DE102021131840A1

DE102021131840A1 - Elektrisches system mit abwärtswandlerfunktionalität

Info

Publication number: DE102021131840A1
Application number: DE102021131840.8A
Authority: DE
Inventors: Rashmi Prasad; Chandra S. Namuduri
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2021-03-22
Filing date: 2021-12-02
Publication date: 2022-09-22
Also published as: US20220302835A1; CN115107536A; US11728732B2

Abstract

Ein Beispiel für ein elektrisches System wird offenbart. Das elektrische System kann ein wiederaufladbares Energiespeichersystem (RESS) und einen mit dem RESS verbundenen Wechselrichter umfassen. Der Wechselrichter kann so konfiguriert sein, dass er eine elektrische Maschine mit elektrischer Energie versorgt. Ein Schalter kann zwischen der Vielzahl von Maschinenwicklungen und einer Ausgangslast angeordnet sein. Der Schalter ist so konfiguriert, dass er zwischen einem geschlossenen Zustand, der einen Stromfluss von der RESS durch den Wechselrichter und die Vielzahl von Maschinenwicklungen zur Ausgangslast ermöglicht, und einem offenen Zustand, der einen Stromfluss zur Ausgangslast verhindert, übergeht.

Description

EINFUHRUNG
Die vorliegende Offenbarung bezieht sich auf ein elektrisches Fahrzeugsystem, das über eine Abwärtswandlerfunktion verfügt.
Ein Hybrid- oder batterieelektrisches Fahrzeuggetriebe umfasst in der Regel eine oder mehrere elektrische Hochspannungsmaschinen in Form eines Motorgenerators oder eines elektrischen Fahrmotors. Die Elektromaschinen liefern bzw. laden Energie an eine wiederaufladbare Gleichstrombatterie (DC) oder entnehmen ihr Energie. Die erregten Elektromaschinen passen die Drehmomente der verschiedenen Zahnradsätze des Getriebes an, um einen optimalen Systemwirkungsgrad zu erreichen. In der Regel wird ein Spannungswandler verwendet, um die Ausgangsspannung der Batterie auf ein Niveau umzuwandeln, das für die elektrischen Maschinen und/oder Zusatzlasten im Fahrzeug geeignet ist.
Die Halbleiterschalter eines Wechselrichtermoduls werden durch Pulsweitenmodulation oder andere Schaltsteuersignale gesteuert, um die Ausgangsspannung der Batterie in eine Wechselspannung umzuwandeln. Die AC-Ausgangsspannung des Wechselrichtermoduls wird schließlich an die einzelnen Phasenwicklungen der elektrischen Maschine übertragen. Die erregte elektrische Maschine treibt den Antriebsstrang des Fahrzeugs an.
BESCHREIBUNG
Ein Beispiel für ein elektrisches System wird offenbart. Das elektrische System kann ein wiederaufladbares Energiespeichersystem (RESS) und einen mit dem RESS verbundenen Wechselrichter umfassen. Der Wechselrichter kann so konfiguriert sein, dass er eine elektrische Maschine mit elektrischer Energie versorgt. Ein Schalter kann zwischen der Vielzahl von Maschinenwicklungen und einer Ausgangslast angeordnet sein. Der Schalter ist so konfiguriert, dass er zwischen einem geschlossenen Zustand, der einen Stromfluss von der RESS durch den Wechselrichter und die Vielzahl von Maschinenwicklungen zur Ausgangslast ermöglicht, und einem offenen Zustand, der einen Stromfluss zur Ausgangslast verhindert, übergeht.
In anderen Ausführungsformen umfasst das elektrische System eine Drosselspule, die in Reihe zwischen die mehreren Maschinenwicklungen und die Zusatzlast geschaltet ist, wobei die Drosselspule so konfiguriert ist, dass sie die Stromwelligkeit und/oder die Drehmomentwelligkeit abschwächt.
In anderen Ausführungsformen umfasst der Wechselrichter eine Reihe von Halbleiterschaltern, die so konfiguriert sind, dass sie Gleichstrom (DC) in Wechselstrom (AC) umwandeln.
In anderen Ausführungsformen besteht jeder Halbleiterschalter des Halbleiterschaltersatzes aus einer spannungsgesteuerten Schaltvorrichtung.
In anderen Merkmalen umfasst die spannungsgesteuerte Schaltvorrichtung mindestens einen Silizium-Bipolartransistor mit isoliertem Gate (IGBT), einen Siliziumkarbid-Metalloxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor (MOSFET), einen Silizium-Superjunction-MOSFET, einen Galliumnitrid-Feldeffekttransistor (FET), einen SiC-Feldeffekttransistor mit Sperrschicht (JFET), eine Vorrichtung mit Breitbandlücke (WBG) oder eine Vorrichtung mit Ultrabreitbandlücke (UWBG).
