DE102017220310A1

DE102017220310A1 - Bidirektionaler Niederspannungs-Gleichstrom/Wechselstrom-Wechselrichter

Info

Publication number: DE102017220310A1
Application number: DE102017220310.2A
Authority: DE
Inventors: Krzysztof Klesyk
Original assignee: Lear Corp
Current assignee: Lear Corp
Priority date: 2016-12-02
Filing date: 2017-11-15
Publication date: 2018-06-07
Also published as: CN108155828A; US10348088B2; US20180159325A1; CN108155828B

Abstract

In mindestens einer Ausführungsform wird eine bidirektionale Leistungsumsetzungsvorrichtung, die einen Gleichstrom/Gleichstrom-Umsetzer, einen Wechselrichter und eine bidirektionale Speichervorrichtung enthält, offenbart. Der Gleichstrom/Gleichstrom-Umsetzer ist konfiguriert, einen ersten Gleichstromausgang als Antwort auf einen ersten Gleichstromeingang in einem Verbrauchermodus zu erzeugen und einen zweiten Gleichstromeingang zu empfangen, um den Niederspannungsbereich in einem Fahrzeuglademodus mit Leistung zu versorgen. Der Wechselrichter ist konfiguriert, einen Wechselstromausgang zu erzeugen, um mindestens eine Verbrauchervorrichtung als Antwort auf den ersten Gleichstromausgang im Verbrauchermodus mit Leistung zu versorgen und den zweiten Gleichstromeingang an den Gleichstrom/Gleichstrom-Umsetzer als Antwort auf ein Wechselstromeingangssignal von einer Wechselstromleistungsquelle im Fahrzeuglademodus zu liefern. Die bidirektionale Speichervorrichtung ist konfiguriert, den ersten Gleichstromausgang im Verbrauchermodus zu speichern und den zweiten Gleichstromausgang im Fahrzeuglademodus zu speichern.

Description

Technisches Gebiet
Hier offenbarte Aspekte beziehen sich im Allgemeinen auf eine bidirektionale Leistungsumsetzungsvorrichtung, die Niederspannungsgleichstromenergie in einen Wechselstrom umsetzt, um Aspekte eines Fahrzeugs mit Leistung zu versorgen, und die Wechselstromenergie von einem Netz in Niederspannungs-Gleichstromenergie zur Speicherung in einer Fahrzeug-Gleichstromleistungsversorgung umsetzt.
Hintergrund
Das US-Patent Nr. 8,085,557 („das '557-Patent“) offenbart einen bidirektionalen Gleichstrom/Wechselstrom-Wechselrichter, der eine H-Brückenschaltung, einen Verbindungsabschnitt, der mit der H-Brückenschaltung verbunden ist, ein Glättungsfilter, das den Verbindungsabschnitt mit der H-Brückenschaltung verbindet, und einen Steuerabschnitt enthält. Die H-Brückenschaltung weist vier Schaltelemente auf. Die vier Schaltelemente enthalten zwei Schaltelemente, deren erste Enden miteinander verbunden sind, und zwei zweite Schaltelemente, deren zweite Enden miteinander verbunden sind. Das Glättungsfilter weist einen Kondensator und zwei Spulen, die mit dem Kondensator verbunden sind, auf. Der Steuerabschnitt steuert die ersten Schaltelemente in der Weise, dass die zwei Spulen als Verstärkerspulen arbeiten, wenn ein Wechselspannungseingang von einer Systemleistungsversorgung in eine Gleichstromspannung umgesetzt wird.
Zusammenfassung
In mindestens einer Ausführungsform wird eine bidirektionale Leistungsumsetzungsvorrichtung, die einen Gleichstrom/Gleichstrom-Umsetzer, einen Wechselrichter und eine bidirektionale Speichervorrichtung enthält, offenbart. Der Gleichstrom/Gleichstrom-Umsetzer ist konfiguriert, einen ersten Gleichstromausgang als Antwort auf einen ersten Gleichstromeingang von einem Niederspannungsbereich in einem Verbrauchermodus zu erzeugen und einen zweiten Gleichstromeingang zu empfangen, um den Niederspannungsbereich in einem Fahrzeug in einem Fahrzeuglademodus mit Leistung zu versorgen. Der Wechselrichter ist konfiguriert, einen Wechselstromausgang zu erzeugen, um mindestens eine Verbrauchervorrichtung als Antwort auf den ersten Gleichstromausgang im Verbrauchermodus mit Leistung zu versorgen und dem Gleichstrom/GleichstromUmsetzer den zweiten Gleichstromeingang als Antwort auf ein Wechselstromeingangssignal von einer Wechselstromleistungsquelle im Fahrzeuglademodus bereitzustellen. Die bidirektionale Speichervorrichtung ist konfiguriert, den ersten Gleichstromausgang im Verbrauchermodus zu speichern und den zweiten Gleichstromausgang im Fahrzeuglademodus zu speichern.
