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TECHNISCHES GEBIET
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Die vorliegende Erfindung betrifft einen mit einem Ladegerät zusammengebauten Gleichrichter/Wechselrichter zum schnellen Aufladen einer Hochspannungsbatterie des Typs, der verwendet wird, um einen Fahrzeugantriebsmotor des Permanentmagnet/Induktionstyps an Bord eines Elektro- oder Hybridelektrofahrzeugs mit Energie zu versorgen.
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HINTERGRUND
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Elektrofahrzeuge (EV) und Steckdosenhybrid-Elektrofahrzeuge (PHEV) verwenden ein wiederaufladbares Energiespeichersystem (ESS), um elektrische Leistung an einen oder mehrere Antriebsmotoren vom Permanentmagnet/Induktionstyp zu liefern. Nach Bedarf entnehmen die Motoren abwechselnd Leistung aus dem ESS und liefern Leistung dorthin. Andere elektrische Hauptkomponenten eines EV- und PHEV-Antriebsstrangs sind ein Antriebs-Gleichrichter/Wechselrichter-Modul, ein DC/DC-Umsetzer und ein Lademodul für die fahrzeugeigene Hochspannungsbatterie. Das Batterielademodul wird mit einer Standardsteckdose mit 120 VAC oder 220 VAC verbunden, um das ESS wieder aufzuladen, wenn das Fahrzeug gerade nicht läuft.
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Die
DE 10 2009 033 955 A1 offenbart ein Fahrzeug nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie einen Controller nach dem Oberbegriff des Anspruchs 4.
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In der
DE 10 2009 044 281 A1 ist ein Antriebswechselrichterschaltkreis zum Übertragen von Energie mittels Leistungselektronik und Maschineninduktivität offenbart, bei dem eine DC-Energiespeichereinrichtung mit einem Wechselrichter verbunden ist. Zum Laden der DC-Energiespeichereinrichtung werden Wicklungen eines Elektromotors, die mit dem Wechselrichter verbunden sind, von einer externen Energiequelle mit Strom versorgt.
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Die US 2010 / 0 013 438 A1 offenbart Leistungsverarbeitungssysteme und Verfahren zur Verwendung in Steckdosen-Elektrofahrzeugen, bei denen ein bidirektionaler Gleichrichter/Wechselrichter AC-Leistung aus Wicklungen von AC-Elektromotoren entnehmen, in DC-Leistung umwandeln und damit eine fahrzeugeigene DC-Leistungsquelle aufladen kann. Die AC-Leistung wird den Wicklungen über eine Steckdose geliefert.
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In der US 2010 / 0 096 926 A1 ist eine Vorrichtung zur Energieübertragung zwischen einer externen AC-Leistungsquelle und einer Fahrzeugbatterie offenbart, bei der Wicklungen eines AC-Elektromotors und ein bidirektionaler Gleichrichter/Wechselrichter verwendet werden, um AC-Leistung in DC-Leistung zum Aufladen der Batterie umzuformen.
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Die
US 5 341 075 A offenbart ein kombiniertes Motorantriebs- und Batterieaufladesystem, bei dem ein Gleichrichter/Wechselrichter in Kombination mit Wicklungen eines Elektromotors als aufwärtstransformierender Schaltregler eingesetzt wird, um eine Fahrzeugbatterie aufzuladen.
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Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, Vorrichtungen zum Aufladen von Energiespeichersystemen bei Elektrofahrzeugen und Steckdosenhybrid-Elektrofahrzeugen zu vereinfachen, um Kosten und Gewicht einzusparen.
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Diese Aufgabe wird durch die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche gelöst.
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ZUSAMMENFASSUNG
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Entsprechend wird hier ein Fahrzeug bereitgestellt, das auf das vorstehend erwähnte separate fahrzeugeigene Batterielademodul verzichtet. Stattdessen verwendet das Fahrzeug ausgewählte Hochspannungs-Halbleiterkomponenten und Induktionswicklungen von einem oder zwei Antriebsmotoren des Permanentmagnet/Induktionstyps, um das Energiespeichersystem (ESS) schnell aufzuladen. Ein herkömmliches fahrzeugeigenen Batterielademodul hat keinen praktischen Nutzen, wenn das Fahrzeug nicht aufgeladen wird, und daher fügt dessen Verwendung totes Gewicht zum Fahrzeug hinzu. Darüber hinaus stellen derartige Batterielademodule eine relativ geringe Aufladeleistung von etwa 1,2 kW bis etwa 3,3 kW bereit, was wiederum die Aufladezeit verlängert. Die Verwendung einer 220 VAC Steckdose während einer Aufladeoperation kann die Gesamtaufladezeit relativ zu einer 120 VAC-Versorgung verringern. Die Aufladerate bzw. Aufladegeschwindigkeit ist jedoch immer noch durch die relativ niedrige Leistungsausgabe der meisten handelsüblichen fahrzeugeigenen Batterielademodule begrenzt. Darüber hinaus sind 220 VAC-Stromversorgungen allgemein nicht so leicht verfügbar wie die langsameren 120 VAC-Versorgungen.