In anderen Ausführungsformen umfasst der Wechselrichter eine Mehrzahl von Phasenschenkeln, wobei jeder Phasenschenkel der Mehrzahl von Phasenschenkeln ein Paar von Halbleiterschaltern des Satzes von Halbleiterschaltern umfasst, wobei jeder Phasenschenkel mit einem entsprechenden Phasenanschluss der Mehrzahl von Maschinenwicklungen des Traktionsmotors verbunden ist.
In anderen Ausführungsformen fließt Strom durch mindestens zwei Phasenwicklungen der mehreren Maschinenwicklungen, um zu bewirken, dass eine Spannung von der RESS von einer ersten Spannung auf eine zweite Spannung aufgrund der Pulsweitenmodulation der entsprechenden Phasenschenkel abfällt.
In anderen Ausführungsformen besteht die Ausgangslast aus mindestens einem Fahrzeug oder einer Zusatzlast.
In anderen Ausführungsformen besteht der Schalter aus mindestens einem Schütz oder einem Halbleiterrelais.
Ein Beispiel für ein elektrisches System wird offenbart. Das elektrische System kann ein wiederaufladbares Energiespeichersystem (RESS) und einen mit dem RESS verbundenen Wechselrichter umfassen. Der Wechselrichter kann so konfiguriert sein, dass er eine elektrische Maschine mit elektrischer Energie versorgt. Das elektrische System kann eine Vielzahl von Maschinenwicklungen des Fahrmotors umfassen. Ein Schalter kann zwischen der Vielzahl von Maschinenwicklungen und einer Ausgangslast angeordnet sein. Das elektrische System umfasst eine Steuerung, die mit dem Schalter und einer Wechselrichtersteuerung verbunden ist. Die Steuerung ist so konfiguriert, dass sie Steuersignale an die Wechselrichtersteuerung und an den Schalter sendet, um während eines ersten Betriebszustands einen Stromfluss vom RESS durch die mehreren Maschinenwicklungen zur Ausgangslast zu ermöglichen und während eines zweiten Betriebszustands einen Stromfluss zur Ausgangslast zu verhindern.
In anderen Ausführungsformen umfasst das elektrische System eine Induktionsspule, die in Reihe zwischen die mehreren Maschinenwicklungen und die Zusatzlast geschaltet ist, wobei die Induktionsspule so konfiguriert ist, dass sie die Stromwelligkeit abschwächt.
In anderen Ausführungsformen umfasst der Wechselrichter eine Reihe von Halbleiterschaltern, die so konfiguriert sind, dass sie Gleichstrom (DC) in Wechselstrom (AC) umwandeln.
In anderen Ausführungsformen besteht jeder Halbleiterschalter des Halbleiterschaltersatzes aus einer spannungsgesteuerten Schaltvorrichtung.
In anderen Ausführungsformen umfasst die spannungsgesteuerte Schaltvorrichtung mindestens einen Silizium-Bipolartransistor mit isoliertem Gate (IGBT), einen Siliziumkarbid-Metalloxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor (MOSFET), einen Silizium-Superjunction-MOSFET, einen Galliumnitrid-Feldeffekttransistor (FET), einen SiC-Feldeffekttransistor mit Sperrschicht (JFET), eine Vorrichtung mit Breitbandlücke (WBG) oder eine Vorrichtung mit Ultrabreitbandlücke (UWBG).
In anderen Ausführungsformen umfasst der Wechselrichter eine Mehrzahl von Phasenschenkeln, wobei jeder Phasenschenkel der Mehrzahl von Phasenschenkeln ein Paar von Halbleiterschaltern des Satzes von Halbleiterschaltern umfasst, wobei jeder Phasenschenkel mit einem entsprechenden Phasenanschluss der Mehrzahl von Maschinenwicklungen des Traktionsmotors verbunden ist.
In anderen Ausführungsformen fließt Strom durch mindestens zwei Phasenwicklungen der mehreren Maschinenwicklungen, um zu bewirken, dass eine Spannung von der RESS von einer ersten Spannung auf eine zweite Spannung aufgrund der Pulsweitenmodulation der entsprechenden Phasenschenkel abfällt.
Darüber hinaus erhält das Steuergerät Software-Updates per Over-the-Air-Programmierung.
In anderen Ausführungsformen besteht der Schalter aus mindestens einem Schütz oder einem Halbleiterrelais.
Es wird ein Verfahren offenbart, das die Feststellung einschließt, ob eine DC-DC-Buck-Modusauswahl empfangen wurde. Das Verfahren umfasst auch die Übertragung mindestens eines Steuersignals an einen Wechselrichter und einen Schalter, um während eines ersten Betriebszustands einen Stromfluss von einem wiederaufladbaren Energiespeichersystem (RESS) durch eine Vielzahl von Maschinenwicklungen zu einer Ausgangslast zu ermöglichen und während eines zweiten Betriebszustands basierend auf der Bestimmung einen Stromfluss zwischen dem RESS und der Vielzahl von Maschinenwicklungen zu verhindern.