In mindestens einer weiteren Ausführungsform wird eine bidirektionale Leistungsumsetzungsvorrichtung, die einen Gleichstrom/Gleichstrom-Umsetzer, einen Wechselrichter und eine bidirektionale Speichervorrichtung enthält, offenbart. Der Gleichstrom/Gleichstrom-Umsetzer ist konfiguriert, einen ersten Gleichstromausgang als Antwort auf einen ersten Gleichstromeingang von einem Niederspannungsbereich zu erzeugen, um mindestens eine Verbrauchervorrichtung im Verbrauchermodus mit Leistung zu versorgen, und einen zweiten Gleichstromeingang zu empfangen, um einen Niederspannungsbereich in einem Fahrzeug im Fahrzeuglademodus mit Leistung zu versorgen. Die zweite Gleichstromeingangsleistung gibt einen endgültigen Gleichstromeingang an, der auf einer oder mehreren Batterien in dem Niederspannungsbereich gespeichert wird. Der Wechselrichter ist konfiguriert, einen Wechselstromausgang zu erzeugen, um die mindestens eine Verbrauchervorrichtung als Antwort auf den ersten Gleichstromausgang im Verbrauchermodus mit Leistung zu versorgen und dem Gleichstrom/Gleichstrom-Umsetzer den zweiten Gleichstromeingang als Antwort auf ein Wechselstromeingangssignal von einer Wechselstromleistungsquelle im Fahrzeuglademodus bereitzustellen. Die bidirektionale Speichervorrichtung ist konfiguriert, den ersten Gleichstromausgang im Verbrauchermodus zu speichern und den zweiten Gleichstromausgang im Fahrzeuglademodus zu speichern.
In mindestens einer Ausführungsform wird eine bidirektionale Leistungsumsetzungsvorrichtung, die einen Gleichstrom/Gleichstrom-Umsetzer, einen Wechselrichter und eine bidirektionale Speichervorrichtung enthält, offenbart. Der Gleichstrom/Gleichstrom-Umsetzer enthält mehrere erste Schaltvorrichtungen und ist konfiguriert, einen ersten Gleichstromausgang als Antwort auf einen ersten Gleichstromeingang von einem Niederspannungsbereich in einem Verbrauchermodus zu erzeugen und einen zweiten Gleichstromeingang zu empfangen, um den Niederspannungsbereich in einem Fahrzeug im Fahrzeuglademodus mit Leistung zu versorgen. Der Wechselrichter enthält mehrere zweite Schaltvorrichtungen und ist konfiguriert, einen Wechselstromausgang zu erzeugen, um mindestens eine Verbrauchervorrichtung als Antwort auf den ersten Gleichstromausgang im Verbrauchermodus mit Leistung zu versorgen und dem Gleichstrom/Gleichstrom-Umsetzer den zweiten Gleichstromeingang als Antwort auf ein Wechselstromeingangssignal von einer Wechselstromleistungsquelle im Fahrzeuglademodus bereitzustellen. Die bidirektionale Speichervorrichtung ist konfiguriert, den ersten Gleichstromausgang im Verbrauchermodus zu speichern und den zweiten Gleichstromausgang im Fahrzeuglademodus zu speichern.
Figurenliste
Die Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung sind in den beigefügten Ansprüchen detailliert dargelegt. Andere Merkmale der verschiedenen Ausführungsformen werden jedoch ersichtlicher werden und besser verständlich werden, indem auf die folgende genaue Beschreibung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen Bezug genommen wird; es zeigen:

1 eine bidirektionale Leistungsumsetzungsvorrichtung in Übereinstimmung mit einer Ausführungsform, die innerhalb eines Fahrzeugs positioniert ist, das Niederspannungsgleichstromenergie (Niederspannungs-Gleichstromenergie) in einen Wechselstrom umsetzt, um Aspekte eines Fahrzeugs mit Leistung zu versorgen, und das Wechselstromenergie von einem Leistungsnetz in Niederspannungs-Gleichstromenergie für die Speicherung auf einer Fahrzeug-Gleichstromleistungsversorgung umsetzt;
2 eine genaue Verwirklichung der Einrichtung in Übereinstimmung mit einer Ausführungsform;
3 verschiedene Signalformen in Übereinstimmung mit einer Ausführungsform, um eine oder mehrere von mehreren Schaltvorrichtungen anzusteuern, die innerhalb des Fahrzeugs positioniert sind, um während eines Verbrauchermodus Niederspannungsenergie (Gleichstromenergie) in Wechselstrom umzusetzen;
4 eine Signalform in Übereinstimmung mit einer Ausführungsform, die einer gespeicherten Spannung über einem großen Kondensator über der Zeit entspricht;
5 eine Signalform in Übereinstimmung mit einer Ausführungsform, die einem Wechselstromausgang an verschiedene Motor-/Verbraucherelektronik entspricht, und
6 verschiedene Signalformen in Übereinstimmung mit einer Ausführungsform zum Ansteuern von einer oder mehreren von mehreren Schaltvorrichtungen, die innerhalb des Fahrzeugs positioniert sind, um die Wechselstromenergie von einem Netz in Niederspannungs-Gleichstromenergie für die Speicherung auf einer Fahrzeug-Gleichstromleistungsversorgung während eines Fahrzeuglademodus gleichzurichten.

Genaue Beschreibung
Wie erforderlich, sind hier genaue Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung offenbart; es ist jedoch selbstverständlich, dass die offenbarten Ausführungsform lediglich beispielhaft für die Erfindung sind, die in verschiedenen und alternativen Formen verkörpert sein kann. Die Figuren sind nicht notwendigerweise maßstäblich; einige Merkmale können übertrieben oder minimiert sein, um Einzelheiten von bestimmten Komponenten zu zeigen. Deshalb sind spezifische strukturelle und funktionelle hier offenbarte Einzelheiten nicht als beschränkend zu interpretieren, sondern lediglich als repräsentative Basis, um einem Fachmann auf dem Gebiet zu lehren, die vorliegende Erfindung verschiedenartig einzusetzen.
