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Hintergrund der Erfindung
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1. Technisches Gebiet
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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen DC-DC-Wandler (DC = engl. ”Direct Current”; Gleichstrom) bzw. einen Gleichspannungswandler, welcher ein Umschalten einer Eingangsspannung an einer Primärseite eines Transformators durchführt und eine AC-Spannung (AC = engl. ”Alternating Current”; Wechselstrom) bzw. eine Wechselspannung, die an einer Sekundärseite des Transformators erzeugt wird, gleichrichtet.
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2. Stand der Technik
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Beispielsweise wird ein elektrisches Automobil oder ein Hybridfahrzeug mit einer Hochspannungsbatterie zur Verfügung gestellt, die einen Antriebsmotor und eine Stromversorgungseinrichtung antreibt, wobei die Stromversorgungseinrichtung eine Spannung der Batterie absenkt, um die abgesenkte Spannung zu unterschiedlichen Fahrzeugkomponenten bzw. fahrzeuginternen Komponenten zu liefern. Ein DC-DC-Wandler bzw. ein Gleichspannungswandler wird als die Stromversorgungseinrichtung verwendet. Der DC-DC-Wandler bzw. Gleichspannungswandler umfasst im Allgemeinen eine Umschaltschaltung, die eine DC-Spannung (einen Gleichstrom) bzw. Gleichspannung in eine AC-Spannung (einen Wechselstrom) bzw. Wechselspannung durch einen Umschaltbetrieb auf der Grundlage eines PWM-Signals (PWM = engl. ”Pulse Width Modulation”; Pulsweitenmodulation) umwandelt, eine Gleichrichterschaltung, welche die AC-Spannung bzw. Wechselspannung gleichrichtet, einen Transformator, der zwischen der Umschaltschaltung und der Gleichrichterschaltung vorgesehen ist, und eine Glättungsschaltung, die die Spannung, die durch die Gleichrichterschaltung gleichgerichtet wird, glättet. Beispielsweise offenbart die inländische Neuveröffentlichung der
internationalen PCT-Veröffentlichung mit der Nummer 2007/000830 einen herkömmlichen DC-DC-Wandler bzw. Gleichspannungswandler.
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Bei dem DC-DC-Wandler bzw. Gleichspannungswandler ist es notwendig, eine Eingangsspannung, einen Eingangsstrom, eine Ausgangsspannung, und einen Ausgangsstrom zu erfassen, um immer die Zustände der Schaltungen zu überwachen. Der Eingangsstrom kann direkt durch einen Stromsensor oder einen Stromtransformator erfasst werden. Der Ausgangsstrom kann direkt wie der Eingangsstrom erfasst werden. Alternativ kann der Ausgangsstrom durch Berechnung unter Verwendung eines Werts des Eingangsstroms erfasst werden. Die inländische Neuveröffentlichung der
internationalen PCT-Veröffentlichung mit der Nummer 2009/011374 offenbart ein Verfahren zum Evaluieren eines Ausgangsstroms durch eine Berechnung.
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Die Ausgangsspannung kann direkt durch einen Teilwiderstand erfasst werden. In diesem Fall kann ein Widerstand mit einem kleinen zulässigen elektrischen Stromwert als der Teilwiderstand verwendet werden, weil eine Sekundärseite des Transformators eine niedrige Spannung hat. Hingegen ist es notwendig, wenn die Eingangsspannung direkt durch den Teilwiderstand erfasst wird, den Widerstand mit einem großen zulässigen elektrischen Stromwert zu verwenden, weil eine Primärseite des Transformators eine hohe Spannung hat. Dies führt zu einer Erhöhung der Kosten und zu einer Behinderung in Bezug auf die Verringerung der Größe. Deshalb ist, wie in der inländischen Neuveröffentlichung der
internationalen PCT-Veröffentlichung mit der Nummer 2009/011374 und den
japanischen ungeprüften Patentveröffentlichungen mit den Nummern 2009-205299 und
9-135574 offenbart ist, ein Verfahren zum Schätzen einer Eingangsspannung auf der Grundlage eines Tastverhältnisses von einem Impulssignal (PWM-Signal) zum Antreiben einer Umschaltschaltung wohlbekannt.
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11 veranschaulicht ein Beispiel eines DC-DC-Wandlers bzw. Gleichspannungswandlers gemäß dem Stand der Technik, welcher an einem elektrischen Automobil oder einem Hybridfahrzeug angebracht ist. Ein DC-DC-Wandler bzw. Gleichspannungswandler 50 führt ein Umschalten von einer DC-Spannung bzw. Gleichspannung von einer Hochspannungsbatterie 64 durch und konvertiert die DC-Spannung bzw. Gleichspannung in einen Niederspannungsgleichstrom, um eine Niederspannungsbatterie 63 aufzuladen.
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Die DC-Spannung bzw. Gleichspannung der Hochspannungsbatterie 64 wird einer Umschaltschaltung 53 über eine Filterschaltung 51 zur Verfügung gestellt. Die Umschaltschaltung 53 umfasst ein Schaltelement, das einen An-/Aus-Betrieb unter Verwendung eines PWM-Signals, das von einer Antriebsschaltung 60 zur Verfügung gestellt wird, durchführt. Ein Ausgang der Umschaltschaltung 53 ist an der Primärseite eines Transformators 54 vorgesehen. Eine Gleichrichterschaltung 55, die Dioden D1 und D2 umfasst, ist mit der Sekundärseite des Transformators 54 verbunden. Eine Glättungsschaltung 56, welche eine Spule L und einen Kondensator C umfasst, ist mit einer Ausgangsseite der Gleichrichterschaltung 55 verbunden. Eine Ausgabe der Glättungsschaltung 56 wird eine abgesenkte DC-Spannung bzw. Gleichspannung, wobei die Niederspannungsbatterie 63 durch die abgesenkte DC-Spannung bzw. Gleichspannung aufgeladen wird.
