DE102023130124A1 - Spannungswandler und Steuerung dafür - Google Patents

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DE102023130124A1
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Hector Sarnago Andia
Oscar Lucia Gil
Ruben Molina Llorente
Antonio Martinez Perez
Pablo Gaona Rosanes
Rafael Jimenez Pino
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Abstract

Ein Spannungswandler enthält eine Wandlerstufe mit einem Gleichstrom-zu-Gleichstrom-(DC-zu-DC)-Spannungswandler, wobei die Wandlerstufe eine erste Gleichspannung erhält und eine zweite Gleichspannung ausgibt, die sich von der ersten Gleichspannung unterscheidet. Der Spannungswandler enthält auch eine Aufwärtsvorstufe mit einem erhöhenden Schaltkreis und einem Kondensator, wobei die Aufwärtsvorstufe eine Gleichspannung von einer Batterie empfängt und eine erhöhte Gleichspannung an die Wandlerstufe als die erste Spannung ausgibt, wobei die erhöhte Gleichspannung größer ist als die Gleichspannung von der Batterie. Die erhöhte Gleichspannung der Aufwärtsvorstufe, die an die Wandlerstufe ausgegeben wird, ermöglicht einen fehlerresistenten Betrieb der Wandlerstufe im Falle einer oder mehrerer Schwankungen in einem Betriebsbereich der Gleichspannung aus der Batterie.

Description

  • Querverweis auf verwandte Anmeldung
  • Die vorliegende Anmeldung beansprucht die Vorteile der am 31. Oktober 2022 eingereichten US-Vorläufigen-Anmeldung Nr. 63/381,622 , deren Offenbarung hiermit durch Bezugnahme in vollem Umfang einbezogen wird.
  • Die vorliegende Offenbarung bezieht sich auf einen Gleichstrom-zu-Gleichstrom-(DC-zu-DC)-Spannungswandler und eine Steuereinheit für diesen.
  • Kurzbeschreibung der Zeichnungen
    • 1 ist ein vereinfachtes Blockdiagramm einer nicht einschränkenden, beispielhaften Ausführungsform eines DC-zu-DC-Spannungswandlers zur Wandlung von Hochspannung (HV) zu Niederspannung (LV);
    • 2 ist ein vereinfachtes Blockdiagramm einer nicht einschränkenden, beispielhaften Ausführungsform eines weiteren DC-zu-DC-Spannungswandlers zur Wandlung von Hochspannung (HV) zu Niederspannung (LV);
    • 3 ist ein vereinfachtes Blockdiagramm einer nicht einschränkenden, beispielhaften Ausführungsform eines DC-zu-DC-Spannungswandlers zur Wandlung von Hochspannung (HV) zu Niederspannung (LV) gemäß der vorliegenden Offenbarung; und
    • 4 ist ein vereinfachtes Blockdiagramm einer nicht einschränkenden, beispielhaften Ausführungsform eines weiteren DC-zu-DC-Spannungswandlers zur Wandlung von Hochspannung (HV) zu Niederspannung (LV) gemäß der vorliegenden Offenbarung.
  • Ausführliche Beschreibung
  • Es wird nun im Detail auf Ausführungsformen verwiesen, von denen Beispiele in den beigefügten Zeichnungen dargestellt sind. In der folgenden detaillierten Beschreibung werden zahlreiche spezifische Details dargelegt, um ein umfassendes Verständnis der verschiedenen beschriebenen Ausführungsformen bereitzustellen. Einem Fachmann wird es jedoch klar sein, dass die verschiedenen beschriebenen Ausführungsformen auch ohne diese spezifischen Details praktiziert werden können. In anderen Fällen wurden bekannte Methoden, Verfahren, Komponenten, Merkmale und Elemente nicht im Detail beschrieben, um Aspekte der Ausführungsformen nicht unnötig zu verschleiern.
  • Es versteht sich, dass die offenbarten Ausführungsformen lediglich beispielhaft sind und dass verschiedene und alternative Formen möglich sind. Die Figuren sind nicht notwendigerweise maßstabsgetreu; einige Merkmale können übertrieben oder verkleinert sein, um Details bestimmter Komponenten zu zeigen. Daher sind spezifische strukturelle und funktionelle Details, die hier offenbart werden, nicht als einschränkend zu verstehen, sondern lediglich als repräsentative Grundlage, um dem Fachmann zu zeigen, wie er Ausführungsformen gemäß der Offenbarung auf verschiedene Weise einsetzen kann.
  • „Eine oder mehrere“ und/oder „mindestens eine“ enthält eine Funktion, die von einem Element ausgeführt wird, eine Funktion, die von mehr als einem Element ausgeführt wird, z. B. in verteilter Form, mehrere Funktionen, die von einem Element ausgeführt werden, mehrere Funktionen, die von mehreren Elementen ausgeführt werden, oder eine beliebige Kombination der oben genannten.
  • Es versteht sich auch, dass, obwohl die Begriffe „erste“, „zweite“ usw. hier in einigen Fällen zur Beschreibung verschiedener Elemente verwendet werden, diese Elemente nicht durch diese Begriffe beschränkt werden sollten. Diese Begriffe werden nur verwendet, um ein Element von einem anderen zu unterscheiden. So könnte beispielsweise ein erster Kontakt als zweiter Kontakt bezeichnet werden, und ebenso könnte ein zweiter Kontakt als erster Kontakt bezeichnet werden, ohne dass dies vom Anwendungsbereich der verschiedenen beschriebenen Ausführungsformen abweicht. Der erste Kontakt und der zweite Kontakt sind beide Kontakte, aber sie sind nicht derselbe Kontakt.