In anderen Merkmalen umfasst der Wechselrichter eine Reihe von Halbleiterschaltern, die so konfiguriert sind, dass sie Gleichstrom (DC) in Wechselstrom (AC) umwandeln.
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.
Figurenliste
Die hier beschriebenen Figuren dienen nur der Veranschaulichung und sollen den Umfang der vorliegenden Offenbarung in keiner Weise einschränken.

1A ist eine schematische Darstellung eines Beispiel-Kraftfahrzeugs, das an eine bordinterne Gleichstrom-Schnellladestation angeschlossen ist;
1B ist eine schematische Darstellung eines Kraftfahrzeugs, das mit einem anderen Kraftfahrzeug verbunden ist;
2A ist ein Blockdiagramm eines Beispiels eines elektrischen Systems gemäß einer Beispielimplementierung;
2B ist ein Blockdiagramm eines Beispiels für ein elektrisches System gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel;
3A und 3B sind Schaltpläne des Beispiels für ein elektrisches System gemäß verschiedenen Ausführungsformen;
4 ist ein Schaltplan des Beispiels für ein elektrisches System, ein weiteres Ausführungsbeispiel; und
5 ist ein Flussdiagramm, das einen beispielhaften Prozess für die Stromversorgung einer Zusatzlast eines Fahrzeugs über das elektrische System darstellt.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
Die folgende Beschreibung ist lediglich beispielhaft und soll die vorliegende Offenbarung, Anwendung oder Verwendung nicht einschränken.
Einige Hybrid- oder batteriebetriebene Elektrofahrzeuge verfügen über bordeigene, wiederaufladbare Energiespeichersysteme (RESS), die eine Spannung speichern, die größer ist als die Spannung zur Versorgung der Nebenverbraucher des Fahrzeugs. In diesen Fällen kann das Fahrzeug einen zusätzlichen DC-DC-Wandler benötigen, um die Spannung vom RESS zu den Zusatzverbrauchern herunterzuregeln. Zusätzliche DC-DC-Wandler können zu einem Anstieg der Kosten, der Masse und des Volumens des Fahrzeugs führen.
Die vorliegende Offenlegung beschreibt ein elektrisches System, das während des Aufladens eines Fahrzeugs über Wechselrichterschalter und Maschinenwicklungen Abwärtswandlerfunktionen bereitstellt. Zum Beispiel kann ein Steuergerät einen oder mehrere Schalter selektiv von einem offenen Zustand in einen geschlossenen Zustand oder umgekehrt überführen, um zu bewirken, dass elektrische Energie vom RESS zu den Zubehörlasten geleitet wird. Die elektrische Leistung kann über einen Wechselrichter an die Wicklungen der elektrischen Maschine geleitet werden, so dass die Spannung gegenüber der Spannung des RESS herabgesetzt wird. Das elektrische System kann auch beim Laden von Fahrzeug zu Fahrzeug (V2V) verwendet werden, wenn ein Fahrzeug, das Strom liefert, ein natives System mit relativ höherer Spannung hat als ein Fahrzeug mit einem nativen System mit relativ niedriger Spannung.
1A zeigt ein Beispiel für eine Gleichstrom-Ladeschaltung 10 als Teil eines Kraftfahrzeugs 20. Das Fahrzeug 20 ist so dargestellt, dass es einen Gleichstrom-Schnellladevorgang durchläuft, bei dem die Gleichstrom-Ladeschaltung 10 über einen Ladeanschluss 11 und ein Ladekabel 15 elektrisch mit einer externen Gleichstrom-Schnellladestation 30 verbunden ist, z. B. unter Verwendung eines SAE J1772-Ladesteckers, CHAdeMO oder eines anderen geeigneten regionalen oder nationalen Standard-Ladesteckers oder -verbinders. Die vorliegende Lehre ist unabhängig vom jeweiligen Ladestandard, der letztendlich bei einem Gleichstrom-Schnellladevorgang mit der Gleichstrom-Schnellladestation 30 verwendet wird, und daher sind die oben genannten Beispiele lediglich illustrativ.
Die Gleichstrom-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 Gleichstrom-Ladeschaltung 10 kann als Teil eines Antriebsstrangs eines mobilen Systems, wie dem Beispielfahrzeug 20, verwendet werden. Zur Veranschaulichung wird im Folgenden eine Anwendung der Gleichstromladeschaltung 10 als integraler Bestandteil des Fahrzeugs 20 in einem Kraftfahrzeugkontext beschrieben, ohne die vorliegende Offenbarung auf eine solche Implementierung zu beschränken.