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Eine Hilfsstromzuführung bzw. Zusatzstromzuführung 57 und eine Eingangsstromerfassungsschaltung 58 sind an einer Eingangsseite der Umschaltschaltung 53 vorgesehen. Die Hilfsstromzuführung 57 ist eine Stromzuführung, die eine Steuereinrichtung bzw. einen Controller 59 antreibt. Die Eingangsstromerfassungsschaltung 58 erfasst einen Eingangsstrom Ii unter Verwendung eines Stromsensors 52. Ein Erfassungswert des Stromsensors 52 wird der Steuereinrichtung 59 zur Verfügung gestellt. Eine Temperaturerfassungsschaltung 62 ist zum Zwecke der Temperaturkompensation bzw. des Temperaturausgleichs vorgesehen, wobei ein Erfassungswert der Temperaturerfassungsschaltung 62 der Steuereinrichtung 59 zur Verfügung gestellt wird.
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Eine Ausgangsspannungserfassungsschaltung 61 ist an einer Ausgangsseite der Glättungsschaltung 56 vorgesehen. Die Ausgangsspannungserfassungsschaltung 61 erfasst eine Ausgangsspannung Vo der Glättungsschaltung 56. Ein Erfassungswert der Ausgangsspannungserfassungsschaltung 61 wird der Steuereinrichtung 59 zum Zwecke einer Rückkopplungssteuerung bzw. Regelung zur Verfügung gestellt.
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Die Steuereinrichtung 59 umfasst einen Mikrocomputer. Die Steuereinrichtung 59 vergleicht den Erfassungswert der Ausgangsspannung Vo, der von der Ausgangsspannungserfassungsschaltung 61 rückgeführt wird, mit einem Sollwert und erzeugt einen Anweisungswert, um die Ausgangsspannung Vo in Übereinstimmung mit dem Sollwert auf der Grundlage einer Differenz zwischen dem Erfassungswert und dem Sollwert zu bringen. Der Anweisungswert wird der Antriebsschaltung 60 zur Verfügung gestellt.
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Die Antriebsschaltung 60 erzeugt das PWM-Signal mit einem Tastverhältnis entsprechend dem Anweisungswert, der von der Steuereinrichtung 59 empfangen wird, und treibt das Schaltelement der Umschaltschaltung 53 unter Verwendung des PWM-Signals an. Die Antriebsschaltung 60 gibt ebenso das erzeugte PWM-Signal an die Steuereinrichtung 59 aus.
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Die Steuereinrichtung 59 berechnet ein Tastverhältnis des PWM-Signals durch Analysieren des PWM-Signals, das von der Antriebsschaltung 60 empfangen wird. Das Tastverhältnis ist ein Verhältnis aus einer An-Zeitspanne in einem Zyklus des PWM-Signals. Die Steuereinrichtung 59 evaluiert eine Eingangsspannung Vi aus der folgenden Gleichung unter Verwendung des berechneten Tastverhältnisses D und der Ausgangsspannung Vo. Vi = Vo·(N1/N2)/D (1) wobei N1 die Anzahl von Windungen von einer primärseitigen Spule des Transformators 54 und N2 die Anzahl von Windungen von einer sekundärseitigen Spule des Transformators 54 ist.
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Die Steuereinrichtung 59 evaluiert einen Ausgangsstrom Io aus der folgenden Gleichung unter Verwendung des Eingangsstroms Ii, der durch die Eingangsstromerfassungsschaltung 58 erfasst wird. Lo = Ii·(N1/N2) (2)
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Daher werden der Eingangsstrom Ii und die Ausgangsspannung Vo direkt durch die jeweilige Eingangsstromerfassungsschaltung 58 und die jeweilige Ausgangsspannungserfassungsschaltung 61 erfasst. Die Eingangsspannung Vi wird aus der Gleichung (1) unter Verwendung der Ausgangsspannung Vo und des Tastverhältnisses D des PWM-Signals evaluiert, wobei der Ausgangsstrom Io aus der Gleichung (2) unter Verwendung des Eingangsstrom Ii evaluiert wird.
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Jedoch kann bei dem Stand der Technik die Eingangsspannung Vi nicht korrekt aufgrund einer Variation bzw. Änderung des Tastverhältnisses D, das von dem Ausgangsstrom Io abhängt, berechnet werden. Dieses Problem wird unter Bezugnahme auf die 12A bis 12D beschrieben.
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12A veranschaulicht eine Wellenform des PWM-Signals, das durch die Antriebsschaltung 60 erzeugt wird, wobei 128 eine Wellenform von einem idealen Signal zur Verwendung bei der Berechnung des korrekten Tastverhältnisses veranschaulicht, wobei 12C eine Wellenform von einer primärseitigen Spannung des Transformators 54 veranschaulicht und 12D eine Wellenform von einem primärseitigen Strom des Transformators 54 veranschaulicht.
