DE102022119740A1 - Control of a DC converter for DC charging - Google Patents

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Chandra S. Namuduri
Lei Hao
Samantha Gunter Miller
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Abstract

Ein elektrisches System kann ein wiederaufladbares Energiespeichersystem (RESS) und einen Gleichstrom-Gleichstrom-Wandler (DC-DC) umfassen. Der Gleichstrom-Gleichstrom-Wandler ist mit dem RESS verbunden und konfiguriert, mit einer Gleichstrom-Ladestation verbunden zu werden. Der Gleichstrom-Gleichstrom-Wandler ist konfiguriert, das RESS selektiv mit der Gleichstrom-Ladestation zu verbinden, so dass dem RESS während eines Aufladevorgangs selektiv ein Ladestrom zugeführt wird.An electrical system may include a rechargeable energy storage system (RESS) and a direct current to direct current (DC-DC) converter. The DC-to-DC converter is connected to the RESS and configured to be connected to a DC charging station. The DC-to-DC converter is configured to selectively connect the RESS to the DC charging station such that charging current is selectively supplied to the RESS during a charging operation.

Description

Technisches Gebiettechnical field

Die vorliegende Offenbarung bezieht sich auf ein elektrisches System, das das Laden von Batterien von einem Gleichstrom-Ladegerät aus, das als Stromquelle über einen Gleichstrom-Gleichstrom-Wandler funktioniert, ermöglicht.The present disclosure relates to an electrical system that enables charging of batteries from a DC charger functioning as a power source via a DC-to-DC converter.

Einführungintroduction

Gleichstrom-Gleichstrom-Wandler (DC-DC-Wandler) wandeln eine Gleichstromquelle von einem Spannungsniveau in ein anderes Spannungsniveau um. Beispielsweise können geschaltete Gleichstrom-Gleichstrom-Wandler einen Gleichspannungspegel in einen anderen umwandeln, indem sie die Eingangsenergie vorübergehend speichern und dann die gespeicherte Energie an den Ausgang mit einer anderen Spannung abgeben.Direct current to direct current (DC-DC) converters convert a direct current source from one voltage level to another voltage level. For example, switched DC-to-DC converters can convert one DC voltage level to another by temporarily storing the input energy and then releasing the stored energy to the output at a different voltage.

Beschreibung der ErfindungDescription of the invention

Ein Beispiel für ein elektrisches System, das eine von einer Gleichstrom-Ladestation (DC-Ladestation) gelieferte Spannung erhöht, wird offenbart. Das elektrische System kann ein wiederaufladbares Energiespeichersystem (Engl.: Rechargeable Energy Storage System, RESS) und einen Gleichstrom-Gleichstrom-Wandler (DC-DC) umfassen. Der Gleichstrom-Gleichstrom-Wandler ist mit dem RESS verbunden und konfiguriert, sich mit einer Gleichstrom-Ladestation zu verbinden. Der Gleichstrom-Gleichstrom-Wandler ist konfiguriert, das RESS selektiv mit der Gleichstrom-Ladestation zu verbinden, so dass dem RESS während eines Aufladevorgangs selektiv ein Ladestrom bereitgestellt wird.An example of an electrical system that boosts a voltage provided by a direct current (DC) charging station is disclosed. The electrical system may include a Rechargeable Energy Storage System (RESS) and a DC-to-DC (DC-DC) converter. The DC-to-DC converter is connected to the RESS and configured to connect to a DC charging station. The DC-to-DC converter is configured to selectively connect the RESS to the DC charging station such that charging current is selectively provided to the RESS during a charging operation.

In anderen Merkmalen umfasst der DC-DC-Wandler einen ersten Schalter und einen zweiten Schalter.In other features, the DC-DC converter includes a first switch and a second switch.

In anderen Merkmalen umfassen der erste Schalter und der zweite Schalter einen spannungsgesteuerten Halbleiterschalter.In other features, the first switch and the second switch comprise a voltage-controlled semiconductor switch.

In anderen Merkmalen umfasst der spannungsgesteuerte Halbleiterschalter mindestens eines aus einem Bipolartransistor mit Silizium-isolierter Gate-Elektrode (Silizium-IGBT), einem Siliziumcarbid-Metalloxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor (Siliziumcarbid-MOSFET), einem Silizium-Superübergangs-MOSFET, einem Galliumnitrid-Feldeffekttransistor (GaN-FET), einem SiC-Sperrschicht-Feldeffekttransistor (SiC-JFET), einer Vorrichtung mit breitem Bandabstand (WBG-Vorrichtung), und einer Vorrichtung mit ultraweitem Bandabstand (UWBG-Vorrichtung).In other features, the semiconductor voltage-controlled switch comprises at least one of a silicon insulated gate bipolar transistor (silicon IGBT), a silicon carbide metal oxide semiconductor field effect transistor (silicon carbide MOSFET), a silicon superjunction MOSFET, a gallium nitride field effect transistor (GaN-FET), a SiC Junction Field Effect Transistor (SiC-JFET), a wide bandgap (WBG) device, and an ultra wide bandgap (UWBG) device.

In anderen Merkmalen sind der erste Schalter und der zweite Schalter konfiguriert, in komplementären Betriebszuständen zu arbeiten.In other features, the first switch and the second switch are configured to operate in complementary operating states.

In anderen Merkmalen umfasst das elektrische System eine Steuerung, die betriebsmäßig mit dem DC-DC-Wandler verbunden und konfiguriert ist, den DC-DC-Wandler so zu betreiben, um das RESS basierend auf einem Gatesignal, das an den ersten Schalter und/oder den zweiten Schalter geliefert wird, selektiv mit der Gleichstrom-Ladestation zu verbinden.In other features, the electrical system includes a controller operatively connected to the DC-DC converter and configured to operate the DC-DC converter to switch the RESS based on a gate signal applied to the first switch and/or the second switch is provided to selectively connect to the DC charging station.