Das Fahrzeug 20 von 1A 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) 115, wie in 2 dargestellt und nachstehend beschrieben, ausgeführt werden, z. B. ein mehrzelliges Lithium-Ionen-, Zink-Luft-, Nickel-Metallhydrid- oder Bleisäure-Gleichstrom-Batteriepaket, das selektiv mit Hilfe der bordeigenen Gleichstrom-Schnellladestation 30 von 1A aufgeladen werden kann. Der Gleichstrom-Ladeschaltkreis 10, wie er am besten in 2 dargestellt ist, umfasst Antriebsstrang-/Fahrantriebskomponenten des Fahrzeugs 20, zu deren üblichen Funktionen der Antrieb einer elektrischen Maschine, z. B. eines Fahrmotors 114, gehören kann, um ein Motordrehmoment zu erzeugen und an die Antriebsräder 14 für den Antrieb des Fahrzeugs 20 zu liefern oder um andere nützliche Arbeiten an Bord des Fahrzeugs 20 auszuführen. 1B illustriert eine Beispielimplementierung des Fahrzeug-zu-Fahrzeug (V2V) Ladens. Wie dargestellt, kann ein erstes Fahrzeug 20-1 verwendet werden, um ein zweites Fahrzeug 20-2 zumindest teilweise aufzuladen, oder umgekehrt. Das erste Fahrzeug 20-1 und/oder das zweite Fahrzeug 20-2 können ein elektrisches System, wie hier beschrieben, enthalten.
2A zeigt ein Blockdiagramm einer beispielhaften Implementierung eines elektrischen Systems 100 für das Fahrzeug 20. Wie dargestellt, umfasst das elektrische System 100 das bordeigene wiederaufladbare Energiespeichersystem (RESS) 115, das für die Speicherung von elektrischer Hochspannungsenergie geeignet ist, die für den Antrieb eines Fahrzeugs mit Elektroantrieb, wie das Fahrzeug 20 von 1A, verwendet wird. Bei dem RESS 115 kann es sich um ein Deep-Cycle-Batteriesystem mit hoher Ampere-Kapazität 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 elektrische Energie aus dem RESS 115 beziehen. Es versteht sich von selbst, dass die hier beschriebenen Spannungen lediglich Beispiele sind und nicht bedeuten, dass das elektrische System auf diese Spannungen beschränkt ist. Ein Gleichstrom-Zwischenkreiskondensator Ci kann zwischen den positiven und negativen Anschlüssen angeschlossen werden, wie in den bis dargestellt. Das elektrische System 100 kann so konfiguriert werden, dass es eine oder mehrere Ausgangslasten mit Strom versorgt, z. B. ein anderes Fahrzeug, wie in 1B dargestellt, oder eine Zubehörlast 170, wie hierin beschrieben.
Die RESS 115 kann eine oder mehrere unabhängig voneinander wiederaufladbare Hochspannungsbatterien enthalten. Die RESS 115 kann mit einer Hochspannungs-Gleichstromschiene 160 und einem Wechselrichter 162 verbunden sein, um die Übertragung von elektrischer Energie zum und vom Fahrmotor 114 zu regeln.
Das Fahrzeug 20 kann außerdem eine oder mehrere Zusatzlasten 170 enthalten, und die eine oder mehreren Zusatzlasten 170 können als Vload 171 dargestellt werden. Wie in 3A und 3B gezeigt, kann ein Filterkondensator Co über Vload 171 angeschlossen sein. In einer Beispielimplementierung können die Zusatzlasten 170 verschiedene Lasten umfassen, die elektrische Leistung aus dem elektrischen System 100 beziehen. In dieser Implementierung können die Zusatzlasten 170 eine Spannung benötigen, die geringer ist als die von der RESS 115 gespeicherte Spannung. In einer Beispielimplementierung kann die RESS 115 so ausgelegt sein, dass sie eine erste Spannung speichert, z. B. etwa achthundert (800) VDC, und die Zubehörlasten 170 können eine zweite Spannung erfordern, die geringer ist als die erste Spannung, z. B. etwa vierhundert (400) VDC.
Das elektrische System 100 umfasst ferner ein Steuergerät 150, einen ersten Schalter 102 und einen zweiten Schalter 104 zur Steuerung eines Gleichstrom-Gleichstrom-Gleichspannungsbetriebs zur Lieferung von elektrischer Energie an die Zubehörlasten 170 von der RESS 115, wie in 2A dargestellt. Bei den Schaltern 102, 104 kann es sich um Schütze oder Halbleiterrelais handeln, die so ausgelegt sind, dass sie sich unter elektrischer Last schließen, um die sofortige oder nahezu sofortige Lieferung von elektrischer Energie an das Antriebssystem des Fahrzeugs zu gewährleisten und eine beliebige Anzahl von Zubehörteilen im Fahrzeug zu betreiben. Während in 2A die Schalter 102, 104 dargestellt sind, können die Schalter 102, 104 in einigen Ausführungsformen durch einen einpoligen Doppelschalter (SPDT) ersetzt werden.