  • Die in der Beschreibung der verschiedenen hier beschriebenen Ausführungsformen verwendete Terminologie dient nur der Beschreibung bestimmter Ausführungsformen und soll nicht einschränkend sein. Wie in der Beschreibung der verschiedenen beschriebenen Ausführungsformen und den beigefügten Ansprüchen verwendet, sind die Singularformen „ein“, „eine“, „einer“, „der“, „die“ und „das“ so zu verstehen, dass sie auch die Pluralformen enthalten, es sei denn, aus dem Kontext geht eindeutig etwas anderes hervor. Es versteht sich auch, dass der Begriff „und/oder“, wie er hier verwendet wird, sich auf alle möglichen Kombinationen von einem oder mehreren der aufgelisteten Elemente bezugnehmend und diese miteinschließt. Es versteht sich ferner, dass die Begriffe „enthält“, „enthaltend“, „umfasst“ und/oder „umfassend“, wenn sie in dieser Spezifikation verwendet werden, das Vorhandensein der angegebenen Merkmale, Schritte, Vorgänge, Elemente und/oder Komponenten spezifizieren, jedoch nicht das Vorhandensein oder die Hinzufügung eines oder mehrerer anderer Merkmale, Schritte, Vorgänge, Elemente, Komponenten und/oder Gruppen davon ausschließen.
  • Der hier verwendete Begriff „wenn“ kann je nach Kontext als „wenn“ oder „bei“ oder „als Reaktion auf die Feststellung“ oder „als Reaktion auf die Erkennung“ verstanden werden. In ähnlicher Weise wird der Ausdruck „wenn festgestellt wird“ oder „wenn [eine angegebene Bedingung oder ein Ereignis] festgestellt wird“ je nach Kontext wahlweise so ausgelegt, dass er „bei der Feststellung“ oder „als Reaktion auf die Feststellung“ oder „bei der Feststellung [der angegebenen Bedingung oder des Ereignisses]“ oder „als Reaktion auf die Feststellung [der angegebenen Bedingung oder des Ereignisses]“ bedeutet.
  • 1 ist ein vereinfachtes Blockdiagramm einer nicht einschränkenden, beispielhaften Ausführungsform eines DC-zu-DC-Spannungswandlers 10 zur Wandlung von Hochspannung (HV) zu Niederspannung (LV). 2 ist ein vereinfachtes Blockdiagramm einer nicht einschränkenden, beispielhaften Ausführungsform eines weiteren DC-zu-DC-Spannungswandlers 10 zur Wandlung von Hochspannung (HV) zu Niederspannung (LV).
  • Der DC-zu-DC-Wandler 10 kann so konfiguriert sein, dass er eine von einer HV-Batterie 12 gelieferte Hochspannung in eine Niederspannung umwandelt, um ein elektrisches Niederspannungsnetzwerk zu versorgen, das elektrische Niederspannungslasten in einem Elektrofahrzeug (nicht dargestellt) enthält, und um eine LV-Batterie 14 zu laden, die ebenfalls elektrische Niederspannungsleistung für ein solches Niederspannungsnetzwerk bereitstellt. In einer beispielhaften Ausführungsform kann die Spannung der HV-Batterie 12 größer als oder gleich 48 Volt sein, während die Spannung der LV-Batterie 14 kleiner als oder gleich 24 Volt sein kann, obwohl HV- und LV-Batterien mit anderen Spannungsniveaus verwendet werden können.
  • Der in den 1 und 2 gezeigte HV-zu-LV (HV/LV) DC-zu-DC-Spannungswandler 10 ist dazu ausgebildet, um elektrische Energie oder Leistung für ein Niederspannungsnetz oder ein elektrisches Netzwerk aus der HV-Batterie 12 bereitzustellen. Die elektrischen LV-Lasten (nicht dargestellt) werden durch den DC-zu-DC-Wandler 10 und das Batteriesystem, das die LV-Batterie 14 enthält, parallel versorgt. Wie bereits erwähnt, ermöglicht der DC-zu-DC-Wandler 10 auch das Laden der LV-Batterie 14. Es wird auch darauf hingewiesen, dass der DC-zu-DC-Wandler 10 optional für Bidirektionalität konfiguriert werden kann.