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Es werden hier zwei Wiederaufladeschaltungen oder -topologien offenbart, jeweils eine für eine Fahrzeugantriebskonfiguration mit einem Motor und mit zwei Motoren. Jede Topologie verzichtet vollständig auf das fahrzeugeigene Batterielademodul und stellt stattdessen eine schnelle Aufladeoperation für das ESS unter Verwendung ausgewählter Hochleistungshalbleiterschalter eines Antriebs-Gleichrichter/Wechselrichter-Moduls (TPIM) mit zwei Spulen und ausgewählten Induktionswicklungen von einem oder zwei Motoren bereit. Das TPIM und der bzw. die Motoren würden nicht genutzt, wenn ein fahrzeugeigenes Batterielademodul in Betrieb ist. Daher können diese Einrichtungen verwendet werden, um eine Abwärts-Aufwärtstransformation oder eine reine Aufwärtstransformationsoperation zum schnellen Aufladen des ESS bereitzustellen.
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Insbesondere wird hier ein Fahrzeug bereitgestellt, das ein Hochspannungs-ESS, das unter Verwendung elektrischer Leistung von einer fahrzeugfremden AC-Stromversorgung wiederaufladbar ist, ein TPIM mit zwei Gleichrichtern/Wechselrichtern, die jeweils mehrere Halbleiterschalter aufweisen, einen Motor und einen Controller aufweist. Der Motor ist als eine Permanentmagnet/AC-Induktionsmaschine mit mehreren Induktionswicklungen ausgestaltet. Der Controller, z.B. ein Motorsteuerungsprozessor oder eine andere geeignete Einrichtung, schaltet ausgewählte Halbleiterschaltungen des TPIM und ausgewählte Induktionswicklungen des Motors selektiv ein, um die elektrische Leistung von der fahrzeugfremden AC-Stromversorgung aufwärts zu transformieren und um dadurch das ESS schnell aufzuladen.
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Die erste Topologie wird verwendet, um eine Abwärts-Aufwärtstransformationsschaltung zur Aufwärtstransformation der elektrischen Leistung bereitzustellen, wenn das Fahrzeug zwei Antriebsmotoren aufweist, z.B., wenn das Fahrzeug als ein Steckdosenhybrid-Elektrofahrzeug (PHEV) ausgestaltet ist. Wenn das Fahrzeug ein Batterieelektrofahrzeug (PEV) mit nur einem Antriebsmotor ist, wird eine zweite Topologie verwendet, wobei keine der Topologien zu irgendeinem Zeitpunkt die Verwendung eines zusätzlichen/separaten fahrzeugeigenen Batterielademoduls benötigt. Die erste Topologie fügt ein Paar zusätzlicher Leistungsschalter hinzu, z.B. eine Festkörpereinrichtung wie etwa ein Relais oder ein Schütz, und einen zusätzlichen Halbleiterschalter. Bei der zweiten Topologie fehlt der zusätzliche Antriebsmotor und sie stellt eine reine Aufwärtstransformationsschaltung zur Aufwärtstransformation der elektrischen Leistung unter Verwendung eines Eingangsfilters anstelle der Verwendung von Induktionswicklungen des fehlenden zweiten Antriebsmotors bereit.
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Es wird auch ein Controller bereitgestellt, um das ESS unter Verwendung elektrischer Leistung von einer fahrzeugfremden AC-Stromversorgung aufzuladen. Der Controller enthält eine Hostmaschine, die so programmiert ist oder anderweitig so betrieben werden kann, dass ausgewählte Halbleiterschalter des ersten und zweiten Gleichrichters/Wechselrichters des TPIM und ausgewählte Induktionswicklungen des Motors selektiv eingeschaltet werden, um die elektrische Leistung von der fahrzeugfremden AC-Stromversorgung aufwärts zu transformieren, wodurch das ESS schnell geladen wird, wenn das Fahrzeug gerade nicht läuft.