In anderen Merkmalen ist die Steuerung ferner konfiguriert, eine Eingangs-DC-DC-Wandler-Spannung mit einem vorbestimmten Spannungsschwellenwert zu vergleichen und den ersten Schalter selektiv zu betreiben, um eine von einem Vorladekondensator gespeicherte Spannung hochzufahren, wobei der Vorladekondensator unter Verwendung von durch das RESS bereitgestellter Energie geladen wird.In other features, the controller is further configured to compare an input DC-DC converter voltage to a predetermined voltage threshold and selectively operate the first switch to ramp up a voltage stored by a pre-charge capacitor, the pre-charge capacitor using RESS provided energy is charged.

Ein Beispiel für ein elektrisches System, das eine von einer Gleichstrom-Ladestation gelieferte Spannung erhöht, wird offenbart. Das elektrische System kann ein wiederaufladbares Energiespeichersystem (RESS) und einen Gleichstrom-Gleichstrom-Wandler (DC-DC-Wandler) umfassen. Der DC-DC-Wandler ist mit dem RESS verbunden und konfiguriert, sich mit einer Gleichstrom-Ladestation zu verbinden. Der DC-DC-Wandler ist konfiguriert, das RESS selektiv mit der Gleichstrom-Ladestation zu verbinden, so dass dem RESS während eines Aufladevorgangs selektiv ein Ladestrom zugeführt wird.An example of an electrical system that boosts a voltage provided by a DC charging station is disclosed. The electrical system may include a rechargeable energy storage system (RESS) and a direct current-to-direct current (DC-DC) converter. The DC-DC converter is connected to the RESS and configured to connect to a DC charging station. The DC-DC converter is configured to selectively connect the RESS to the DC charging station such that charging current is selectively supplied to the RESS during a charging operation.

In anderen Merkmalen umfasst der DC-DC-Wandler einen ersten Schalter und einen zweiten Schalter.In other features, the DC-DC converter includes a first switch and a second switch.

In anderen Merkmalen umfassen der erste Schalter und der zweite Schalter einen spannungsgesteuerten Halbleiterschalter.In other features, the first switch and the second switch comprise a voltage-controlled semiconductor switch.

In anderen Merkmalen umfasst der spannungsgesteuerte Halbleiterschalter mindestens eines aus einem Bipolartransistor mit Silizium-isolierter Gate-Elektrode (Silizium-IGBT), einem Siliziumcarbid-Metalloxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor (Siliziumcarbid-MOSFET), einem Silizium-Superübergangs-MOSFET, einem Galliumnitrid-Feldeffekttransistor (GaN-FET), einem SiC-Sperrschicht-Feldeffekttransistor (SiC-JFET), einer Vorrichtung mit breitem Bandabstand (WBG-Vorrichtung), und einer Vorrichtung mit ultraweitem Bandabstand (UWBG-Vorrichtung).In other features, the semiconductor voltage-controlled switch comprises at least one of a silicon insulated gate bipolar transistor (silicon IGBT), a silicon carbide metal oxide semiconductor field effect transistor (silicon carbide MOSFET), a silicon superjunction MOSFET, a gallium nitride field effect transistor (GaN-FET), a SiC Junction Field Effect Transistor (SiC-JFET), a wide bandgap (WBG) device, and an ultra wide bandgap (UWBG) device.

In anderen Merkmalen sind der erste Schalter und der zweite Schalter konfiguriert, in komplementären Betriebszuständen zu arbeiten.In other features, the first switch and the second switch are configured to operate in complementary operating states.

In anderen Merkmalen umfasst das elektrische System eine Steuerung, die betriebsmäßig mit dem DC-DC-Wandler verbunden und konfiguriert ist, den DC-DC-Wandler so zu betreiben, um das RESS basierend auf einem Gatesignal, das an den ersten Schalter und/oder den zweiten Schalter geliefert wird, selektiv mit der Gleichstrom-Ladestation zu verbinden.In other features, the electrical system includes a controller operatively connected to the DC-DC converter and configured to operate the DC-DC converter to switch the RESS based on a gate signal applied to the first switch and/or the second switch is provided to selectively connect to the DC charging station.

In anderen Merkmalen ist die Steuerung ferner konfiguriert, eine Eingangs-DC-DC-Wandler-Spannung mit einem vorbestimmten Spannungsschwellenwert zu vergleichen und den ersten Schalter selektiv zu betätigen, um eine von einem Vorladekondensator gespeicherte Spannung hochzufahren, wobei der Vorladekondensator unter Verwendung von durch das RESS bereitgestellter Energie geladen wird.In other features, the controller is further configured to compare an input DC-DC converter voltage to a predetermined voltage threshold and selectively actuate the first switch to ramp up a voltage stored by a pre-charge capacitor, wherein the pre-charge capacitor is charged using RESS provided energy is charged.

Es wird ein Verfahren offenbart, das das Vergleichen einer Eingangs-DC-DC-Wandler-Spannung (DC-DC) eines DC-DC-Wandlers mit einem vorbestimmten Spannungsschwellenwert und das selektive Betreiben eines ersten Schalters des DC-DC-Wandlers umfasst, um eine von einem Vorladekondensator gespeicherte Spannung hochzufahren, wobei der Vorladekondensator unter Verwendung von Energie geladen wird, die von einem wiederaufladbaren Energiespeichersystem (RESS) bereitgestellt wird. Das Verfahren umfasst auch das selektive Betreiben eines zweiten Schalters des DC-DC-Wandlers, um einen Ladestrom auf einen vorbestimmten Ladestromschwellenwert hochzufahren, so dass der Ladestrom das RESS wieder auflädt.A method is disclosed that includes comparing an input DC-DC converter (DC-DC) voltage of a DC-DC converter to a predetermined voltage threshold and selectively operating a first switch of the DC-DC converter to ramp up a voltage stored by a pre-charge capacitor, wherein the pre-charge capacitor is charged using energy provided by a rechargeable energy storage system (RESS). The method also includes selectively operating a second switch of the DC-DC converter to ramp up a charge current to a predetermined charge current threshold such that the charge current recharges the RESS.

In anderen Merkmalen wird der Ladestrom von einer Gleichstrom-Ladestation bereitgestellt.In other features, the charging current is provided by a DC charging station.

