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TECHNISCHES GEBIET
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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Fahrzeug und ein Steuerverfahren für das Fahrzeug und insbesondere eine Technik zum Entladen von elektrischer Restladung in einem Kondensator in einer Antriebsvorrichtung im Falle einer Fahrzeugkollision.
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STAND DER TECHNIK
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Als umweltfreundliches Fahrzeug lag der Fokus in den letzten Jahren auf einem elektrisch angetriebenen Fahrzeug, das eine montierte Leistungsspeichervorrichtung (beispielsweise eine Sekundärbatterie bzw. einen Akku, einen Kondensator oder dergleichen) hat, und unter Verwendung einer Antriebskraft fährt, die aus der in der Leistungsspeichervorrichtung gespeicherten elektrischen Leistung erzeugt wird. Solch ein elektrisch betriebenes Fahrzeug ist beispielsweise ein Elektrofahrzeug, ein Hybridfahrzeug, ein Brennstoffzellenfahrzeug und dergleichen.
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Derart elektrisch betriebene Fahrzeuge können einen Motor-Generator aufweisen, der zum Zeitpunkt des Starts oder zum Zeitpunkt der Beschleunigung elektrische Leistung von der Leistungsspeichervorrichtung erhält, um eine Antriebskraft zum Fahren zu erzeugen, und um Leistung durch regeneratives Bremsen (Rekuperation) zum Zeitpunkt des Bremsens zu erzeugen, um elektrische Leistung in der Leistungsspeichervorrichtung zu speichern. Um den Motor-Generator entsprechend dem Fahrzustand zu steuern hat das elektrisch betriebene Fahrzeug eine Leistungswandlungsvorrichtung, die elektrische Leistung mit einem Wandler, einem Inverter oder dergleichen umwandelt.
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Die Leistungswandlungsvorrichtung hat einen Glättungskondensator mit hoher Kapazität zum Stabilisieren der zugeführten Gleichstromleistung bzw. des zugeführten Gleichstroms. Während des Betriebs der Leistungswandlungsvorrichtung wird eine der angelegten Spannung entsprechende Ladung im Glättungskondensator gespeichert.
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Die im Glättungskondensator gespeicherte Ladung muß umgehend entladen werden, wenn eine Kollision des Fahrzeugs auftritt.
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JP 2010-178595 A betrifft eine Vorrichtung zur Steuerung eines Fahrzeuges, die im Falle einer Kollision einen Kondensator des Fahrzeuges zuverlässig entlädt. Das dort beschriebene Fahrzeug weist Leistungsspeichervorrichtung und eine Antriebsvorrichtung, die ausgestaltet ist, um elektrische Leistung aus der Leistungsspeichervorrichtung umzuwandeln, um eine Last anzutreiben, auf. Ferner besitzt das Fahrzeug eine Kollisionserfassungseinheit und einen Inverter.
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JP 2010-233310 A beschreibt einen DC/AC-Wandler und ein Verfahren zur dessen Entladung bei einer Kollision des Fahrzeugs.
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JP 2011-036048 A beschreibt ein Elektrofahrzeug, bei dem der Betrieb eines Inverters beendet wird, wenn es zu Kommunikationsproblemen zwischen verschiedenen Steuervorrichtungen kommt.
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US 2011/0031939 A1 betrifft eine Entladungsschaltung für einen Glättungskondensator einer Gleichstromversorgung.
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JP H11-308704 A beschreibt eine Steuervorrichtung eines Elektrofahrzeugs und ein entsprechendes Steuerverfahren, in dem der Entladestrom eines Glättungskondensators gesteuert wird.
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JP 2009-268222 A betrifft eine Vorrichtung zum Entladen einer Batterie, die an einem Motorgenerator angeordnet ist.
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Die
JP 2005-020952 A offenbart einen Aufbau eines Fahrzeugs mit einem Elektromotor als eine Antriebsquelle, wobei ein IGBT (Bipolartransistor mit isolierter Gate-Elektrode) in einer Inverterschaltung durch eine HV-ECU schaltgesteuert wird, um die Erzeugung eines Drehmoments am Elektromotor zu vermeiden, wenn während der Fahrt des Fahrzeugs eine Kollision erwartet wird, um die Ladung vom Kondensator im Inverter zu entladen.
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KURZFASSUNG DER ERFINDUNG
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Technisches Problem
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Gemäß der in der
JP 2005-020952 A offenbarten Technik wird die im Kondensator des Inverters gespeicherte Ladung durch den Elektromotor verbraucht, so dass der Effekt von in dem Kondensator gespeicherter Leistung mit hoher Spannung auf die Umgebung bei einer erwarteten Fahrzeugkollision vermieden werden kann.
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Jedoch ist, gemäß der
JP 2005-020952 A , eine Anweisung zum Antrieben des IGBT im Inverter von einer Steuervorrichtung nötig. Wenn die Kommunikation von der Steuervorrichtung zum Inverter unterbrochen bzw. deaktiviert ist, oder wenn die der Steuervorrichtung zuzuführende Leistung im Falle einer Kollision getrennt ist, kann keine Antriebsanweisung für den IGBT ausgegeben werden. Es besteht die Möglichkeit, dass die elektrische Restladung im Kondensator nicht in geeigneter Weise entladen werden kann.
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Ferner gibt es den Fall, bei dem ein Schema zum Entladen von elektrischer Restladung aus dem Kondensator durch die durch den elektrischen Verlust des IGBT verbrauchte elektrische Leistung angewandt werden kann, wenn die Kollision auftritt. In so einem Fall jedoch müssen die entladbare Spannung, die Elementtemperatur des IGBT und dergleichen beschränkt werden, um eine Beschädigung des IGBT aufgrund von Wärme zu vermeiden. Dementsprechend kann der Entladungsvorgang zeitaufwändig sein und/oder eine Entladungsoperation kann aufgrund der Beschränkung untersagt werden.