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Ein Verfahren zum Aufladen des ESS umfasst, dass ausgewählte Halbleiterschalter eines ersten Gleichrichters/Wechselrichters des TPIM verwendet werden, um aus einer Eingangsleistung, die von einer fahrzeugfremden AC-Stromversorgung geliefert wird, eine gleichgerichtete Spannung zu erzeugen. Das Verfahren umfasst ferner, dass ausgewählte Induktionswicklungen des Motors verwendet werden, um eine Ausgangsspannung zu erzeugen, wobei die Ausgangsspannung eine Funktion der gleichgerichteten Spannung ist. Das ESS wird dann unter Verwendung der Ausgangsspannung aufgeladen.
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Ein Tastverhältnis eines der ausgewählten Halbleiterschalter des zweiten Gleichrichters/Wechselrichters kann gewählt werden, um die zum Aufladen des ESS verwendete Ausgangsspannung zu steuern. Wenn das Fahrzeug einen zweiten Motor enthält, wird ein Schütz in Verbindung mit ausgewählten Induktionswicklungen des zweiten Motors und ausgewählten Halbleiterschaltern des ersten Gleichrichters/Wechselrichters verwendet, um die gleichgerichtete Spannung zu erzeugen. Ein zusätzlicher Halbleiterschalter wird aktiviert, um die gleichgerichtete Spannung an einen Koppelkondensator als die Ausgangsspannung zu übertragen, wodurch das ESS aufgeladen wird.
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Die vorstehenden Merkmale und Vorteile und andere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich leicht aus der folgenden genauen Beschreibung der besten Arten zum Ausführen der Erfindung, wenn sie in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen gelesen wird.
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Figurenliste
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- 1 ist eine schematische Darstellung eines Fahrzeugs mit einem Controller, der Halbleiterschalter eines TPIM mit zwei Gleichrichtern/Wechselrichtern und Induktionswicklungen von einem oder zwei Antriebsmotoren verwendet, um ein Hochspannungs-Energiespeichersystem (ESS) schnell aufzuladen, wie hier offenbart ist;
- 2 ist ein Schaltplan, der eine erste Topologie zum Aufladen des ESS einer möglichen Ausführungsform des in 1 gezeigten Fahrzeugs darstellt;
- 3 ist ein Schaltplan für eine Ersatzschaltung zu der in 2 dargestellten Schaltung, der den Abwärtstransformations-Aufwärtstransformations-Betrieb zum Aufladen des ESS zeigt;
- 4 ist ein Schaltplan, der eine zweite Topologie zum Aufladen des ESS einer anderen möglichen Ausführungsform des in 1 gezeigten Fahrzeugs darstellt;
- 5 ist ein Schaltplan für eine Ersatzschaltung zu der in 4 dargestellten Schaltung, der einen reinen Aufwärtstransformationsbetrieb zum Aufladen des ESS zeigt; und
- 6 ist ein Flussdiagramm, das ein Verfahren zum Aufladen des ESS unter Verwendung des TPIM und eines oder beider Antriebsmotoren beschreibt.
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BESCHREIBUNG
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Mit Bezug auf die Zeichnungen, in denen gleiche Bezugszeichen in den verschiedenen Figuren gleichen oder ähnlichen Komponenten entsprechen, ist in 1 ein Fahrzeug 10 gezeigt, das einen Antriebsmotor 16 aufweist. In Abhängigkeit von der Fahrzeugkonfiguration kann auch ein optionaler zweiter Antriebsmotor 14 verwendet werden. Das heißt, dass das Fahrzeug 10 bei einer möglichen Ausführungsform als ein Steckdosenhybrid-Elektrofahrzeug (PHEV) unter Verwendung von Motordrehmoment von den beiden Motoren 14 und 16 ausgestaltet sein kann, wobei das Motordrehmoment an jeweilige Motorausgangselemente 140 und 160 übertragen wird. Bei einer derartigen Ausführungsform kann Drehmoment von einem ausgewählten Motor, z.B. dem Motor 14, genutzt werden, um das Ankurbeln und Starten einer Brennkraftmaschine (nicht gezeigt) zu unterstützen. Drehmoment von einem oder beiden Motoren 14, 16 kann verwendet werden, um das Fahrzeug über ihre jeweiligen Ausgangselemente 140 und 160 voranzutreiben. Zur Vereinfachung sind in 1 die Kraftmaschine, das Getriebe und Endantriebskomponenten weggelassen.