  • Der DC-zu-DC-Wandler 10 sollte auch so ausgelegt sein, dass der Betrieb im Falle einer Fehlfunktion des Hochspannungsnetzes gewährleistet ist. Ein Beispiel für eine solche Störung, die zwar äußerst selten auftritt, ist das Absinken der Spannung der HV-Batterie 12 unter einen für den ordnungsgemäßen Betrieb des DC-zu-DC-Wandlers 10 ausreichenden Schwellenwert, z.B. 70 Volt. Wie in 2 zu sehen ist, besteht eine Lösung zur Behebung einer solchen Fehlfunktion darin, einen Kondensator 16 als Energiespeicher hinzuzufügen. Wenn die HV-Batterie 12 ordnungsgemäß funktioniert, lässt die Diode 18 Strom von der HV-Batterie 12 zum DC-zu-DC-Wandler 10 fließen. Die von der HV-Batterie 12 an den DC-zu-DC-Wandler 10 bereitgestellte Eingangsspannung ist somit ausreichend, und der Kondensator 16 wird ebenfalls über die Diode 18 und einen Widerstand 20 auf ungefähr das Spannungsniveau der HV-Batterie 12 geladen. In dieser Hinsicht wird der Kondensator 16 mit einem Kapazitätswert (z.B. gemessen in Farad (F)) bereitgestellt, der ausreicht, um auf das gewünschte Energieniveau aufgeladen zu werden. Insbesondere kann der Kondensator 16 in einer beispielhaften Implementierung oder Ausführungsform so konfiguriert sein, dass er einen vorübergehenden „Glitch“ am HV-Input von 3 Millisekunden (ms) unterstützt und während dieser Zeit einer Leistung von 2,7 Kilowatt (kW) standhält. Daher kann der Kondensator 16 in einer solchen Implementierung oder Ausführungsform mit einem Wert von 1,04 Millifarad (mF) bereitgestellt werden (d. h. 2,7 kW x 3 ms = 8,1 Joule (J); C = 2 x 8,1/(1952 - 1502) = 1,04 mF), was mit zwei (2x) 510 Mikrofarad (µF)/450 Volt (V) parallel erreicht werden kann. In einer solchen Implementierung oder Ausführungsform beeinflusst der Widerstand 32 nur die Zeit für eine erste Ladung und dient dazu, den Strom zu beschränken und das Durchbrennen der Eingangssicherung zu vermeiden, so dass er mit einem Wert von 100 Kilo-Ohm (kΩ) bereitgestellt werden kann.
  • Sollte die HV-Batterie 12 jedoch in der zuvor beschriebenen Weise ausfallen, d. h. eine Spannung unterhalb eines zufriedenstellenden Schwellenwerts (z. B. 70 Volt) abgeben, entlädt sich der Kondensator 16 über die Diode 22, um dem DC-zu-DC-Wandler 10 eine angemessene Eingangsspannung für seinen ordnungsgemäßen Betrieb bereitzustellen. In einem solchen Fall verhindert die Diode 18, dass die aus dem Kondensator 16 entladene Energie in die HV-Batterie 12 zurückfließt.
  • Wie bereits erwähnt, tritt die beschriebene Fehlfunktion, wobei die Spannung der HV-Batterie 12 unter einen zufriedenstellenden Schwellenwert (z. B. 70 Volt) fällt, nur äußerst selten auf. Daher besteht der Nachteil der beschriebenen Lösung mit dem Kondensator 16 darin, dass die mit der HV-Batterie 12 in Reihe geschaltete Diode 18 den Gesamtwirkungsgrad der vom DC-zu-DC-Wandler 10 bereitgestellten HV/LV-Wandlung während der gesamten Lebensdauer des Elektrofahrzeugs (nicht dargestellt), in dem der DC-zu-DC-Wandler 10 verwendet wird, beeinträchtigt. Außerdem wird ein solcher Wirkungsgradverlust in Kauf genommen, um einen sehr selten auftretenden Ausfall zu verhindern.
  • 3 ist ein vereinfachtes Blockdiagramm einer nicht einschränkenden, beispielhaften Ausführungsform eines DC-zu-DC-Spannungswandlers 10' zur Wandlung von Hochspannung (HV) zu Niederspannung (LV) gemäß der vorliegenden Offenbarung. Wie darin zu sehen ist, wird, um die zuvor beschriebene Fehlfunktion zu beheben, wobei die Spannung der HV-Batterie 12 unter einen zufriedenstellenden Schwellenwert (z. B. 70 Volt) fällt, ohne dass der Wirkungsgrad beeinträchtigt wird, eine Aufwärtsvorstufe 30 vor dem DC-zu-DC-Wandler 10' hinzugefügt, die zusammen mit einem DC-Zwischenkreiskondensator 32 als Wandlertopologie oder Wandlerstufe 40 bezeichnet werden kann, um einen breiteren Betriebseingangsbereich für den DC-zu-DC-Wandler 10' effizient zu verwalten.
  • Dabei umfasst die Aufwärtsvorstufe 30 einen erhöhenden Schaltkreis 34 in Verbindung mit einer Hochspannungskapazität 36. Die Aufwärtsvorstufe 30 ist mit der Wandlerstufe 40 kaskadiert, die den DC-zu-DC-Wandler 10' enthält. Der erhöhende Schaltkreis 34 umfasst eine Induktivität 38, einen Schalter 42 (z. B. einen Transistor) und eine Diode 44. Durch das Schließen des Schalters 42 wird an der Induktivität 38 ein Magnetfeld erzeugt, wodurch Energie gespeichert wird. Das anschließende Öffnen des Schalters 42 bewirkt, dass die HV-Batterie 12 und die Induktivität 38 eines erhöhten Spannungsausgangsniveaus erzeugen, der größer ist als das Ausgangsspannungsniveau der HV-Batterie 12 allein, wobei die erhöhte Spannung als Input für die Wandlerstufe 40 bereitgestellt wird und den HV-Kondensator 36 über einen Widerstand 46 auf das erhöhte Spannungsniveau auflädt. Der Wert der erhöhten Spannung, die von der HV-Batterie 12 und der Induktivität 38 zugeführt wird, hängt vom Impedanzwert (z. B. gemessen in Henries (SI)) der Induktivität 38 und dem Betriebstastverhältnis (d. h. EIN/AUS) des Schalters 42 ab, das über Steuersignale gesteuert wird, die von einer Steuereinheit oder Steuerung (nicht gezeigt) erzeugt und übertragen werden. Der Impedanzwert der Induktivität 38 und die Einschaltdauer des Schalters 42 können daher so gewählt werden, dass die gewünschte Spannungserhöhung zusätzlich zu dem von der HV-Batterie 12 bereitgestellten Spannungsniveau bereitgestellt wird. Darüber hinaus wird der HV-Kondensator 36 mit einem Kapazitätswert (z. B. gemessen in Farad (F)) bereitgestellt, der ausreicht, um auf das gewünschte Energieniveau aufgeladen zu werden.