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Ausgehend vom vorgenannten ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, bei einem Fahrzeug mit einer Antriebsvorrichtung mit einem Kondensator, die im Kondensator gespeicherte elektrische Restladung bei einer Kollision zuverlässig in kurzer Zeit zu entladen.
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Lösung des Problems
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Ein Fahrzeug gemäß der vorliegenden Erfindung kann eine Fahrantriebskraft unter Verwendung einer in einer daran montierten Leistungsspeichervorrichtung gespeicherten elektrischen Leistung erzeugen. Das Fahrzeug hat eine Last, eine Antriebsvorrichtung, die ausgestaltet ist, um elektrische Leistung aus der Leistungsspeichervorrichtung umzuwandeln, um die Last anzutreiben, eine erste Steuervorrichtung, die ausgestaltet ist, um die Antriebsvorrichtung zu steuern, und eine Kollisionserfassungseinheit, die ausgestaltet ist, um eine Kollision des Fahrzeugs zu erfassen. Die Antriebsvorrichtung umfasst einen Inverter, einen Kondensator, der mit einem Gleichstromanschluss des Inverters verbunden ist, eine zweite Steuervorrichtung und eine Entladungsschaltung. Der Inverter hat Schaltelemente und wandelt Gleichstrom (DC-Power) aus der Leistungsspeichervorrichtung in Wechselstrom (AC-Power) um, um die Last anzutreiben. Die zweite Steuervorrichtung kann ein Signal von der ersten Steuervorrichtung empfangen und an diese senden, und steuert die Schaltelemente basierend auf einer Anweisung der ersten Steuervorrichtung. Die Entladungsschaltung führt, basierend auf einer Anweisung von der zweiten Steuervorrichtung bei Erfassung einer Kollision des Fahrzeugs durch die Kollisionserfassungseinheit, eine erste Entladungsoperation aus, die verursacht, dass eine in dem Kondensator verbliebene elektrische Restladung in der Antriebsvorrichtung verbraucht wird. Die erste Steuervorrichtung gibt eine Anweisung an die zweite Steuervorrichtung aus, um die zweite Steuervorrichtung zu veranlassen, eine zweite Entladungsoperation auszuführen, die verursacht, dass der Last Strom zugeführt wird, um die elektrische Restladung aus dem Kondensator zu entladen, wenn eine Spannung des Kondensators einen vorgegebenen Grenzwert übersteigt, wenn die Kollision des Fahrzeugs durch die Kollisionserfassungseinheit erfasst wird.
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Vorzugsweise gibt die erste Steuervorrichtung die Anweisung an die zweite Steuervorrichtung aus, um die zweite Steuervorrichtung zu veranlassen, die zweite Entladungsoperation auszuführen, wenn die Spannung des Kondensators den vorgegebenen Grenzwert nach Ablauf einer vorgegebenen Zeit ab dem Start der ersten Entladungsoperation durch die Entladungsschaltung übersteigt.
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Vorzugsweise veranlasst die zweite Steuervorrichtung die Entladungsschaltung, die erste Entladungsoperation auszuführen, wenn ein Kommunikationsfehler mit der ersten Steuervorrichtung auftritt.
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Erfindungsgemäß weist das Fahrzeug ferner eine Batterie auf, die ausgestaltet ist, um der ersten und zweiten Steuervorrichtung eine Leistungsversorgungsspannung zuzuführen. Die Entladungsschaltung führt die erste Entladungsoperation unabhängig davon durch, ob eine Anweisung von der zweiten Steuervorrichtung vorliegt, wenn die Leistungsversorgungsspannung von der Batterie niedriger als eine vorgegebene Referenzspannung ist.
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Vorzugsweise führt die Entladungsschaltung die erste Entladungsoperation durch Versetzen eines von zwei Schaltelementen in einer Brückenschaltung zumindest einer Phase des Inverters in einen Leitzustand und durch Schalten des anderen Schaltelements zwischen einem Leitzustand und einen Nichtleitzustand während der Verringerung einer Steuerklemmenspannung des anderen Schaltelements aus.
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Vorzugsweise hat die Antriebsvorrichtung weiter eine Entladungseinheit, die parallel zum Kondensator geschaltet ist. Die Entladungseinheit umfasst einen Widerstand und einen Schalter, die in Reihe geschalten sind. Die Entladungsschaltung führt die erste Entladungsoperation durch Versetzen des Schalters in einen Leitzustand aus.
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Erfindungsgemäß ist die Last eine rotierende elektrische Maschine, die mit Antriebsrädern des Fahrzeugs zum Erzeugen einer Fahrantriebskraft verbunden ist.
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Ein Steuerverfahren für ein Fahrzeug gemäß der vorliegenden Erfindung ist für ein Fahrzeug, das eine Fahrantriebskraft unter Verwendung einer daran montierten Leistungsspeichervorrichtung gespeicherten elektrischen Leistung erzeugen kann Das Fahrzeug umfasst eine Last, eine Antriebsvorrichtung, die ausgestaltet ist, um elektrische Leistung aus der Leistungsspeichervorrichtung umzuwandeln, um die Last anzutreiben, und eine Kollisionserfassungseinheit, die ausgestaltet ist, um eine Kollision des Fahrzeugs zu erfassen. Die Antriebsvorrichtung umfasst einen Inverter mit Schaltelementen, der ausgestaltet ist, um Gleichstrom (DC-Power) aus der Leistungsspeichervorrichtung in Wechselstrom (AC-Power) umzuwandeln, um die Last anzutreiben, einen Kondensator, der mit einem Gleichstromanschluss des Inverters verbunden ist, und eine Entladungsschaltung, die ausgestaltet ist, um eine erste Entladungsoperation auszuführen, die verursacht, dass eine in dem Kondensator verbliebene elektrische Restladung in der Antriebsvorrichtung verbraucht wird. Das Steuerverfahren weist folgende Schritte auf: Ausführen der ersten Entladungsoperation durch die Entladungsschaltung wenn eine Kollision des Fahrzeugs durch die Kollisionserfassungseinheit erfasst wird, und Steuern des Inverters derart, dass eine zweite Entladungsoperation ausgeführt wird, die verursacht, dass der Last Strom zugeführt wird, um die elektrische Restladung aus dem Kondensator zu entladen, wenn eine Spannung des Kondensators einen vorgegebenen Grenzwert übersteigt, wenn die Kollision des Fahrzeugs durch die Kollisionserfassungseinheit erfasst wird.
