DE102006014150A1 - Spannungsumwandlungs-Schaltkreis für elektrische Fahrzeuge - Google Patents

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Yusuke Minato Horii
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Mitsubishi Fuso Truck and Bus Corp
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Abstract

Es wird ein Spannungsumwandlungs-Schaltkreis für elektrische Fahrzeuge offenbart, der in der Lage ist, zuverlässig eine Vorladungssteuerung von einer Hochspannungsbatterie zu einem Umrichter durchzuführen. Der Spannungsumwandlungs-Schaltkreis umfasst eine Hochspannungsbatterie 102 zum Zuführen elektrischer Leistung an einen Fahrzeugantriebsmotor 109 und einen Umrichter 104, der zwischen der Hochspannungsbatterie 102 und dem Fahrzeugantriebsmotor 109 angeordnet ist und einen Kondensator 105 aufweist, zum Umwandeln eines von der Hochspannungsbatterie 102 zugeführten Gleichstroms in einen Wechselstrom und zum Ausgeben zum Fahrzeugantriebsmotor 109. Der Spannungsumwandlungs-Schaltkreis umfasst ferner einen Spannungsumwandler 101, der in Reihe mit dem Umrichter 104 mit der Hochspannungsbatterie 102 verbunden ist, zum Umwandeln einer Spannung von der Hochspannungsbatterie 102 in eine Niederspannung und zum Ausgeben der Niederspannung, einen Kontaktgeberschaltkreis 120, der zwischen der Hochspannungsbatterie 102 und dem Umrichter 104 angeordnet ist, zum Ausführen eines Verfahrens zum Unterbinden von Spitzenstrom bezüglich des Umrichters 104, wenn dem Fahrzeugantriebsmotor 109 elektrische Leistung der Hochspannungsbatterie 102 zugeführt wird, und Spannungsumwandlerstart-Ermöglichungseinheiten 111 und 113 zur Ermöglichung des Startens des Spannungsumwandlers 101, wenn eine Beendigung des vom Kontaktgeberschaltkreis 120 durchgeführten Unterbindungsverfahrens erfasst wird.

Description

  • HINTERGRUND DER ERFINDUNG
  • Gebiet der Erfindung
  • Die vorliegende Erfindung betrifft einen Spannungsumwandler zum Umwandeln der elektrischen Leistung einer in einem elektrischen Fahrzeug vorgesehenen Hochspannungsbatterie in eine Niederspannung und Laden einer Niederspannungsbatterie.
  • Elektrische Fahrzeuge einschließlich hybrid-elektrischer Fahrzeuge sind in der Regel mit einer Fahrzeugantriebsbatterie (Hochspannungsbatterie) zum Speichern einer Gleichstromenergie von vergleichsweise hoher Spannung (zum Beispiel ca. 500 V), einem Umrichter zur Umwandlung der Gleichstromleistung der Fahrzeugantriebsbatterie in eine Wechselstromleistung und einem Fahrzeugantriebsmotor ausgestattet, der von der vom Umrichter umgewandelten Wechselstromleistung angetrieben wird. Das Fahrzeug wird in Bewegung versetzt durch Rotieren von Antriebsrä dern, die mit der Ausgangswelle des Fahrzeugantriebsmotors derart verbunden sind, dass Leistung übertragen werden kann.
  • Ferner sind elektrische Fahrzeuge zusätzlich zur Fahrzeugantriebsbatterie mit einer für elektrisches Gerät vorgesehenen Batterie (Niederspannungsbatterie) zum Speichern einer Gleichstromenergie von vergleichsweise geringer Spannung (zum Beispiel 24 V oder 12 V) versehen. Die für elektrisches Gerät vorgesehene Batterie wird verwendet, um fahrzeugmontiertes elektrisches Gerät zu betreiben, das Leuchtenvorrichtungen (wie z.B. Scheinwerfer, Bremsleuchten, etc.), Klimaanlagengerät (wie beispielsweise einen Klimaanlagenkompressor, Kondensatoren, etc.), Audiovorrichtungen (wie z.B. eine Autostereoanlage, etc.), Lenkungs- und Bremsvorrichtungen (wie z.B. ein von elektrischer Leistung unterstütztes Steuerrad, Bremsenvakuumpumpen, etc.), Steuervorrichtungen (wie z.B. verschiedene elektronische Steuereinheiten, etc.) und so weiter umfasst.
  • Die für elektrisches Gerät vorgesehene Batterie ist durch einen Spannungsumwandler (DC/DC-Umwandler) mit der Fahrzeugantriebsbatterie verbunden, so dass die elektrische Hochspannungsleistung von der Fahrzeugantriebsbatterie vom Spannungsumwandler in eine Niederspannung umgewandelt und in der für elektrisches Gerät vorgesehenen Batterie gespeichert wird.
  • Um zu verhindern, dass überhöhter Spitzenstrom ein elektrisches System erreicht, führen derartige elektrische Fahrzeuge oder hybrid-elektrische Fahrzeuge zum Zeitpunkt der Inbetriebnahme des Hochspannungsgeräts (d. h. des Fahrzeugantriebsmotors) ein als Vorladungsteuerung bezeichnetes Spitzenstrom-Unterbindungsverfahren aus.
  • Diese Vorladungssteuerung wird im Folgenden detailliert beschrieben. Zwischen der Fahrzeugantriebsbatterie und dem Umrichter ist ein Schalter (Hauptkontaktgeber) angeordnet, um eine elektrische Verbindung mit der Fahrzeugantriebsbatterie zu unterbrechen. Um eine Änderung der von der Fahrzeugantriebsbatterie zugeführten Spannung zu unterbinden, wird am Eingangsanschluss des Umrichters ein Kondensator angeordnet, der eine Eingangsspannung glättet und dann die Gleichstromleistung in Wechselstromleistung wandelt.