  • Im Falle der zuvor beschriebenen Fehlfunktion, wobei die Spannung der HV-Batterie 12 unter einen zufriedenstellenden Schwellenwert fällt (z. B. 70 Volt, der z. B. anhand der von einem Sensor (nicht dargestellt) gelieferten Daten bestimmt werden kann), entlädt sich der HV-Kondensator 36 über die Diode 48, um sicherzustellen, dass eine geeignete Spannung (d. h. das erhöhte Spannungsniveau) als Input für die Wandlerstufe 40, einschließlich des DC-zu-DC-Wandlers 10', bereitgestellt wird. In einem solchen Fall verhindert die Diode 44, dass die aus dem HV-Kondensator 36 entladene Energie zur Induktivität 38 und zur HV-Batterie 12 zurückfließt.
  • 4 ist ein vereinfachtes Blockdiagramm einer nicht einschränkenden, beispielhaften Ausführungsform eines weiteren DC-zu-DC-Spannungswandlers 10' zur Wandlung von Hochspannung (HV) zu Niederspannung (LV) gemäß der vorliegenden Offenbarung. Obwohl es sich um ein vereinfachtes Blockdiagramm handelt, stellt 4 eine detailliertere Version von 3 im Hinblick auf die Wandlerstufe 40 dar.
  • Wie in 4 zu sehen ist, wird die Aufwärtsvorstufe 30 vor dem DC-zu-DC-Wandler 10', die zusammen mit dem DC-Zwischenkreiskondensator 32 als Wandlertopologie oder Wandlerstufe 40 bezeichnet werden kann, hinzugefügt, um einen breiteren Betriebseingangsbereich für den DC-zu-DC-Wandler 10' effizient zu verwalten, um die zuvor beschriebene Fehlfunktion zu beheben, bei der die Spannung der 400 Volt HV-Batterie 12 unter einen zufriedenstellenden Schwellenwert (z. B. 70) Volt fällt, ohne dass es zu einem Effizienzverlust kommt, der zur Verhinderung eines sehr selten auftretenden Ausfalls festgestellt wurde.
  • Wie bereits erwähnt, zeigt 4 eine detailliertere Version der Wandlerstufe 40 aus 3. Wie in 4 zu sehen, erstreckt sich die Wandlerstufe 40 über eine Primärseite 50 und eine Sekundärseite 60 des DC-zu-DC-Spannungswandlers 10'. Die Primärseite 50 des DC-zu-DC-Spannungswandlers 10' enthält neben dem DC-Zwischenkreiskondensator 32 die Schalter 54, 56 (z. B. Transistoren) und einen primärseitigen Transformator 58. Die Sekundärseite 60 des DC-zu-DC-Spannungswandlers 10' enthält einen sekundärseitigen Transformator 62 und Schalter 66, 68, 70, 72 (z.B. Transistoren) sowie einen DC-Zwischenkreiskondensator 74 und einen Filter für elektromagnetische Störungen (EMI) 76. Wie bereits beschrieben, werden im Betrieb die von der HV-Batterie 12 über eine HV-Fahrzeugsammelleitung gelieferten 400 Volt durch den DC-zu-DC-Spannungswandler 10' in 12 Volt Gleichspannung umgewandelt, um eine elektrische Stromverteilungssammelleiste 80 eines Elektrofahrzeugs (nicht dargestellt) zu versorgen. Die Schalter 54, 56 der Primärseite 50 und die Schalter 66, 68, 70, 72 der Sekundärseite 60 des DC-zu-DC-Wandlers 10' werden von einer Steuereinheit oder einer Steuerung 100 gesteuert, der entsprechend programmiert ist, um die Schalter 54, 56, 66, 68, 70, 72 zu steuern, um die hier beschriebene HV/LV-Gleichspannungswandlung (z. B. 400 Volt DC in 12 Volt DC) über Steuersignale zu erzeugen, die von der Steuereinheit 100 erzeugt und übertragen werden. Es sollte auch beachtet werden, dass die in 4 gezeigte Wandlertopologie 40 nur beispielhaft ist und dass die vorliegende Offenbarung auch mit anderen Wandlertopologien verwendet werden kann. In dieser Hinsicht ist eine beispielhafte Wandlertopologie in der US-Patentanmeldung Nr. 2022/0060119 A1 mit dem Titel „DC-to-DC Converter“ offenbart, die hiermit durch Bezugnahme hierin in ihrer Gesamtheit aufgenommen wird.
