsbatterie 14 umzuwandeln. Der PB-Wandler 126 umfasst im Allgemeinen den Kondensator C_b, der mit der Induktivität Lr in Reihe geschaltet ist, wodurch ein erster Zweig 180 (oder Knoten) gebildet wird. Der Zweig 180 ist parallel mit dem Leistungsschalter 34b geschaltet, um einen zweiten Zweig 182 (oder Knoten) zu bilden. Der erste Schalter 34a liegt in Reihe mit dem ersten Zweig 180 und dem zweiten Zweig 182. Das Layout oder die Anordnung des PB-Wandlers 226, wie direkt oben angegeben, ergibt eine Gesamtreduzierung des Stroms bei 400 Volt von etwa 61A auf etwa 31A (siehe Tabelle 1 unten und Spalten 1 und 3).
Der Kondensator C_b ist parallel zwischen der sekundärseitigen Leistungsschalterbrücke 32 (Element 32 siehe 6) und dem PB-Wandler 26 geschaltet. Der Kondensator C_b wird mit einer sekundärseitigen Eingangsspannung/-strom (vos)/(ios) geladen, um daraus eine sekundärseitige Ausgangsspannung/-strom zu liefern.
Der PB-Wandler 126 entnimmt einen mit einer Pufferspannung verbundenen Pufferstrom aus dem Kondensator C_b. steuert die Operation des Leistungsschalterpaares 34a, 34b des PB-Wandlers 126, damit der PB-Wandler 126 eine erforderliche Menge an mit der Pufferspannung verbundenem Pufferstrom entnimmt und daraus eine Soll-Batteriespannung/einen Soll-Strom erzeugt. Die Soll-Batteriespannung/der Soll-Strom wird vom PB-Wandler 126 zum Laden der Traktionsbatterie 14 ausgegeben. Im Allgemeinen ist der PB-Wandler 126 so ausgelegt, dass er im 800V-Bereich 142 (beispielsweise 450 - 850 V) arbeitet und gleichzeitig eine reduzierte Strommenge verwendet. Zum Beispiel kann das OBC 120 im 800V-Bereich arbeiten.
9 zeigt ein Diagramm 150 von verarbeiteten Strömen und einer Spannung am PB-Wandler 126 gemäß einer Ausführungsform. Die Kurvenform 152 zeigt den vom PB-Wandler 126 verarbeiteten Strom über die Zeit (beispielsweise den Strom i_b, der durch den Kondensator C_b fließt). Wellenform 154 zeigt die vom PB-Wandler 126 verarbeitete Spannung über die Zeit (beispielsweise die Spannung v_b am Kondensator C_b). Wie oben erwähnt, arbeitet der PB-Wandler 126 im Bereich von 450 - 850 V. Im Allgemeinen kann die Spannung im Kondensator C_b aufgrund der Buck-Operation des PB-Wandlers 126 niedriger als die Batteriespannung sein. In einer Betriebsart kann die Spannung des Kondensators C_b Spannung variabel sein und etwas niedriger als die Batteriespannung eingestellt werden, um den Strom im PB-Wandler 126 zu reduzieren und folglich den Wirkungsgrad zu erhöhen.
10 zeigt ein weiteres Diagramm 160 eines verarbeiteten Stroms und einer Spannung am PB-Wandler 126 (siehe 3). Wellenform 162 illustriert Strom durch den PB-Wandler 126 über die Zeit verarbeitet (beispielsweise Strom i_b über den Kondensator C_b). Die Kurvenform 164 zeigt die vom PB-Wandler 126 verarbeitete Spannung im Zeitverlauf (beispielsweise die Spannung v_b am Kondensator C_b). Der PB-Wandler 126 kann in diesem Fall mit 400V anstelle der oben erwähnten 800V-Variante betrieben werden. Für den 400V-basierten PB-Wandler 126 kann der Strom i_b über den Kondensator C_b im Vergleich zum Strom für den PB-Wandler 126, der in Verbindung mit der 800V-Variante verwendet wird, verdoppelt werden. So kann der PB-Wandler 126 bei einer Leistungserhöhung auf 22 kW einen Strom von bis zu 60A_rms aufweisen. Die Verarbeitung eines solch hohen Stroms kann sich direkt auf die Anzahl der Schalter 34a, 34b und die Gesamtgröße der Induktivität Lr am PB-Wandler 126 für dessen 400V-Variante auswirken. Wie in 10 dargestellt, kann die typische Batteriespannung in einem Bereich von 250 - 450V liegen, wodurch die Spitzenspannung über dem Kondensator C_b im ungünstigsten Fall (bei einem Batterie-Level von 250V) auf eine Spannung von 225V gezwungen wird.