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Die Richtung des Stroms, der die Primärseite des Transformators 54 durchläuft, wird gemäß einem Schaltbetrieb der Umschaltschaltung 53 umgeschaltet, wobei eine Kommutierungszeitspanne T, die in 12D angegeben ist, notwendig ist, um die Stromrichtung umzuschalten, nämlich wegen eines Einflusses einer Streuinduktivität (engl. „leakage inductance”) des Transformators 54. Die Kommutierungszeitspanne T ist proportional zu dem Wert des Ausgangsstroms Io, wobei die Kommutierungszeitspanne T verlängert wird, wenn der Wert des Ausgangsstroms Io erhöht wird. Da die Steuereinrichtung 59 den Anweisungswert des Tastverhältnisses in Anbetracht der Kommutierungszeitspanne T erzeugt, hat das PWM-Signal, das durch die Antriebsschaltung 60 erzeugt wird, das Tastverhältnis einschließlich einer Zeitspanne (schraffierter Abschnitt) entsprechend der Kommutierungszeitspanne T, wie in 12A veranschaulicht ist. Als Folge wird, da das Tastverhältnis des PWM-Signals gemäß dem Ausgangsstrom Io variiert wird, ein Fehler bei einem Berechungsergebnis der Eingangsspannung Vi aus der Gleichung (1) unter Verwendung eines solchen Tastverhältnisses erzeugt, wobei die Eingangsspannung Vi nicht korrekt evaluiert werden kann.
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Um die Eingangsspannung Vi korrekt zu berechnen, ist es notwendig, ein Tastverhältnis des idealen Signals, wie es in 12B veranschaulicht ist, welches mit der primärseitigen Spannung des Transformators 54 synchronisiert ist, wie in 12C veranschaulicht ist, zu verwenden. Jedoch wird das Tastverhältnis des idealen Signals, das in 12B angegeben ist, kaum bei der Vorrichtung des Standes der Technik verwendet, bei welcher das Tastverhältnis aus dem PWM-Signal an der Primärseite des Transformators 54 erlangt wird.
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Überblick über die Erfindung
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Die vorliegende Erfindung wurde erdacht, um die vorstehenden Probleme zu lösen, wobei die Erfindung zur Aufgabe hat, einen DC-DC-Wandler bzw. einen Gleichspannungswandler zur Verfügung zu stellen, der eine Eingangsspannung korrekt berechnen kann, ohne durch eine Kommutierungszeitspanne von einem primärseitigen Strom von einem Transformator beeinflusst zu sein.
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In Übereinstimmung mit einem Aspekt der vorliegenden Erfindung umfasst ein DC-DC-Wandler bzw. Gleichspannungswandler: einen Transformator, der eine Primärwicklung und eine Sekundärwicklung hat; eine Umschaltschaltung, die mit der Primärwicklung des Transformators verbunden ist, um eine Umschaltung von einer Eingangsspannung durchzuführen; eine Antriebsschaltung, die die Umschaltschaltung antreibt; eine Gleichrichterschaltung, die eine AC-Spannung bzw. Wechselspannung, die in der Sekundärwicklung des Transformators gemäß dem Schaltbetrieb der Umschaltschaltung erzeugt wird, gleichrichtet; und eine Steuereinrichtung, die einen Wert der Eingangsspannung evaluiert und eine vorbestimmte Verarbeitung auf der Grundlage des Werts der Eingangsspannung durchführt. Die Steuereinrichtung erfasst ein Impulssignal, das an einer Eingangsseite oder einer Ausgangsseite der Gleichrichterschaltung auftritt, berechnet ein Tastverhältnis des Impulssignals und evaluiert den Wert der Eingangsspannung auf der Grundlage des berechneten Tastverhältnisses.
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Bei der obigen Ausgestaltung ist, weil das Tastverhältnis auf der Grundlage des Impulssignals an der Eingangsseite oder der Ausgangsseite der Gleichrichterschaltung an der Sekundärseite des Transformators berechnet wird, das Tastverhältnis unabhängig von der Kommutierungszeitspanne des primärseitigen Stroms des Transformators. Dementsprechend hat die Eingangsspannung, die unter Verwendung des Tastverhältnisses berechnet wird, den korrekten Wert, der nicht durch die Kommutierungszeitspanne beeinflusst wird.
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Bei dem DC-DC-Wandler bzw. Gleichspannungswandler gemäß der vorliegenden Erfindung kann die Steuereinrichtung umfassen: einen Impulssignaldetektor, der das Impulssignal erfasst, das an der Eingangsseite oder der Ausgangsseite der Gleichrichterschaltung auftritt; einen Tastverhältnisberechner, der das Tastverhältnis des Impulssignals, das durch den Impulssignaldetektor erfasst wird, berechnet; und einen Eingangsspannungsberechner, der den Wert der Eingangsspannung auf der Grundlage des Tastverhältnisses, das durch den Tastverhältnisberechner berechnet wird, berechnet.
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Der DC-DC-Wandler bzw. Gleichspannungswandler kann weiterhin aufweisen: eine Glättungsschaltung, die eine Ausgabe der Gleichrichterschaltung glättet; und eine Ausgangsspannungserfassungsschaltung, die eine Ausgangsspannung der Glättungsschaltung erfasst, wobei weiterhin der Eingangsspannungsberechner den Wert der Eingangsspannung auf der Grundlage des Tastverhältnisses, der durch den Tastverhältnisberechner berechnet wird, und eines Erfassungswerts der Ausgangsspannung, die durch die Ausgangsspannungserfassungsschaltung erfasst wird, berechnen kann.