  • Bezugnehmend auf 4 umfasst die Aufwärts vorstufe 30 den erhöhenden Schaltkreis 34 in Verbindung mit dem Hochspannungskondensator 36. Die Aufwärts vorstufe 30 ist mit der Wandlerstufe 40 kaskadiert, die den DC-zu-DC-Wandler 10' enthält. Der erhöhende Schaltkreis 34 umfasst die Induktivität 38, den Schalter 42 und die Diode 44. Durch das Schließen des Schalters 42 wird an der Induktivität 38 ein Magnetfeld erzeugt, wodurch Energie gespeichert wird. Das anschließende Öffnen des Schalters 42 bewirkt, dass die HV-Batterie 12 und die Induktivität 38 ein erhöhtes Spannungsniveau ausgeben, das größer ist als das von der HV-Batterie 12 bereitgestellten 400 Volt, wobei die erhöhte Spannung als Input für die Wandlerstufe 40 bereitgestellt wird und den HV-Kondensator 36 über den Widerstand 46 auf das erhöhte Spannungsniveau auflädt. Der Wert der erhöhten Spannung, die von der HV-Batterie 12 und der Induktivität 38 zugeführt wird, hängt vom Impedanzwert der Induktivität 38 und dem Betriebstastverhältnis (d. h. EIN/AUS) des Schalters 42 ab, das über Steuersignale gesteuert wird, die von einer Steuereinheit oder Steuerung 90 erzeugt und übertragen werden. Wie in 4 dargestellt, beträgt der Wert der erhöhten Spannung 475 Volt. Darüber hinaus wird der HV-Kondensator 36 mit einem Kapazitätswert (z. B. gemessen in Farad (F)) bereitgestellt, der ausreicht, um auf das gewünschte Energieniveau aufgeladen zu werden.
  • Im Falle der zuvor beschriebenen Fehlfunktion, wobei die Spannung der HV-Batterie 12 unter einen zufriedenstellenden Schwellenwert fällt (z. B. 70 Volt, der z. B. anhand der von einem Sensor (nicht dargestellt) gelieferten Daten bestimmt werden kann), entlädt sich der HV-Kondensator 36 über die Diode 48, um sicherzustellen, dass eine geeignete Spannung (d. h. das erhöhte Spannungsniveau) als Input für die Wandlerstufe 40, einschließlich des DC-zu-DC-Wandlers 10', bereitgestellt wird. In einem solchen Fall verhindert die Diode 44, dass die aus dem HV-Kondensator 36 entladene Energie zur Induktivität 38 und zur HV-Batterie 12 zurückfließt.
  • Es wird darauf hingewiesen, dass in einer beispielhaften Implementierung oder Ausführungsform gemäß der vorliegenden Offenbarung die Induktivität 38 mit einem Wert im Bereich von 150 Mikrohenrien (µH) für einen maximalen Eingangsstrom von 25 Ampere (A) bereitgestellt werden kann. Außerdem kann der Kondensator 36 mit einem Wert von 240µF/500V bereitgestellt werden, der Widerstand 46 kann mit einem Wert von 100kΩ bereitgestellt werden, der Kondensator 32 kann mit einem Wert von 1,5µF/900V bereitgestellt werden, und der Kondensator 74 kann 27 Kondensatoren (27x) umfassen, die jeweils einen Wert von 10µF/50V in Parallelschaltung aufweisen. In einer solchen beispielhaften Implementierung oder Ausführungsform können die Schalter 42, 54 und 56 auf der Hochspannungsseite jeweils einen Siliziumkarbid-(SiC)-Metalloxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor (MOSFET) 750 V umfassen, wobei jedoch anzumerken ist, dass je nach maximaler Spannung auf der Hochspannungsseite auch andere Technologien möglich sind. Die Schalter 66, 68, 70 und 72 auf der Niederspannungsseite können jeweils (2x) 80V/1,4mΩ MOSFETs umfassen. Außerdem kann die Diode 44 eine 1200V/10A SiC-Schottky-Diode und die Diode 48 eine 1000V UFastDiode umfassen. Jeder der Kondensatoren C3P1 und C4P1 auf der HV-Seite kann mit einem Wert von 5,6µF/500V bereitgestellt werden, und der verbleibende Transistor auf der LV-Seite, der mit dem EMI-Filter 76 verbunden ist, kann (2x) 40V/0,4mΩ MOSFETs umfassen.
  • Wie Fachleute wissen, können die Steuereinheiten 90, 100 sowie jede andere hier beschriebene Komponente, jedes System, Subsystem, jede Einheit, Schaltung, Stufe, jedes Modul, jede Schnittstelle, jeder Sensor, jedes Gerät oder Ähnliches einzeln, gemeinsam oder in beliebiger Kombination eine geeignete Schaltung umfassen, wie einen oder mehrere entsprechend programmierte Prozessoren (z. B, einen oder mehrere Mikroprozessoren, einschließlich zentraler Verarbeitungseinheiten (CPU)) und zugehörige Speicher, die gespeicherte Betriebssystemsoftware, Firmware und/oder Anwendungssoftware enthalten können, die von dem/den Prozessor(en) ausgeführt werden können, um deren Betrieb, jede Komponente, jedes System, Untersystem, jede Einheit, jeden Schaltkreis, jede Stufe, jedes Modul, jede Schnittstelle, jeden Sensor, jede Vorrichtung oder Ähnliches, die hierin beschrieben sind, zu steuern und/oder um den speziellen Algorithmus oder die speziellen Algorithmen auszuführen, die durch die verschiedenen hierin beschriebenen Methoden, Funktionen und/oder Vorgänge dargestellt werden, einschließlich der Interaktion zwischen und/oder der Kooperation miteinander.
  • Wie hierin beschrieben, stellt die vorliegende Offenbarung somit eine Lösung für die zuvor beschriebene Fehlfunktion bereit, an der ein DC-zu-DC-Wandler beteiligt ist, wobei die Spannung einer HV-Batterie unter einen Schwellenwert fällt, der für einen ordnungsgemäßen Betrieb des DC-zu-DC-Wandlers nicht ausreicht, ohne dass der DC-zu-DC-Wandler einen Effizienzverlust erleidet, um einen sehr selten auftretenden Ausfall zu verhindern. Die vorliegende Offenbarung stellt auch eine solche Lösung mit weniger Komponenten bereit, wodurch Gewicht und Größe eines DC-zu-DC-Wandlers reduziert werden, und ist leicht in verschiedenen Leistungs- und Fahrzeugarchitekturumgebungen skalierbar. Die Lösung der vorliegenden Offenbarung ist auch für den Einsatz in einer 12-Volt-Batterie-losen Elektrofahrzeug-Architektur anpassbar und deckt gleichzeitig Anwendungsfälle für HV-Batterie-Ausfälle ab.