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Alternativ kann das Fahrzeug 10 als ein Batterieelektrofahrzeug (BEV) mit nur einem Motor, z.B. dem Motor 16, und ohne Kraftmaschine ausgestaltet sein. Jede Ausführungsform des Fahrzeugs 10 enthält ein Antriebs-Gleichrichter/Wechselrichter-Modul (TPIM) 18 mit zwei Gleichrichtern/Wechselrichtern 22, 23. Ein Motorsteuerungsprozessor oder Controller 26 kann mit dem Motor 14 und/oder 16 elektrisch verbunden sein und ausgelegt sein, um die Drehzahl, den Betriebsmodus und den Leistungsfluss an den bzw. die und von dem bzw. den Motor(en) zu steuern. Der Controller 26 kann wie gezeigt eine einzige Einrichtung sein oder seine Funktionalität kann auf verschiedene Einrichtungen verteilt sein. Zusätzlich ist im Controller 26 ein Aufladealgorithmus 100 vorhanden oder ist durch den Controller auf andere Weise leicht ausführbar, um ein Hochspannungs-Energiespeichersystem (ESS) 24 schnell aufzuladen, wenn das Fahrzeug 10 gerade nicht läuft und wenn das Fahrzeug mit einer fahrzeugfremden AC-Stromversorgung 50 elektrisch verbunden ist, wie in 2 - 5 gezeigt ist.
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Es werden hier zwei verschiedene Schaltungslayouts oder Topologien offenbart, eine für jede der jeweiligen vorstehend erwähnten Ausführungsformen mit zwei Motoren und einem Motor. Bei jeder Topologie ist das Fahrzeug 10 unabhängig von der Anzahl der Motoren, die es verwendet, durch das Fehlen eines herkömmlichen fahrzeugeigenen Lademoduls für die Hochspannungsbatterie gekennzeichnet. Stattdessen steuert der Controller 26 des Fahrzeugs 10 ausgewählte Statorwicklungen oder Induktionswicklungen 21 des Motors 16 und ausgewählte Halbleiterschalter der Gleichrichter/Wechselrichter 22, 23 des TPIM 18, um das ESS 24 schnell aufzuladen. Wenn der Motor 14 verwendet wird, wählt der Controller 26 bestimmte Induktionswicklungen 20 des Motors 14 aus, die als Leistungsfilterfunktion dienen. Wie nachstehend mit Bezug auf 4 und 5 erläutert wird, können Induktionswicklungen hinzugefügt werden, um der gleichen Leistungsfilterfunktion zu dienen, wenn der Motor 14 nicht enthalten ist.
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Immer noch mit Bezug auf 1 sind die Motoren 14 und 16 mehrphasige elektrische Maschinen vom Permanentmagnet/AC-Induktionstyp, die in Abhängigkeit von der Fahrzeugkonstruktion jeweils für etwa 60 VAC bis etwa 300 VAC klassifiziert bzw. ausgelegt sind. Die Motoren 14, 16 sind mit Hilfe einer Hochspannungs-DC-Stromschiene 38, des TPIM 18 und einer mehrphasigen Hochspannungs-AC-Stromschiene 39 mit dem ESS 24 elektrisch verbunden. Das ESS 24 kann unter Verwendung von Motordrehmoment von den Motoren 14, 16 selektiv wieder aufgeladen werden, wenn die Motoren aktiv als Generatoren arbeiten, z.B. indem sie Energie während eines regenerativen Bremsereignisses auffangen.
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Andere elektrische Hochspannungskomponenten des Fahrzeugs 10 können ein Zusatzleistungsmodul (APM) 40, etwa einen DC/DC-Leistungsumsetzer enthalten, der mit Hilfe der DC-Stromschiene 38 mit dem ESS 24 elektrisch verbunden ist. Das APM 40 kann mit Hilfe einer Niederspannungsstromschiene 41 mit einer Niederspannungs-Zusatzbatterie 42, z.B. einer 12 VDC-Batterie, elektrisch verbunden sein und ausgelegt sein, um eines oder mehrere Zusatzsysteme (nicht gezeigt) an Bord des Fahrzeugs mit Energie zu versorgen.
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Mit Bezug auf 2 kann eine erste Topologie 12 mit einem Antriebssystem mit zwei Motoren des vorstehend beschriebenen Typs verwendet werden, z.B. ein PHEV, das beide Motoren 14 und 16 von 1 verwendet. Mit Hilfe eines elektrischen Steckers 52 kann eine fahrzeugfremde AC-Stromversorgung 50 mit dem Fahrzeug 10 verbunden werden, um das Steckdosenaufladen des ESS 24 einzuleiten, wenn das Fahrzeug 10 gerade nicht läuft, z.B. wenn es des Nachts in einer Garage geparkt ist. In Verbindung mit einem Schütz 56 kann ein optionales Eingangsfilter 30 verwendet werden. Das Eingangsfilter 30 kann ein Filter für elektromagnetische Verträglichkeit (EMC-Filter) und eine Induktionskopplung (nicht gezeigt) umfassen. Das Schütz 56 kann weggelassen werden, wenn ein EMC-Filter oder eine Induktionskopplung nicht benötigt werden.