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Der DC-DC-Wandler bzw. Gleichspannungswandler gemäß der vorliegenden Erfindung kann weiterhin aufweisen: einen Speicher, der eine Tabelle aufweist, in welcher das Tastverhältnis sowie der Wert der Eingangsspannung gespeichert und miteinander in Korrelation gebracht sind, wobei die Steuereinrichtung aufweisen kann: einen Impulssignaldetektor, der das Impulssignal erfasst, das an der Eingangsseite oder der Ausgangsseite der Gleichrichterschaltung auftritt; einen Tastverhältnisberechner, der das Tastverhältnis des Impulssignals, das durch den Impulssignaldetektor erfasst wird, berechnet; und eine Eingangsspannungsbestimmungseinheit, die auf die Tabelle Bezug nimmt, um den Wert der Eingangsspannung entsprechend dem Tastverhältnis auf der Grundlage des Tastverhältnisses, das durch den Tastverhältnisberechner berechnet wird, zu entnehmen bzw. extrahieren.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung wird das Tastverhältnis aus dem Impulssignal an der Sekundärseite des Transformators erlangt, so dass die Eingangsspannung korrekt berechnet werden kann, ohne durch die Kommutierungszeitspanne des primärseitigen Stroms des Transformators beeinflusst zu werden.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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1 ist eine Schaltungsdarstellung von einem DC-DC-Wandler bzw. einem Gleichspannungswandler gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel;
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2 ist ein Flussdiagramm, das ein Eingangsspannungsberechnungsverfahren bei dem ersten Ausführungsbeispiel veranschaulicht;
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3A–3E sind Wellenformdiagramme von Signalen bei der Schaltung von 1;
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4 ist eine Schaltungsdarstellung von einem DC-DC-Wandler bzw. einem Gleichspannungswandler gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel;
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5A und 5B sind Wellenformdiagramme von Impulssignalen an einer Ausgangsseite und einer Eingangsseite einer Gleichrichterschaltung;
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6 ist eine Schaltungsdarstellung von einem DC-DC-Wandler bzw. einem Gleichspannungswandler gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel;
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7 ist eine Ansicht einer Tabelle, in welcher ein Tastverhältnis und eine Eingangsspannung in Korrelation miteinander gebracht sind;
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8 ist ein Flussdiagramm, das ein Eingangsspannungsberechnungsverfahren bei dem dritten Ausführungsbeispiel veranschaulicht;
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9 ist eine Schaltungsdarstellung von einem DC-DC-Wandler bzw. einem Gleichspannungswandler gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel;
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10 ist eine Schaltungsdarstellung von einem DC-DC-Wandler bzw. einem Gleichspannungswandler gemäß einem fünften Ausführungsbeispiel;
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11 ist eine Schaltungsdarstellung von einem DC-DC-Wandler bzw. einem Gleichspannungswandler gemäß dem Stand der Technik; und
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12A–12D sind Wellenformdiagramme von Signalen bei der Schaltung von 11.
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Ausführliche Beschreibung
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Nachstehend werden bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben. Ein DC-DC-Wandler bzw. ein Gleichspannungswandler, der an einem elektrischen Automobil oder einem Hybridfahrzeug angebracht ist, wird untenstehend mittels eines Beispiels beschrieben.
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(Erstes Ausführungsbeispiel)
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1 veranschaulicht ein erstes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Ein DC-DC-Wandler bzw. ein Gleichspannungswandler 1 führt eine Umschaltung von einer DC-Spannung bzw. einer Gleichspannung von einer Hochspannungsbatterie 2 durch und wandelt die Gleichspannung in einen Niederspannungsstrom bzw. Schwachstrom, um eine Niederspannungsbatterie 3 aufzuladen. Die Hochspannungsbatterie 2 ist eine Stromzuführung, die einen laufenden Motor eines Fahrzeugs antreibt. Die Niederspannungsbatterie 3 ist eine Stromzuführung, die verschiedene Fahrzeugkomponenten bzw. fahrzeuginterne Komponenten (Hilfs- bzw. Zusatzmaschine) antreibt.
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Die Hochspannungsbatterie 2 ist mit den Eingangsanschlüssen T1 und T2 des DC-DC-Wandlers 1 verbunden. Die Hochspannungsbatterie 2 hat beispielsweise eine DC-Spannung bzw. eine Gleichspannung von 220 V bis 400 V. Eine Eingangsspannung Vi, die an den Eingangsanschlüssen T1 und T2 über die Hochspannungsbatterie 2 angelegt wird, wird in eine Umschaltschaltung 13 über eine Filterschaltung 11 eingegeben.
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Die Umschaltschaltung
13 ist eine wohlbekannte Schaltung, die durch eine Brückenverbindung von Umschaltelementen bzw. Schaltelementen gebildet wird, solchen wie einen MOS-FET (MOS-FET = engl. „Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor”; Metall-Oxid-Halbleiter-Fedeffekttransistor), wie in den inländischen Neuveröffentlichungen der
internationalen PCT-Veröffentlichungen mit den Nummern 2007/000830 und
2009/011374 offenbart ist, Das Schaltelement führt An- und Aus-Schaltbetriebe unter Verwendung eines PWM-Signals (PWM = engl. „Pulse Width Modulation”; Pulsweitenmodulation) durch, das von einer Antriebsschaltung
20 zur Verfügung gestellt wird.