Das Steuergerät 150 kann mindestens einen Prozessor und einen ausreichenden Speicher zum Speichern von computerlesbaren Anweisungen umfassen. Der Speicher umfasst einen greifbaren, nicht transitorischen Speicher, z. B. einen Festwertspeicher, sei es ein optischer, magnetischer, Flash- oder anderer Speicher. Das Steuergerät 150 umfasst auch ausreichende Mengen an Direktzugriffsspeicher, elektrisch löschbarem programmierbarem Festwertspeicher und dergleichen sowie einen Hochgeschwindigkeitstaktgeber, Analog-Digital- und Digital-Analog-Schaltungen, Eingangs-/Ausgangsschaltungen und -vorrichtungen sowie geeignete Signalaufbereitungs- und Pufferschaltungen. Das Steuergerät 150 kann Ladeanforderungssignale von einem oder mehreren elektronischen Steuergeräten (ECUs) des Fahrzeugs 20 empfangen. Zum Beispiel kann ein Steuergerät, das mit einem oder mehreren der Zubehörverbraucher 170 verbunden ist, ein Signal liefern, das anzeigt, dass die Zubehörverbraucher 170 elektrische Energie benötigen, und das Steuergerät 150 kann den Abwärts-Gleichstrom-Gleichstrom-Betrieb einleiten, wie unten ausführlicher beschrieben.
Wie in den 2A bis 4 gezeigt, umfasst das elektrische System 100 außerdem eine Wechselrichtersteuerung 180, die den Betrieb der Halbleiterschalter S1 bis S6 des Leistungswechselrichters 162 steuert, die im Folgenden mit Bezug auf die 3A bis 4 ausführlicher beschrieben werden. Die Wechselrichtersteuerung 180 kann mindestens einen Prozessor und einen ausreichenden Speicher zum Speichern von computerlesbaren Anweisungen umfassen. Der Speicher umfasst einen greifbaren, nicht-übertragbaren Speicher, z. B. einen Festwertspeicher, sei es ein optischer, magnetischer, Flash-Speicher oder ein anderer. Die Wechselrichtersteuerung 180 umfasst auch ausreichende Mengen an Direktzugriffsspeicher, elektrisch löschbarem programmierbarem Festwertspeicher und dergleichen sowie einen Hochgeschwindigkeitstaktgeber, Analog-Digital- und Digital-Analog-Schaltungen und Eingangs-/Ausgangsschaltungen und -vorrichtungen sowie geeignete Signalaufbereitungs- und Pufferschaltungen.
In einer Beispielimplementierung kann die Wechselrichtersteuerung 180 Signale von der Steuerung 150 und/oder von Sensoren innerhalb des Fahrmotors 114 empfangen. Zum Beispiel kann der Fahrmotor 114 Phasenstromsensoren und/oder Rotorpositionssensoren enthalten und Signale liefern, die einen Phasenstrom und/oder eine Position des Rotors anzeigen. Der Wechselrichter-Controller 180 kann die Halbleiterschalter S1 bis S6 steuern, indem er ein Signal an ein oder mehrere Gates liefert, um die Halbleiterschalter S1 bis S6 zu veranlassen, zwischen einem offenen Zustand und einem geschlossenen Zustand zu wechseln, wie unten ausführlicher beschrieben.
2B zeigt ein weiteres Beispiel für die Implementierung des elektrischen Systems 100, bei dem ein Fahrzeug 20-2 mit Strom versorgt wird. In diesem Beispiel speichert die RESS 115 eine erste Spannung, z. B. etwa achthundert (800) VDC, und das Fahrzeug 20-2 kann eine zweite Spannung benötigen, die geringer ist als die erste Spannung, z. B. etwa vierhundert (400) VDC. Das Steuergerät 150 kann den Betrieb der Schalter 103, 105 und 107 steuern. Zum Beispiel sind die Schalter 105 und 107 während eines Abwärts-Gleichstrom-Gleichstrombetriebs in einem geschlossenen Zustand, während der Schalter 103 in einem offenen Zustand ist. Andernfalls befinden sich die Schalter 103 und 105 im geschlossenen Zustand, während sich der Schalter 107 im offenen Zustand befindet.
In den und sind Beispielschaltbilder des elektrischen Systems 100 dargestellt. Der Wechselrichter 162 kann einen Gleichstrom-Wechselstrom- und Wechselstrom-Gleichstrom-Wechselrichter umfassen, der Teil eines Traktionsstrom-Wechselrichtermoduls (TPIM) sein kann, das über die Maschinenwicklungen 166 des Fahrmotors 114 angeschlossen wird, um elektrische Energie zwischen dem Fahrmotor 114 und dem RESS 115 zu übertragen. Die Maschinenwicklungen 166 sind als Maschinenwicklungen La, Lb und Lc dargestellt und können Dreiphasenstrom liefern, um ein rotierendes Magnetfeld zu erzeugen, das einen Rotor des Fahrmotors 114 antreibt. Der Wechselrichter 162 kann mehrere Phasen und entsprechende Motorsteuerungsmodule umfassen, die Motorsteuerungsbefehle empfangen und Wechselrichterzustände steuern können, um Motorantrieb oder Rückspeisefunktionalität bereitzustellen.