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Ein zusätzlicher Halbleiterschalter 17 und ein Schütz 25 werden vom Controller 26 von 1 selektiv gesteuert, z.B. indem ein Einschalt/Ausschalt-Signal übertragen wird, um die jeweiligen Einrichtungen bei Bedarf zu aktivieren. Der zusätzliche Halbleiterschalter 17 ist zwischen dem ESS 24 und der Ausgangsseite der Halbleiterschalter 151, 153, 155, 157 des Motors 16 elektrisch verbunden. Der Schalter 17 und beliebige andere Leistungsschalter, die hier verwendet werden, können als ein Paar aus einem Bipolartransistor mit isolierter Gateelektrode (IGBT) und einer Diode, einem Paar aus einem Metalloxidhalbleiter-Feldeffekttransistor (MOSFET) und einer Diode oder als ein beliebiger anderer geeigneter Leistungsschalter ausgestaltet sein. Der Einfachheit halber sind hier in den verschiedenen Figuren IGBTs gezeigt. Das Schütz 25 kann als ein Solenoid-Schütz oder eine andere Festkörperschalteinrichtung ausgestaltet sein, obwohl andere Schalterkonstruktionen, sei es Halbleiter oder Festkörper, für den Schalter und/oder das Schütz in Abhängigkeit von der Konstruktion und der benötigten Schaltleistung verwendet werden können.
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Ausgewählte Leitungswicklungen 20 des Motors 14 können die Induktionswicklungen 71 und 73 umfassen. Die verbleibende Induktionswicklung 75 ist nicht für die Aufladeoperation ausgewählt. Das Schütz 25 verbindet die ausgewählten Induktionswicklungen des Motors 14 auf elektrische Weise mit den Halbleiterschaltern des Gleichrichters/Wechselrichters 22. Der Gleichrichter/Wechselrichter 22 des TPIM 18 enthält Halbleiterschalter 51, 53, 55 und 57. Die Halbleiterschalter 51, 53, 55, 57 werden kombiniert, um eine Gleichrichterschaltung 11 in Verbindung mit dem Schütz 25 und den Induktionswicklungen 71 und 73 des Motors 14 zu bilden. Zwei zusätzliche Halbleiterschalter 59 und 62 des TPIM 18 werden nicht verwendet, wenn das ESS 24 aufgeladen wird.
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Der Motor 16 enthält die Induktionswicklungen 171, 173 und 175. Der Gleichrichter/Wechselrichter 23 des TPIM 18 enthält Halbleiterschalter 151, 153, 155 und 157, welche zusammen mit den Induktionswicklungen 171 und 173 eine Abwärtstransformations/Aufwärtstransformationsschaltung 13 zum schnellen Aufladen des ESS 24 bereitstellen können. Zwei zusätzliche Wechselrichterschalter 159 und 162 sind im Gleichrichter/Wechselrichter 23 des TPIM 18 enthalten, werden aber wie auch die Halbleiterschalter 59 und 62 zum Aufladen des ESS 24 nicht verwendet.
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Der Controller 26 von 1 öffnet das Schütz 25, um die Aufladeoperation einzuleiten, indem er beispielsweise ein stufenförmiges Signal an das Schütz überträgt, welches einem Solenoid signalisiert, sich zu öffnen. Der Halbleiterschalter 17 ist während eines normalen Fahrzeugbetriebs eingeschaltet und wird vom Controller 26 während der Aufladeoperation ausgeschaltet, wenn das Fahrzeug 10 gerade nicht läuft. Dann wird eine Ausgangsspannung über dem ESS 24 und einem parallelen Koppelkondensator 27 erzeugt, d.h. einer elektronischen Komponente, die dazu beiträgt, die Hochspannungs-DC-Stromschiene 28 an Bord des Fahrzeugs 10, das in 1 gezeigt ist, zu filtern.
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Mit Bezug auf 3 ist eine elektrische Ersatzschaltung 60 für die während einer Aufladeoperation des ESS 24 aktiven Komponenten in der ersten Topologie 12 von 2 gezeigt. Durch die Abwärtstransformations/Aufwärtstransformations-Schaltung 13 wird eine Aufwärtstransformationsoperation bereitgestellt. Es sind nur die IGBTs und Dioden bestimmter Halbleiterschalter von 2 in 3 voneinander getrennt gezeigt, um den Leistungsfluss deutlicher zu veranschaulichen, der während der Aufladeoperation bereitgestellt wird. Das heißt, dass zur erhöhten Klarheit jede IGBT- und Diodenkomponente in 3 weggelassen ist, welche nicht zur Aufladeoperation des ESS 24 verwendet wird.