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Eine Zusatzstromzuführung 17 und eine Eingangsstromerfassungsschaltung 18 sind an einer Eingangsseite der Umschaltschaltung 13 vorgesehen. Die Zusatzstromzuführung 17 ist eine Stromzuführung, die eine Steuereinrichtung bzw. einen Controller 19 antreibt. Die Eingangsstromerfassungsschaltung 18 erfasst einen Eingangsstrom Ii unter Verwendung eines Stromsensors 12. Ein Erfassungswert des Stromsensors 12 wird der Steuereinrichtung 19 zur Verfügung gestellt. Eine Temperaturerfassungsschaltung 22 ist zum Zwecke der Temperaturkompensation bzw. des Temperaturausgleichs vorgesehen, wobei ein Erfassungswert der Temperaturerfassungsschaltung 22 der Steuereinrichtung 19 zur Verfügung gestellt wird. Ein Zündsignal IG wird in die Steuereinrichtung 19 durch einen Anschluss T5 eingegeben. Das Zündsignal IG wird ebenso zu der Zusatzstromzuführung 17 bereitgestellt. Die Steuereinrichtung 19 führt eine Kommunikation mit einer übergeordneten Vorrichtung (nicht veranschaulicht) über einen Anschluss T6 durch.
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Eine primärseitige Spule von einem Transformator 14 ist mit einer Ausgangsseite der Umschaltschaltung 13 verbunden. Eine sekundärseitige Spule des Transformators 14 ist mit einer Eingangsseite von einer Gleichrichterschaltung 15 mit Dioden D1 und D2 verbunden. Eine Glättungsschaltung 16, welche eine Spule L und einen Kondensator C umfasst, ist mit einer Ausgangsseite der Gleichrichterschaltung 15 verbunden. Eine Ausgangsseite der Glättungsschaltung 16 ist mit Ausgangsanschlüssen T3 und T4 verbunden. Die Niederspannungsbatterie 3 ist mit den Ausgangsanschlüssen T3 und T4 verbunden. Ein Ausgang der Glättungsschaltung 16 bzw. eine Ausgabe der Glättungsschaltung 16 ist eine herabgesenkte DC-Spannung bzw. Gleichspannung, wobei die Niederspannungsbatterie 3 beispielsweise auf eine Gleichspannung von 12 V aufgeladen wird, nämlich durch eine Ausgangsspannung Vo, die von den Ausgangsanschlüssen T3 und T4 ausgegeben wird.
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Eine Ausgangsspannungserfassungsschaltung 21 ist an der Ausgangsseite der Glättungsschaltung 16 vorgesehen. Die Ausgangsspannungserfassungsschaltung 21 erfasst die Ausgangsspannung Vo der Glättungsschaltung 16. Der Erfassungswert der Ausgangsspannungserfassungsschaltung 21 wird der Steuereinrichtung zum Zwecke der Rückkopplungsteuerung bzw. Regelung zur Verfügung gestellt.
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Die Steuereinrichtung 19 umfasst einen Mikrocomputer. Die Steuereinrichtung 19 vergleicht den Erfassungswert der Ausgangsspannung Vo, der von der Ausgangsspannungserfassungsschaltung 21 rückgeführt wird, mit einem Sollwert und erzeugt einen Anweisungswert, um die Ausgangsspannung Vo in Übereinstimmung mit dem Sollwert auf der Grundlage einer Differenz zwischen dem Erfassungswert und dem Sollwert zu bringen. Der Anweisungswert wird der Antriebsschaltung 20 zur Verfügung gestellt.
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Die Antriebsschaltung 20 erzeugt ein PWM-Signal mit einem Tastverhältnis entsprechend dem Anweisungswert von der Steuereinrichtung 19 und treibt das Schaltelement der Umschaltschaltung 13 unter Verwendung des PWM-Signals an. Die Umschaltschaltung 13 wandelt die Gleichspannung in eine Hochfrequenz-AC-Spannung bzw. Hochfrequenzwechselspannung durch einen An-/Aus-Betrieb des Schaltelements um. Als Folge wird eine Impulsspannung an der Sekundärseite des Transformators 14 erzeugt. Die Impulsspannung wird durch die Gleichrichterschaltung 15 gleichgerichtet und durch die Glättungsschaltung 16 geglättet.
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Die Ausgangsseite der Gleichrichterschaltung 15, nämlich ein Verbindungspunkt von Kathoden der Dioden D1 und D2, ist mit der Steuereinrichtung 19 verbunden. Die Spannung, die bei dem Verbindungspunkt entsteht, ist ein Impulssignal, an welchem eine Vollwellengleichrichtung (engt. „full-wave rectification”) durchgeführt wird, wie in 5A veranschaulicht ist. Die Steuereinrichtung 19 empfängt das Impulssignal, um eine Tastverhältnisinformation zu erlangen.
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Die Steuereinrichtung umfasst einen Impulssignaldetektor 31, einen Tastverhältnisberechner 32, und einen Eingangsspannungsberechner 33. Der Impulssignaldetektor 31 erfasst das Impulssignal, das von der Gleichrichterschaltung 15 ausgegeben wird. Der Tastverhältnisberechner 32 analysiert das Impulssignal, das durch den Impulssignaldetektor 31 erfasst wird, und berechnet das Tastverhältnis des Impulssignals. Das Tastverhältnis ist ein Verhältnis von einer An-Zeitspanne in einem Zyklus des Impulssignals. Der Eingangsspannungsberechner 33 evaluiert die Eingangsspannung Vi aus der folgenden Gleichung unter Verwendung eines Tastverhältnisses D', das durch den Tastverhältnisberechner 32 berechnet wird, und der Ausgangsspannung Vo. Vi = Vo·(N1/N2)/D' (3)
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Die Gleichung (3) entspricht der zuvor erwähnten Gleichung (1). N1 ist die Anzahl der Windungen der primärseitigen Spule des Transformators 14 und N2 ist die Anzahl der Windungen der sekundärseitigen Spule des Transformators 14.