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VORTEILHAFTE EFFEKTE DER ERFINDUNG
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Bei einem Fahrzeug mit einer Antriebsvorrichtung mit einem Kondensator gemäß der vorliegenden Erfindung kann eine in dem Kondensator gespeicherte elektrische Restladung bei einer Kollision zuverlässig in kurzer Zeit entladen werden.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG
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1 zeigt eine Blockgesamtansicht eines Fahrzeugs gemäß einer Ausführungsform;
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2 zeigt eine Darstellung zum Erläutern des Entladens eines Kondensators mittels eines Motor-Generators;
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3 zeigt eine Darstellung zum Erläutern eines Beispiels eines PCU-Entladens;
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4 zeigt eine Darstellung zum Erläutern eines weiteren Beispiels eines PCU-Entladens;
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5 zeigt ein Flussschaubild, um detailliert einen Entladungssteuervorgang zu beschreiben, der durch eine HV-ECU bei der vorliegenden Ausführungsform ausgeführt wird;
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6 zeigt ein Flussschaubild, um einen Entladungssteuervorgang zu beschreiben, der von einer MG-ECU ausgeführt wird, wenn ein Kommunikationsfehler zwischen der HV-ECU und der MG-ECU auftritt; und
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7 zeigt ein Flussschaubild, um einen Entladungssteuervorgang der Entladungsschaltung zu beschreiben, wenn eine Spannung der Hilfsbatterie niedrig wird.
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BESCHREIBUNG VON AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend detailliert unter Bezugnahme auf die Zeichnung beschrieben. In den Zeichnungen werden korrespondierende Bauteile mit gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet und nicht in wiederholter Weise beschrieben.
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1 zeigt eine Blockgesamtansicht eines Fahrzeugs 100 gemäß der vorliegenden Ausführungsform. Obgleich die vorliegende Ausführungsform basierend auf einem Elektrofahrzeug als Beispiel für das Fahrzeug 100 beschrieben wird, ist der Aufbau des Fahrzeugs 100 hierauf nicht begrenzt und kann auf jedes Fahrzeug angewandt werden, das mittels elektrischer Leistung von einer Leistungsspeichervorrichtung fährt. Beispielsweise kann als Fahrzeug 100 statt dem Elektrofahrzeug ein Hybridfahrzeug oder Brennstoffzellenfahrzeug verwendet werden.
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Zunächst Bezug nehmend auf 1 umfasst das Elektrofahrzeug 100 eine Leistungsspeichervorrichtung 110, ein Systemhauptrelais (SMR) 115, eine Leistungssteuereinheit (PCU) 120, die eine Antriebsvorrichtung darstellt, einen Motor-Generator 150, ein Leistungsübertragungsgetriebe 154, ein Antriebsrad 155, eine Kollisionserfassungseinheit 190, eine Hilfsbatterie 200 sowie eine HV-ECU (elektronische Steuereinheit) 300, die eine Steuervorrichtung darstellt.
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Die PCU 120 umfasst einen Wandler 130, einen Inverter 140, eine MG-ECU 160, eine Entladungsschaltung 170 sowie Kondensatoren C1–C3. Alle Vorrichtungen in der PCU 120 sind grundsätzlich im gleichen Gehäuse aufgenommen und über ein Kabel, eine Sammelschiene oder dergleichen mit einer anderen Vorrichtung außerhalb der PCU 120 verbunden.
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Die Leistungsspeichervorrichtung 110 ist ein Speicherelement für elektrische Leistung und ausgestaltet, um ein Laden und Entladen zu ermöglichen. Die Leistungsspeichervorrichtung 110 ist derart ausgestaltet, dass sie eine Sekundärbatterie bzw. einen Akku wie beispielsweise eine Lithiumionenbatterie, eine Nickel-Metallhydridbatterie oder eine Bleibatterie umfasst, oder ein Leistungsspeicherelement wie einen elektrischen Doppelschichtkondensator.
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Die Leistungsspeichervorrichtung 110 ist mit dem Wandler 130 über eine Stromleitung PL1 und eine Erdungsleitung NL1 verbunden. Die Leistungsspeichervorrichtung 110 speichert am Motor-Generator 150 erzeugte elektrische Leistung. Die Leistungsspeichervorrichtung 110 gibt beispielsweise etwa 200 V aus.
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Die Relais im SMR 115 sind in die Stromleitung PL1 und Erdungsleitung PL1, welche die Leistungsspeichervorrichtung 110 und den Wandler 130 verbindet, eingefügt. Das SMR 115 wird durch ein Steuersignal SE1 von der HV-ECU 300 gesteuert, um zwischen dem Zuführen und Abtrennen von elektrischer Leistung zwischen der Leistungsspeichervorrichtung 110 und dem Wandler 130 zu schalten.
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Ein Kondensator C1 ist zwischen der Stromleitung PL1 und der Erdungsleitung NL1 angeordnet. Der Kondensator C1 verringert die Spannungsschwankung zwischen der Stromleitung PL1 und der Erdungsleitung NL1. Ein Spannungssensor 180 erfasst die Spannung über den Kondensator C1, um den erfassten Wert VL an die HV-ECU 300 über die MG-ECU 160 auszugeben.
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Der Wandler 130 umfasst Schaltelemente Q1 und Q2, Dioden D1 und D2 sowie eine Spule L1.
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Die Schaltelemente Q1 und Q2 sind in Reihe zwischen der Stromleitung PL2 und der Erdungsleitung NL1 in Richtung von der Stromleitung PL2 zur Erdungsleitung NL1 als Vorwärtsrichtung geschaltet. Obgleich ein IGBT als Beispiel eines Schaltelements der vorliegenden Erfindung zur Anwendung kommt, können ein Leistungs-MOS(Metaloxidhalbleiter)-Transistor oder ein Leistungsbipolartransistor als alternative Beispiele Anwendung finden.