  • Wenn jedoch dem Umrichter ein Gleichstrom von der Fahrzeugantriebsbatterie über den Hauptkontaktgeber eingegeben wird, wird ein extrem hoher Strom (Spitzenstrom) innerhalb kurzer Zeit in den oben erwähnten Kondensator fließen, wodurch ein Schaden, wie zum Beispiel das Schmelzen des Kontakts des Hauptkontaktgebers, verursacht wird.
  • Um einen solchen Schaden zu vermeiden, werden ein Schalter (Vorladungskontaktgeber) und ein Widerstand parallel zum Hauptkontaktgeber geschaltet, derart, dass der Vorladungskontaktgeber eingeschaltet wird, bevor der Hauptkontaktgeber eingeschaltet wird. Bei dieser Anordnung wird der Kondensator am Eingangsanschluss allmählich aufgeladen und die Spannung des Kondensators steigt, so dass die Spannungsdifferenz zwischen der Fahrzeugantriebsbatterie und dem Kondensator (Umrichter) klein wird. Danach wird der Hauptkontaktgeber eingeschaltet. Diese Steuerung (Vorladungssteuerung) kann verhindern, dass überhöhter Spitzenstrom erzeugt wird, wenn der Hauptkontaktgeber eingeschaltet wird, wodurch eine Beschädigung des Hauptkontaktgebers verhindert wird.
  • 4 zeigt den elektrischen Schaltkreis der Energiequelleneinheit eines herkömmlichen elektrischen Fahrzeugs. Wie in der Figur dargestellt, ist ein Fahrzeugantriebsmotor 109 durch einen Umrichter 104 mit einer Fahrzeugantriebsbatterie 102 verbunden. Eine für elektrisches Gerät vorgesehene Batterie 103 ist durch einen DC/DC-Umwandler 101 parallel zum Umrichter 104 mit der Fahrzeugantriebsbatterie 102 verbunden. Die für elektrisches Gerät vorgesehene Batterie 103 ist ferner mit dem fahrzeugmontierten elektrischen Gerät 110 verbunden.
  • Zwischen (1) der Fahrzeugantriebsbatterie 102 und (2) dem Umrichter 104 und dem DC/DC-Umwandler 101 sind ein Hauptkontaktgeber 106 und ein Vorladungskontaktgeber 107 parallel zueinander angeordnet, um eine elektrische Verbindung zwischen ihnen zu unterbrechen. Ein Widerstand 108 ist in Reihe mit dem Vorladungskontaktgeber 107 angeordnet. Ferner ist am Eingangsanschluss des Umrichters 104 ein Kondensator 105 vorgesehen.
  • Deshalb wird in dem Fall, wenn der Fahrzeugantriebsmotor 109 durch Anlassen des Fahrzeugs in Betrieb gesetzt wird, zuerst der Vorladungskontaktgeber 107 eingeschaltet, so dass der Kondensator 105 allmählich aufgeladen wird. Wenn der Kondensator 105 ausreichend aufgeladen ist und eine Spannungsdifferenz zwischen der Fahrzeugantriebsbatterie 102 und dem Kondensator 105 klein genug wird, wird der Hauptkontaktgeber 106 eingeschaltet.
  • Wenn der Hauptkontaktgeber 106 eingeschaltet wird, wird die elektrische Energie der Fahrzeugantriebsbatterie 102 dem Fahrzeugantriebsmotor 109 durch den Umrichter 104 zugeführt, und die mit dem Fahrzeugantriebsmotor 109 verbundenen Antriebsräder werden in Drehung versetzt. Andererseits wird die elektrische Energie der Fahrzeugantriebsbatterie 102 durch den DC/DC-Umwandler 101 in eine Niederspannung umgewandelt und in der für elektrisches Gerät vorgesehenen Batterie 103 gespeichert. Die Zufuhr der elektrischen Energie von der für elektrisches Gerät vorgesehenen Batterie 103 setzt das fahrzeugmontierte elektrische Gerät 110 in Betrieb.
  • Der DC/DC-Umwandler 101 ist ferner mit einer Steuerungsenergiequelle verbunden. Wenn dem DC/DC-Umwandler 101 eine Spannung von der Steuerungsenergiequelle und ferner dem DC/DC-Umwandler 101 eine Spannung (Betriebsspannung) innerhalb eines normalen Bereichs von der Fahrzeugantriebsbatterie 102 (die eine Ladeenergiequelle ist) eingespeist wird, wird er in Betrieb gesetzt.
  • 5A zeigt einen Anstieg der Spannung des Kondensators 105 zum Zeitpunkt der Vorladungssteuerung. Wie in der Figur gezeigt, wird, wenn der Fahrzeugantriebsmotor 109 durch Anlassen des elektrischen Fahrzeugs in Betrieb gesetzt wird, zuerst der Vorladungskondensator 107 zum Zeitpunkt T1 eingeschaltet, so dass die Vorladungssteuerung gestartet wird. Der Kondensator 105 wird allmählich aufgeladen und erfährt einen Anstieg der Spannung. Danach, wenn die Spannungsdifferenz zwischen der Fahrzeugantriebsbatterie 102 und dem Kondensator 105 zum Zeitpunkt T2 klein genug wird (z.B. etwa 30 V), wird die Vorladungssteuerung beendet und der Hauptkontaktgeber 106 eingeschaltet. Wenn der Hauptkontaktgeber 106 eingeschaltet wird, steigt die Spannung des Kondensators 105 steil an und erreicht zum Zeitpunkt T3 die Spannung der Fahrzeugantriebsbatterie 102. Wenn die Spannung des Kondensators 105 im Zeitintervall zwischen T2 und T3 die Betriebsspannung (z.B. 480 V) des DC/DC-Umwandlers 101 erreicht, wird der DC/DC-Umwandler 101 betrieben, der die Hochspannungsleistung des Fahrzeugantriebsmotors 102 in eine Niederspannung umwandelt und der für elektrisches Gerät vorgesehenen Batterie elektrische Energie zuführt.