In anderen Merkmalen umfasst die Gleichstrom-Ladestation eine DC-Schnellladestation, die eine Leistung von etwa fünfzig Kilowatt (50 kW) bis etwa dreihundertfünfzig Kilowatt (350 kW) erbringen kann.In other features, the DC charging station includes a DC fast charging station capable of output from about fifty kilowatts (50 kW) to about three hundred and fifty kilowatts (350 kW).

In anderen Merkmalen umfassen der erste Schalter und der zweite Schalter einen spannungsgesteuerten Halbleiterschalter.In other features, the first switch and the second switch comprise a voltage-controlled semiconductor switch.

In anderen Merkmalen umfasst der spannungsgesteuerte Halbleiterschalter mindestens eines aus einem Bipolartransistor mit Silizium-isolierter Gate-Elektrode (Silizium-IGBT), einem Siliziumcarbid-Metalloxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor (Siliziumcarbid-MOSFET), einem Silizium-Superübergangs-MOSFET, einem Galliumnitrid-Feldeffekttransistor (GaN-FET), einem SiC-Sperrschicht-Feldeffekttransistor (SiC-JFET), einer Vorrichtung mit breitem Bandabstand (WBG-Vorrichtung), und einer Vorrichtung mit ultraweitem Bandabstand (UWBG-Vorrichtung).In other features, the semiconductor voltage-controlled switch comprises at least one of a silicon insulated gate bipolar transistor (silicon IGBT), a silicon carbide metal oxide semiconductor field effect transistor (silicon carbide MOSFET), a silicon superjunction MOSFET, a gallium nitride field effect transistor (GaN-FET), a SiC Junction Field Effect Transistor (SiC-JFET), a wide bandgap (WBG) device, and an ultra wide bandgap (UWBG) device.

In anderen Merkmalen sind der erste Schalter und der zweite Schalter konfiguriert, in komplementären Betriebszuständen zu arbeiten.In other features, the first switch and the second switch are configured to operate in complementary operating states.

Weitere Anwendungsbereiche werden sich aus der vorliegenden Beschreibung ergeben. Es sollte verstanden werden, dass die Beschreibung und die spezifischen Beispiele nur zur Veranschaulichung dienen und den Umfang der vorliegenden Offenbarung nicht einschränken sollen.Further areas of application will emerge from the present description. It should be understood that the description and specific examples are intended for purposes of illustration only and are not intended to limit the scope of the present disclosure.

Figurenlistecharacter list

Die hierin beschriebenen Zeichnungen dienen nur der Veranschaulichung und sollen den Umfang der vorliegenden Offenbarung in keiner Weise einschränken.

  • 1 ist eine schematische Darstellung eines Beispiel-Kraftfahrzeugs, das an eine externe Gleichstrom-Ladestation angeschlossen ist;
  • 2 ist ein Blockdiagramm einer beispielhaften Gleichstrom-Ladeschaltung, d.h. eines elektrischen Systems, gemäß einer beispielhaften Implementierung;
  • 3 ist ein Schaltplan des Beispiels eines elektrischen Systems gemäß einer Beispielimplementierung; und
  • 4 ist ein Flussdiagramm, das einen beispielhaften Prozess zum Aufladen eines RESS eines Fahrzeugs über eine externe Stromquelle gemäß einer beispielhaften Implementierung zeigt.
The drawings described herein are for illustrative purposes only and are not intended to limit the scope of the present disclosure in any way.
  • 1 Figure 12 is a schematic representation of an example motor vehicle connected to an external DC charging station;
  • 2 12 is a block diagram of an example DC charging circuit, ie, an electrical system, according to an example implementation;
  • 3 Figure 12 is a circuit diagram of an example electrical system according to an example implementation; and
  • 4 12 is a flow chart depicting an example process for charging a RESS of a vehicle via an external power source, according to an example implementation.

Detaillierte BeschreibungDetailed description

Die folgende Beschreibung ist lediglich beispielhafter Natur und soll die vorliegende Offenbarung, Anwendung oder Verwendung nicht einschränken.The following description is merely exemplary in nature and is not intended to limit the present disclosure, application, or use.

1 zeigt ein Beispiel für eine Gleichstrom-Ladeschaltung 10 (DC-Ladeschaltung 10) als Teil eines Kraftfahrzeugs 20. Das Fahrzeug 20 ist in einem Gleichstrom-Schnellladevorgang dargestellt, bei dem die Gleichstrom-Ladeschaltung 10 über einen Ladeanschluss 11 und ein Ladekabel 15 elektrisch mit einer externen Gleichstrom-Ladestation 30 verbunden ist, z.B. unter Verwendung eines SAE J1772-Ladesteckers oder eines anderen geeigneten regionalen oder nationalen Standard-Ladesteckers oder -verbinders. Die vorliegende Offenbarung ist unabhängig von dem jeweiligen Ladestandard, der letztendlich bei einem Gleichstrom-Schnellladevorgang mit der Gleichstrom-Ladestation 30 verwendet wird, und daher sind die oben genannten Beispiele lediglich illustrativ. Bei der Gleichstrom-Ladestation 30 kann es sich beispielsweise um eine Gleichstrom-Schnellladestation handeln, die in der Lage ist, das Fahrzeug 20 mit Energie zu versorgen, wobei die Ausgangsleistung zwischen etwa fünfzig Kilowatt (50 kW) und etwa dreihundertfünfzig Kilowatt (350 kW) liegt. In einer anderen möglichen Ausführungsform könnte das Fahrzeug 20 von einem zweiten Fahrzeug aufgeladen werden, das in der Lage ist, das Fahrzeug 20 mit Ladeenergie zu versorgen. 1 shows an example of a direct current charging circuit 10 (DC charging circuit 10) as part of a motor vehicle 20. The vehicle 20 is shown in a direct current fast charging process in which the direct current charging circuit 10 is electrically connected via a charging connection 11 and a charging cable 15 to a external DC charging station 30, eg, using an SAE J1772 charging plug or other suitable regional or national standard charging plug or connector. The present disclosure is independent of the particular charging standard that will ultimately be used in a DC fast charge gear is used with the DC charging station 30 and therefore the above examples are merely illustrative. For example, the DC charging station 30 may be a DC fast charging station capable of powering the vehicle 20 with an output of between about fifty kilowatts (50 kW) and about three hundred and fifty kilowatts (350 kW). lies. In another possible embodiment, the vehicle 20 could be charged by a second vehicle capable of providing the vehicle 20 with charging energy.