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Gegenparallel laufende Dioden D1 und D2 sind jeweils mit den Schaltelementen Q1 und Q2 verbunden. Die Spule L1 ist zwischen dem Verbindungsknoten der Schaltelemente Q1 und Q2 und der Stromleitung PL1 angeordnet. In anderen Worten, der Wandler 130 bildet eine Chopper-Schaltung bzw. einen Wechselrichter.
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Die Schaltelemente Q1 und Q2 werden durch ein Gatesignal VGC gesteuert, das von der MG-ECU 160 basierend auf einem Steuersignal PWC von der HV-ECU 300 erzeugt wird, und führen eine Spannungswandlung zwischen der Stromleitung PL1 und der Erdungsleitung NL1 und der Stromleitung PL2 und der Erdungsleitung NL1 durch.
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Der Wandler 130 wird so gesteuert, dass die Schaltelemente Q1 und Q2 abwechselnd in komplementärer Weise in jeder Schaltperiode an und aus geschalten werden. Der Wandler 130 erhöht die Gleichstromspannung der Leistungsspeichervorrichtung 110 während einer Erhöhungsoperation. Diese Erhöhungsoperation wird durch Zuführen der an der Spule L1 gespeicherten elektromagnetischen Energie während der AN-Phase des Schaltelements Q2 zur Stromleitung PL2 über das Schaltelement Q1 und die gegenparallel laufende Diode D1 ausgeführt.
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Der Wandler 130 regelt die DC bzw. Gleichstromspannung der Lastvorrichtung während einer Herunterregeloperation herunter. Diese Herunterregeloperation wird durch Zuführen der elektromagnetischen Energie der Spule L1 während der AN-Phase des Schaltelements Q1 zur Erdungslinie NL1 über das Schaltelement Q2 und die gegenparallel laufende Diode D2 ausgeführt.
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Das Spannungswandlungsverhältnis in der Verstärkungsoperation und Herunterregeloperation wird durch das AN-Periodenverhältnis (Tast- bzw. Schaltverhältnis) der Schaltelemente Q1 und Q2 in den vorstehend genannten Schaltperioden gesteuert. Wenn keine Verstärkungsoperation und Herunterregeloperation notwendig sind, kann das Spannungswandlungsverhältnis auf 1,0 (Tast- bzw. Schaltverhältnis = 100%) gestellt werden indem das Steuersignal PWC derart eingestellt wird, dass die Schaltelemente Q1 und Q2 jeweils im AN- und AUS-Zustand festgelegt werden.
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Der Kondensator C2 ist zwischen der Stromleitung PL2 und der Erdungsleitung NL1 angeschlossen, die den Wandler 130 und den Inverter 140 verbindet. Der Kondensator C2 verringert die Spannungsschwankung zwischen der Stromleitung PL2 und der Erdungsleitung NL1. Ein Spannungssensor 185 erfasst die Spannung über den Kondensator C2 und gibt den erfassten Wert VH an die HV-ECU 300 über die MG-ECU 160 aus.
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Der Inverter 140 ist mit dem Wandler 130 über die Stromleitung PL2 und die Erdungsleitung NL1 verbunden. Der Inverter 140 wird durch ein Gatesignal VGI gesteuert, das durch die MG-ECU 160 basierend auf einem Steuerbefehl PWI von der HV-ECU 300 erzeugt wird, um die vom Wandler 130 ausgegebene DC-Leistung bzw. den Gleichstrom in Wechselstrom zum Antreiben des Motor-Generators 150 zu wandeln.
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Der Inverter 140 umfasst einen U-Phasenarm bzw. -zweig 141, eine V-Phasenarm bzw. -zweig 142 und einen W-Phasenarm bzw. -zweig 143, die eine Brückenschaltung bilden. Der U-Phasenzweig 141, der V-Phasenzweig 142 und der W-Phasenzweig 143 sind parallel zueinander zwischen der Stromleitung PL2 und der Erdungsleitung NL1 geschaltet.
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Der U-Phasenzweig 141 umfasst Schaltelemente Q3 und Q4, die in Reihe zwischen der Stromleitung PL2 und der Erdungsleitung NL1 geschaltet sind, sowie Dioden D3 und D4, die jeweils parallel zu den Schaltelementen Q3 und Q4 geschaltet sind. Die Diode D3 ist mit ihrer Kathode und Anode am Kollektor und Emitter des Schaltelements Q3 angeschlossen. Die Diode D4 ist mit ihrer Kathode und Anode entsprechend am Kollektor und Emitter des Schaltelements Q4 angeschlossen.
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Der V-Phasenzweig 142 umfasst Schaltelemente Q5 und Q6, die in Reihe zwischen der Stromleitung PL2 und der Erdungsleitung NL1 geschaltet sind, sowie Dioden D5 und D6, die parallel zu den Schaltelementen Q5 und Q6 geschaltet sind. Die Diode D5 ist mit ihrer Kathode und Anode entsprechend am Kollektor und Emitter des Schaltelements Q5 angeschlossen. Die Diode D6 ist mit ihrer Kathode und Anode entsprechend am Kollektor und Emitter des Schaltelements Q6 angeschlossen.
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Der W-Phasenzweig 143 umfasst Schaltelemente Q7 und Q8, die in Reihe zwischen der Stromleitung PL2 und der Erdungsleitung NL1 geschaltet sind, sowie Dioden D7 und D8, die parallel zu den jeweiligen Schaltelementen Q7 und Q8 geschaltet sind. Die Diode D7 ist mit ihrer Kathode und Anode entsprechend am Kollektor und Emitter des Schaltelements Q7 angeschlossen. Die Diode D8 ist mit ihrer Kathode und Anode entsprechend am Kollektor und Emitter des Schaltelements Q8 angeschlossen.