Es ist anerkannt, dass die Steuereinheiten, wie sie hier offenbart sind, verschiedene Mikroprozessoren, integrierte Schaltungen, Speichervorrichtungen (z. B. FLASH, Arbeitsspeicher (RAM), Festwertspeicher (ROM), elektrisch programmierbare Festwertspeicher (EPROM), elektrisch lösch- und programmierbare Festwertspeicher (EEPROM) oder andere geeignete Varianten davon) und Software, die miteinander arbeitet, um einen Vorgang bzw. Vorgänge, die hier offenbart sind, durchzuführen, umfassen. Zudem nutzen solche Steuereinheiten, wie sie offenbart sind, einen oder mehrere Mikroprozessoren, um ein Computerprogramm abzuarbeiten, das in einem nicht flüchtigen computerlesbaren Medium verkörpert ist, das programmiert ist, eine Anzahl von Funktionen, wie sie offenbart sind, durchzuführen. Ferner enthalt die Steuereinheit(en), wie sie hier bereitgestellt sind, ein Gehäuse und die verschiedene Anzahl von Mikroprozessoren, integrierte Schaltungen und Speichervorrichtungen (z. B. FLASH, Arbeitsspeicher (RAM), Festwertspeicher (ROM), elektrisch programmierbare Festwertspeicher (EPROM), elektrisch lösch- und programmierbare Festwertspeicher (EEPROM)), die innerhalb des Gehäuses positioniert sind. Die Steuereinheit(en), wie sie hier offenbart sind, enthalten hardwarebasierte Eingänge und Ausgänge zum Empfangen und Senden von Daten, jeweils von und an andere hardwarebasierte Vorrichtungen, wie es hier diskutiert ist.
Eine Einrichtung oder bidirektionale Leistungsumsetzungsvorrichtung ist hier bereitgestellt und angeordnet, um Wechselstromleistung (Wechselstromleistung) von einem Leistungsnetz zu Zwecken des Ladens von einer oder mehreren Batterien in dem Fahrzeug zu empfangen, indem der einen oder den mehreren Batterien ein Niederspannungs-gleichstrompegel (Niederspannungs-Gleichstrompegel) bereitgestellt wird. Umgekehrt ist die Leistungsumsetzungsvorrichtung angeordnet, den Niederspannungs-Gleichstrompegel von der einen oder den mehreren Batterien zu empfangen und zu wechselrichten, um Wechselstromleistung zur Leistungsversorgung von Wechselstromlasten in dem Fahrzeug zu erzeugen. Zum Beispiel kann die Leistungsumsetzungsvorrichtung die Wechselstromleistung verschiedenen Motoren und/oder Verbrauchervorrichtungen bereitstellen, die an das Fahrzeug elektrisch gekoppelt sind. Diese Aspekte und andere werden unten genauer diskutiert werden.
1 stellt eine bidirektionale Leistungsumsetzungsvorrichtung 10 dar, die innerhalb eines Fahrzeugs 12 positioniert ist, die Niederspannungs-Gleichstromenergie (z. B. einen ersten Gleichstromeingang) in Wechselstromenergie zur Energieversorgung von Aspekten des Fahrzeugs 12 umsetzt. Die Leistungsumsetzungsvorrichtung 10 setzt Wechselstromenergie von einem Leistungsnetz 14 in Niederspannungs-Gleichstromenergie (z. B. einen endgültigen Gleichstromeingang) zur Speicherung auf einer Fahrzeug-Gleichstromleistungsversorgung (z. B. einer oder mehreren Batterien 16) um. Die Leistungsumsetzungsvorrichtung 10 enthält einen Gleichstrom/Gleichstrom-Umsetzer 18 und einen Wechselrichter 20. In einem Verbrauchermodus verstärkt der Gleichstrom/Gleichstrom-Umsetzer 18 die Gleichstromenergie von den Batterien 16 in einem Niederspannungsbereich (LV-Bereich) (d. h. LV-Bereich) in einen Gleichstrompegel (z. B. verstärkten Gleichstrompegel oder einen ersten Gleichstromausgang), der zu dem Wechselrichter 20 geleitet wird. Der Wechselrichter 20 erzeugt einen Wechselstromausgang, um einen oder mehrere Motoren und/oder verschiedene Verbraucherelektronik (nachstehend „Wechselstromleistungslasten 22“), die an das Fahrzeug 12 gekoppelt sind, als Antwort auf den verstärkten Gleichstrompegel mit Leistung zu versorgen. Eine bidirektionale Speichervorrichtung 31 (oder ein Kondensator C2) speichert den verstärkten Gleichstrompegel, bevor der Wechselrichter 20 den Wechselstromausgang erzeugt. In einem Fahrzeuglademodus detektiert die Leistungsumsetzungsvorrichtung 10, dass das Leistungsnetz 14 daran gekoppelt ist, um die Batterien 16 zu laden oder elektrische Vorrichtungen innerhalb des Fahrzeugs 12 mit Leistung zu versorgen. Der Wechselrichter 20 setzt Wechselstromenergie von dem Leistungsnetz 14 in ein Gleichstromeingangssignal (oder zweiten Gleichstromeingang) um, das auf der bidirektionalen Speichervorrichtung 31 gespeichert wird. Der Gleichstrom/Gleichstrom-Umsetzer 18 setzt das Gleichstromeingangssignal in eine niedrige Gleichstromenergie um, die den Batterien 16 bereitgestellt wird und/oder andere Aspekte des Fahrzeugs 12 mit Leistung versorgt.