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Während der Aufladeoperation ist das Schütz 25 (siehe 2) geöffnet, der IGBT des Halbleiterschalters 17 von 2 bleibt ausgeschaltet und eine gleichgerichtete Spannung (VRECT) 85 wird durch die Gleichrichterschaltung 11 aufgebaut, wie in 1 gezeigt ist. Während eines Aufwärtstransformationsbetriebs der Abwärtstransformations/Aufwärtstransformations-Schaltung 13 werden die IGBTs der Halbleiterschalter 151 und 157 in einer Schaltperiode ein kalibriertes Tastverhältnis lang eingeschaltet. Als Folge fließt ein elektrischer Strom 61, wie angezeigt, um Energie über die Induktionswicklungen 171 und 173 (siehe 2) aufzubauen, wobei die äquivalente Induktivität dieser zwei Induktionswicklungen in 3 durch die Spule 82 dargestellt ist.
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Die Diode des Halbleiterschalters 17 verhindert, dass das ESS 24 während der durch die Abwärtstransformations/Aufwärtstransformations-Schaltung 13 bereitgestellten Aufwärtstransformationsoperationen kurzgeschlossen wird, während die IGBTs der Halbleiterschalter 151 und 157 eingeschaltet sind. Wenn die IGBTs der Halbleiterschalter 151 und 157 für den Rest des Zyklus der gleichen Schaltperiode ausgeschaltet sind, wird es ermöglicht, dass ein elektrischer Strom 161 durch die Dioden der Schalter 153, 155 in die angezeigte Richtung fließt und eine Ausgangsspannung (VOUT) 83 wird über dem ESS 24 bereitgestellt. Die Ausgangsspannung (VOUT) 83 kann berechnet werden als VOUT = VRECT(D/(1-D)), wobei D das Tastverhältnis darstellt. Für eine Aufwärtstransformationsoperation muss der Wert von D größer als 0,5 sein.
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Es kann sein, dass das Filter 30 und das Schütz 56 von 2 bei der ersten Topologie nicht benötigt werden, wenn die äquivalente Induktivität der Induktionswicklungen 71 und 73, die als Spule 81 dargestellt ist, groß genug ist, um jede Schaltwelligkeit und irgendwelche anderen ungewünschten transienten Ströme oder Spitzen zu beseitigen. Auf ähnliche Weise ist die vorstehend erwähnte Spule 82 groß genug, so dass eine niedrigere Schaltfrequenz von etwa 20 kHz verwendet werden kann. Die von der Abwärtstransformations/Aufwärtstransformations-Schaltung 13 bereitgestellte Aufwärtstransformationsoperation kann eine Phasenwinkelkorrektur bei der AC-Eingangsstromversorgung 50 bereitstellen, die nahezu Eins beträgt, d.h. größer als etwa 0,95.
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Wie vorstehend erwähnt wurde, kann das mit Bezug auf 2 und 3 hier beschriebene Antriebssystem mit zwei Motoren mit einem PHEV ohne ein zusätzliches fahrzeugeigenes Batterieladegerät verwendet werden, wodurch die Kosten und die Größe des Antriebsstrangs verringert wird. Nur ein Schütz und ein zusätzlicher Halbleiterschalter werden benötigt, d.h. das Schütz 25 und der zusätzliche Halbleiterschalter 17, die in 2 gezeigt sind. Da das TPIM 18 und die Motoren 14, 16 von 1 bereits für hohe Leistung klassifiziert sind, folgt daraus, dass unter Verwendung von Halbleiterschaltern und Induktionswicklungen von diesen Einrichtungen ein Hochleistungs/Schnellladen ermöglicht wird.
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Bei einer möglichen Ausführungsform kann eine Aufladeleistung von etwa 10 kW bereitgestellt werden, ein Niveau, das die Lebensdauer des TPIM 18 und der Motoren 14, 16 nicht wesentlich verschlechtern sollte. Zum Beispiel kann das TPIM 18 in Abhängigkeit von der Konstruktion für etwa 85 kW bis etwa 120 kW klassifiziert sein, so dass Leistungsniveaus möglich sind, die viel höher als 10 kW sind. Jedoch gibt es einen Kompromiss zwischen der Aufladeleistung und der Lebensdauer des TPIM. Zudem ist die Gleichrichterschaltung 11 ein Zweiweg-Diodengleichrichter und daher ist ein Umschalten eines Schalterpaars zwischen positiven/negativen Zyklen der AC-Quelle 50 nicht notwendig, was eine Steuerung der Topologie von 2 weiter vereinfacht.