  • Gegenstand 1: In einer Ausführungsform umfasst die vorliegende Offenbarung einen Spannungswandler, der eine Wandlerstufe umfasst, die einen Gleichstrom-zu-Gleichstrom-(DC-zu-DC)-Spannungswandler umfasst, wobei die Wandlerstufe eine erste Gleichspannung empfängt und eine zweite Gleichspannung ausgibt, die sich von der ersten Gleichspannung unterscheidet, sowie eine Aufwärtsvorstufe, die einen erhöhenden Schaltkreis und einen Kondensator umfasst, wobei die Aufwärtsvorstufe eine Gleichspannung von einer Batterie empfängt und eine erhöhte Gleichspannung an die Wandlerstufe als die erste Spannung ausgibt, wobei die erhöhte Gleichspannung größer ist als die Gleichspannung von der Batterie. Die erhöhte Gleichspannung der Aufwärtsvorstufe, die an die Wandlerstufe ausgegeben wird, ermöglicht einen fehlerresistenten Betrieb der Wandlerstufe im Falle einer oder mehrerer Schwankungen in einem Betriebsbereich der Gleichspannung aus der Batterie.
  • Gegenstand 2: In einer anderen Ausführungsform stellt die vorliegende Offenbarung den Wandler gemäß Gegenstand 1 bereit, wobei der erhöhende Schaltkreis eine Induktivität, eine Diode und einen Schalter umfasst und wobei ein Ausgang des erhöhenden Schaltkreises den Kondensator auflädt und elektrische Leistung für den DC-zu-DC-Wandler bereitstellt.
  • Gegenstand 3: In einer anderen Ausführungsform stellt die vorliegende Offenbarung den Wandler gemäß Gegenstand 2 bereit, wobei die Entladung des Kondensators dem DC-zu-DC-Wandler elektrische Leistung bereitstellt.
  • Gegenstand 4: In einer anderen Ausführungsform stellt die vorliegende Offenbarung den Wandler gemäß Gegenstand 2 oder Gegenstand 3 bereit, der ferner eine Steuereinheit umfasst, die den Betrieb des Schalters steuert, um das Laden des Kondensators zu bewirken.
  • Gegenstand 5: In einer anderen Ausführungsform stellt die vorliegende Offenbarung den Wandler gemäß einem der vorangehenden Gegenstände bereit, der ferner einen parallel zum DC-zu-DC-Wandler der Wandlerstufe geschalteten DC-Zwischenkreiskondensator umfasst.
  • Gegenstand 6: In einer anderen Ausführungsform stellt die vorliegende Offenbarung den Wandler gemäß einem der vorangehenden Gegenstände bereit, wobei die erste Gleichspannung größer ist als die zweite Gleichspannung.
  • Gegenstand 7: In einer anderen Ausführungsform stellt die vorliegende Offenbarung den Wandler gemäß einem der vorhergehenden Gegenstände bereit, wobei die erste Gleichspannung gleich oder größer als 400 Volt und die zweite Gleichspannung gleich oder kleiner als 12 Volt ist.
  • Gegenstand 8: In einer anderen Ausführungsform stellt die vorliegende Offenbarung den Wandler gemäß einem der vorhergehenden Gegenstände bereit, wobei der DC-zu-DC-Wandler der Wandlerstufe elektrische Leistung von einer Hochspannungsbatterie zu elektrischen Lasten in einem Niederspannungsnetzwerk zuführt, um die elektrischen Lasten zu betreiben.
  • Gegenstand 9: In einer anderen Ausführungsform stellt die vorliegende Offenbarung den Wandler gemäß einem der vorhergehenden Gegenstände bereit, wobei der DC-zu-DC-Wandler der Wandlerstufe elektrische Leistung von einer Hochspannungsbatterie zu einer Niederspannungsbatterie zuführt, um die Niederspannungsbatterie zu laden.
  • Gegenstand 10: In einer anderen Ausführungsform stellt die vorliegende Offenbarung ein Fahrzeug bereit, das den Wandler gemäß einem der vorangehenden Gegenstände umfasst.
  • Gegenstand 11: In einer anderen Ausführungsform stellt die vorliegende Offenbarung ein dauerhaftes computerausführbares Speichermedium mit gespeicherten computerausführbaren Anweisungen zur Steuerung eines Spannungswandlers bereit, der (i) eine Wandlerstufe, die einen Gleichstrom-zu-Gleichstrom-(DC-zu-DC)-Spannungswandler umfasst, und (ii) eine Aufwärtsvorstufe, die einen erhöhenden Schaltkreis und einen Kondensator umfasst, umfasst. Die Ausführung der computerausführbaren Anweisungen veranlasst den Wandler, als Reaktion auf den Empfang einer Gleichspannung von einer Batterie eine erhöhte Gleichspannung an die Wandlerstufe auszugeben, wobei die erhöhte Gleichspannung größer ist als die Gleichspannung von der Batterie, und die erhöhte Gleichspannung an der Wandlerstufe als eine erste Spannung zu empfangen und von der Wandlerstufe eine zweite Gleichspannung auszugeben, wobei die zweite Gleichspannung von der ersten Gleichspannung verschieden ist. Die erhöhte Gleichspannung der Aufwärtsvorstufe am Ausgang der Wandlerstufe stellt einen störungsfreien kontinuierlichen Betrieb der Wandlerstufe bei einer oder mehreren Schwankungen in einem Betriebsbereich der Gleichspannung aus der Batterie bereit.