2 stellt eine genaue Verwirklichung der Leistungsumsetzungsvorrichtung 10 in Übereinstimmung mit einer Ausführungsform dar. Das Fahrzeug 12 enthält eine erste Steuereinheit 24 (oder ersten „Niederspannungs-Mikrocontroller (LV-Mikrocontroller)“), der betriebstechnisch an den Gleichstrom/Gleichstrom-Umsetzer 18 gekoppelt ist, um den Betrieb des Gleichstrom/Gleichstrom-Umsetzers 18 sowohl im Verbrauchermodus als auch im Fahrzeuglademodus zu steuern. Ebenso enthält das Fahrzeug 12 auch eine zweite Steuereinheit 30, die betriebstechnisch mit dem Wechselrichter 20 gekoppelt ist, um den Betrieb des Wechselrichters sowohl im Verbrauchermodus als auch im Fahrzeuglademodus zu steuern. Die erste Steuereinheit 24 und die zweite Steuereinheit 30 beteiligen sich über eine serielle Kommunikationsschnittstelle (SCI) oder andere geeignete Kommunikationsbusprotokolle an bidirektionaler Kommunikation miteinander.
Die folgenden Vorgänge werden durchgeführt, wenn die Leistungsumsetzungsvorrichtung 10 im Verbrauchermodus ist. Im Allgemeinen ist der Gleichstrom/GleichstromUmsetzer 18 konfiguriert, die Gleichstromenergie von dem Fahrzeug 12 dem Wechselrichter zu Zwecken des Bereitstellens des Wechselstromausgangs an die Wechselstromleistungslasten 22 bereitzustellen. Im Verbrauchermodus ist der Zündungszustand für das Fahrzeug 12 entweder in der „Zündung ein“- oder „Lauf“-Position. In diesem Fall steuert die erste Steuereinheit 24 den Gleichstrom/Gleichstrom-Umsetzer 18, um die verstärkte Gleichstromenergie dem Wechselrichter 20 bereitzustellen, wenn detektiert wird, dass der Zündungszustand in der „Zündung ein“- oder „Lauf“-Position ist. Wie gezeigt, enthält die erste Steuereinheit 24 einen Eingang zum Überwachen des Zündungszustands auf der Zuleitung „IGN“. Es wird anerkannt, dass die erste Steuereinheit 24 einen Zündungszustand alternativ über einen ersten Datenkommunikationsbus 26 empfangen kann, der ein Local Interconnect Network (LIN), ein Controller Area Network (CAN) oder ein anderes geeignetes Datenkommunikationsprotokoll nutzt, aber ist nicht darauf beschränkt.
Ein Relaistreiber 25 schließt einen Schalter 27, um zu ermöglichen, dass die Gleichstromenergie von den Batterien 16 und zu dem Gleichstrom/Gleichstrom-Umsetzer 18 fließt. Es wird anerkannt, dass der Relaistreiber 25 optional ist und ein Festkörperschalter anstatt des Relaistreibers 25 verwendet werden kann. Ein Schalter 21 und ein Filter 29 sind zwischen dem Schalter 27 und dem Gleichstrom/Gleichstrom-Umsetzer 18 positioniert. Das Filter 29 enthält einen Induktor L1 und einen Kondensator C. Die erste Steuereinheit 24 steuert den Schalter 21, zu schließen, wodurch ermöglicht wird, dass die Gleichstromenergie von den Batterien 16 an den Gleichstrom/Gleichstrom-Umsetzer 18 geht.
Der Gleichstrom/Gleichstrom-Umsetzer 18 enthält im Allgemeinen eine Organisationsleistungsversorgung 32, einen ersten Gate-Treiber 34, einen zweiten Gate-Treiber 36, einen Überschaltungsspannungsblock 38 und einen ersten Transformator 40. Die Organisationsleistungsversorgung 32 ist im Allgemeinen konfiguriert, der Leistungsumsetzungsvorrichtung 10 Leistung für verschiedene Elektronik bereitzustellen. Der Gleichstrom/Gleichstrom-Umsetzer 18 enthält mehrere erste Schaltvorrichtungen (z. B. MOSFETs) Q1 - Q6 und mehrere erste Kondensatoren C1 - C2. Der Kondensator C2 ist im Allgemeinen als die bidirektionale Speichervorrichtung 31 definiert. Die erste Steuereinheit 24 ist konfiguriert, den erste Gate-Treiber 34 zum Steuern der Schaltvorrichtungen Q1 - Q4 zu steuern. Die erste Steuereinheit 24 ist auch konfiguriert, den zweiten Gate-Treiber 36 zum Steuern der Schaltvorrichtungen Q5 und Q6 zu steuern. Die Schaltvorrichtungen Q5 und Q6 können als Diodengleichrichter oder als Synchrongleichrichter verwirklicht sein. Die Schaltvorrichtungen Q1 - Q6 können als MOSFET-Schaltvorrichtungen verwirklicht sein, wobei ihre jeweiligen Körperdioden als standardmäßige Diodengleichrichter arbeiten, wenn sie inaktiv sind. Der Gleichstrom/Gleichstrom-Umsetzer 18 kann als ein Gegentaktumsetzer angeordnet sein.