11 zeigt allgemein eine ausführlichere Implementierung eines PB-Wandlers 226 gemäß einer Ausführungsform. In einem Beispiel kann der PB-Wandler 226 als PB-Wandler 226 vom Boost-Typ implementiert sein. Der PB-Wandler 126 umfasst die Vielzahl von Leistungsschaltern 34a und 34b, den Induktor Lr und den Energiespeicherkondensator C_b. Der PB-Wandler 226 vom Boost-Typ umfasst im Allgemeinen die Induktivität Lr, die in Reihe mit dem Leistungsschalter 34a und dem Leistungsschalter 34b liegt. Der Schalter 34a und der Kondensator C_b sind in Reihe miteinander geschaltet und bilden einen ersten Zweig 184 (oder ersten Knoten). Der Zweig 184 ist parallel zu dem Leistungsschalter 34b geschaltet. Die Anordnung oder Anordnung des PB-Wandlers 226, wie direkt oben erwähnt, ergibt eine Gesamtreduktion des Stroms bei 400V auf etwa 15A (siehe Tabelle 1 unten und Spalte 2).
Die Spannung am Kondensator C_b kann mit einer höheren Spannung und dann bei gleichem Energiefluss mit einem niedrigeren Strom betrieben werden (siehe direkt oben). Ein solcher niedrigerer Strom minimiert die Verluste und erhöht dadurch den Wirkungsgrad. Zum Beispiel wird die in der Induktivität Lr gespeicherte Energie verwendet, um die Spannung von der Batterie 14 auf eine höhere Spannung im Kondensator C_b zu erhöhen. Folglich kann durch den Boost-Modus des PB-Wandlers 226 die Spannung des Kondensators C_b höher sein als die Spannung der Batterie 14. Dieser Hochspannungsbetrieb kann einen geringen Strom durch den PB-Wandler 226 und damit einen hocheffizienten Betrieb gewährleisten. Der PB-Wandler 226 kann bei einer 400-V-OBC-Variante die Stromstärke reduzieren. Im Allgemeinen führt der PB-Wandler 226 im Boost-Modus zu einer hohen Spannung am Kondensator C_b und für die Leistungsgeräte. Generell kann der PB-Wandler 226 eher für 400V-Batterien als für 800V-Batterien geeignet sein.
12 zeigt ein Diagramm 170 des verarbeiteten Stroms und der Spannung am PB-Wandler 226 aus 11 gemäß einer Ausführungsform. Die Kurvenform 172 zeigt den vom PB-Wandler 226 verarbeiteten Strom über die Zeit (beispielsweise den Strom i_b über den Kondensator C_b). Die Kurvenform 174 zeigt die vom PB-Wandler 226 verarbeitete Spannung über der Zeit (beispielsweise die Spannung v_b über dem Kondensator C_b). Der PB-Wandler 126 arbeitet mit 400V. Im Allgemeinen kann die Spannung v_b über dem Kondensator C_b des PB-Wandlers 226 auf 850V erhöht werden (siehe Kurvenform 174) für den Kondensator C_b. In diesem Fall kann die maximale Spannung über dem PB-Wandler 226 durch die Gerätetechnik eingestellt werden, während die untere über dem Kondensator C_b auf 450V eingestellt werden kann. Folglich kann die Stromstärke i_b für die gleiche Ausgangsleistung reduziert werden (beispielsweise bis zum Vierfachen), wie in der Kurvenform 172 dargestellt.

Mit Bezug auf den PB-Wandler 126, wie er in Verbindung mit 8 dargestellt ist, und den PB-Wandler 226, wie er in Verbindung mit 11 dargestellt ist, wird erkannt, dass ähnliche Schalter 34a und 34b und Induktoren Lr für beide Konfigurationen und für 400V- und 800V-Varianten verwendet werden können. Zum Beispiel können die PB-Wandler 126, 226 jeweils für die folgenden OBC-Konfigurationen 11kW/400V, 11kW/800W, 22kW/400V und 22kW/800V verwendet werden. Insbesondere können ähnliche Hardware-Architekturen zwischen dem PB-Wandler 126 und 226 verwendet werden, mit Ausnahme der Komponentenwerte für die Induktivität L_r und den Kondensator C_b.