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Mit Bezug auf 4 kann eine zweite Topologie 13 mit einem Antriebssystem mit einem Motor verwendet werden, z.B. einem BEV, wobei das Fahrzeug das TPIM 18 des Antriebssystems mit zwei Motoren behält. Obwohl das TPIM 18 zwei Gleichrichter/Wechselrichter 22, 23 aufweist (siehe 1), ermöglicht das Beibehalten des TPIM 18 für eine Fahrzeugantriebskonfiguration mit einem Motor die allgemeine Verwendbarkeit von Komponenten, d.h. weniger Teilenummern zur Bevorratung und Beschaffung, was in Abhängigkeit von dem relativen Marktanteil für ein PHEV relativ zu einem BEV einen gewissen Wert haben kann.
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Weil nur ein Motor, d.h. der Motor 16 verwendet wird, sind die Induktionswicklungen 20 des Motors 14 zur Verwendung als Leitungsfilter bei der Antriebskonfiguration mit einem Motor nicht verfügbar. Daher kann ein zusätzliches Eingangsfilter 90 mit einer Induktionswicklung 92 und einem Kondensator 94 hinzugefügt werden, wobei jede elektronische Komponente so ausgelegt ist, dass sie den gewünschten Betrag an Leitungsaufbereitung bereitstellt, wie auf dem Gebiet verstanden wird. Ausgewählte Induktionswicklungen 21, d.h. die Induktionswicklungen 171, 173 des Motors 16 bilden eine Aufwärtstransformationsspule, und die Halbleiterschalter 51, 53, 55 und 57 des TPIM 18 bilden die Gleichrichterschaltung 11 in der zweiten Topologie. Die äquivalente Induktivität der Spulen 171, 173 ist in 5 durch eine einzelne Spule 95 dargestellt.
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Die Halbleiterschalter 155 und 157 stellen eine reine Aufwärtstransformationsschaltung 113 zum Aufladen des ESS 24 bereit. Der Halbleiterschalter 17 der ersten Topologie 12 von 2 wird in der zweiten Topologie 13 nicht verwendet. Zudem ist die Hochspannungsstromschiene 39 von 1 in der zweiten Topologie 13 so verlegt, wie durch Pfeil 98 angezeigt ist, d.h. so, dass die Ausgangsseite des Halbleiterschalters 55 zwischen den Halbleiterschaltern 151 und 153 elektrisch dort verbunden ist, wo ein Ende der Induktionswicklung 171 des Motors 16 ebenfalls verbunden ist. Alle anderen Komponenten bleiben bezüglich der ersten Topologie gleich, wie vorstehend offengelegt ist.
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Mit Bezug auf 5 ist eine elektrische Ersatzschaltung 160 für die Aufladeoperation des ESS 24 in einer Antriebskonfiguration mit einem Motor gezeigt. Wie bei 3 zeigt 5 nur diejenigen Halbleiterschalterkomponenten, z.B. IGBTs und Dioden, welche während der Aufladeoperation aktiv sind. Wenn der IGBT des Halbleiterschalters 157 eingeschaltet ist und der Halbleiterschalter 155 ausgeschaltet ist, fließt ein elektrischer Strom 261 durch eine Spule 95.
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Die Spule 95 weist einen Induktivitätswert auf, der gleich dem der Kombination der Induktionswicklungen 171 und 173 von Motor 16 ist, und ist groß genug, dass eine niedrigere Schaltfrequenz, z.B. etwa 20 kHz, wie bei der ersten Topologie 12 von 2 verwendet werden kann. Die Energie wird von der gleichgerichteten Spannung (Pfeil 185) an die Spule 95 übertragen. Wenn der IGBT des Halbleiterschalters 157 ausgeschaltet wird, wird die Diode des Halbleiterschalters 155 eingeschaltet. Als Folge wird der elektrische Strom 261, der durch die Spule 95 fließt, an den Koppelkondensator 27 geliefert, wie durch Pfeil 361 angezeigt ist, und eine Ausgangsspannung 183 wird an dem ESS 24 bereitgestellt.