Die DC-Ladeschaltung 10 kann als Teil des Kraftfahrzeugs 20 sowie anderer elektrischer Systeme wie stationärer oder mobiler Kraftwerksroboter oder Plattformen verwendet werden. Bei Fahrzeuganwendungen können auch Nicht-Kraftfahrzeuge wie Flugzeuge, Wasserfahrzeuge und Schienenfahrzeuge von ähnlichen Vorteilen profitieren. Die DC-Ladeschaltung 10 kann als Teil eines Antriebsstrangs eines mobilen Systems, wie dem beispielhaften Fahrzeug 20, verwendet werden. Zur Veranschaulichung wird im Folgenden eine Anwendung der DC-Ladeschaltung 10 als integraler Bestandteil des Fahrzeugs 20 in einem Kraftfahrzeugkontext beschrieben, ohne die vorliegende Offenbarung auf eine solche Implementierung zu beschränken.The DC charging circuit 10 can be used as part of the motor vehicle 20 as well as other electrical systems such as stationary or mobile power plant robots or platforms. In vehicular applications, non-automotive vehicles such as airplanes, watercraft, and rail vehicles can also benefit from similar benefits. The DC charging circuit 10 may be used as part of a powertrain of a mobile system such as the example vehicle 20 . For purposes of illustration, an application of the DC charging circuit 10 as an integral part of the vehicle 20 in an automotive context is described below, without limiting the present disclosure to such an implementation.

Das Fahrzeug 20 von 1 umfasst eine Karosserie 12 und Antriebsräder 14. Die Karosserie 12 kann den Ladeanschluss 11 an einer für den Benutzer zugänglichen Stelle definieren oder enthalten. Das Fahrzeug 20 kann auf verschiedene Weise als Plug-in-Elektrofahrzeug mit einem bordeigenen wiederaufladbaren Energiespeichersystem (RESS) 120 ausgeführt sein, wie in den 2 und 3 gezeigt und nachstehend beschrieben, z.B. mit einem mehrzelliges Lithium-Ionen-, Zink-Luft-, Nickel-Metallhydrid- oder Bleisäure-Gleichstrom-Batteriepaket, das selektiv unter Verwendung der externen Gleichstrom-Ladestation 30 von 1 wiederaufgeladen werden kann. Während des Betriebs des Fahrzeugs 20 kann das RESS 120 eine oder mehrere Antriebsstrang-/Fahrantriebskomponenten des Fahrzeugs 20 mit elektrischer Energie versorgen, wie z.B. eine elektrische Maschine (EM), z.B. einen Fahrmotor, um ein Motordrehmoment zu erzeugen und an die Antriebsräder 14 zu übertragen, um das Fahrzeug 20 anzutreiben oder um andere nützliche Arbeiten an Bord des Fahrzeugs 20 auszuführen.The vehicle 20 from 1 includes a body 12 and drive wheels 14. The body 12 may define or contain the charge port 11 in a user accessible location. The vehicle 20 can be embodied in various ways as a plug-in electric vehicle with an on-board rechargeable energy storage system (RESS) 120, as shown in FIGS 2 and 3 1 and described below, for example, with a multi-cell lithium-ion, zinc-air, nickel-metal hydride, or lead-acid DC battery pack selectively charged using the external DC charging station 30 of FIG 1 can be recharged. During operation of the vehicle 20, the RESS 120 may provide electrical energy to one or more powertrain/traction components of the vehicle 20, such as an electric machine (EM), eg, a traction motor, to generate and transmit motor torque to the drive wheels 14 to propel the vehicle 20 or to perform other useful work on board the vehicle 20.

2 zeigt ein Blockdiagramm einer DC-Ladeschaltung 10 für das Fahrzeug 20 gemäß verschiedenen Implementierungen. Wie dargestellt, umfasst die DC-Ladeschaltung 10 eine Steuerung 105, die mindestens einen Prozessor und einen Speicher zum Speichern von computerlesbaren Anweisungen enthalten kann. Der Speicher umfasst einen greifbaren, nichtflüchtigen Speicher, z.B. einen Nur-Lese-Speicher, sei es ein optischer, magnetischer, Flash-Speicher oder ein anderer. Die Steuerung 105 umfasst auch ausreichende Mengen an Direktzugriffsspeicher (RAM), elektrisch löschbarem programmierbarem Nur-Lese-Speicher und dergleichen sowie einen Hochgeschwindigkeitstaktgeber, Analog-Digital- und Digital-Analog-Schaltungen und Eingangs-/Ausgangsschaltungen und -vorrichtungen sowie geeignete Signalaufbereitungs- und Pufferschaltungen. 2 1 shows a block diagram of a DC charging circuit 10 for the vehicle 20 according to various implementations. As shown, the DC charging circuit 10 includes a controller 105, which may include at least a processor and memory for storing computer-readable instructions. The memory includes tangible, non-volatile memory, eg, read-only memory, whether optical, magnetic, flash, or otherwise. The controller 105 also includes sufficient amounts of random access memory (RAM), electrically erasable programmable read only memory, and the like, as well as a high-speed clock, analog-to-digital and digital-to-analog circuitry, and input/output circuitry and devices, as well as appropriate signal conditioning and buffer circuits.