Im Verbrauchermodus bewirkt die erste Steuereinheit 24 (über den ersten Gate-Treiber 34) die Schaltvorrichtungen Q1 und Q3 eine Impulsbreitenmodulation in der Weise, die in Verbindung mit 3 dargestellt ist. Im Allgemeinen kann jeder Impuls für Q1 und Q3 mit einer Schaltfrequenz von zum Beispiel 65 kHz mit einer Amplitude von 12 V moduliert sein. Es wird anerkannt, dass andere Werte verwendet werden können. Wie in 1 gezeigt, sind die Schaltvorrichtungen Q1 und Q3 betriebstechnisch mit einem ersten Eingang 37 auf einer ersten Seite 41 des ersten Transformators 40 verbunden. Auf diese Weise erzeugt ein erster Ausgang 43 von der ersten Seite 41 des ersten Transformators 40 ein impulsbreitenmoduliertes Signal, das der Schaltvorrichtung Q5 bereitgestellt wird. Der zweite Gate-Treiber 36 bewirkt die Schaltvorrichtung Q5 eine Impulsbreitenmodulation, wie in 3 dargestellt ist. Das impulsbreitenmodulierte Signal, wie es in 3 in Verbindung mit der Schaltvorrichtung Q5 dargestellt ist, kann eine Schaltfrequenz von 65 kHz und eine Amplitude von 120 V aufweisen. Es wird anerkannt, dass die Schaltvorrichtung Q5 auch parallel zu den Schaltvorrichtungen Q1 und Q3 geschaltet sein kann oder die Schaltvorrichtung Q5 mit dem ersten Transformator 40 verbunden sein kann, wie in 2 gezeigt ist.
Zusätzlich bewirkt die erste Steuereinheit 24 (über den ersten Gate-Treiber 34) die Schaltvorrichtungen Q2 und Q4 eine Impulsbreitenmodulation in der Weise, die in Verbindung mit 3 dargestellt ist. Jeder Impuls für Q2 und Q4 kann mit einer Schaltfrequenz von zum Beispiel 65 kHz mit einer Amplitude von 12 V moduliert sein. Es wird anerkannt, dass andere Werte verwendet werden können. Wie in 1 gezeigt, sind die Schaltvorrichtungen Q2 und Q4 mit einem zweiten Eingang 39 auf einer zweiten Seite 45 des ersten Transformators 40 betriebstechnisch verbunden. Auf diese Weise erzeugt ein zweiter Ausgang 47 von der ersten Seite 41 des ersten Transformators 42 ein impulsbreitenmoduliertes Signal, das der Schaltvorrichtung Q6 bereitgestellt wird. Der zweite Gate-Treibe 36 bewirkt die Schaltvorrichtung Q6 eine Impulsbreitenmodulation in der Weise, die in 3 dargestellt ist. Dieses impulsbreitenmodulierte Signal, das in 3 in Verbindung mit der Schaltvorrichtung Q6 dargestellt ist, kann eine Schaltfrequenz von 65 kHz und eine Amplitude von 120 V aufweisen. Es wird anerkannt, dass die Schaltvorrichtung Q6 auch parallel zu den Schaltvorrichtungen Q2 und Q4 geschaltet sein kann oder die Schaltvorrichtung Q6 mit dem ersten Transformator 40 verbunden sein kann, wie in 2 gezeigt ist. Die bidirektionale Speichervorrichtung 31 (oder der Kondensator C2) speichert die Ausgangsspannung von den Leistungsschaltvorrichtungen Q5 und Q6. 4 stellt den Spannungsbetrag, der auf der bidirektionalen Speichervorrichtung 31 gespeichert wird, über der Zeit dar. Irgendwann erreicht die gespeicherte Spannung eine Amplitude von ungefähr 120 V und pegelt sich auf diesen Wert ein. Eine Spannungsmessvorrichtung 49 (z. B. ein Sensor) misst die Spannung über der bidirektionalen Speichervorrichtung 31 und sendet ein Signal, das die gemessene Spannung angibt, so dass die erste Steuereinheit 24 die Schaltfrequenz für die Speichervorrichtungen Q1 - Q4 steuert und dass die zweite Steuereinheit 30 die Schaltfrequenz für die Schaltvorrichtungen Q5 - Q6 dementsprechend steuert.
Die bidirektionale Speichervorrichtung 31 stellt dem Wechselrichter 20 die gespeicherte Spannung (z. B. 120 V Gleichstrom) bereit. Der Wechselrichter 20 enthält im Allgemeinen einen Gleichrichter (z. B. einen Vollbrückengleichrichter) 42, eine Drosselspule 44, einen Gate-Treiber 46, eine Stromerfassungsschaltung 48, mehrere zweite Schaltvorrichtungen Q7 - Q10 und einen Kondensator C3. Die Schaltvorrichtungen Q7 - Q10 bilden im Allgemeinen eine Wechselrichterbrücke, in der ein Paar der Schaltvorrichtungen (z. B. Q7/Q9 oder Q8/Q10) aktiviert (oder geschlossen) ist, während das verbleibende Paar der Schaltvorrichtungen (z. B. Q8/Q10 und Q7/Q9) im Fahrzeuglademodus geöffnet ist. Es wird anerkannt, dass die Schaltvorrichtungen Q7 - Q10 als MOSFET-Schaltvorrichtungen verwirklicht sein können, wobei ihre jeweiligen Körperdioden als standardmäßige Diodengleichrichter arbeiten, wenn sie inaktiv sind. Ein Ausgang von der Wechselrichterbrücke (z. B. den Schaltvorrichtungen Q7 - Q10) wird der Drosselspule 44 bereitgestellt. Die Drosselspule 44 kann als eine Gleichtaktdrosselspule (oder als zwei differentielle Induktoren) verwirklicht sein. Die Drosselspule 44 und der Kondensator C3 blockieren Wechselstrom hoher Frequenz. Eine wechselstrombasierter Ausgang von der Drosselspule 44 und dem Kondensator C3 (oder von dem Wechselrichter 20) ist im Allgemeinen in 5 gezeigt. Dieser Ausgang repräsentiert den Wechselstromausgang, der den Wechselstromleistungslasten 22 bereitgestellt ist. Es wird anerkannt, dass der Vollbrückengleichrichter 42 anstatt der Schaltvorrichtungen Q7 - Q10 verwendet werden kann. Zum Beispiel kann die bidirektionale Speichervorrichtung 31 innerhalb des Gleichstrom/Gleichstrom-Umsetzers 18 dem Vollbrückengleichrichter 42 die Ausgangsspannung von den Leistungsschaltvorrichtungen Q5 und Q6 bereitstellen, um den Wechselstromausgang zu erzeugen (siehe 5), um die Wechselstromleistungslasten 22 anzutreiben.