  • Gegenstand 12: In einer anderen Ausführungsform stellt die vorliegende Offenbarung das dauerhafte computerlesbare Medium gemäß Gegenstand 11 bereit, wobei der erhöhende Schaltkreis eine Induktivität und einen Schalter umfasst und wobei ein Ausgang des erhöhenden Schaltkreises den Kondensator auflädt und dem DC-zu-DC-Wandler elektrische Leistung bereitstellt.
  • Gegenstand 13: In einer anderen Ausführungsform stellt die vorliegende Offenbarung das dauerhafte computerlesbare Medium gemäß Gegenstand 12 bereit, wobei die Entladung des Kondensators dem DC-zu-DC-Wandler elektrische Leistung bereitstellt.
  • Gegenstand 14: In einer anderen Ausführungsform stellt die vorliegende Offenbarung das dauerhafte computerlesbare Medium gemäß Gegenstand 12 oder 13 bereit, wobei der Wandler ferner eine Steuereinheit umfasst und wobei die Ausführung der computerausführbaren Anweisungen die Steuereinheit veranlasst, den Schalter zu betätigen, um das Laden des Kondensators zu bewirken.
  • Gegenstand 15: In einer anderen Ausführungsform stellt die vorliegende Offenbarung das dauerhafte computerlesbare Medium gemäß einem der vorhergehenden Gegenstände bereit, wobei der Wandler ferner einen DC-Zwischenkreiskondensator umfasst, der parallel zum DC-zu-DC-Wandler der Wandlerstufe geschaltet ist.
  • Gegenstand 16: In einer anderen Ausführungsform stellt die vorliegende Offenbarung das dauerhafte computerlesbare Medium gemäß einem der vorhergehenden Gegenstände bereit, wobei die erste Gleichspannung größer ist als die zweite Gleichspannung.
  • Gegenstand 17: In einer anderen Ausführungsform stellt die vorliegende Offenbarung das dauerhafte computerlesbare Medium gemäß einem der vorhergehenden Gegenstände bereit, wobei die erste Gleichspannung größer oder gleich 400 Volt und die zweite Gleichspannung kleiner oder gleich 12 Volt ist.
  • Gegenstand 18: In einer anderen Ausführungsform stellt die vorliegende Offenbarung ein dauerhaftes computerlesbares Medium gemäß einem der vorhergehenden Gegenstände zur Verfügung, wobei der DC-zu-DC-Wandler der Wandlerstufe elektrische Leistung von einer Hochspannungsbatterie zu elektrischen Lasten in einem Niederspannungsnetzwerk zuführt, um die elektrischen Lasten zu betreiben.
  • Gegenstand 19: In einer anderen Ausführungsform stellt die vorliegende Offenbarung das dauerhafte computerlesbare Medium gemäß einem der vorhergehenden Gegenstände bereit, wobei der DC-zu-DC-Wandler der Wandlerstufe elektrische Leistung von einer Hochspannungsbatterie zu einer Niederspannungsbatterie zuführt, um die Niederspannungsbatterie zu laden.
  • Gegenstand 20: In einer anderen Ausführungsform stellt die vorliegende Offenbarung ein Fahrzeug bereit, das das dauerhafte computerlesbare Medium gemäß einem der vorangehenden Gegenstände umfasst.
  • Während oben beispielhafte Ausführungsformen beschrieben werden, ist nicht beabsichtigt, dass diese Ausführungsformen alle möglichen Formen gemäß der Offenbarung beschreiben. In dieser Hinsicht sind die in der Spezifikation verwendeten Wörter eher beschreibend als einschränkend, und es versteht sich, dass verschiedene Änderungen vorgenommen werden können, ohne vom Wesen und Umfang der Offenbarung abzuweichen. Darüber hinaus können die verschiedenen Merkmale, Elemente, Komponenten, Methoden, Verfahren, Schritte und/oder Funktionen der verschiedenen Ausführungsformen in jeder beliebigen Kombination oder Kombinationen kombiniert oder verwendet und/oder in einer anderen als der hierin spezifisch beschriebenen Reihenfolge ausgeführt werden, um weitere Ausführungsformen gemäß der vorliegenden Offenbarung zu bilden, sofern aus dem Kontext nicht eindeutig etwas anderes hervorgeht.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • US 63/381622 [0001]
    • US 20220060119 A1 [0020]

Claims (20)

  1. Ein Spannungswandler umfassend: eine Wandlerstufe, die einen Gleichstrom-zu-Gleichstrom-(DC-zu-DC)-Spannungswandler umfasst, wobei die Wandlerstufe eine erste Gleichspannung empfängt und eine zweite Gleichspannung ausgibt, die sich von der ersten Gleichspannung unterscheidet; eine Aufwärtsvorstufe, die einen erhöhenden Schaltkreis und einen Kondensator umfasst, wobei die Aufwärtsvorstufe eine Gleichspannung von einer Batterie empfängt und eine erhöhte Gleichspannung an die Wandlerstufe als die erste Spannung ausgibt, wobei die erhöhte Gleichspannung größer ist als die Gleichspannung von der Batterie; wobei die erhöhte Gleichspannung der Aufwärtsvorstufe, die an die Wandlerstufe ausgegeben wird, einen fehlerresistenten Betrieb der Wandlerstufe im Falle einer oder mehrerer Schwankungen in einem Betriebsbereich der Gleichspannung von der Batterie ermöglicht.