  • Das Ergebnis der Vorladungssteuerung kann dahingehend beurteilt werden, ob, wie oben beschrieben, die Spannungsdifferenz zwischen der Fahrzeugantriebsbatterie 102 und dem Kondensator 105 gleich oder kleiner als ein vorgegebener Wert ist. Das Ergebnis kann auch dahingehend beurteilt werden, ob der Zeitablauf seit Beginn der Vorladungssteuerung eine vorgegebene Zeitdauer erreicht hat, oder ob die Spannungsanstiegsrate des Umrichters 104 (Kondensator 105) gleich oder kleiner als ein vorgegebener Wert ist.
  • Wenn die Beendigung der Vorladungssteuerung basierend auf einer Spannungsdifferenz, einer Spannungsanstiegsrate, etc., beurteilt wird, wird die Beurteilung in der Regel wie in 6 gezeigt durchgeführt. Im Beispiel von 6 wird die Vorladungsbeendigung dahingehend beur teilt, ob die oben genannte Spannungsdifferenz gleich oder kleiner als ein vorgegebener Wert ist.
  • Wie in 6 gezeigt, wird im Schritt S01 der Vorladungskontaktgeber 107 eingeschaltet, und die Vorladungsteuerung schreitet zum Schritt S02 vor, wenn die Vorladungssteuerung gestartet wird. Im Schritt S02 wird die Differenz zwischen der Spannung Vb der Fahrzeugantriebsbatterie 102 und der Spannung Vinv des Umrichters mit einem vorgegebenen Wert verglichen. Wenn die Differenz gleich oder kleiner als ein vorgegebener Wert ist, wird angenommen, dass die Vorladung beendet wurde und die Vorladungssteuerung schreitet zum Schritt S03 vor. Im Schritt S03 wird dann der Hauptkontaktgeber 106 eingeschaltet, während der Vorladungskontaktgeber 107 ausgeschaltet wird.
  • Die Vorladungssteuerung schreitet im Schritt S02 zum Schritt S04 vor, wenn die Differenz zwischen der Fahrzeugantriebsbatteriespannung Vb und der Umrichterspannung Vinv größer als der vorgegebene Wert ist. Im Schritt S04 wird der Zeitablauf seit Beginn der Vorladungssteuerung mit einem vorgegebenen Zeitraum (im in 6 gezeigten Beispiel 5 Sekunden) verglichen. Wenn der Zeitablauf innerhalb des vorgegebenen Zeitraums liegt, kehrt die Vorladungssteuerung zum Schritt S02 zurück. Ferner wird im Schritt S04 angenommen, dass der Schaltkreis irgendeinen Defekt aufweist, wenn der Zeitablauf gleich oder größer als der vorgegebene Zeitraum ist, und die Vorladungssteuerung schreitet zum Schritt S05 vor. Im Schritt S05 wird eine Fehleranzeige durchgeführt und die Vorladungssteuerung gestoppt, weil der Zeitablauf den vorgegebenen Zeitraum überschreitet.
  • Beim oben genannten Stand der Technik dauert es jedoch manchmal sehr viel länger als üblich, die Vorladungssteuerung zu starten und zu beenden. In diesem Fall überschreitet die Vorladungssteuerung einen vorgegebenen Zeitraum, bevor die Spannung des Kondensators 105 genügend ansteigt. Deshalb kommt es manchmal zu Störungen, wie beispielsweise zu einem Fehlstart des DC/DC-Umwandlers 101.
  • Daher haben die Erfinder im Hinblick auf dieses Phänomen zahlreiche Untersuchungen durchgeführt und die folgende Tatsache herausgefunden, nämlich, dass manchmal der DC/DC-Umwandler 101 während der Vorladungssteuerung in Betrieb gesetzt wird. Dies kann die oben genannten Störungen verursachen.
  • Wenn der DC/DC-Umwandler 101 während der Vorladungssteuerung in Betrieb gesetzt wird, wird elektrische Energie durch den DC/DC-Umrichter 101 der für elektrisches Gerät vorgesehenen Batterie 103 zugeführt. Im Ergebnis wird die dem Kondensator 105 zugeführte elektrische Energie reduziert und es dauert eine Weile, um den Kondensator 105 zu laden. Zusätzlich kommt es zu einer großen Schwankung der Spannung, wenn der Bedarf an elektrischer Energie auf der Lastseite (fahrzeugmontiertes elektrisches Gerät 110 etc.) groß ist, und die im Kondensator 105 geladene elektrische Energie fließt während der Vorladungssteuerung zur Lastseite, so dass manchmal die Spannung des Kondensators 105 verringert wird.
  • Aufgrund dessen wird der Kondensator 105 nicht schnell geladen, und die Vorladungssteuerung dauert eine Weile. Bevor die Spannung des Kondensators 105 genügend ansteigt, überschreitet die Vorladungssteuerung einen vorgegebenen Zeitraum. Im Ergebnis werden Störungen, wie zum Beispiel ein Fehlstart des Fahrzeugantriebsmotors 109, verursacht.
  • Zusätzlich wird, wie oben beschrieben, ein nur mäßiger Anstieg der Spannung des Kondensators 105 erfolgen, wenn der DC/DC-Umwandler 101 während der Vorladung in Betrieb ist. Dies kann eine Fehlbeurteilung verursachen, wenn das Beenden der Vorladungssteuerung basierend auf einer Bedingung eines Zeitablaufs, einer Spannungsanstiegsrate oder dergleichen beurteilt wird. Selbst wenn die Spannung des Kondensators 105 nicht genügend ansteigt und die ursprüngliche Vorladungsbeendigungsbedingung nicht erfüllt ist, besteht die Möglichkeit, dass der Hauptkontaktgeber 106 eingeschaltet und überhöhter Spitzenstrom erzeugt wird.