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Die Steuereinrichtung 19 bewirkt, dass ein Eingangsstromberechner (nicht veranschaulicht) einen Ausgangsstrom Io aus der folgenden Gleichung unter Verwendung des Eingangsstroms Ii, der durch die Eingangsstromerfassungsschaltung 18 erfasst wird, evaluiert. Io = Ii·(N1/N2) (4)
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Die Gleichung (4) ist identisch zu der zuvor erwähnten Gleichung (2).
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Wie vorstehend beschrieben ist, werden der Eingangsstrom Ii und die Ausgangsspannung Vo direkt durch die entsprechende Eingangsstromerfassungsschaltung 18 und die entsprechende Ausgangsstromerfassungsschaltung 21 erfasst. Die Eingangsspannung Vi wird aus der Gleichung (3) unter Verwendung der Ausgangsspannung Vo und des Tastverhältnisses D' des Impulssignals evaluiert, wobei der Ausgangsstrom Io aus der Gleichung (4) unter Verwendung des Eingangsstroms Ii evaluiert wird.
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2 ist ein Flussdiagramm, das ein Verfahren zum Berechnen der Eingangsspannung Vi veranschaulicht. Die Steuereinrichtung 19 führt jeden der Schritte aus. Bei Schritt S1 erfasst der Impulssignaldetektor 31 das Impulssignal an der Sekundärseite (bei dem ersten Ausführungsbeispiel die Ausgangsseite der Gleichrichterschaltung 15) des Transformators 14. Bei Schritt S2 berechnet der Tastverhältnisberechner 32 das Tastverhältnis D' des Impulssignals auf der Grundlage des Impulssignals, das bei Schritt S1 erfasst wird. Bei Schritt S3 berechnet der Eingangsspannungsberechner 33 die Eingangsspannung Vi aus der Gleichung (3) unter Verwendung des Tastverhältnisses D', das in Schritt S1 berechnet wird, und der Ausgangsspannung Vo, die durch die Ausgangsspannungserfassungsschaltung 21 erfasst wird. Bei Schritt S4 führt die Steuereinrichtung 19 eine vorbestimmte Verarbeitung auf der Grundlage der Eingangsspannung Vi, die in Schritt S3 berechnet wird, durch. Beispielsweise überwacht die Steuereinrichtung 19 immer die Eingangsspannung Vi. Wenn die Eingangsspannung Vi einen oberen Grenzreferenzwert überschreitet oder unter einen unteren Grenzreferenzwert fällt, bestimmt die Steuereinrichtung 19, dass die Hochspannungsbatterie 2 abnormal ist bzw. in einem abnormalen Zustand ist, und benachrichtigt die übergeordnete Vorrichtung über die Abnormalität mittels des Anschlusses T6.
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Gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel ist, da das Tastverhältnis auf der Grundlage des Impulssignals an der Ausgangsseite der Gleichrichterschaltung 15 an der Sekundärseite des Transformators 14 berechnet wird, das Tastverhältnis unabhängig von der Kommutierungszeitspanne des primärseitigen Stroms des Transformators 14. Der Grund hierfür wird untenstehend unter Bezugnahme auf die 3A bis 3E beschrieben.
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3A veranschaulicht eine Wellenform des PWM-Signals, das durch die Antriebsschaltung 20 erzeugt wird, wobei 3B eine Wellenform von einem idealen Signal zur Verwendung bei der Berechnung des korrekten Tastverhältnisses veranschaulicht, wobei 3C eine Wellenform einer primärseitigen Spannung des Transformators 14 veranschaulicht, wobei 3D eine Wellenform der Ausgangsspannung der Gleichrichterschaltung 15 veranschaulicht und 3E eine Wellenform des primärseitigen Stroms des Transformators 14 veranschaulicht.
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Bei dem ersten Ausführungsbeispiel wird die Eingangsspannung Vi unter Verwendung des Tastverhältnisses des Impulssignals, das in 3D angegeben ist, berechnet. Wie aus 3D ersichtlich ist, ist das Tastverhältnis des Impulssignals identisch zu dem Tastverhältnis der Wellenform des idealen Signals bei 3B, unabhängig von einer Kommutierungszeitspanne T. Dementsprechend hat die Eingangsspannung Vi, welche unter Verwendung des Tastverhältnisses berechnet wird, einen korrekten Wert, unabhängig von dem Einfluss der Kommutierungszeitspanne T.
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Gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel wird der DC-DC-Wandler bzw. Gleichspannungswandler erhalten, der die Eingangsspannung korrekt berechnen kann, ohne durch die Kommutierungszeitspanne des primärseitigen Stroms des Transformators 14 beeinflusst zu werden. Darüber hinaus ist es nicht notwendig, eine spezielle Komponente oder eine Schaltung hinzuzufügen, was somit keine komplizierte Ausgestaltung oder die Erhöhung der Kosten zur Folge hat.
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(Zweites Ausführungsbeispiel)
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4 veranschaulicht ein zweites Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Bei 4 sind die Komponenten, die identisch oder äquivalent zu denjenigen von 1 sind, mit zu 1 identischen Bezugszeichen bezeichnet.