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Der Motor-Generator 150 ist ein Dreiphasen-Wechselstrom-Motor-Generator mit einem Rotor, in welchem ein Dauermagnet eingelassen ist, und einem Stator mit einer Dreiphasenwicklung, die in einer Y-Verbindung am Sternpunkt angeordnet ist. Die drei Wicklungen der U-, V- und W-Phase sind jeweils mit einem Ende gemeinsam am Sternpunkt verbunden. Die U-Phasenwicklung ist mit ihrem anderen Ende am Verbindungsknoten der Schaltelemente Q3 und Q4 verbunden. Die V-Phasenwicklung ist mit ihrem anderen Ende am Verbindungsknoten der Schaltelemente Q5 und Q6 verbunden. Die W-Phasenwicklung ist mit ihrem anderen Ende am Verbindungsknoten der Schaltelemente Q7 und Q8 verbunden.
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Das Ausgangsmoment des Motor-Generators 150 wird auf das Antriebsrad 155 über ein Leistungsübertragungsgetriebe 154 übertragen, das ausgestaltet ist, um einen Drehzahlverringerer und einen Leistungsverteilungsmechanismus aufzuweisen, um das Fahrzeug 100 zum Fahren zu bringen. Der Motor-Generator 150 kann elektrische Leistung aus einer Rotationskraft des Antriebsgrades 155 während eines regenerativen Bremsens (Rekuperation) des Fahrzeugs 100 erzeugen. Die erzeugte elektrische Leistung wird durch den Inverter 140 in einem Ladestrom für die Leistungsspeichervorrichtung 110 umgewandelt.
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Die Kollisionserfassungseinheit 190 umfasst einen Sensor (beispielsweise einen G-Sensor) der nicht dargestellt ist, um zu erfassen, ob eine Kollision des Fahrzeugs 100 vorliegt oder nicht. Ein Erfassungssignal COL hierzu wird an die HV-ECU 300 ausgegeben.
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Die MG-ECU 160 empfängt Steuersignale PWC und PWI von der HV-ECU 300 wie vorstehend angeführt. Basierend auf diesen Signalen erzeugt die MG-ECU 160 Gatesignale VGC und VGI und gibt diese an den Wandler 130 und den Inverter 140 aus, um jedes Schaltelement im Wandler 130 und im Inverter 140 anzutreiben bzw. anzusteuern.
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Die MG-ECU 160 empfängt ferner ein Kollisionssignal COL des Fahrzeugs 100 von der HV-ECU 300. Ansprechend auf den Eingang des Kollisionssignals COL gibt die MG-ECU 160 ein Entladungssignal DCH an die Entladungsschaltung 170 aus, um eine Entladungsoperation auszuführen, um eine elektrische Restladung im Kondensator C2 in der PCU 120 zu entladen (nachfolgend auch als „PCU-Entladen” beschrieben).
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Wie nachfolgend Bezug nehmend auf die 6 beschrieben werden wird, gibt die MG-ECU 160 ein Entladungssignal DCH and die Entladungsschaltung 170 auch in einem Fall aus, bei welchem ein Kommunikationsfehler mit der HV-ECU 300 erfasst wird.
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Die Entladungsschaltung 170 dient zum Ausführen des PCU-Entladens. Ansprechend auf den Eingang des Entladungssignal DCH von der MG-ECU 160 steuert die Entladungsschaltung 170 beispielsweise die Schaltelemente im Inverter 140 um das PCU-Entladen auszuführen.
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Die Hilfsbatterie 200 ist eine Spannungsquelle zum Zuführen einer Versorgungsspannung an eine Vorrichtung eines Niedrigspannungssystems im Fahrzeug 100, beispielsweise eine Hilfsvorrichtung die nicht dargestellt ist, sowie eine Steuervorrichtung wie jede ECU. Die Hilfsbatterie 200 ist üblicherweise als eine Bleispeicherbatterie mit einer Ausgangsspannung von etwa 12 V ausgebildet.
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Die Hilfsbatterie 200 gibt eine Versorgungsspannung an die HV-ECU 300, die MG-ECU 160 und die Entladungsschaltung 170 über die Stromleitung PL3 aus. Die Hilfsbatterie 200 ist mit dem mit der Entladungsschaltung 170 verbundenen Kondensator C3 über eine Diode verbunden.
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Die Entladungsschaltung 170 kann auch mittels elektrischer Leistung betrieben werden, die im Kondensator C3 gespeichert ist. Selbst wenn die Versorgungsspannung von der Hilfsbatterie 200 unterbrochen ist, kann daher die Entladungsschaltung 170 eine Entladungsoperation durch die im Kondensator C3 gespeicherte elektrische Leistung für eine willkürliche Zeit ausführen. Es kann eine Konfiguration zur Anwendung kommen, bei welcher die im Kondensator C2 gespeicherte elektrische Leistung heruntergestuft wird und der Entladungsschaltung 170 zugeführt wird, anstelle der Zufuhr der elektrischen Versorgungsspannung vom Kondensator C3.
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Die HV-ECU 300 umfasst eine CPU (Prozessorkern), eine Speichervorrichtung und einen Input-/Output-Puffer die in 1 alle nicht gezeigt sind, um ein Signal von jedem Sensor aufzunehmen, ein Steuersignal an jede Vorrichtung auszugeben, und um das Fahrzeug 100 sowie eine jede Vorrichtung zu steuern. Die Steuerung ist hierbei nicht auf das Abarbeiten durch Software beschränkt sondern kann vielmehr durch dedizierte Hardware (elektronische Schaltungen) realisiert werden.
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Wenn somit eine Fahrzeugantriebskraft durch die elektrische Leistung der Leistungsspeichervorrichtung erzeugt werden soll, sollte auch die Ausgangsleistung des Motor-Generators relativ hoch sein. Dementsprechend muss der Kondensator, der mit der Leistungswandlungsvorrichtung mit einem Inverter, einem Wandler und dergleichen verbunden ist, um den Motor-Generator zu steuern, eine hohe Spannung und große Kapazität aufweisen. Um daher den Effekt an die Umgebung soweit möglich zu unterdrücken, wenn ein Kurzschluss oder eine Erdung bei einem Zusammenstoß des Fahrzeugs auftritt, muss die im Kondensator verbleibende elektrische Restladung so schnell wie möglich entladen werden.