Die DC-Ladeschaltung 10 umfasst auch einen Gate-Treiber 110 und einen Gleichstrom-Gleichstrom-Wandler (DC-DC-Wandler) 115. Die Steuerung 105 ist mit dem Gate-Treiber 110 und dem DC-DC-Wandler 115 betriebsmäßig verbunden. Basierend auf den von der Steuerung 105 ausgegebenen Steuersignalen steuert der Gate-Treiber 110 einen oder mehrere Schalter innerhalb des DC-DC-Wandlers 115, wie unten in Bezug auf 3 näher erläutert. In verschiedenen Implementierungen kann die Steuerung 105 einen Pulsbreitenmodulator beinhalten, der pulsbreitenmodulierte Signale an den Gate-Treiber 110 liefert. Der Gate-Treiber 110 kann den DC-DC-Wandler 115 auf der Grundlage der von dem Pulsbreitenmodulator empfangenen Signale betreiben.The DC charging circuit 10 also includes a gate driver 110 and a direct current to direct current (DC-DC) converter 115. The controller 105 is operatively connected to the gate driver 110 and the DC-DC converter 115. FIG. Based on the control signals output from the controller 105, the gate driver 110 controls one or more switches within the DC-DC converter 115, as referred to below with respect to FIG 3 explained in more detail. In various implementations, controller 105 may include a pulse width modulator that provides pulse width modulated signals to gate driver 110 . The gate driver 110 can operate the DC-DC converter 115 based on the signals received from the pulse width modulator.

Wie dargestellt, umfasst die DC-Ladeschaltung 10 auch ein bordeigenes wiederaufladbares Energiespeichersystem (RESS) 120, das für die Speicherung von elektrischer Hochspannungsenergie ausgelegt ist, die für den Antrieb eines Fahrzeugs mit Elektroantrieb verwendet wird, wie z.B. des Fahrzeugs 20 von 1.As illustrated, the DC charging circuit 10 also includes an onboard rechargeable energy storage system (RESS) 120 configured to store high voltage electrical energy used to propel an electrified vehicle, such as the vehicle 20 of FIG 1 .

Bei dem RESS 120 kann es sich um ein Deep-Cycle-Batteriesystem mit hoher Amperekapazität handeln, das für etwa vierhundert (400) bis etwa achthundert (800) Volt Gleichstrom (VDC) oder mehr ausgelegt ist, beispielsweise in Abhängigkeit von der gewünschten Fahrzeugreichweite, dem Gesamtgewicht des Fahrzeugs und den Leistungswerten der verschiedenen Verbraucher, die in verschiedenen Implementierungen elektrischen Strom aus dem RESS 120 beziehen. Es versteht sich jedoch, dass die RESS 120 auch für andere Spannungen ausgelegt sein kann. Das RESS 120 kann eines oder mehrere unabhängig voneinander wiederaufladbare Hochspannungsbatteriepakete enthalten.The RESS 120 may be a high amperage deep cycle battery system rated for about four hundred (400) to about eight hundred (800) volts direct current (VDC) or more, depending, for example, on desired vehicle range, the total weight of the vehicle; and the power levels of the various consumers drawing electrical power from the RESS 120 in various implementations. However, it is understood that the RESS 120 can also be designed for other voltages. The RESS 120 may include one or more independently rechargeable high voltage battery packs.

Wenn die Gleichstrom-Ladestation 30 mit dem Fahrzeug 20 verbunden ist, z.B. das Ladekabel 15 der Gleichstrom-Ladestation 30 an den Ladeanschluss 11 des Fahrzeugs 20 angeschlossen ist, liefert die Gleichstrom-Ladestation 30 elektrische Energie an den DC-DC-Wandler 115, um das RESS 120 aufzuladen.When the DC charging station 30 is connected to the vehicle 20, e.g. the charging cable 15 of the DC charging station 30 is connected to the charging port 11 of the vehicle 20, the DC charging station 30 supplies electric power to the DC-DC converter 115 in order to charge the RESS 120.

3 zeigt ein Schaltschema der DC-Ladeschaltung 10 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Offenbarung. Wie dargestellt, kann der DC-DC-Wandler 115 einen ersten Schalter 205 und einen zweiten Schalter 210 beinhalten. In einer Beispielimplementierung umfassen die Schalter 205, 210 spannungsgesteuerte Halbleiterschalter, die durch Steuersignale gesteuert werden, die von der Steuerung 105 über den Gate-Treiber 110 bereitgestellt werden. In verschiedenen Implementierungen umfassen die Schalter 205, 210 eine spannungsgesteuerte Schaltvorrichtung in Form eines Bipolartransistors mit Silizium-isolierter Gate-Elektrode (Silizium-IGBT), eines Siliziumcarbid-(SiC)-Metalloxid-Halbleiter-Feldeffekttransistors (Siliziumcarbid-MOSFET), eines Silizium-Superübergangs-MOSFET, eines Galliumnitrid-Feldeffekttransistors (GaN-FET), eines SiC-Sperrschicht-Feldeffekttransistors (SiC-JFET), einer anderen Vorrichtung mit breitem Bandabstand (WBG-Vorrichtung) oder Halbleiter-Leistungsschaltvorrichtung mit ultraweitem Bandabstand (UWBG-Vorrichtung) oder einem anderen geeigneten Schalter mit einem entsprechenden Gate, an das ein Gate-Signal angelegt wird, um den Ein/Aus-Zustand eines bestimmten Schalters zu ändern. 3 12 shows a schematic diagram of the DC charging circuit 10 according to an embodiment of the present disclosure. As illustrated, the DC-DC converter 115 may include a first switch 205 and a second switch 210 . In an example implementation, switches 205, 210 comprise voltage-controlled semiconductor switches that are controlled by control signals provided by controller 105 via gate driver 110. In various implementations, the switches 205, 210 comprise a voltage controlled switching device in the form of a silicon insulated gate bipolar transistor (silicon IGBT), a silicon carbide (SiC) metal oxide semiconductor field effect transistor (silicon carbide MOSFET), a silicon Superjunction MOSFET, a gallium nitride field effect transistor (GaN-FET), a SiC junction field effect transistor (SiC-JFET), another wide bandgap (WBG) device or ultra-wide bandgap (UWBG) semiconductor power switching device, or another suitable switch with a corresponding gate to which a gate signal is applied to change the on/off state of a particular switch.