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Als reine Aufwärtstransformationsoperation steuert das Tastverhältnis (D) des Halbleiterschalters 153 die Ausgangsspannung, d.h. VOUT= VRECT/ (1 - D). Nur das zusätzliche Eingangsfilter 90 und die spezielle Stromschienenverlegung, die in 4 durch Pfeil 98 angezeigt ist, werden benötigt. Alle anderen Vorteile und Merkmale, die vorstehend für die erste Topologie beschrieben sind, treffen ansonsten für die zweite Topologie zu. Jede Topologie stellt eine Aufladeleistung von etwa 300 % bis 800 % der Leistung bereit, die von einem herkömmlichen fahrzeugeigenen Batterieladegerätmodul verfügbar ist, wodurch Aufladezeiten erheblich verbessert werden. Die Kosten und das Gewicht des fahrzeugeigenen Ladegeräts werden beseitigt, während die Lebensdauer des TPIM 18 und der Motoren 14 und/oder 16 in vernachlässigbarem Umfang verringert werden, wenn eine Aufladeleistung von etwa 10 kW verwendet wird.
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Mit Bezug auf 6 wird der Aufladealgorithmus 100 vom Controller 26 von 1 selektiv ausgeführt, wenn das Fahrzeug 10 ausgeschaltet ist und die AC-Stromversorgung 50 von 2 und 4 mit dem Fahrzeug elektrisch verbunden ist. Diese Vorbereitungsschritte sind in 6 durch (*) angezeigt. Der Algorithmus 100 beginnt effektiv mit Schritt 102, in welchem der Controller 26 einen Satz von Fahrzeugbedingungen bewertet, um zu ermitteln, ob das Aufladen des ESS 24 zugelassen ist. Zum Beispiel kann der Controller 26 den Betriebszustand des Fahrzeugs 10 bewerten, etwa indem ermittelt wird, ob eine Kraftmaschine gerade läuft, die Zündung eingeschaltet ist, ein Gang im Getriebe eingelegt ist, die AC-Stromversorgung 50 eingesteckt ist usw. Bei einer Ausführungsform kann der Controller 26 den Ladezustand des ESS 24 bewerten, um zu ermitteln, ob ein Aufladen benötigt wird. Wenn der Satz von Fahrzeugbedingungen anzeigt, dass die Aufladeoperation nicht beginnen soll, kann der Algorithmus 100 Schritt 102 in einer Schleife wiederholen, bis es die Bedingungen anders anzeigen. Wenn das Aufladen zugelassen ist, geht der Algorithmus 100 zu Schritt 104 weiter.
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Bei Schritt 104 aktiviert der Controller 26 die ausgewählten Halbleiterschalter des TPIM 18 und die ausgewählten Induktionswicklungen des Motors 16, wie vorstehend offengelegt ist, um die Aufladeoperation unter Verwendung dieser Komponenten einzuleiten. In der Antriebskonfiguration mit zwei Motoren, die vorstehend mit speziellen Bezug auf 2 und 3 beschrieben ist, können auch die Induktionswicklungen des Motors 14 verwendet werden. In der Antriebskonfiguration mit zwei Motoren können auch der Halbleiterschalter 17 und das Schütz 25 von 2 nach Bedarf vom Controller 26 eingeschaltet oder ausgeschaltet werden, während die durch die Induktionswicklungen des Motors 14 bereitgestellte Filterung durch die in 4 gezeigte Spule 92 und den Kondensator 94 bereitgestellt werden kann, wenn der Motor 14 nicht verwendet wird. Sobald das Aufladen beginnt, geht der Algorithmus 100 zu Schritt 106 weiter.
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Bei Schritt 106 vergleicht der Controller 26 den Ladezustand des ESS 24 mit einem kalibrierten Schwellenwert. Wenn der Ladezustand den Schwellenwert überschreitet, geht der Algorithmus 100 zu Schritt 108 weiter, andernfalls wiederholt er die Schritte 104 und 106 in einer Schleife, bis der Schwellenwert überschritten wird.
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Bei Schritt 108 bricht der Controller 26 die Aufladeoperation ab, indem er die Einschaltschritte von Schritt 104 umkehrt, wie vorstehend erläutert ist. Der Algorithmus 100 ist beendet, wie durch (**) in 6 angezeigt ist, und das Fahrzeug 10 ist bereit zur Verwendung in seinen normalen Betriebsmodi.
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Obwohl die besten Arten zum Ausführen der Erfindung im Detail beschrieben wurden, werden Fachleute auf dem Gebiet, das diese Erfindung betrifft, verschiedene alternative Entwürfe und Ausführungsformen erkennen, um die Erfindung im Umfang der beigefügten Ansprüche in die Praxis umzusetzen.