  • Daher haben die Erfinder im Hinblick auf die Ursache dafür, dass der Umwandler 101 während der Vorladungssteuerung betrieben wird, weitere Untersuchungen durchgeführt und herausgefunden, dass die Ursache darin liegt, dass die Spannung der Fahrzeugantriebsbatterie 102, abhängig vom Ladungszustand der Fahrzeugantriebsbatterie 102, auf- und abschwankt. Diese Ursache wird nachfolgend näher beschrieben.
  • Die Betriebsspannung des DC/DC-Umrichters 101 wird basierend auf dem Normalspannungsbereich der Fahrzeugantriebsbatterie 102 auf einen Wert eingestellt, der geringfügig kleiner als der untere Grenzwert der Normalspannung der Fahrzeugantriebsbatterie 102 ist.
  • Die Spannung der Fahrzeugantriebsbatterie 102 steigt jedoch manchmal über die obere Grenze der Normalspannung hinaus an, wenn sie vollständig geladen ist. Beispielsweise erreicht, wie in 5B gezeigt, die Effektivspannung der Fahrzeugantriebsbatterie 102 mitunter 520 V, wenn der Normalspannungsbereich zwischen 485 V bis 520 V liegt. In diesem Fall erreicht die Spannung auf der Umrichterseite während der Vorladungssteuerung die Betriebsspannung (480 V) des DC/DC-Umrichters 101, bevor die Spannungsdifferenz zwischen der Fahrzeugantriebsbatterieseite und der Umrichter (Kondensator)-Seite klein genug wird. Dies setzt den DC/DC-Umrichter 101 in Betrieb.
  • Wenn zur Überwindung solcher Schwierigkeiten die Betriebsspannung des DC/DC-Umrichters 101 zur Seite höherer Spannung (z.B. 500 V) hin verschoben wird, wenn sich die Spannung nahe dem unteren Grenzwert des Normalspannungsbereichs der Fahrzeugantriebsbatterie 102 befindet, besteht die Möglichkeit, dass der DC/DC-Umrichter 101 nicht in Betrieb sein wird, selbst wenn der Hauptkontaktgeber 106 nach der Beendigung der Vorladungskontrolle eingeschaltet wird.
  • ÜBERSICHT ÜBER DIE ERFINDUNG
  • Die vorliegende Erfindung erfolgte im Hinblick auf die oben beschriebenen Gegebenheiten. Entsprechend besteht die primäre Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, einen Spannungsumwandlungs-Schaltkreis für elektrische Fahrzeuge bereitzustellen, der in der Lage ist, eine Vorladungssteuerung von der Hochspannungsbatterie zum Umrichter zuverlässig durchzuführen, während die Hochspannungsbatterie die Niederspannungsbatterie auflädt.
  • Um dieses Ziel zu erreichen, wird ein Spannungsumwandlerschaltkreis für elektrische Fahrzeuge bereitgestellt, der fünf Hauptkomponenten umfasst: (1) eine Hochspannungsbatterie zum Zuführen elektrischer Energie zu einem Fahrzeugantriebsmotor; (2) einen Umrichter, der zwischen der Hochspannungsbatterie und dem Fahrzeugantriebsmotor angeordnet ist und einen Kondensator zum Umwandeln eines von der Hochspannungsbatterie zugeführten Gleichstroms in einen Wechselstrom und Zuführen zum Fahrzeugantriebsmotor aufweist; (3) einen parallel zum Umrichter mit der Hochspannungsbatterie verbundenen Spannungsumwandler zum Umwandeln der Spannung der Hochspannungsbatterie in eine Niederspannung und zum Ausgeben der Niederspannung; (4) einen zwischen der Hochspannungsbatterie und dem Umrichter angeordneten Kontaktgeberschaltkreis zur Durchführung eines Verfahrens des Unterbindens von Spitzenstrom relativ zum Umrichter während der Zufuhr elektrischer Energie der Hochspannungsbatterie zum Fahrzeugantriebsmotor; und (5) Spannungsumwandlerstart-Ermöglichungsmittel zur Ermöglichung des Startens des Spannungsumwandlers, wenn eine Beendigung des vom Kontaktgeberschaltkreis durchgeführten Unterbindungsverfahrens erfasst wird.
  • Gemäß dem Spannungsumwandlungs-Schaltkreis der vorliegenden Erfindung ist der Spannungsumwandler selbst in dem Fall, wenn die Spannung des Kondensators die Betriebsspannung des Spannungsum wandlers erreicht, wenn vom Vorladungsschaltkreis ein Spitzenstromunterbindungsverfahren durchgeführt wird, auf keinen Fall in Betrieb, weil das Spannungsumwandler-Startermöglichungsmittel nicht das Starten des Spannungsumwandlers ermöglicht. Aufgrund dessen ist die Fahrzeugantriebsbatterie in der Lage, den Kondensator schnell zu laden, ohne dem Spannungsumwandler elektrische Energie zuzuführen, so dass das Spitzenstromunterbindungsverfahren beendet werden kann. Eine zuverlässige Vorladungssteuerung kann durch das Verhindern eines Fehlstarts durchgeführt werden, der dadurch bedingt ist, dass die Vorladungssteuerung einen vorgegebenen Zeitraum überschreitet. Zusätzlich kann das Auftreten überhöhten Spitzenstroms, selbst in dem Fall, wenn das Beenden des Spitzenstrom-Unterbindungsverfahrens durch den Ablauf einer Zeitspanne oder einer Spannungsanstiegsrate beurteilt wird, verhindert werden, ohne dass eine Fehlbeurteilung auftritt, weil sich das Ansteigen der Spannung des Kondensators stabilisiert.
  • Der oben genannte Kontaktgeberschaltkreis umfasst vorzugsweise einen Hauptkontaktgeber und einen Vorladungsschaltkreis. Der Vorladungsschaltkreis umfasst vorzugsweise einen parallel zum Hauptkontaktgeber geschalteten Vorladungskontaktgeber und einen in Reihe mit dem Vorladungskontaktgeber geschalteten elektrischen Widerstand.