In dem Fahrzeuglademodus detektiert die zweite Steuereinheit 30, wann das Fahrzeug 12 mit einem Batterieladegerät (z. B. einem tragbaren oder stationären Ladegerät) (nicht gezeigt) verbunden ist, um Wechselstromleistung von dem Wechselstromleistungsnetz 14 zu empfangen. Alternativ kann die zweite Steuereinheit 30 auch detektieren, wenn verschiedene Wechselstromleistungslasten 22 (z. B. Motoren) Wechselstromleistung für die Speicherung auf den Batterien 16 erzeugen (z. B. Nutzbremsung, etc.). Die zweite Steuereinheit 30 sendet eine Wecknachricht an die erste Steuereinheit in dem Fall, dass das Fahrzeug 12 schlafend ist, nachdem detektiert worden ist, dass das Batterieladegerät angeordnet ist, um Wechselstromleistung von dem Wechselstromleistungsnetz 14 zu übertragen. Der Vollbrückengleichrichter 42 oder die mehreren zweiten Schaltvorrichtungen Q7 - Q10 erzeugen ungefähr 150 V Gleichstromeingang für die Speicherung auf der bidirektionalen Speichervorrichtung 31 als Antwort auf das Empfangen eines Wechselstromeingangs von zum Beispiel 110 V Wechselstrom (oder bis zu 150 V Wechselstrom oder sogar höher) von dem Wechselstromleistungsnetz 14. Die Gesamtverstärkung von 110 V Wechselstrom auf 150 V kann der Tatsache zugeschrieben werden, dass der 110 V Wechselstromeingang ein RMS-Wert ist. Der Spitzenwert von 110 V Wechselstrom ist 110 V * √2, was annähernd 150 V ergibt. Die zweite Steuereinheit 30 steuert die Schaltfrequenz der mehreren zweiten Schaltvorrichtungen Q7 - Q10 (über den Gate-Treiber 46) (falls er im Gegensatz zu dem Vollbrückengleichrichter 42 genutzt wird), die dann den erhöhten Wechselstromeingang gleichrichten, um eine Gleichspannnung von 150 V für die Speicherung auf der bidirektionalen Speichervorrichtung 31 zu erzeugen. Die zweite Steuereinheit 30 bewirkt dann die Gleichspannung an die Schaltvorrichtungen Q5 und Q6 einen Impulsbreitenmodulation in der Weise, die in 6 dargestellt ist. Das impulsbreitenmodulierte Signal, wie es in 6 in Verbindung mit der Schaltvorrichtung Q5 dargestellt ist, kann eine Schaltfrequenz von 65 kHz und eine Amplitude mit einem Maximum von 150 V aufweisen (d. h. unter der Annahme, dass der Wechselstromeingang bei einer Spitzenspannung von 150 V ist). Zudem kann das impulsbreitenmodulierte Signal, wie es in 6 in Verbindung mit der Schaltvorrichtung Q6 dargestellt ist, eine Schaltfrequenz von 65 kHz und eine Amplitude von 150 V aufweisen.
Der erste Transformator 40 transformiert die Amplitude von ungefähr 150 V auf ungefähr 15 V herunter. Die erste Steuereinheit 24 bewirkt (über den ersten Gate-Treiber 34) eine Impulsbreitenmodulation der Schaltvorrichtungen Q1 und Q3 in der Weise, die in Verbindung mit 6 dargestellt ist. Im Allgemeinen kann jeder Impuls für Q1 und Q3 mit einem Tastverhältnis vom zum Beispiel 90 % und einer Amplitude von 15 V moduliert sein. Es wird anerkannt, dass andere Werte verwendet werden können. Wie in 1 gezeigt, sind die Schaltvorrichtungen Q1 und Q3 mit einer ersten Seite 41 des ersten Transformators 40 betriebstechnisch verbunden. Somit empfangen die Schaltvorrichtungen Q1 und Q3 einen Ausgang von der ersten Seite 41 des ersten Transformators 40. Der Ausgang von den Schaltvorrichtungen Q1 und Q3 kann dann eine Gleichstromausgangsspannung erzeugen, die 13,5 V ist, wie durch die folgende Gleichung definiert ist: $\begin{array}{l} V_{out} (Schaltvorrichtungen) = (Vtrans_In / Windungen des Transforma - \\ tors) * Tastverhältnis \end{array}$
In diesem Fall ist Vtrans_In ungefähr 150 V, die Anzahl von Windungen des Transformators ist gleich 10 und das Tastverhältnis der Schaltvorrichtungen Q1 und Q3 ist 90 %. Diese Werte führen zu einem Ausgang von den Schaltvorrichtungen Q1 und Q3 von 13,5 V, der auf dem Kondensator C1 gespeichert wird. Falls das Tastverhältnis der Schaltvorrichtungen Q1 und Q3 80 % war, dann ist V_{out (Schaltvorrichtungen)} = 12 V Gleichstrom, die auf dem Kondensator C1 gespeichert wird.