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Ein Verfahren zum Entladen der elektrischen Restladung im Kondensator umfasst das Entladen durch Ausführen eines Stromflusses während die Erzeugung eines Drehmoments am Motor-Generator (nachfolgend auch als „MG Entladen” bezeichnet) vermieden wird, wie in 2 gezeigt. Eine derartige Entladungsoperation wird auch beim Endprozess ausgeführt, wenn der Fahrer das Fahren des Fahrzeugs beendet.
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Wie beispielsweise in 2 gezeigt ist, werden die Schaltelemente Q3 und Q6 im Inverter 140 durch die MG-ECU 160 AN-gesteuert, wobei ein Strom, wie durch einen Pfeil AR1 dargestellt, fließt. Die elektrische Restladung im Kondensator C2 wird durch die U-Phasenwicklung und V-Phasenwicklung des Motor-Generators 150 verbraucht, was dem Entladen entspricht. Das Steuermuster bzw. Schaltmuster der Schaltelemente ist nicht auf das vorstehende begrenzt und kann jedes andere Muster annehmen. Alternativ kann das Steuermuster für jeden vorgegebenen Zeitpunkt umgeschaltet werden.
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Ein derartiges MG Entladen ist vorteilhaft, da das Entladen in kurzer Zeit ausgeführt werden kann, da die verbrauchte Leistung groß ist und die Wärmewiderstandstemperatur hoch ist. Da diese Operation jedoch basierend auf einem Steuersignal PWC von der HV-ECU 300 ausgeführt wird, besteht der Nachteil, dass die Entladungsoperation nicht ausgeführt werden kann, wenn die Signalleitung zwischen der HV-ECU 300 und der PCU 120 durch die Kollision des Fahrzeugs 100 beispielsweise unterbrochen wird. Darüber hinaus muss die den Inverter 140 und den Motor-Generator 150 verbindende Stromleitung in Ordnung sein.
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Ein PCU-Entladen, das eine Entladungsoperation unter Verwendung lediglich der Vorrichtungen in der PCU 120 ausführt, kann ausgeführt werden, selbst wenn keine Anweisung von der HV-ECU 300 vorliegt. Da die Elemente bzw. Vorrichtungen der PCU 120 häufig in einem Gehäuse aufgenommen sind, wie vorstehend beschrieben, wird der Signalübertragungspfad und Leistungsübertragungspfad in der PCU 120 nicht so leicht beschädigt, selbst wenn eine Kollision auftritt. Daher wird das PCU-Entladen, das keine außerhalb der PCU 120 liegende Vorrichtung nutzt, nicht durch einen Schaden des Fahrzeugs zum Zeitpunkt der Kollision beeinflusst, was eine relativ zuverlässige Ausführung der Operation ermöglicht. Das PCU-Entladen wird durch die Entladungsschaltung 170 ausgeführt.
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3 zeigt ein Beispiel eines bestimmten Aufbaus des PCU-Entladens. Obgleich der Fall, bei welchem das Entladen mit den Schaltelementen im Inverter 140 Bezug nehmend auf 3 beschrieben wird, können auch die Schaltelemente im Wandler 130 verwendet werden.
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Bezug nehmend auf 3 umfasst die Entladungsschaltung 170 eine Steuereinheit 171, eine Gateansteuer bzw. Gateantriebseinheit 172 und eine Stromerfassungseinheit 173. Die Funktionen der Steuereinheit 171, der Gateantriebseinheit 172 und der Stromerfassungseinheit 173 können durch Software verwirklicht werden. Gleichwohl ist das Verwirklichen durch Hardware vorzuziehen, um den Betrieb zuverlässig ausführen zu können selbst wenn ein Notfall wie eine Kollision auftritt.
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Die Steuereinheit 171 empfängt ein Entladungssignal DCH von der MG-ECU 160. Nach Empfang des Entladungssignals DCH gibt die Steuereinheit 171 eine Anweisung an die Gateantriebseinheit 172 aus, um die Schaltelemente zu veranlassen, in der nachfolgend beschriebenen Weise zu arbeiten.
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Die Gateantriebseinheit 172 gibt eine Gatespannung im Sättigungsbereich an das Schaltelement Q4 aus, d. h. beispielsweise den unteren Arm bzw. Zweig im U-Phasenzweig 141 um das Schaltelement Q4 bei geringem Widerstand leitend zu machen. Dann legt die Gateantriebseinheit 172 die Gatespannung im nicht gesättigten Bereich intermittierend an das Schaltelement Q3 an, d. h. den oberen Zweig bzw. Arm des U-Phasenzweigs 141. Durch Ansteuern der Schaltelemente Q3 und Q4 durch ein derartiges Gatesignal VGI_dc fließt ein Strom, wie durch einen Pfeil AR2 in 3 gezeigt.
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Das Ansteuern des Schaltelements Q3 im nicht gesättigten Bereich erhöht hierbei den Leitungswiderstand des Schaltelements Q3, so dass der Kurzschlussstrom zwischen der Stromleitung PL2 und der Erdungsleitung NL1 beschränkt wird und die Ladung des Kondensators C2 durch den Leitungsverlust des Schaltelements Q3 entladen werden kann.
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Die Stromerfassungseinheit 173 erfasst von einem Stromsensor 145, der an jedem Zweig bzw. Arm vorgesehen ist, einen Strom Isw, der durch jeden Arm fließt. Die Steuereinheit 171 stellt die Gatespannung und/oder das Schaltverhältnis des Schaltelements Q3, sofern notwendig, basierend auf dem Stromwert Isw der durch die Stromerfassungseinheit 173 erfasst wird, geeignet ein.
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Durch Ansteuern der Schaltelemente im Inverter 140 wie vorstehend beschrieben durch die Entladungsschaltung 170 kann der Kondensator C2 in der PCU 120 selbst dann entladen werden, wenn der elektrische Leistungsübertragungspfad zwischen dem Inverter 140 und dem Motor-Generator 150 beispielsweise unterbrochen ist.