Wie in 3 dargestellt, ist der Gate-Treiber 110 betriebsmäßig mit den Gates 215, 220 der Schalter 205, 210 verbunden und liefert Gatesignale an die entsprechenden Gates, um zu steuern, ob der entsprechende Schalter 205, 210 in einem offenen Zustand arbeitet, um einen Stromfluss zu verhindern, oder in einem geschlossenen Zustand, um einen Stromfluss zu ermöglichen. Der Gate-Treiber 110 kann einen Inverter 225 enthalten, der das von dem Gate-Treiber 110 gelieferte Gatesignal invertiert. Beispielsweise ist ein Ausgang 230 des Gate-Treibers 110 mit dem Gate 220 des zweiten Schalters 210 verbunden, und ein Ausgang 235 des Inverters 225 ist mit dem Gate 215 des Schalters 205 verbunden. Basierend auf dieser Konfiguration arbeiten die Schalter 205, 210 in einem komplementären Zustand, in dem, wenn einer der Schalter 205, 210 im geschlossenen Zustand ist, der andere der Schalter 205, 210 im offenen Zustand arbeitet.As in 3 As shown, the gate driver 110 is operatively connected to the gates 215, 220 of the switches 205, 210 and provides gate signals to the respective gates to control whether the respective switch 205, 210 operates in an open state to allow current flow prevent, or in a closed state to allow current flow. Gate driver 110 may include an inverter 225 that inverts the gate signal provided by gate driver 110 . For example, an output 230 of the gate driver 110 is connected to the gate 220 of the second switch 210 and an output 235 of the inverter 225 is connected to the gate 215 of the switch 205 . Based on this configuration, the switches 205, 210 operate in a complementary state in which when one of the switches 205, 210 is in the closed state, the other of the switches 205, 210 operates in the open state.

Die DC-Ladeschaltung 10 kann auch einen Vorladekondensator 230 und einen Entladewiderstand 235 enthalten, die parallel geschaltet sind. Der Vorladekondensator 230 und der Entladewiderstand 235 sind zwischen dem positiven Anschluss 240 und dem negativen Anschluss 245 angeschlossen.The DC charging circuit 10 may also include a pre-charge capacitor 230 and a discharge resistor 235 connected in parallel. The pre-charge capacitor 230 and the discharge resistor 235 are connected between the positive terminal 240 and the negative terminal 245 .

Die DC-Ladeschaltung 10 umfasst auch eine Induktivität 250 zwischen Knoten 255 und Knoten 260. Der Knoten 255 umfasst einen elektrischen Knoten, an den die positiven Anschlüsse des Vorladekondensators 230 und des Entladewiderstands 235 angeschlossen sind. Der Knoten 260 umfasst einen elektrischen Knoten, der als Eingang zu den Schaltern 205, 210 dienen kann. Je nach Betrieb der DC-Ladeschaltung 10 kann beispielsweise elektrische Energie über die Induktivität 250 zu einem der Schalter 205, 210 geleitet werden. Die DC-Ladeschaltung 10 kann auch einen Ausgangskondensator 265 enthalten. Der Vorladekondensator 230, der Entladewiderstand 235, die Induktivität 250 und der Ausgangskondensator 265 können alle geeigneten Werte gemäß der vorliegenden Offenbarung aufweisen.DC charging circuit 10 also includes an inductor 250 between node 255 and node 260. Node 255 includes an electrical node to which the positive terminals of pre-charge capacitor 230 and discharge resistor 235 are connected. Node 260 includes an electrical node that can serve as an input to switches 205,210. Depending on the operation of the DC charging circuit 10, electrical energy can be routed via the inductance 250 to one of the switches 205, 210, for example. The DC charging circuit 10 may also include an output capacitor 265 . Precharge capacitor 230, discharge resistor 235, inductor 250, and output capacitor 265 may have any suitable values consistent with the present disclosure.

Wenn die Gleichstrom-Ladestation 30 an die DC-Ladeschaltung 10 angeschlossen ist, fungiert die Gleichstrom-Ladestation 30 als Stromquelle für den DC-DC-Wandler 115. Wie hierin ausführlicher beschrieben, kann ein Boost-Modus-Technik verwendet werden, um dem RESS 120 ausreichend elektrische Energie für Ladezwecke zuzuführen. Die Boost-Modus-Technik kann zum Beispiel verwendet werden, um einen Innenwiderstand 270 und eine innere Induktivität 275 zu berücksichtigen, die dem RESS 120 zugeordnet sind.When the DC charging station 30 is connected to the DC charging circuit 10, the DC charging station 30 acts as a power source for the DC-DC converter 115. As described in more detail herein, a boost mode technique can be used to provide the RESS 120 supply sufficient electrical energy for charging purposes. For example, the boost mode technique can be used to account for an internal resistance 270 and an internal inductance 275 associated with the RESS 120 .

4 ist ein Flussdiagramm eines beispielhaften Verfahrens 400 zum selektiven Aufladen des RESS 120 über eine externe Stromquelle, wie z.B. die Gleichstrom-Ladestation 30, die als Stromquelle fungiert, deren maximale Spannung niedriger ist als die des RESS 120. Die Blöcke des Verfahrens 400 können von der Steuerung 105 ausgeführt werden. Das Verfahren 400 beginnt in Block 402. In Block 405 wird ein Fahrzeugladebefehl an der Steuerung 105 empfangen. Der Fahrzeugladebefehl kann der Steuerung 105 beispielsweise bereitgestellt werden, wenn ein Stecker des Ladekabels 15 mit dem Ladeanschluss 11 verbunden wird. 4 FIG. 4 is a flow diagram of an example method 400 for selectively charging the RESS 120 from an external power source, such as the DC charging station 30, acting as a power source whose maximum voltage is lower than that of the RESS 120. The blocks of the method 400 may derive from FIG control 105 are executed. The method 400 begins at block 402. At block 405, a vehicle charge command is received at the controller 105. FIG. For example, the vehicle charge command may be provided to the controller 105 when a plug of the charge cable 15 is connected to the charge port 11 .