Ähnlich bewirkt die erste Steuereinheit 24 (über den erste Gate-Treiber 34) eine Impulsbreitenmodulation der Schaltvorrichtungen Q2 und Q4 in der Weise, die in Verbindung mit 7 dargestellt ist. Im Allgemeinen kann jeder Impuls für Q2 und Q4 mit einem Tastverhältnis vom zum Beispiel 90 % und einer Amplitude von 15 V moduliert sein. Es wird anerkannt, dass andere Werte verwendet werden können. Wie in 1 gezeigt, sind die Schaltvorrichtungen Q2 und Q4 mit der zweiten Seite 45 des ersten Transformators 40 betriebstechnisch verbunden. Somit empfangen die Schaltvorrichtungen Q2 und Q4 einen Ausgang von der zweiten Seite 45 des ersten Transformators 40. Ähnlich wie die Schaltvorrichtungen Q1 und Q3 können die Schaltvorrichtungen Q2 und Q4 eine Gleichstromausgangsspannung erzeugen, die 13,5 auf der Grundlage von Gleichung 1 ist, die auf dem Kondensator C1 gespeichert wird.
Im Fahrzeuglademodus öffnet die erste Steuereinheit 24 den Schalter 21, so dass der Ausgang von den Schaltvorrichtungen Q1 - Q4 an das Filter 29 gegeben wird. Das Filter 29 regelt die Spannung und den Strom von dem Ausgang der Schaltvorrichtungen Q1 - Q4. Die Batterien 16 empfangen und speichern dann einen gleichstromgefilterten Ausgang von dem Filter 29 (oder von dem Kondensator C1).
Während beispielhafte Ausführungsformen oben beschrieben sind, ist es nicht angedacht, dass diese Ausführungsformen alle möglichen Formen der Erfindung beschreiben. Stattdessen sind die Worte, die in der Patentschrift verwendet werden, eher Worte der Beschreibung als der Beschränkung und es ist selbstverständlich, dass verschiedene Änderungen vorgenommen werden können, ohne von dem Geist und dem Umfang der Erfindung abzuweichen. Zusätzlich können die Merkmale von verschiedenen verwirklichenden Ausführungsformen kombiniert werden, um weitere Ausführungsformen der Erfindung zu bilden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 8085557 [0002]

Claims

Bidirektionale Leistungsumsetzungsvorrichtung, die Folgendes umfasst: einen Gleichstrom/Gleichstrom-Umsetzer, der konfiguriert ist, einen ersten Gleichstromausgang als Antwort auf einen ersten Gleichstromeingang von einem Niederspannungsbereich in einem Verbrauchermodus zu erzeugen und einen zweiten Gleichstromeingang zu empfangen, um den Niederspannungsbereich in einem Fahrzeug in einem Fahrzeuglademodus mit Leistung zu versorgen; einen Wechselrichter, der konfiguriert ist, einen Wechselstromausgang zu erzeugen, um mindestens eine Verbrauchervorrichtung als Antwort auf den ersten Gleichstromausgang in dem Verbrauchermodus mit Leistung zu versorgen, und dem Gleichstrom/Gleichstrom-Umsetzer den zweiten Gleichstromeingang als Antwort auf ein Wechselstromeingangssignal von einer Wechselstromleistungsquelle im Fahrzeuglademodus bereitzustellen, und eine bidirektionale Speichervorrichtung, die konfiguriert ist, den ersten Gleichstromausgang im Verbrauchermodus zu speichern und den zweiten Gleichstromeingang im Fahrzeuglademodus zu speichern.
Bidirektionale Leistungsumsetzungsvorrichtung nach Anspruch 1, wobei der Gleichstrom/Gleichstrom-Umsetzer einen Transformator enthält, der einen ersten Eingang und einen ersten Ausgang auf einer ersten Seite des Transformators und einen zweiten Eingang und einen zweiten Ausgang auf einer zweiten Seite des Transformators aufweist.
Bidirektionale Leistungsumsetzungsvorrichtung nach Anspruch 2, wobei der Gleichstrom/Gleichstrom-Umsetzer mehrere erste Schaltvorrichtungen, die dem ersten Eingang auf der ersten Seite des Transformators ein erstes Gleichstromschalteingangssignal bereitstellen, und mehrere zweite Schaltvorrichtungen, die dem zweiten Eingang der zweiten Seite des Transformators ein zweites Gleichstromschalteingangssignal bereitstellen, enthält.
Bidirektionale Leistungsumsetzungsvorrichtung nach Anspruch 3, wobei der erste Ausgang des Transformators einer ersten Schaltvorrichtung einen ersten Gleichstromtransformatorausgang bereitstellt und wobei die erste Schaltvorrichtung den ersten Gleichstromausgang erzeugt, um sie auf der bidirektionalen Speichervorrichtung im Verbrauchermodus zu speichern.
Bidirektionale Leistungsumsetzungsvorrichtung nach Anspruch 4, wobei der zweite Ausgang des Transformators einer zweiten Schaltvorrichtung einen zweiten Gleichstromtransformatorausgang bereitstellt und wobei die zweite Schaltvorrichtung den ersten Gleichstromausgang erzeugt, um sie auf der bidirektionalen Speichervorrichtung im Verbrauchermodus zu speichern.