Der Wechselrichter 162 kann einen Satz 164 von Halbleiterschaltern S1 bis S6 (hier auch als „Wechselrichterschalter“ bezeichnet) umfassen, die in Zusammenarbeit Gleichstrom (DC) von der RESS 115 in Wechselstrom (AC) umwandeln, um den Fahrmotor 114 durch Hochfrequenzschaltung im Motorbetrieb zu betreiben. Jeder Halbleiterschalter S1 bis S6 kann als spannungsgesteuerte Schaltvorrichtung in Form eines Silizium-Isolierschicht-Bipolartransistors (IGBT), eines Siliziumkarbid-(SiC)-Metalloxid-Halbleiter-Feldeffekttransistors (MOSFET), eines Silizium-(Si)-Superjunction-MOSFET einem Galliumnitrid (GaN)-Feldeffekttransistor (FET), einem SiC-Feldeffekttransistor mit Sperrschicht (JFET), anderen Breitbandlücken- (WBG) oder Ultrabreitbandlücken-Halbleiter-Leistungsschaltern (UWBG) oder anderen geeigneten Schaltern mit einem entsprechenden Gate, an das ein Gate-Signal angelegt wird, um den Ein/Aus-Zustand eines bestimmten Schalters zu ändern. In der Regel gibt es mindestens ein Paar Halbleiterschalter für jede Phase des dreiphasigen Fahrmotors 114. Jedes Schalterpaar, z. B. die Schalter S1 und S2 (Phase A), die Schalter S3 und S4 (Phase B) und die Schalter S5 und S6 (Phase C), kann als Phasenschenkel des Wechselrichters 162 bezeichnet werden. Beispielsweise kann der Wechselrichter 162 in einer Beispielimplementierung mindestens drei (3) Phasenzweige umfassen. Jeder Phasenzweig des Wechselrichters 162 ist mit einem entsprechenden Phasenanschluss der Maschine verbunden, z. B. mit einer der Maschinenwicklungen 166.
Wie in 3A dargestellt, kann die RESS 115 so ausgelegt sein, dass sie die Zubehörlasten 170 während des Ladevorgangs mit Strom versorgt. Der Akkupack 116 kann so ausgelegt sein, dass er eine Spannung mit der ersten Spannung speichert, die wie oben beschrieben höher ist als die zweite Spannung. In diesem Betriebszustand sind die Schalter S1 und S2 geöffnet, um einen Stromfluss von der ersten Spannung (Batteriepack) zu verhindern. Die Schalter S3 und S5 der Phasen B und C (siehe werden einer PWM mit einem Tastverhältnis und einer Phasenverschiebung zwischen den beiden Schenkeln unterworfen, um über den Ausgangsfilterkondensator C0 eine reduzierte Spannung an die Last oder die Batterie eines empfangenden Fahrzeugs zu liefern, z. B. im V2V-Ladebetrieb. In diesem Betriebszustand befinden sich die Schalter S4 und S6 der Phasen B und C in einem offenen Zustand. Bei der gezeigten Implementierung befinden sich der Schalter S3 und der Schalter 104 im geschlossenen Zustand, um einen Stromfluss von der RESS 115 zu den Zusatzlasten 170 über die Maschinenwicklungen Lb, La und die Filterinduktivität L1 zu ermöglichen. Die Maschinenwicklungen 166, z. B. die Phasenwicklungen, können in Verbindung mit den Phasenschenkelschaltern des Wechselrichters die Spannung von der ersten Spannung auf die zweite Spannung reduzieren, indem sie eine Abwärtswandlung durchführen. Die Filterdrossel L1 kann mit den Maschinenwicklungen 166 in Reihe geschaltet werden, um die Stromwelligkeit sowie die Welligkeit des Maschinendrehmoments zu reduzieren, z. B. abzuschwächen. Es versteht sich, dass die Filterinduktivität in einigen Implementierungen optional sein kann. Wie in 3A dargestellt, ist jede Maschinenwicklung La, Lb, Lc mit einem entsprechenden Phasenschenkel des Wechselrichters 162 verbunden.