  • In diesem Fall wird der Kondensator geladen, während das Auftreten überhöhten Spitzenstroms durch einen geeigneten elektrischen Widerstand verhindert wird. Dies ermöglicht es, das Spitzstromunterbindungsverfahren mit einer vereinfachten Einrichtung durchzuführen.
  • Der Spannungsumwandlungs-Schaltkreis der vorliegenden Erfindung kann ferner ein Umwandlersteuerungsmittel zur Steuerung des Betriebs des Spannungsumwandlers umfassen. Die Spannungsumwandlerstart-Ermöglichungsmittel können in dem Umwandlungsteuerungsmittel vorgesehen sein. Die Spannungsumwandlerstart-Ermöglichungsmittel können (1) eine Betriebssteuerungseinheit umfassen, um ein Starten des Spannungsumwandlers zu bewirken, wenn ein Startermöglichungssignal ausgegeben wird und außerdem eine zuvor eingestellte Betriebsspannung eingegeben wird, und (2) einen Schalter aufweisen, durch den dem Spannungsumwandler das Startermöglichungssignal eingegeben wird und der in Synchronisation mit dem Umschalten des Hauptkontaktgebers vom ausgeschalteten in den eingeschalteten Zustand vom Aus- in den Einzustand geschaltet wird.
  • In diesem Fall umfasst das Spannungsumwandler-Startmittel einen Schalter, durch den das Startermöglichungssignal dem Spannungsumwandler eingegeben wird und der den Hauptkontaktgeber synchronisiert. Dies ermöglicht es, mit einer vereinfachten Einrichtung zuverlässig zu verhindern, dass der Spannungsumwandler während des Spitzenstromunterbindungsverfahrens in Betrieb gesetzt wird.
    •
  • KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • Die vorliegende Erfindung wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher beschrieben.
  • Es zeigen:
  • 1 ein Schaltbild eines elektrischen Schaltkreises, das einen gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ausgelegten Spannungsumwandlungs-Schaltkreis für elektrische Fahrzeuge zeigt;
  • 2 ein Flussdiagramm, das verdeutlicht, wie die Vorladungssteuerung vom Spannungsumwandlungs-Schaltkreis der bevorzugten Ausführungsform durchgeführt wird;
  • 3 einen Graphen, der die Beziehung zwischen (1) dem Ansteigen der Spannung des Umrichters und (2) der Spannung der Fahrzeugantriebsbatterie und der Betriebsspannung des DC/DC-Umwandlers, wenn die Vorladungssteuerung vom Spannungsumwandlungs-Schaltkreis der bevorzugten Ausführungsform durchgeführt wird, verdeutlicht;
  • 4 das Schaltbild eines elektrischen Schaltkreises, das einen Spannungsumwandlerschaltkreis in einem herkömmlichen elektrischen Fahrzeug zeigt;
  • 5A u. 5B Graphen, die die Beziehung zwischen (1) einem Ansteigen der Spannung des Umrichters und (2) der Spannung der Fahrzeugantriebsbatterie und der Betriebsspannung des DC/DC-Umwandlers, wenn eine Vorladungssteuerung vom herkömmlichen Spannungsumwandlungs-Schaltkreis gemäß 4 durchgeführt wird, verdeutlichen, wobei 5A den störungsfreien Fall und 5B den Fall zeigt, bei dem die Ausgangsspannung der Fahrzeugantriebsbatterie höher als eine Normalspannung ist; und
  • 6 ein Flussdiagramm, das zeigt, wie die Vorladungssteuerung vom in 4 dargestellten herkömmlichen Spannungsumwandlungs-Schaltkreis durchgeführt wird.
  • BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
  • In den 1 bis 3 ist ein gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ausgelegter Spannungsumwandlungs-Schaltkreis für elektrische Fahrzeuge dargestellt. In 1 werden gleiche Elemente wie beim Stand der Technik von 4 mit gleichen Bezugsziffern versehen.
  • Wie in 1 gezeigt, ist der Spannungsumwandlungs-Schaltkreis der bevorzugten Ausführungsform mit einem Fahrzeugantriebsmotor 109, einer Hochspannungs- (z.B. 500 V) Fahrzeugantriebsbatterie (Hochspan nungsbatterie) 102, einem Umrichter 104 mit einem Kondensator 105, einem DC/DC-Umrichter (Spannungsumrichter) 101 und einem Kontaktgeberschaltkreis 120 mit einem Vorladungsschaltkreis ausgestattet.
  • Der Fahrzeugantriebsmotor 109 ist durch den Umrichter 104 mit der Fahrzeugantriebsbatterie 102 verbunden. Eine für elektrisches Gerät vorgesehene Batterie 103 ist durch den DC/DC-Umrichter 101 parallel zum Umrichter 104 mit der Fahrzeugantriebsbatterie 102 verbunden. Die für elektrisches Gerät vorgesehene Batterie 103 ist ferner mit dem fahrzeugmontierten elektrischen Gerät 110 verbunden.
  • Der Kontaktgeberschaltkreis 120 umfasst einen Hauptkontaktgeber 106 und einen parallel zum Hauptkontaktgeber 106 geschalteten Vorladungsschaltkreis. Der Vorladungsschaltkreis besteht aus einem Vorladungskontaktgeber 107 und einem Widerstand 108, der in Reihe mit dem Vorladungskontaktgeber 107 geschaltet ist. Der Kontaktgeberschaltkreis ist auf einer Seite mit höherer Spannung als der Umrichter 104 vorgesehen. Der oben genannte Kondensator 105 ist am Eingangsanschluss des Umrichters 104 angeordnet.