  2. Der Wandler nach Anspruch 1, wobei der erhöhende Schaltkreis eine Induktivität, eine Diode und einen Schalter umfasst, und wobei ein Ausgang des erhöhenden Schaltkreises den Kondensator auflädt und dem DC-zu-DC-Wandler elektrische Leistung bereitstellt.
  3. Der Wandler nach Anspruch 2, wobei die Entladung des Kondensators dem DC-zu-DC-Wandler elektrische Leistung bereitstellt.
  4. Der Wandler nach Anspruch 2, der ferner eine Steuereinheit umfasst, die den Betrieb des Schalters steuert, um das Laden des Kondensators zu bewirken.
  5. Der Wandler nach Anspruch 1 umfasst ferner einen DC-Zwischenkreiskondensator, der parallel zum DC-zu-DC-Wandler der Wandlerstufe geschaltet ist.
  6. Der Wandler nach Anspruch 1, wobei die erste Gleichspannung größer ist als die zweite Gleichspannung.
  7. Der Wandler nach Anspruch 1, wobei die erste Gleichspannung gleich oder größer als 400 Volt ist und die zweite Gleichspannung gleich oder kleiner als 12 Volt ist.
  8. Der Wandler nach Anspruch 1, wobei der DC-zu-DC-Wandler der Wandlerstufe elektrische Leistung von einer Hochspannungsbatterie elektrischen Lasten in einem Niederspannungsnetzwerk zuführt, um die elektrischen Lasten zu betreiben.
  9. Der Wandler nach Anspruch 1, wobei der DC-zu-DC-Wandler der Wandlerstufe elektrische Leistung von einer Hochspannungsbatterie einer Niederspannungsbatterie zuführt, um die Niederspannungsbatterie zu laden.
  10. Ein Fahrzeug, das den Wandler nach Anspruch 1 umfasst.
  11. Ein dauerhaftes computerlesbares Speichermedium mit gespeicherten computerausführbaren Anweisungen zur Steuerung eines Spannungswandlers, umfassend (i) eine Wandlerstufe, die einen Gleichstrom-zu-Gleichstrom-(DC-zu-DC)-Spannungswandler umfasst, und (ii) eine Aufwärtsvorstufe, die einen erhöhenden Schaltkreis und einen Kondensator umfasst, wobei die Ausführung der computerausführbaren Anweisungen den Wandler dazu veranlasst, als Reaktion auf den Empfang einer Gleichspannung von einer Batterie eine erhöhte Gleichspannung an die Wandlerstufe auszugeben, wobei die erhöhte Gleichspannung größer ist als die Gleichspannung von der Batterie; und die erhöhte Gleichspannung an der Wandlerstufe als eine erste Spannung zu empfangen und von der Wandlerstufe eine zweite Gleichspannung auszugeben, wobei die zweite Gleichspannung von der ersten Gleichspannung verschieden ist; wobei die erhöhte Gleichspannung der Aufwärtsvorstufe, die an die Wandlerstufe ausgegeben wird, einen fehlerresistenten kontinuierlichen Betrieb der Wandlerstufe im Falle von einer oder mehreren Schwankungen in einem Betriebsbereich der Gleichspannung von der Batterie ermöglicht.
  12. Das dauerhafte computerlesbare Medium nach Anspruch 11, wobei der erhöhende Schaltkreis eine Induktivität und einen Schalter umfasst, und wobei ein Ausgang des erhöhenden Schaltkreises den Kondensator auflädt und dem DC-zu-DC-Wandler elektrische Leistung bereitstellt.
  13. Das dauerhafte computerlesbare Medium nach Anspruch 12, wobei die Entladung des Kondensators dem DC-zu-DC-Wandler elektrische Leistung bereitstellt.
  14. Das dauerhafte computerlesbare Medium nach Anspruch 12, wobei der Wandler ferner eine Steuereinheit umfasst, und wobei die Ausführung der computerausführbaren Anweisungen die Steuereinheit veranlasst, den Schalter zu betätigen, um das Laden des Kondensators zu bewirken.
  15. Das dauerhafte computerlesbare Medium nach Anspruch 11, wobei der Wandler ferner einen DC-Zwischenkreiskondensator umfasst, der parallel zum DC-zu-DC-Wandler der Wandlerstufe geschaltet ist.
  16. Das dauerhafte computerlesbare Medium nach Anspruch 11, wobei die erste Gleichspannung größer ist als die zweite Gleichspannung.
  17. Das dauerhafte computerlesbare Medium nach Anspruch 11, wobei die erste Gleichspannung größer als oder gleich 400 Volt und die zweite Gleichspannung kleiner als oder gleich 12 Volt ist.
  18. Das dauerhafte computerlesbare Medium nach Anspruch 11, wobei der DC-zu-DC-Wandler der Wandlerstufe elektrische Leistung von einer Hochspannungsbatterie zu elektrischen Lasten in einem Niederspannungsnetzwerk zuführt, um die elektrischen Lasten zu betreiben.
  19. Das dauerhafte computerlesbare Medium nach Anspruch 11, wobei der DC-zu-DC-Wandler der Wandlerstufe elektrische Leistung von einer Hochspannungsbatterie einer Niederspannungsbatterie zuführt, um die Niederspannungsbatterie zu laden.
  20. Fahrzeug, das das dauerhafte computerlesbare Medium nach Anspruch 11 umfasst.
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