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Bei dem ersten Ausführungsbeispiel von 1 ist die Ausgangsseite der Gleichrichterschaltung 15 mit der Steuereinrichtung 19 verbunden. Hingegen ist bei dem zweiten Ausführungsbeispiel von 4 die Eingangsseite der Gleichrichterschaltung 15, nämlich eine Anode der Diode D2, mit der Steuereinrichtung 19 verbunden. Da die anderen Abschnitte des Aufbaus identisch zu jenen von 1 sind, wird eine wiederholende Beschreibung nicht geben.
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Bei dem zweiten Ausführungsbeispiel ist die Spannung, die an der Anode der Diode D2 entsteht, ein Impulssignal, bei welchem eine Halbwellengleichrichtung durchgeführt wird, wie in 5B veranschaulicht ist. Die Steuereinrichtung 19 berechnet das Tastverhältnis auf eine identische Weise zu der des ersten Ausführungsbeispiels auf der Grundlage des Impulssignals und evaluiert die Eingangsspannung unter Verwendung des berechneten Tastverhältnisses und der Ausgangsspannung (siehe 2). Jedoch ist es notwendig, da die Halbwellengleichrichtung an dem Impulssignal durchgeführt wird, das Berechnungsergebnis bei der Berechung des Tastverhältnisses zu verdoppeln. In dieser Hinsicht ist die Verarbeitung des ersten Ausführungsbeispiels einfacher als die des zweiten Ausführungsbeispiels.
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Gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel ist, da das Tastverhältnis auf der Grundlage des Impulssignals an der Eingangsseite der Gleichrichterschaltung 15 an der Sekundärseite des Transformators 14 berechnet wird, das Tastverhältnis unabhängig von der Kommutierungszeitspanne des primärseitigen Stroms des Transformators 14. Dementsprechend kann eine ähnliche Wirkung zu jener des ersten Ausführungsbeispiels erzielt werden.
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(Drittes Ausführungsbeispiel)
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6 veranschaulicht ein drittes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Bei 6 sind die Komponenten, die identisch oder äquivalent zu jenen von 1 sind, mit zu 1 identischen Bezugszeichen bezeichnet.
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In 6 ist ein Speicher 23 zu dem Aufbau des ersten Ausführungsbeispiels (1) hinzugefügt worden. In der Steuereinrichtung 19 ist eine Eingangsspannungsbestimmungseinheit 34 anstelle des Eingangsspannungsberechners 33 von 1 vorgesehen. Der Speicher 23 umfasst eine Tabelle 23a, wie in 7 veranschaulicht ist. Das Tastverhältnis und die Eingangsspannung sind in der Tabelle 23a gespeichert und in Korrelation zueinander gebracht. Da die anderen Abschnitte des Aufbaus identisch zu jenen von 1 sind, wird eine wiederholende Beschreibung nicht gegeben.
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Bei dem ersten Ausführungsbeispiel wird die Eingangsspannung aus der Berechnung gemäß Gleichung (3) auf der Grundlage des Tastverhältnisses, das unter Verwendung des Impulssignals an der Ausgangsseite der Gleichrichterschaltung 15 berechnet wird, und der Ausgangsspannung evaluiert. Hingegen wird bei dem dritten Ausführungsbeispiel der Wert der Eingangsspannung entsprechend dem Tastverhältnis durch Bezugnahme auf die Tabelle 23a auf der Grundlage des Tastverhältnisses, das unter Verwendung des Impulssignals an der Ausgangsseite der Gleichrichterschaltung 15 berechnet wird, evaluiert. Dementsprechend ist die Berechnung gemäß Gleichung (3) bei dem dritten Ausführungsbeispiel nicht notwendig.
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8 ist ein Flussdiagramm, das das Eingangsspannungsberechnungsverfahren bei dem dritten Ausführungsbeispiel veranschaulicht. Die Steuereinrichtung 19 führt jeden der Schritte aus. Bei Schritt S11 erfasst der Impulssignaldetektor 31 das Impulssignal an der Sekundärseite des Transformators 14 (bei dem dritten Ausführungsbeispiel die Ausgangsseite der Gleichrichterschaltung 15). Bei Schritt S12 berechnet der Tastverhältnisberechner 32 das Tastverhältnis des Impulssignals auf der Grundlage des Impulssignals, das bei Schritt S11 erfasst wird. Bei Schritt S13 nimmt die Eingangsspannungsbestimmungseinheit 34 auf die Tabelle 23a Bezug, um die Eingangsspannung entsprechend dem Tastverhältnis, das bei Schritt S12 berechnet wird, zu extrahieren bzw. zu entnehmen. Bei Schritt S14 führt die Steuereinrichtung 19 eine vorbestimmte Verarbeitung auf der Grundlage der Eingangsspannung durch, die bei Schritt S13 entnommen wurde. Der Inhalt der Verarbeitung ist identisch zu dem der Verarbeitung des Schritts S4 von 2.
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Gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel ist, da das Tastverhältnis auf der Grundlage des Impulssignals an der Ausgangsseite der Gleichrichterschaltung 15 an der Sekundärseite des Transformators 14 berechnet wird, das Tastverhältnis unabhängig von der Kommutierungszeitspanne des primärseitigen Stroms des Transformators 14. Dementsprechend wird die Eingangsspannung von der Tabelle 23a unter Verwendung des Tastverhältnisses extrahiert bzw. entnommen, so dass die Eingangsspannung korrekt evaluiert werden kann. Darüber hinaus ist die Verarbeitung der Berechnung der Eingangsspannung nicht notwendig, wodurch die Belastung der Steuereinrichtung 19 verringert wird.