  • Deshalb wird im Kontaktgeberschaltkreis 120 zum Zeitpunkt der Vorladungssteuerung zunächst der Vorladungskontaktgeber 107 eingeschaltet, so dass der Kondensator 105 allmählich aufgeladen wird, während überhöhter Spitzenstrom vom elektrischen Widerstand 108 unterbunden wird. Danach, wenn der Kondensator genügend aufgeladen ist und die Differenz zwischen der Spannung der Fahrzeugantriebsbatterie 102 und der Spannung des Kondensators 105 gleich oder kleiner als ein vorgegebener Wert ist (30 V in der bevorzugten Ausführungsform), wird der Hauptkontaktgeber eingeschaltet und der Vorladungskontaktgeber 107 ausgeschaltet.
  • Es ist zu beachten, dass das Öffnen und Schließen des Hauptkontaktgebers 106 und des Vorladungskontaktgebers 107 von einer (nicht dargestellten) elektrischen Steuerungseinheit basierend sowohl auf einem von der Fahrzeugantriebsbatterie 102 erfassten Spannungswert als auch auf einem im Umrichter 104 erfassten Spannungswert gesteuert wird.
  • Der DC/DC-Umwandler 101 ist ferner mit einer Steuerungsenergiequelle verbunden und empfängt ein Spannungsumwandlerstart-Ermöglichungssignal. Das Spannungsumwandler-Startermöglichungssignal wird durch einen Startermöglichungsschalter (Spannungsumwandlerstart-Ermöglichungsmittel) dem DC/DC-Umwandler 101 eingegeben, der mit dem Hauptkontaktgeber 106 verriegelt ist. Deshalb wird der Startermöglichungsschalter 111 vom ausgeschalteten in den eingeschalteten Zustand geschaltet, wenn der Hauptkontaktgeber 106 vom ausgeschalteten in den eingeschalteten Zustand geschaltet wird. Im Ergebnis wird das Spannungsumwandlerstart-Ermöglichungssignal einer mit dem DC/DC-Umwandler 101 versehenen Umwandlersteuerung 112 zugeführt. Die Umwandlersteuerung 112 ist mit einer Betriebssteuerungseinheit 113 versehen, um zu bewirken, dass der DC/DC-Umwandler 101 in Betrieb gesetzt wird, wenn das Spannungsumwandlerstart-Ermöglichungssignal eingegeben und außerdem eine zuvor eingestellte Betriebsspannung eingegeben wird. In dieser Ausführungsform wird die Betriebsspannung des DC/DC-Umwandlers 101 auf 480 V eingestellt.
  • Weil der Spannungsumwandlungs-Schaltkreis der bevorzugten Ausführungsform wie oben ausgelegt ist, wird eine Vorladungsteuerung durchgeführt, wenn der Fahrzeugantriebsmotor 109 in Betrieb gesetzt wird, wie in 2 gezeigt. Das heißt, dass in dem Fall, wenn der Fahrzeugantriebsmotor 109 in Betrieb gesetzt wird, wenn das elektrische Fahrzeug angelassen wird, im Schritt S01 der Vorladungskontaktgeber 107 eingeschaltet und ein Timer in Betrieb gesetzt wird.
  • Im Schritt S02 wird die Differenz zwischen der Spannung Vb der Fahrzeugantriebsbatterie 102 und der Spannung Vinv des Umrichters 104 (Kondensator 105) mit einem vorgegebenen Wert V0 (z.B. 30 V) verglichen. Wenn die Differenz größer als der vorgegebene Wert V0 ist, schreitet die Vorladungssteuerung zum Schritt S04 vor. Im Schritt S04 wird ein im Schritt S01 gemessener Timerwert T mit einem vorgegebenen Zeitraum T0 (z.B. 5 Sekunden) verglichen. Wenn der Timerwert T kleiner als T0 ist, kehrt die Vorladungssteuerung zum Schritt S02 zurück.
  • Im Schritt S02 schreitet die Vorladungsteuerung zum Schritt S03 vor, wenn die Differenz zwischen der Spannung Vb, der Fahrzeugantriebsbatterie 102 und der Spannung Vinv des Umrichters 104 gleich oder kleiner als der vorgegebene Wert V0 ist. Im Schritt S03 wird der Hauptkontaktgeber 106 eingeschaltet und der Vorladungskontaktgeber 107 ausgeschaltet. Wenn der Hauptkontaktgeber 106 eingeschaltet wird, wird gleichzeitig der Startermöglichungsschalter 111 eingeschaltet, so dass die Vorladungssteuerung beendet wird.
  • Im Schritt S04 schreitet die Vorladungssteuerung zum Schritt S05 vor, wenn der Timerwert T gleich oder größer als der vorgegebene Zeitraum T0 ist. Im Schritt S05 wird eine Fehleranzeige durchgeführt und die Vorladungssteuerung abgeschlossen (oder gestoppt). Das heißt, im Schritt S01 wird die elektrische Energie der Fahrzeugantriebsbatterie 102 dem Kondensator 105 über den Widerstand 108 zugeführt, wenn der Vorladungskontaktgeber 107 eingeschaltet wird, weshalb der Kondensator 105 ohne Erzeugung überhöhten Spitzenstroms allmählich geladen wird.
  • Im Schritt S02 schreitet die Vorladungssteuerung zum Schritt S03 vor, wenn der Kondensator 105 genügend geladen ist und die Spannungsdifferenz zwischen der Fahrzeugantriebsbatterie 102 und dem Kondensator 105 als klein genug beurteilt wird (vorgegebener Wert 30 V oder weniger). Im Schritt S03 wird der Hauptkontaktgeber 106 eingeschaltet, während der Vorladungskontaktgeber 107 ausgeschaltet wird.