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Es sei angemerkt, dass ein derartiges Entladen durch den Leitungsverlust eines Schaltelements die Wärmeerzeugung im Schaltelement umfasst. Daher können, abhängig vom Zustand des Kühlens zum Kühlen der PCU 120 und der Menge der verbleibenden elektrischen Ladung bzw. elektrischen Restladung im Kondensator C2 der Entladungsstrom und/oder die Leitzeit beschränkt werden, um einen Schaden des Schaltelements zu vermeiden. Es besteht somit ein Nachteil, dass das Entladen zeitaufwändig sein kann oder kein ausreichendes Entladen durchgeführt werden kann.
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Die vorstehende Beschreibung basiert auf dem Fall, bei welchem das Entladen unter Verwendung lediglich des U-Phasenzweigs 141 erfolgt. Alternativ dazu und/oder zusätzlich zum vorstehend beschriebenen Entladen können der verbleibenden V-Phasenzweig 142 und der W-Phasenzweig 143 verwendet werden, um gleichzeitig zu Entladen, oder abwechselnd zu entladen. Dementsprechend kann die Last eines jeden Schaltelements während des PCU-Entladens erleichtert werden.
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Darüber hinaus kann eine Konfiguration verwendet werden, in welcher eine dedizierte Entladungseinheit 186 vorgesehen ist, das einen Widerstand R10 und ein Schaltelement Q10 hat, die in Reihe zwischen der Stromleitung PL2 und der Erdungsleitung NL1 angeschlossen sind. Obgleich in einem solchen Fall zusätzliche Komponenten nötig sind, besteht der Vorteil, dass eine größere Ladung in einer kurzen Zeitspanne entladen werden kann, da die Beschränkung durch die vom Schaltelement erzeugte Wärme gemindert werden kann.
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Bei der vorliegenden Ausführungsform werden die Vorteile des MG-Entladens und PCU-Entladens verwendet und die Nachteile davon kompensiert, um die Entladungssteuerung auszuführen, wodurch die elektrische Restladung aus dem Kondensator zuverlässiger im Falle einer Fahrzeugkollision entladen werden kann.
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5 ist ein Flussschaubild, das im Detail eine Entladungssteuerung beschreibt, die durch die HV-ECU 300 der vorliegenden Ausführungsform ausgeführt wird. Das Flussschaubild aus 5 wird durch Ausführen eines vorab in der HV-ECU 300 gespeicherten Programms in einem vorgegebenen Zyklus realisiert. Alternativ kann dedizierte Hardware (elektronische Schaltungen) für einige der Schritte verwendet werden, um das Verfahren zu verwirklichen.
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Bezug nehmend auf die 1 und 5 bestimmt die HV-ECU 300, ob eine Kollision erfasst wurde, basierend auf dem Kollisionssignal COL von der Kollisionserfassungseinheit 190 beim Schritt (nachfolgend wird Schritt abgekürzt durch S) 100.
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Wenn keine Kollision erfasst wurde (NEIN in S100) beendet die HV-ECU 300 das Verfahren, da kein Entladen des Kondensators C2 notwendig ist.
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Wenn eine Kollision erfasst wurde (JA in S100), fährt die Steuerung mit S110 fort, wo die HV-ECU 300 die MG-ECU 160 veranlasst, das PCU Entladen mit Priorität auszuführen. Dies liegt darin begründet, dass das PCU Entladen relativ wenig durch den Fahrzeugschadenzustand, der durch die Kollision verursacht wird, beeinflusst wird, wie vorstehend beschrieben.
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Dann bestimmt die HV-ECU 300 ob eine vorgegebene Zeit verstrichen ist, seit das PCU-Entladen gestartet wurde.
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Wenn die vorgegebene Zeit nicht verstrichen ist (NEIN in S120) kehrt die Steuerung zurück zu S110, um das PCU-Entladen fortzuführen.
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Wenn die vorgegebene Zeit verstrichen ist (JA in S120), fährt die Steuerung mit S130 fort, wo die HV-ECU 300 eine Spannung VH vom Kondensator C2 erhält, um zu bestimmen, ob die Spannung VH niedriger als ein vorgegebener Grenzwert α ist (S140). In anderen Worten bestimmt die HV-ECU 300, ob die elektrische Restladung im Kondensator C2 durch das PCU Entladen entladen werden kann, bevor die Entladeoperation aufgrund von Sicherheitsstandards, Sicherheitskriterien oder dergleichen beendet wird.
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Wenn die Spannung VH niedriger als der Grenzwert α ist (JA in S140), bestimmt die HV-ECU 300, dass das Entladen der elektrischen Restladung durch das PCU-Entladen erreicht werden kann und fährt mit S150 fort, um das PCU-Entladen fortzusetzen bis die elektrische Restladung im Kondensator C2 auf einen vorgegebenen Wert verringert ist. Wenn die Spannung VH des Kondensators C2 niedriger als die Spannung VL des Kondensators C1 wird, bewegt sich die elektrische Restladung im Kondensator C1 über die Diode D1 des Wandlers 130 zum Kondensator C2. Als Ergebnis wird auch die elektrische Restladung im Kondensator C1 entladen. Da in S110 das PCU-Entladen bereits ausgeführt wird, verursacht die Auswahl von JA in S140 das Fortsetzten der PCU-Entladungsoperation. Anders ausgedrückt, S150 in 5 dient nur zur Bestätigung und ist daher verzichtbar.
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Wenn die Spannung VH größer oder gleich dem Grenzwert α ist (NEIN in S140), bestimmt die HV-ECU 300, das noch so viel elektrische Restladung im Kondensator C2 ist, dass das Entladen nicht innerhalb der Zeitspanne vor dem Beenden der benötigten Entladungsoperation durch ausschließlich die PCU-Entladungsoperation abgeschlossen werden kann. Dementsprechend fährt die Steuerung mit S160 fort, in welchem die HV-ECU 300 das MG-Entladen anstelle von oder zusätzlich zum PCU-Entladen ausführt, um die elektrische Restladung vom Kondensator C2 in kurzer Zeit zu entladen.