In Block 410 wird festgestellt, ob eine Eingangs-DC-DC-Wandler-Spannung größer oder gleich wie ein vorgegebener Spannungsschwellenwert ist. Die Steuerung 105 kann mit Hilfe eines oder mehrerer Sensoren (nicht dargestellt), die in der Gleichstrom-Ladeschaltung 10 eingesetzt werden, feststellen, ob die Eingangs-DC-DC-Wandler-Spannung größer oder gleich dem vorgegebenen Spannungsschwellenwert ist. Bei dem einen oder den mehreren Sensoren kann es sich beispielsweise um Spannungssensoren handeln, die einen Spannungswert an einem oder mehreren Knotenpunkten innerhalb der DC-Ladeschaltung 10 ermitteln. In einigen Ausführungsformen kann die Eingangs-DC-DC-Wandler-Spannung die von dem Vorladekondensator 230 gespeicherte Spannung umfassen.In block 410, it is determined whether an input DC-DC converter voltage is greater than or equal to a predetermined voltage threshold. The controller 105 may determine whether the input DC-DC converter voltage is greater than or equal to the predetermined voltage threshold using one or more sensors (not shown) employed in the DC charging circuit 10 . The one or more sensors can be voltage sensors, for example, which determine a voltage value at one or more nodes within the DC charging circuit 10 . In some embodiments, the input DC-DC converter voltage may include the voltage stored by the pre-charge capacitor 230 .

Falls die Eingangs-DC-DC-Wandler-Spannung unter dem vorgegebenen Spannungsschwellenwert liegt, veranlasst die Steuerung 105 in Block 415 den Gate-Treiber 110, Steuersignale zu erzeugen, die den Betrieb des Schalters 205 steuern. Beispielsweise kann der Gate-Treiber 110 Steuersignale übertragen, so dass ein Tiefsetzmodus-Tastverhältnis an das Gate 215 angelegt wird, wodurch der DC-DC-Wandler 115 in einem Tiefsetzmodus betrieben wird, der bewirkt, dass die vom Vorladekondensator 230 gespeicherte Spannung auf den vorbestimmten Spannungsschwellenwert ansteigt. Während des Tiefsetz-Betriebsmodus wird der Vorladekondensator 230 über die von der RESS 120 gelieferte Energie auf dem vorgegebenen Spannungsschwellenwert geladen.If the input DC-DC converter voltage is below the predetermined voltage threshold, in block 415 the controller 105 causes the gate driver 110 to generate control signals genes that control the operation of the switch 205. For example, gate driver 110 may transmit control signals such that a buck mode duty cycle is applied to gate 215, thereby operating DC-DC converter 115 in a buck mode that causes the voltage stored on pre-charge capacitor 230 to drop to the predetermined Voltage threshold increases. During the buck mode of operation, the pre-charge capacitor 230 is charged to the predetermined voltage threshold via the energy provided by the RESS 120 .

Wenn die Eingangs-DC-DC-Wandler-Spannung größer oder gleich dem vorbestimmten Spannungsschwellenwert ist, veranlasst die Steuerung 105 in Block 420 den Gate-Treiber 110, Steuersignale an die Schalter 205, 210 gemäß einem Boost-Modus-Tastverhältnis auszugeben, um einen Ladestrom auf einen vorbestimmten Ladestromschwellenwert hochzufahren. In einer Beispielimplementierung kann der vorbestimmte Ladestromschwellenwert etwa einhundertfünfundzwanzig Ampere (125 A) betragen. Es versteht sich jedoch, dass andere vorbestimmte Ladestromschwellenwerte auf der Grundlage eines Aufladevorgangs ausgewählt werden können. In verschiedenen Implementierungen wird der Schalter 210 (sowie der Schalter 205 aufgrund der komplementären Natur der Schalter 205, 210) des DC-DC-Wandlers 115 über die an das Gate 220 angelegten Steuersignale gesteuert, um einen Ladestrom zu steuern, der dem RESS 120 zugeführt wird. Das Boost-Modus-Tastverhältnis kann eine Amplitude des Ladestroms so steuern, dass der Ladestrom bis zu dem vorgegebenen Ladestromschwellenwert ansteigt. Der Ladestrom kann von der Gleichstrom-Ladestation 30 über den Schalter 205 an das RESS 120 geliefert werden. In einigen Fällen veranlasst die Steuerung 105 den Gate-Treiber 110, Steuersignale mit einer Totzeit zwischen den komplementären Signalen auszugeben, die an die Gates von 215 und 220 angelegt werden, um das Durchschießen des Stroms über die Schalter 205 und 210 abzuschwächen.If the input DC-DC converter voltage is greater than or equal to the predetermined voltage threshold, in block 420 the controller 105 causes the gate driver 110 to output control signals to the switches 205, 210 according to a boost mode duty cycle to achieve a Charging current ramp up to a predetermined charging current threshold. In an example implementation, the predetermined charging current threshold may be approximately one hundred twenty-five amperes (125 A). However, it should be understood that other predetermined charging current thresholds may be selected based on a charging event. In various implementations, switch 210 (as well as switch 205 due to the complementary nature of switches 205, 210) of DC-DC converter 115 is controlled via the control signals applied to gate 220 to control a charging current supplied to RESS 120 becomes. The boost mode duty cycle may control an amplitude of the charge current such that the charge current increases up to the predetermined charge current threshold. The charging current can be supplied from the DC charging station 30 to the RESS 120 via the switch 205 . In some cases, the controller 105 causes the gate driver 110 to output control signals with a dead time between the complementary signals applied to the gates of 215 and 220 to mitigate the current shoot-through through the switches 205 and 210.