Tabelle 1. Wichtige PB-Komponenten/Bewertungen

	400-V OBC (22 kW)		800-V OBC (22 kW)
	Buck-Typ-B-Wandler	Boost-Typ-(PB-Wandler 226)	Buck-Typ-(PB-Wandler 126)	Boost-Typ
Kapazität (µF), C _b	2.2 mF (Elektrolytisch 6×360µF)	190µF (Film, 3×65µF)	210µF (Film, 3x210µF)	Nicht gültig (begrenzt durch 1200V Vorrichtungstechnologie)
Spitzenwert der PB-Kondensatorspannung (V)	225V	850V	425V
PB-Kondensator Effektivstrom (A)	61A	15A	31A

Wie oben gezeigt, verwenden der PB-Wandler 126 und der PB-Wandler 226 eine Kapazität für den Kondensator, C_b von 210 µF bzw. 190 µF. Somit ist der Kondensator C_b im Allgemeinen ähnlich und ermöglicht eine ähnliche Grundfläche, wenn er auf dem OCB 120 implementiert ist, wodurch ähnliche Geräte zur Verwendung sowohl für das 400V OBC 120 als auch für das 800 OBC 120 ermöglicht werden. Darüber hinaus können das 400V OBC 120 und das 800V OBC 120 in ähnlich großen Gehäusen untergebracht werden, wodurch die Komplexität zwischen 400V und 800V OBC Anwendungen reduziert wird. Des Weiteren zeigt der PB-Wandler 126, der in Verbindung mit dem 400-V-OBC (22 kW) verwendet wird, wie oben in Tabelle 1 dargestellt, eine Verringerung des Stroms über den Kondensator C_b (beispielsweise 15A) im Vergleich zu dem Strom, der über den Kondensator C_b für den PB-Wandler 126 fließt (beispielsweise 61A), der in der ersten Spalte für den PB-Wandler 126 für das 400-V-OBC dargestellt ist.
13 zeigt ein Beispiel für ein OBC 120, das den PB-Wandler 126 (oder 226) gemäß einer Ausführungsform umfasst. Wie oben erwähnt, kann der PB-Wandler 126 ein Abwärtswandler oder der PB-Wandler 226 ein Abwärtswandler sein und umfasst jeweils ein Gehäuse 201. Der PB-Wandler 126 (oder 226) umfasst eine Induktivität Lr (als Bezugszeichen 202 gekennzeichnet) und einen Kondensator C_b (als eine Vielzahl von Kondensatoren 204a - 204c gekennzeichnet), die im Gehäuse 201 angeordnet sind. Es ist bekannt, dass die Anzahl der Induktoren 202 und der Kondensatoren 204a - 204c je nach den erforderlichen OBC-Spannungsanwendungen variieren kann. Im Allgemeinen kann der PB-Wandler 126, 226 zusätzlich zu den gemeinsamen Abmessungen (beispielsweise Länge, Breite, Dicke usw.) für ein 400-V-OBC und ein 800-V-OBC gemeinsame Abmessungen zwischen dem Buck-Typ- bzw. Boost-Typ-Wandler zur Verfügung stellen. Das OBC 120 umfasst beispielsweise eine Leiterplatte (PCB) 206 und die Vielzahl von Leistungsschaltern 34a und 34b (oder MH und ML), wie in den 8 - 12 dargestellt.
Wie in 13 gezeigt, ist die Vielzahl von Leistungsschaltern 34a und 34b auf der Leiterplatte 206 angeordnet, während die Induktivität(en) 202 und die Kondensatoren 204a - 204c außerhalb der Leiterplatte 206 angeordnet sind. In diesem Fall kann der OBC 120 gemeinsame Leiterplattenabmessungen (beispielsweise Länge, Breite, Dicke usw.) zwischen dem Boost- und Buck-Typ OBC 120 und für die unterschiedlichen Spannungsanforderungen (400 oder 800 V) für den OBC 120 nutzen. Das OBC 120 umfasst des Weiteren eine Vielzahl von Wicklungen (oder Spulen) 210, die ebenfalls außerhalb der Leiterplatte 206 angeordnet sind. Dies kann es dem OBC 120 auch ermöglichen, die gemeinsamen Abmessungen für die Leiterplatte 206 zu nutzen, wie oben erwähnt.