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Durch geeignetes Anwenden des PCU-Entladens und MG-Entladens entsprechend der Spannung VH bei der Entladungsoperation der elektrischen Restladung vom Kondensator bei einer Fahrzeugkollision kann somit das Entladen der elektrischen Restladung zuverlässiger und in einer kurzen Zeitspanne ausgeführt werden.
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Es sei angemerkt, dass die Bezug nehmend auf 5 beschriebene Steuerung grundsätzlich nicht ausgeführt werden kann, wenn keine geeignete Kommunikation zwischen der HV-ECU 300 und der PCU 120 gewährleistest ist, da ein Steuersignal von der HV-ECU 300 benötigt wird, um die wie vorstehend beschriebene Entladungsoperation auszuführen.
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Wenn also die Kommunikation der MG-ECU 160 in der PCU 120 mit der HV-ECU 300 fehlerhaft ist, wird das PCU-Entladen nicht ausgeführt, um die elektrische Restladung vom Kondensator C2 zu entladen.
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6 zeigt ein Flussschaubild, um einen Entladungssteuervorgang zu beschreiben, der an der MG-ECU 160 ausgeführt wird, wenn der Kommunikationsfehler zwischen der HV-ECU 300 und der MG-ECU 160 auftritt.
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In S200 in 6 bestimmt die MG-ECU 160, ob ein Kommunikationsfehler mit der HV-ECU 300 aufgetreten ist oder nicht.
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Wenn das Auftreten eines Kommunikationsfehlers mit der HV-ECU 300 erfasst wird (JA in S200), fährt das Steuerverfahren mit S210 fort, in welchem die MG-ECU 160 das PCU Entladen mittels der Entladungsschaltung 170 ausführt.
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Wenn dagegen kein Kommunikationsfehler mit der HV-ECU 300 erfasst wird (NEIN in S200), endet das Verfahren.
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Wenn ein Kommunikationsfehler mit der HV-ECU 300 vorliegt, führt die MG-ECU 160 die vorliegende Steuerung unabhängig davon aus, ob die Fahrzeugkollision aufgetreten ist oder nicht, da das Fahrzeugkollisionssignal COL nicht empfangen werden kann.
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Bei dem Fall, bei welchem das Zuführen einer Leistungsversorgungsspannung von der Hilfsbatterie 200 zur PCU 120 durch die Kollision unterbrochen ist, kann die ECU 160 nicht arbeiten. In diesem Fall kann kein Entladungssignal DCH von der MG-ECU 160 an die Entladungsschaltung 170 ausgegeben werden.
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Die Entladungsschaltung 170 erhält somit eine Leistungsversorgungsspannung von einer Backup-Leistungsversorgungsschaltung, beispielsweise dem Kondensator C3 aus 1, zusätzlich zur Leistungsversorgungsspannung von der Hilfsbatterie 200. Die Steuereinheit 171 der Entladungsschaltung 170 bestimmt damit, dass die MG-ECU 160 nicht arbeiten kann, wenn die Leistungsversorgungsspannung von der Hilfsbatterie 200 verringert ist, und führt das PCU-Entladen selbständig aus, um die elektrische Restladung vom Kondensator C2 zu entladen.
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7 ist ein Flussschaubild zum Beschreiben eines Entladungssteuerprozesses, der durch die Steuereinheit 171 in der Entladungsschaltung 170 ausgeführt wird, wenn ein Spannungsabfall der Hilfsbatterie 200 auftritt.
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Bezug nehmend auf die 1 und 7 bestimmt die Steuereinheit 171 in der Entladungsschaltung 170 in S300, ob die Spannung der Hilfsbatterie 200 auf einen vorgegebenen Wert verringert wurde.
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Wenn die Spannung der Hilfsbatterie 200 verringert ist (JA in S300), fährt das Verfahren mit S310 fort, in welchem die Steuereinheit 171 eine PCU-Entladungsoperation selbstständig ausführt, um die elektrische Restladung vom Kondensator C2 zu entladen.
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Wenn die Spannung der Hilfsbatterie 200 nicht verringert ist (NEIN in S300), beendet die Steuereinheit 171 den Prozess.
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Die vorliegende Steuerung wird unabhängig davon ausgeführt, ob eine Fahrzeugkollision aufgetreten ist, da das Kollisionssignal von der HV-ECU 300 nicht empfangen werden kann, wenn die Spannung der Hilfsbatterie 200 verringert ist.
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Durch Anwenden einer Konfiguration, die das Ausführen sowohl des MG-Entladens wie auch des PCU-Entladens zulässt, und Ausführen einer Steuerung entsprechend dem vorstehend beschriebenen Verfahren, kann eine Entladungsoperation für eine elektrische Restladung, die höchst robust ist und verschiedene Fahrzeugzustände im Fall einer Fahrzeugkollision berücksichtigten kann, ausgeführt werden.
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BEZUGSZEICHENLISTE
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- 100 Fahrzeug; 110 Leistungsspeichervorrichtung; 115 SMR; 120 PCU; 130 Wandler; 140 Inverter; 141 U-Phasenzweig; 142 V-Phasenzweig; 143 W-Phasenzweig; 145, 145A Stromsensor; 150 Motor-Generator; 154 Leistungsübertragungsgetriebe; 155 Antriebsrad; 160 MG-ECU; 170 Entladungsschaltung; 171 Steuereinheit; 172 Gateantriebseinheit; 173 Stromerfassungseinheit; 180, 185 Spannungssensor; 186 Entladungseinheit; 190 Kollisionserfassungseinheit; 200 Hilfsbatterie; 300 HV-ECU; C1–C3 Kondensator; D1–D8 Diode; L1 Spule; NL1 Erdungsleitung; PL1–PL3 Stromleitung; Q1–Q8, Q10 Schaltelement; R10 Widerstand.