Es versteht sich, dass der Strom durch mindestens zwei Phasen, z. B. mindestens die Wicklungen La und Lb, mindestens die Wicklungen La und Lc oder mindestens die Wicklungen Lb und Lc, der mehreren Maschinenwicklungen fließen sollte, um zu bewirken, dass eine Spannung von der RESS 115 von einer ersten Spannung auf eine zweite Spannung heruntergeht. Die Schalter S3 und/oder S5 können einem Impulsbreitenmodulationssignal von der Wechselrichtersteuerung 180 unterworfen werden, um die Schalter S3 und S5 zwischen dem offenen und dem geschlossenen Zustand umzuschalten. In einer Beispielimplementierung kann das Tastverhältnis fünfzig Prozent (50%) betragen. 3B zeigt einen weiteren Betriebszustand, in dem sich jeder der Schalter S1, S3 und S5 im offenen Zustand befindet, um einen Stromfluss von der RESS 115 zu den Zusatzlasten 170 zu verhindern, so dass der Strom in den Wicklungen durch die unteren Schalterdioden im Freilauf fließen kann. In diesem Betriebszustand befindet sich der Schalter 102 im offenen Zustand. Die Schalter können IGBTs mit antiparallelen Dioden oder Si/SiC/GaN-FETs sein. Bei FETs mit Body-Dioden werden die Schalter der unteren Seite (S4 oder S6) in den aktiven Phasen während der Zeit, in der die Schalter der oberen Seite (S3 oder S5) ausgeschaltet sind, mit einer vorgegebenen Totzeit eingeschaltet.
In einigen Implementierungen kann die Software für das Steuergerät 150 auf der Grundlage einer Over-the-Air-Programmierung aktualisiert werden. Beispielsweise können Software-Updates über ein oder mehrere geeignete Kommunikationsnetze von einer Datenquelle, z. B. einem Originalgerätehersteller (OEM), an das Steuergerät 150 übertragen werden. Die „Over-the-Air“-Updates können die gewünschten Parameter zur Anpassung der Ladeleistung bereitstellen, indem die Steuersignale des Wechselrichters, z. B. Stromsollwert, Frequenz, Tastverhältnis, Phasenverschiebung usw., für einen oder mehrere Schalter S1 bis S6 entsprechend einem Ladeleistungspegel über die Wechselrichtersteuerung 180 angepasst werden.
4 zeigt ein weiteres Beispiel für die Implementierung des elektrischen Systems 100. Wie dargestellt, kann das elektrische System 100 Schalter 182 und 184 umfassen. Ähnlich wie der Schalter 104 können die Schalter 182 und 184 Schütze oder Halbleiterrelais umfassen. Die Schalter 182 und 184 sind durch die Steuerung 150 steuerbar, so dass der Stromfluss selektiv entsprechend einer bestimmten Betriebsphase gesteuert werden kann. Die Wechselrichtersteuerung 180 kann die Schalter S1 bis S6 selektiv steuern, und die Steuerung 150 kann die Schalter 104, 182 und 184 auf der Grundlage eines gewünschten Fahrzeugladevorgangs steuern, z. B. zur Abschwächung von Drehmomentstörungen während des Abwärtsladevorgangs und/oder zur Verbesserung der Abwärtswandlerfunktion. In einigen Implementierungen können die Steuergeräte 150 und/oder die Wechselrichtersteuerung 180 eine Nachschlagetabelle enthalten, die den Ladeeingang mit den Fahrzeugladekriterien in Beziehung setzt.
5 ist ein Flussdiagramm eines beispielhaften Prozesses 400 zur Bereitstellung von Strom für eine oder mehrere Ausgangslasten, z. B. die Zubehörlasten 170 und/oder ein anderes Fahrzeug, über das RESS 115. Die Blöcke des Prozesses 400 können von der Steuereinheit 150 und/oder der Wechselrichtersteuerung 180 ausgeführt werden. In Block 405 wird festgestellt, ob ein DC-DC-Buck-Modus-Auswahlsignal empfangen wird. Beispielsweise können ein oder mehrere Steuergeräte, die mit den Zubehörlasten 170 oder einem anderen Fahrzeug verbunden sind, ein Signal an das Steuergerät 150 senden, das anzeigt, dass die Zubehörlasten 170 oder das andere Fahrzeug mit Strom versorgt werden müssen. Wenn das Signal nicht empfangen wurde, kehrt das Programm 400 zu Block 405 zurück.
Wenn das Ladesignal empfangen wird, sendet das Steuergerät 150 im Block 410 ein oder mehrere Steuersignale an den Wechselrichter 162, z. B. den Wechselrichter-Controller 180, und/oder die Schalter 102, 104. Basierend auf den Steuersignalen kann die Wechselrichtersteuerung 180 Spannungssignale erzeugen, die die Schalter S1 bis S6 des Wechselrichters 162 ansteuern. Die Steuersignale von der Steuereinheit 150 können auch bewirken, dass die Schalter 102, 104 in einen gewünschten Betriebszustand übergehen, z. B. in den offenen Zustand oder den geschlossenen Zustand. Beispielsweise kann der Schalter 102 in den offenen Zustand übergehen, um einen Stromfluss von der RESS 115 zu den Zusatzlasten 170 zu verhindern. In diesem Beispiel können sich die Schalter S1, S2, S4 und S6 auch im offenen Zustand befinden, während die Schalter S3 und S5 pulsbreitenmoduliert sind, um einen Stromfluss von der RESS 115 zu den Zubehörlasten 170 durch die Maschinenwicklungen Lb oder Lc, die Wicklung La und den Induktor L1 zu ermöglichen. Wie oben beschrieben, funktionieren der Wechselrichter 162 und die Maschinenwicklungen 166 als Abwärtswandler, indem sie den Stromfluss vom Wechselrichter 162 durch die Maschinenwicklungen 166 bewirken, wodurch die Spannung von der ersten Spannung, z. B. 800 V, auf die zweite Spannung, z. B. 400 V, reduziert wird. In diesem Beispiel befindet sich der Schalter 104 auch im geschlossenen Zustand, um eine Verbindung zwischen den Zusatzlasten 170 und den Maschinenwicklungen 166 herzustellen.