  • Wenn der Hauptkontaktgeber 106 eingeschaltet wird, wird gleichzeitig der Startermöglichungsschalter 111 eingeschaltet und deswegen dem DC/DC-Umwandler 101 das Spannungsumwandlerstart-Ermöglichungs signal eingegeben. Zu diesem Zeitpunkt wird der DC/DC-Umwandler 101 mit einer Spannung beaufschlagt, die größer als die Betriebsspannung des DC/DC-Umwandlers 101 ist, weil der Hauptkontaktgeber 106 eingeschaltet wird. Zusätzlich hierzu wird dem DC/DC-Umwandler 101 das Spannungsumwandlerstart-Ermöglichungssignal eingegeben, weil der Startermöglichungsschalter 111 eingeschaltet wird.
  • Deshalb wird der DC/DC-Umwandler 101 in Betrieb gesetzt, und die elektrische Leistung der Fahrzeugantriebsbatterie 102 wird durch den DC/DC-Umwandler 101 in eine Niederspannung umgewandelt, die in der für elektrisches Gerät vorgesehenen Batterie 103 akkumuliert und gespeichert wird. Die Zufuhr von elektrischer Energie von der elektrischen Gerätebatterie 103 bewirkt eine Inbetriebsetzung des fahrzeugmontierten elektrischen Geräts 110.
  • Falls der Hauptkontaktgeber 106 eingeschaltet wird, wird die Gleichstromleistung der Fahrzeugantriebsbatterie 102 durch den Umrichter 104 in eine Wechselstromleistung umgewandelt, die dem Fahrzeugantriebsmotor 109 zugeführt wird. Weil der Fahrzeugantriebsmotor 109 durch eine (nicht dargestellte) Motorsteuerung angetrieben wird, werden die mit dem Fahrzeugantriebsmotor 109 verbundenen Antriebsräder in Drehung versetzt.
  • Deshalb ist, wie in 3 gezeigt, beim Spannungsumwandlungs-Schaltkreis der bevorzugten Ausführungsform die Ladungsrate der Fahrzeugantriebsbatterie 102 hoch. Falls das Spitzenstromunterbindungsverfahren durchgeführt wird, wenn sich die Ausgangsspannung nahe dem oberen Grenzwert des Normalspannungsbereichs befindet, wird das Spannungsumwandlerstartsignal vom Startermöglichungsschalter 111 nicht ausgegeben, bevor die Differenz zwischen der Spannung der Fahrzeugantriebsbatterie 102 und der Spannung des Kondensators 105 gleich oder kleiner als der vorgegebene Wert V0 (30 V) wird, selbst wenn die Spannung des Kondensators 105 die Betriebsspannung (480 V) des DC/DC-Umwandlers 101 erreicht. Deshalb wird der DC/DC-Umwandler 101 auf keinen Fall in Betrieb gesetzt.
  • Wie in 1 durch die durchgezogene Linie dargestellt, wird der Kondensator 105 allmählich aufgeladen, und die Spannung des Kondensators steigt an, wenn der Vorladungskontaktgeber 107 zum Zeitpunkt T1 eingeschaltet wird. Zum Zeitpunkt T2 erreicht die Spannung des Kondensators 105 die Betriebsspannung (480 V) des DC/DC-Umwandlers 101, jedoch ist es zu diesem Zeitpunkt unmöglich, dass der Hauptkontaktgeber 106 und der Startermöglichungsschalter 111 eingeschaltet werden, weil die Differenz zwischen der Spannung der Fahrzeugantriebsbatterie 102 und der Spannung des Kondensators größer als der vorgegebene Wert (30 V) ist. Deswegen ist es ausgeschlossen, dass der DC/DC-Umwandler 101 in Betrieb gesetzt wird.
  • Wenn die Spannung des Kondensators 105 ansteigt und die Spannungsdifferenz zwischen dem Kondensator 105 und der Fahrzeugantriebsbatterie 102 den vorgegebenen Wert (30 V) erreicht, wird der Hauptkontaktgeber 106 eingeschaltet, weshalb die Spannung des Kondensators 105 steil ansteigt und näherungsweise die Spannung der Fahrzeugantriebsbatterie 102 erreicht. Wenn der Hauptkontaktgeber 106 eingeschaltet wird, wird gleichzeitig der Startermöglichungsschalter 111 eingeschaltet und somit der DC/DC-Umwandler 111 in Betrieb gesetzt.
  • Deswegen ist es beim Spannungsumwandlungs-Schaltkreis der bevorzugten Ausführungsform ausgeschlossen, dass, wie beim in 3 durch eine Strichpunktlinie verdeutlichten Stand der Technik, aufgrund eines Betriebs des DC/DC-Umwandlers 101 zum Zeitpunkt T2 im Zeitintervall zwischen T2 und T4 die elektrische Energie der Fahrzeugantriebsbatterie 102 zum DC/DC-Umwandler 101 fließt und die Spannung des Kondensators 105 zeitweise verringert wird, oder der Spannungsanstieg des Kondensators 105 instabil wird (also z.B. die Spannung nur mäßig ansteigt). Zusätzlich ist es unmöglich, dass es zu Störungen, wie zum Beispiel einem Fehlstart des Fahrzeugantriebsmotors 109 kommt, weil die Spannung der Kondensators 105 zum Zeitpunkt T4 nicht ausreichend ansteigt und die Vorladungssteuerung einen vorgegebenen Zeitraum überschreitet.
  • Wenngleich die vorliegende Erfindung unter Bezugnahme auf die bevorzugte Ausführungsform erläutert wurde, ist die Erfindung nicht auf die hierin angegebenen Details beschränkt, sondern kann innerhalb des durch die folgenden Ansprüche definierten Umfangs abgeändert werden.
  • Beispielsweise besteht im bevorzugten Ausführungsbeispiel die Bedingung des Beendens der Vorladungssteuerung darin, dass die Spannungsdifferenz zwischen der Fahrzeugantriebsbatterie 102 und dem Kondensator 105 gleich oder kleiner als ein vorgegebener Wert ist. Die Beendigungsbedingung kann jedoch auch darin bestehen, dass die Spannungsanstiegsrate des Kondensators 105 gleich oder kleiner als eine vorgegebene Anstiegsrate ist.