In Block 425 wird festgestellt, ob der Ladevorgang abgeschlossen ist. Die Steuerung 105 kann zum Beispiel eine von der RESS 120 gespeicherte Spannung mit einem RESS-Spannungsschwellenwert vergleichen. Wenn die von der RESS 120 gespeicherte Spannung größer oder gleich dem RESS-Spannungsschwellenwert ist, ist der Ladevorgang abgeschlossen. Wenn der Ladevorgang nicht abgeschlossen ist, kehrt das Verfahren 400 zu Block 420 zurück.Block 425 determines whether loading is complete. For example, the controller 105 may compare a voltage stored by the RESS 120 to a RESS voltage threshold. When the voltage stored by the RESS 120 is greater than or equal to the RESS voltage threshold, charging is complete. If the loading process is not complete, the method 400 returns to block 420 .

Andernfalls veranlasst die Steuerung 105, dass der Ladestrom heruntergefahren wird, indem es den Schalter 210 im Block 430 in den offenen Zustand versetzt. In Block 435 veranlasst die Steuerung 105, dass beide Schalter 205, 210 in den offenen Zustand übergehen, und die im Vorladekondensator 230 gespeicherte Spannung wird über den Entladewiderstand 235 entladen. Das Verfahren 400 endet dann in Block 440.Otherwise, controller 105 causes the charge current to ramp down by placing switch 210 in the open state at block 430 . In block 435 the controller 105 causes both switches 205, 210 to transition to the open state and the voltage stored in the pre-charge capacitor 230 is discharged through the discharge resistor 235. The method 400 then ends in block 440.

Die Beschreibung der vorliegenden Offenbarung ist lediglich beispielhafter Natur, und Variationen, die nicht vom Kern der vorliegenden Offenbarung abweichen, sollen in den Anwendungsbereich der vorliegenden Offenbarung fallen. Solche Variationen sind nicht als Abweichung von Geist und Umfang der vorliegenden Offenbarung zu betrachten.The description of the present disclosure is merely exemplary in nature and variations that do not depart from the gist of the present disclosure are intended to be within the scope of the present disclosure. Such variations are not to be regarded as a departure from the spirit and scope of the present disclosure.

Claims (7)

Ein elektrisches System, das eine von einer Gleichstrom-Ladestation, gelieferte Spannung erhöht, umfassend: ein wiederaufladbares Energiespeichersystem, RESS; und einen Gleichstrom-Gleichstrom-Wandler, DC-DC-Wandler, der mit dem RESS verbunden und konfiguriert ist, sich mit der Gleichstrom-Ladestation zu verbinden, wobei der DC-DC-Wandler konfiguriert ist, das RESS selektiv mit der DC-Ladestation zu verbinden, so dass dem RESS während eines Aufladevorgangs selektiv ein Ladestrom bereitgestellt wird.An electrical system that boosts voltage supplied by a DC charging station, comprising: a rechargeable energy storage system, RESS; and a DC-to-DC converter, DC-DC converter connected to the RESS and configured to connect to the DC charging station, wherein the DC-DC converter is configured to selectively connect the RESS to the DC charging station to connect so that the RESS is selectively provided with a charging current during a charging process. Das elektrisches System nach Anspruch 1, wobei der DC-DC-Wandler einen ersten Schalter und einen zweiten Schalter umfasst.The electrical system after claim 1 , wherein the DC-DC converter comprises a first switch and a second switch. Das elektrisches System nach Anspruch 2, wobei der erste Schalter und der zweite Schalter einen spannungsgesteuerten Halbleiterschalter umfassen.The electrical system after claim 2 , wherein the first switch and the second switch comprise a voltage-controlled semiconductor switch. Das elektrisches System nach Anspruch 3, wobei der spannungsgesteuerte Halbleiterschalter mindestens eines aus einem Bipolartransistor mit Silizium-isolierter Gate-Elektrode, Silizium-IGBT, einem Siliziumcarbid-Metalloxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor, Siliziumcarbid-MOSFET, einem Silizium-Superübergangs-MOSFET, einem Galliumnitrid-Feldeffekttransistor, GaN-FET, einem SiC-Sperrschicht-Feldeffekttransistor, SiC-JFET, einer Vorrichtung mit breitem Bandabstand, WBG-Vorrichtung, und einer Vorrichtung mit ultraweitem Bandabstand, UWBG-Vorrichtung, umfasst.The electrical system after claim 3 , wherein the voltage-controlled semiconductor switch is at least one of a silicon-insulated-gate bipolar transistor, silicon IGBT, a silicon carbide-metal-oxide-semiconductor field effect transistor, silicon carbide MOSFET, a silicon superjunction MOSFET, a gallium nitride field effect transistor, GaN-FET , a SiC junction field effect transistor, SiC-JFET, a wide bandgap, WBG device, and an ultra wide bandgap, UWBG device. Das elektrisches System nach Anspruch 2, wobei der erste Schalter und der zweite Schalter konfiguriert sind, in komplementären Betriebszuständen zu arbeiten.The electrical system after claim 2 , wherein the first switch and the second switch are configured to operate in complementary operating states. Das elektrisches System nach Anspruch 2, ferner umfassend: eine Steuerung, die betriebsmäßig mit dem DC-DC-Wandler verbunden und konfiguriert ist, den DC-DC-Wandler so zu betreiben, um das RESS basierend auf einem Gatesignal, das an den ersten Schalter und/oder den zweiten Schalter geliefert wird, selektiv mit der Gleichstromladestation zu verbinden.The electrical system after claim 2 , further comprising: a controller operatively connected to the DC-DC converter and configured to control the DC-DC operate converters to selectively connect the RESS to the DC charging station based on a gate signal provided to the first switch and/or the second switch. Das elektrisches System nach Anspruch 6, wobei die Steuerung ferner konfiguriert ist: eine Eingangs-DC-DC-Wandler-Spannung mit einem vorbestimmten Spannungsschwellenwert zu vergleichen; und den ersten Schalter selektiv zu betreiben, um eine von einem Vorladekondensator gespeicherte Spannung hochzufahren, wobei der Vorladekondensator unter Verwendung von durch das RESS bereitgestellter Energie geladen wird.The electrical system after claim 6 , wherein the controller is further configured to: compare an input DC-DC converter voltage to a predetermined voltage threshold; and selectively operate the first switch to ramp up a voltage stored by a pre-charge capacitor, the pre-charge capacitor being charged using energy provided by the RESS.
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