In Block 415 bestimmt das Steuergerät 150, ob ein Ladeabbruchsignal empfangen wurde. Wenn das Steuergerät 150 das Ladeabbruchsignal von einem oder mehreren Steuergeräten, die mit den Zubehörverbrauchern 170 verbunden sind, nicht empfangen hat, kehrt der Prozess 400 zu Block 415 zurück. Andernfalls sendet das Steuergerät 150 und/oder das Wechselrichter-Steuergerät 180 Signale zum Umschalten der Schalter S1 bis S6 und der Schalter 102, 104, um zu bewirken, dass das RESS 115 Strom an den Fahrmotor 114 liefert. Der Prozess 400 endet dann.
Die Beschreibung der vorliegenden Offenbarung ist lediglich beispielhaft, und Abweichungen, 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.

Claims

Elektrisches System, umfassend: ein wiederaufladbares Energiespeichersystem, RESS; einen Wechselrichter, der mit dem RESS verbunden ist, wobei der Wechselrichter so konfiguriert ist, dass er einen Fahrmotor mit elektrischer Energie versorgt; eine Vielzahl von Maschinenwicklungen des Fahrmotors; und einen Schalter, der zwischen der Vielzahl von Maschinenwicklungen und einer Ausgangslast angeordnet ist, wobei der Schalter so konfiguriert ist, dass er zwischen einem geschlossenen Zustand, um einen Stromfluss von der RESS durch die Vielzahl von Maschinenwicklungen zur Ausgangslast zu ermöglichen, und einem offenen Zustand, um einen Stromfluss zur Ausgangslast zu verhindern, übergeht.
Elektrisches System nach Anspruch 1, ferner umfassend eine Drosselspule, die in Reihe zwischen die mehreren Maschinenwicklungen und die Ausgangslast geschaltet ist, wobei die Drosselspule so konfiguriert ist, dass sie die Stromwelligkeit und/oder die Drehmomentwelligkeit abschwächt.
Elektrisches System nach Anspruch 1, wobei der Wechselrichter eine Reihe von Halbleiterschaltern umfasst, die so konfiguriert sind, dass sie Gleichstrom, DC, in Wechselstrom, AC, umwandeln.
Elektrisches System nach Anspruch 3, wobei jeder Halbleiterschalter des Satzes von Halbleiterschaltern eine spannungsgesteuerte Schaltvorrichtung umfasst.
Elektrisches System nach Anspruch 4, wobei die spannungsgesteuerte Schaltvorrichtung mindestens einen Silizium-Bipolartransistor mit isoliertem Gate, IGBT, einen Siliziumcarbid-Metalloxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor, MOSFET, einen Silizium-Superjunction-MOSFET, einen Galliumnitrid-Feldeffekttransistor, FET, einen SiC-Feldeffekttransistor mit Sperrschicht, JFET, eine Vorrichtung mit breitem Bandabstand, WBG, oder eine Vorrichtung mit ultraweitem Bandabstand, UWBG, umfasst.
Elektrisches System nach Anspruch 3, wobei der Wechselrichter eine Vielzahl von Phasenschenkeln umfasst, wobei jeder Phasenschenkel der Vielzahl von Phasenschenkeln ein Paar von Halbleiterschaltern des Satzes von Halbleiterschaltern umfasst, wobei jeder Phasenschenkel mit einem entsprechenden Phasenanschluss der Vielzahl von Maschinenwicklungen des Traktionsmotors verbunden ist.
Elektrisches System nach Anspruch 6, wobei Strom durch mindestens zwei Phasenwicklungen der mehreren Maschinenwicklungen fließt, um zu bewirken, dass eine Spannung von dem RESS aufgrund der Pulsbreitenmodulation der entsprechenden Phasenschenkel von einer ersten Spannung auf eine zweite Spannung abfällt.
Elektrisches System nach Anspruch 1, wobei die Ausgangslast mindestens eines der folgenden Elemente umfasst: ein Fahrzeug oder eine Zusatzlast.
Elektrisches System nach Anspruch 1, wobei der Schalter mindestens ein Schütz oder ein Halbleiterrelais umfasst.