  • Wie in 3 gezeigt, heißt dies, dass während der Vorladungssteuerung die Spannungsanstiegsrate des Kondensators 105 mit ansteigender Spannung allmählich gemäßigter wird. Deshalb können dieselben Vorteile wie bei der bevorzugten Ausführungsform erreicht werden, selbst in dem Fall, wenn die Vorladungssteuerung abgeschlossen wird, indem erfasst wird, dass der Spannungsanstieg des Kondensators 105 gleich oder kleiner als eine vorgegebene Spannungsanstiegsrate ist. Weil es ausgeschlossen ist, dass der Spannungsanstieg des Kondensators 105, wie beim in 3 durch eine Strichpunktlinie verdeutlichten Stand der Technik, instabil wird, sind zusätzlich Fehlbeurteilungen der Beendigung der Vorladungssteuerung ausgeschlossen, weshalb überhöhter Spitzenstrom zuverlässig unterbunden werden kann.
  • Das Beenden der Vorladungssteuerung kann auf der Grundlage allein des Ablaufs der Zeitspanne seit dem Start beurteilt werden. Wie in den Schritten S04 und S05 von 2 gezeigt, kann in diesem Fall, wenn die Bedingung des Vorladungsabschlusses selbst nach Ablauf eines vorgege benen Zeitraumes seit Beginn der Vorladungssteuerung nicht erfüllt ist, die Vorladungssteuerung nicht durch die Beurteilung, dass der Schaltkreis möglicherweise eine Störung aufweist, gestoppt werden, sondern der Spannungsanstieg des Kondensators kann mit einer einfacheren Einrichtung beurteilt werden.
  • In der bevorzugten Ausführungsform können das Öffnen und Schließen des Hauptkontaktgebers 106 und der Betrieb des DC/DC-Umwandlers 101 separat von der elektronischen Steuereinheit gesteuert werden, während der mit dem Hauptkontaktgeber 106, der von einer elektronischen Steuereinheit gesteuert wird, verriegelnde Startermöglichungsschalter 111 als Spannungsumwandler-Startermöglichungsmittel verwendet wird. Wenn die vorgegebene Vorladungsbeendigungsbedingung (wie z.B. die Spannungsdifferenz, die Spannungsanstiegsrate, der Zeitablauf, etc.), erfüllt ist, kann die elektronische Steuereinheit den Hauptkontaktgeber 106 und den Startermöglichungsschalter 111 einschalten.
  • Schließlich kann die vorliegende Erfindung nicht nur bei elektrischen Fahrzeugen, die mit einer Hochspannungsbatterie zum Zuführen elektrischer Energie zum Fahrzeugantriebsmotor und einer Niederspannungsbatterie zum Zuführen elektrischer Energie zum fahrzeugmontierten elektrischen Gerät ausgestattet sind, sondern auch bei hybrid-elektrischen Fahrzeugen verwendet werden.

Claims (3)

  1. Spannungsumwandlungs-Schaltkreis für elektrische Fahrzeuge umfassend: eine Hochspannungsbatterie (102) zum Zuführen elektrischer Energie zu einem Fahrzeugantriebsmotor (119); einen Umrichter (104), der zwischen der Hochspannungsbatterie (102) und dem Fahrzeugantriebsmotor (109) angeordnet ist und einen Kondensator (105) aufweist, zum Umwandeln eines von der Hochspannungsbatterie (102) zugeführten Gleichstroms in einen Wechselstrom und Zuführen zum Fahrzeugantriebsmotor (109); einen Spannungsumwandler (101), der parallel zum Umrichter (104) mit der Hochspannungsbatterie (102) verbunden ist, zum Umwandeln einer Spannung von der Hochspannungsbatterie (102) in eine Niederspannung und zum Ausgeben der Niederspannung; einen Kontaktgeberschaltkreis (120), der zwischen der Hochspannungsbatterie (102) und dem Umrichter (104) angeordnet ist, zum Durchführen eines Verfahrens zum Unterbinden von Spitzenstrom bezüglich des Umrichters (104), wenn dem Fahrzeugantriebsmotor (109) elektrische Energie der Hochspannungsbatterie (102) zugeführt wird; und Spannungsumwandlerstart-Ermöglichungsmittel (111 und 113) zur Ermöglichung des Startens des Spannungsumwandlers (101), wenn die Beendigung des vom Kontaktgeberschaltkreis (120) durchgeführten Unterbindungsverfahrens erfasst wird.
  2. Spannungsumwandlungs-Schaltkreis nach Anspruch 1, wobei der Kontaktgeberschaltkreis (120) umfasst: einen Hauptkontaktgeber (106); und einen Vorladungsschaltkreis umfassend einen Vorladungskontaktgeber (107), der parallel zum Hauptkontaktgeber (106) geschaltet ist, und einen elektrischen Widerstand (108), der in Reihe mit dem Vorladungskontaktgeber (107) geschaltet ist.
  3. Spannungsumwandlungs-Schaltkreis nach Anspruch 2, weiterhin umfassend ein Umwandlersteuerungsmittel (112) zum Steuern des Betriebs des Spannungsumwandlers (101); wobei die Spannungsumwandlerstart-Ermöglichungsmittel (111 und 113) im Umwandlersteuerungsmittel (112) vorgesehen sind und Folgendes umfassen eine Betriebssteuerungseinheit (113) zum Bewirken, dass der Spannungsumwandler (111) in Betrieb gesetzt wird, wenn ein Startermöglichungssignal und eine vorher eingestellte Betriebsspannung eingegeben werden, und einen Schalter (111), durch den dem Spannungsumwandler (101) das Startermöglichungssignal eingegeben wird und der in Synchronisation mit dem Umschalten des Hauptkontaktgebers (106) vom ausgeschalteten in den eingeschalteten Zustand vom Aus- in den Einzustand umgeschaltet wird.
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