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(Viertes Ausführungsbeispiel)
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9 veranschaulicht ein viertes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Bei 9 sind die Komponenten, die identisch oder äquivalent zu denen von 6 sind, mit zu 6 identischen Bezugszeichen bezeichnet.
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In 9 ist der Speicher 23 zu dem Aufbau des zweiten Ausführungsbeispiels (4) hinzugefügt. In der Steuereinrichtung 19 wird die Eingangsspannungsbestimmungseinheit 34 anstelle des Eingangsspannungsberechners 33 von 4 zur Verfügung gestellt. Der Speicher 23 umfasst die Tabelle 23a, die in 7 gezeigt ist. Da die anderen Abschnitte des Aufbaus identisch zu jenen von 4 sind, wird eine wiederholende Beschreibung nicht gegeben.
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Bei dem vierten Ausführungsbeispiel wird das Tastverhältnis auf eine Weise, die identisch zu jener ist, die in 8 veranschaulicht ist, mit Ausnahme, dass das Impulssignal an der Eingangsseite der Gleichrichterschaltung 15 erfasst wird, berechnet, wobei die Eingangsspannung aus der Tabelle 23a auf der Grundlage des berechneten Tastverhältnisses entnommen wird. Dementsprechend kann eine ähnliche Wirkung zu der des dritten Ausführungsbeispiels erzielt werden.
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(Fünftes Ausführungsbeispiel)
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10 veranschaulicht ein fünftes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. In 10 sind die Komponenten, die identisch oder äquivalent zu denen von 1 sind, mit zu 1 identischen Bezugszeichen bezeichnet.
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In 10 sind ein Stromsensor 24 und eine Ausgangsstromerfassungsschaltung 25 zu dem Aufbau des ersten Ausführungsbeispiels (1) hinzugefügt worden. Da die anderen Abschnittes des Aufbaus identisch zu jenen von 1 sind, wird eine wiederholende Beschreibung nicht gegeben.
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Bei dem ersten Ausführungsbeispiel wird der Ausgangsstrom Io aus der Berechnung gemäß Gleichung (4) unter Verwendung des Eingangsstroms Ii, der durch die Eingangsstromerfassungsschaltung 18 erfasst wird, evaluiert. Hingegen erfasst die Ausgangsstromerfassungsschaltung 25 bei dem fünften Ausführungsbeispiel direkt den Ausgangsstrom Io unter Verwendung des Stromsensors 24, Der Erfassungswert der Ausgangsstromerfassungsschaltung 25 wird der Steuereinrichtung 19 zur Verfügung gestellt.
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Obwohl dies nicht veranschaulicht ist, können der Stromsensor 24 und die Ausgangsstromerfassungsschaltung 25 von 10 bei dem zweiten Ausführungsbeispiel (4) vorgesehen sein. Der Stromsensor 24 und die Ausgangsstromerfassungsschaltung 25 von 10 können ebenso bei dem dritten Ausführungsbeispiel (6) und dem vierten Ausführungsbeispiel (9) vorgesehen sein.
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Verschiedene Ausführungsbeispiele können zusätzlich zu den vorstehenden Ausführungsbeispielen im Rahmen der Erfindung verwirklicht werden. Beispielsweise ist bei den obigen Ausführungsbeispielen der Speicher 23 außerhalb der Steuereinrichtung 19 (6 und 9) vorgesehen. Alternativ kann der Speicher 23 in der Steuereinrichtung 19 vorgesehen sein.
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Bei den vorstehenden Ausführungsbeispielen führt die einzige Steuereinrichtung 19 die Rückkopplungssteuerung bzw. Regelung der Ausgangsspannung Vo und die Berechnung der Eingangsspannung Vi und dergleichen durch. Alternativ können eine Steuereinrichtung, die die Rückkopplungssteuerung bzw. Regelung durchführt, und eine separate Steuereinrichtung, die die Berechnung der Eingangsspannung Vi und dergleichen durchführt, vorgesehen sein.
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Bei den vorstehenden Ausführungsbeispielen wird das Auftreten der Abnormalität der Hochspannungsbatterie 2 auf der Grundlage der evaluierten Eingangsspannung Vi überwacht. Alternativ kann beispielsweise der Ausgangsstrom Io durch die Berechnung auf der Grundlage der Eingangsspannung Vi evaluiert werden. In diesem Fall kann der Ausgangsstrom Io aus der folgenden Gleichung berechnet werden. Io = Ii·Vi·η/Vo (5) wobei η eine Umwandlungseffizienz bzw. ein Umwandlungswirkungsgrad ist.
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Bei den Ausführungsbeispielen wird die Niederspannungsbatterie 3 durch die Gleichspannung aufgeladen, die von dem Gleichspannungswandler 1 ausgegeben wird. Alternativ kann der Ausgang des Gleichspannungswandlers 1 direkt der Last zugeführt werden.
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Bei den vorstehenden Ausführungsbeispielen wird der Gleichspannungswandler 1 beispielsweise an einem elektrischen Automobil oder einem Hybridfahrzeug angebracht. Der Gleichspannungswandler gemäß der vorliegenden Erfindung kann ebenso zu anderen beabsichtigten Zwecken als dem einer fahrzeuginternen Vorrichtung eingesetzt werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- WO 2007/000830 [0002, 0040]
- WO 2009/011374 [0003, 0004, 0040]
- JP 2009-205299 [0004]
- JP 9-135574 [0004]