In einem Beispiel kann der Induktor 202 mit der Leiterplatte 206 und den verschiedenen Leistungsschaltern 34a und 34b über Klemmen, Kupferdrähte, hardwarebasierte Verbindungen gekoppelt sein. Beispielsweise können elektrische Leiterbahnen und Durchkontaktierungen innerhalb der Leiterplatte 206 zur Verfügung gestellt werden und mit den Leistungsschaltern 34a und 34b über Klemmen, Kupferdrähte, hardwarebasierte Verbindungen usw. gekoppelt werden. Die Kondensatoren 204a - 204c können auch mit der Leiterplatte 206 und den verschiedenen Leistungsschaltern 34a und 34b über Klemmen, Kupferdrähte, hardwarebasierte Verbindungen gekoppelt sein. Außerdem können die elektrischen Leiterbahnen und Durchkontaktierungen innerhalb der Leiterplatte 206 zur Verfügung gestellt werden und über die Klemmen, Kupferdrähte, hardwarebasierten Verbindungen usw. mit den Leistungsschaltern 34a und 34b gekoppelt werden.
Während beispielhafte Ausführungsformen oben beschrieben sind, ist es nicht beabsichtigt, dass diese Ausführungsformen alle möglichen Formen der Erfindung beschreiben. Vielmehr sind die in der Beschreibung verwendeten Worte eher beschreibend als einschränkend, und es versteht sich, dass verschiedene Änderungen vorgenommen werden können, ohne vom Geist und Umfang der Erfindung abzuweichen. Darüber hinaus können die Merkmale der verschiedenen Ausführungsformen kombiniert werden, um weitere Ausführungsformen der Erfindung zu bilden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 16731106 [0009]

Claims

Vorrichtung, umfassend: einen pulsierenden Puffer („pulsating buffer“, PB)-Wandler, um einen Energieausgang zu einer oder mehreren Fahrzeugbatterien zur Verfügung zu stellen, wobei der PB-Wandler umfasst: ein Gehäuse; eine im Gehäuse angeordnete Leiterplatte (PCB), die wenigstens einen ersten Leistungsschalter und wenigstens einen darauf angeordneten zweiten Leistungsschalter umfasst; wenigstens eine Induktivität, die in dem Gehäuse und außerhalb der Leiterplatte positioniert ist, um mit dem wenigstens einen ersten Leistungsschalter und dem wenigstens zweiten Leistungsschalter zusammenzuwirken; und wenigstens einen Kondensator, der im Gehäuse und außerhalb der Leiterplatte positioniert ist, um mit dem wenigstens einen ersten Leistungsschalter und dem wenigstens einen zweiten Leistungsschalter zusammenzuwirken, um die Energieabgabe an die eine oder mehrere Fahrzeugbatterien während des Ladevorgangs zu regeln.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei der PB-Wandler ein Abwärtswandler zum Laden der einen oder mehreren Fahrzeugbatterien mit bis zu 800V ist.
Vorrichtung nach Anspruch 2, wobei der PB-Wandler die wenigstens eine Induktivität umfasst, die in Reihe mit dem wenigstens einen Kondensator liegt, um einen ersten Zweig zu bilden.
Vorrichtung nach Anspruch 3, wobei der erste Zweig mit dem wenigstens einen zweiten Leistungsschalter parallel geschaltet ist, um einen zweiten Zweig zu bilden.
Vorrichtung nach Anspruch 4, wobei der wenigstens eine erste Schalter mit dem ersten Zweig und dem zweiten Zweig in Reihe geschaltet ist, um einen 800V-Ausgang durch Reduzierung des Stroms durch den wenigstens einen Kondensator zu regeln.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei der PB-Wandler ein Boost-Typ-Wandler zum Laden der einen oder mehreren Fahrzeugbatterien mit bis zu 400V ist.
Vorrichtung nach Anspruch 6, wobei der PB-Wandler die wenigstens eine Induktivität umfasst, die in Reihe mit dem wenigstens einen ersten Leistungsschalter und dem wenigstens einen zweiten Leistungsschalter liegt.
Vorrichtung nach Anspruch 7, wobei der PB-Wandler den wenigstens einen ersten Leistungsschalter und den wenigstens einen Kondensator in Reihe zueinander umfasst, um einen ersten Zweig zu bilden.
Vorrichtung nach Anspruch 8, wobei der erste Zweig parallel zu dem wenigstens einen zweiten Leistungsschalter geschaltet ist, um eine Spannung von der einen oder mehreren Fahrzeugbatterien an dem wenigstens einen Kondensator zu erhöhen.
Vorrichtung, umfassend: einen pulsierenden Puffer („pulsating buffer“, PB) -Wandler umfassend: ein Gehäuse; eine gedruckte Schaltungsplatine (PCB), die in dem Gehäuse angeordnet ist und wenigstens einen ersten Leistungsschalter und wenigstens einen zweiten Leistungsschalter umfasst, die darauf angeordnet sind; wenigstens eine Induktivität, die in dem Gehäuse und außerhalb der Leiterplatte positioniert ist, um mit dem wenigstens einen ersten Leistungsschalter und dem wenigstens zweiten Leistungsschalter zusammenzuwirken; und wenigstens einen Kondensator, der in dem Gehäuse und außerhalb der Leiterplatte positioniert ist, um mit dem wenigstens einen ersten Leistungsschalter und dem wenigstens einen zweiten Leistungsschalter zusammenzuwirken, um eine Energieabgabe an eine oder mehrere Fahrzeugbatterien während eines Ladevorgangs zu regeln.
Vorrichtung nach Anspruch 10, wobei der PB-Wandler ein Abwärtswandler zum Laden der einen oder mehreren Fahrzeugbatterien mit bis zu 800V ist.
Vorrichtung nach Anspruch 11, wobei der PB-Wandler die wenigstens eine Induktivität umfasst, die in Reihe mit dem wenigstens einen Kondensator liegt, um einen ersten Zweig zu bilden.
Vorrichtung nach Anspruch 12, wobei der erste Zweig mit dem wenigstens einen zweiten Leistungsschalter parallel geschaltet ist, um einen zweiten Zweig zu bilden.
Vorrichtung nach Anspruch 13, wobei der wenigstens eine erste Schalter mit dem ersten Zweig und dem zweiten Zweig in Reihe geschaltet ist, um einen 800-V-Ausgang durch Reduzierung des Stroms durch den wenigstens einen Kondensator zu regeln.
Vorrichtung nach Anspruch 10, wobei der PB-Wandler ein Boost-Typ-Wandler zum Laden der einen oder mehreren Fahrzeugbatterien mit bis zu 400V ist.
Vorrichtung nach Anspruch 15, wobei der PB-Wandler die wenigstens eine Induktivität umfasst, die in Reihe mit dem wenigstens einen ersten Leistungsschalter und dem wenigstens einen zweiten Leistungsschalter liegt.
Vorrichtung nach Anspruch 16, wobei der PB-Wandler den wenigstens einen ersten Leistungsschalter und den wenigstens einen Kondensator in Reihe zueinander umfasst, um einen ersten Zweig zu bilden.
Vorrichtung nach Anspruch 17, wobei der erste Zweig parallel zu dem wenigstens einen zweiten Leistungsschalter geschaltet ist, um eine Spannung von der einen oder mehreren Fahrzeugbatterien an dem wenigstens einen Kondensator zu erhöhen.
Vorrichtung, umfassend: eine gedruckte Schaltungsplatine (PCB), die im Gehäuse positioniert ist und wenigstens einen ersten Leistungsschalter und wenigstens einen zweiten Leistungsschalter umfasst, die darauf positioniert sind; wenigstens einen Induktor, der in einem Gehäuse und außerhalb der Leiterplatte positioniert ist, um eine Schnittstelle mit dem wenigstens einen ersten Leistungsschalter und dem wenigstens einen zweiten Leistungsschalter zu bilden; und wenigstens einen Kondensator, der in dem Gehäuse und außerhalb der Leiterplatte positioniert ist, um mit dem wenigstens einen Induktor, dem wenigstens einen ersten Leistungsschalter und dem wenigstens einen zweiten Leistungsschalter zusammenzuwirken, um eine Energieausgabe zur Verfügung zu stellen, um eine erste Spannung oder eine zweite Spannung an einer oder mehreren Fahrzeugbatterien während einer Operation zu speichern.
Vorrichtung nach Anspruch 19, wobei die erste Spannung 400V und die zweite Spannung 800V beträgt.