Bidirektionale Leistungsumsetzungsvorrichtung nach Anspruch 5, die ferner eine Spannungsmessschaltung umfasst, die konfiguriert ist, den ersten Gleichstromausgang auf der bidirektionalen Speichervorrichtung zu messen, um eine Schaltfrequenz der mehreren ersten Schalter, der mehreren zweiten Schalter, der ersten Schaltvorrichtung und der zweiten Schaltvorrichtung zu messen.
Bidirektionale Leistungsumsetzungsvorrichtung nach Anspruch 5, wobei der Wechselrichter mehrere Schaltvorrichtungen und einen Vollbrückengleichrichter enthält, um den ersten Gleichstromausgang, der auf der bidirektionalen Speichervorrichtung gespeichert wird, in den Wechselstromausgang umzusetzen, um die mindestens eine Verbrauchervorrichtung im Verbrauchermodus mit Leistung zu versorgen.
Bidirektionale Leistungsumsetzungsvorrichtung nach Anspruch 1, wobei der Wechselrichter mehrere Schaltvorrichtungen und einen Vollbrückengleichrichter enthält, um das Wechselstromeingangssignal in den zweiten Gleichstromeingang für die Speicherung auf der bidirektionalen Speichervorrichtung im Fahrzeuglademodus umzusetzen.
Bidirektionale Leistungsumsetzungsvorrichtung nach Anspruch 8, wobei der Gleichstrom/Gleichstrom-Umsetzer einen Transformator enthält, der eine erste Seite und eine zweite Seite aufweist, um den zweiten Gleichstromeingang auf einen reduzierten zweiten Gleichstromeingang im Fahrzeuglademodus zu reduzieren.
Bidirektionale Leistungsumsetzungsvorrichtung nach Anspruch 9, wobei der Gleichstrom/Gleichstrom-Umsetzer mehrere erste Schalter, die den reduzierten zweiten Gleichstromeingang von der ersten Seite empfangen, und mehrere zweite Schalter, die den reduzierten zweiten Gleichstromeingang von der zweiten Seite empfangen, enthält.
Bidirektionale Leistungsumsetzungsvorrichtung nach Anspruch 10, wobei die mehreren ersten Schalter und die mehreren zweiten Schalter selektiv gesteuert werden, um den reduzierten zweiten Gleichstromeingang in einen endgültigen Gleichstromeingang für die Speicherung auf einer oder mehreren Batterien in dem Niederspannungsbereich im Fahrzeuglademodus umzusetzen.
Bidirektionale Leistungsumsetzungsvorrichtung nach Anspruch 11, die ferner ein Filter umfasst, um Spannung und Strom auf den endgültigen Gleichstromeingang für die Speicherung auf der einen oder den mehreren Batterien in dem Niederspannungsbereich zu regeln.
Bidirektionale Leistungsumsetzungsvorrichtung nach Anspruch 1, wobei die bidirektionale Speichervorrichtung ein Kondensator ist.
Bidirektionale Leistungsumsetzungsvorrichtung nach Anspruch 13, wobei der Kondensator innerhalb des Gleichstrom/Gleichstrom-Umsetzers positioniert ist.
Bidirektionale Leistungsumsetzungsvorrichtung nach Anspruch 1, wobei der Gleichstrom/Gleichstrom-Umsetzer mehrere erste Schaltvorrichtungen enthält, die der bidirektionalen Speichervorrichtung den ersten Gleichstromausgang im Verbrauchermodus bereitstellen.
Bidirektionale Leistungsumsetzungsvorrichtung nach Anspruch 15, wobei der Wechselrichter mehrere zweite Schaltvorrichtungen enthält, die der bidirektionalen Speichervorrichtung den zweiten Gleichstromeingang im Fahrzeuglademodus bereitstellen.
Bidirektionale Leistungsumsetzungsvorrichtung, die Folgendes umfasst: einen Gleichstrom/Gleichstrom-Umsetzer, der konfiguriert ist, einen ersten Gleichstromaus als Antwort auf einen ersten Gleichstromeingang von einem Niederspannungsbereich zu erzeugen, um mindestens eine Verbrauchervorrichtung in einem Verbrauchermodus mit Leistung zu versorgen, und einen zweiten Gleichstromeingang zu empfangen, um einen Niederspannungsbereich in einem Fahrzeug in einem Fahrzeuglademodus mit Leistung zu versorgen, wobei die zweite Gleichstromeingangsleistung einen endgültigen Gleichstromeingang angibt, der auf einer oder mehreren Batterien in dem Niederspannungsbereich gespeichert wird, und einen Wechselrichter, der konfiguriert ist, einen Wechselstromausgang zu erzeugen, um die mindestens eine Verbrauchervorrichtung als Antwort auf den ersten Gleichstromausgang im Verbrauchermodus mit Leistung zu versorgen; dem Gleichstrom/Gleichstrom-Umsetzer den zweiten Gleichstromeingang als Antwort auf ein Wechselstromeingangssignal von einer Wechselstromleistungsquelle im Fahrzeuglademodus bereitzustellen, und eine bidirektionale Speichervorrichtung, die konfiguriert ist, den ersten Gleichstromausgang im Verbrauchermodus zu speichern und den zweiten Gleichstromeingang im Fahrzeuglademodus zu speichern.
Bidirektionale Leistungsumsetzungsvorrichtung nach Anspruch 17, wobei die bidirektionale Speichervorrichtung ein Kondensator ist.
Bidirektionale Leistungsumsetzungsvorrichtung nach Anspruch 18, wobei der Kondensator innerhalb des Gleichstrom/Gleichstrom-Umsetzers positioniert ist.
Bidirektionale Leistungsumsetzungsvorrichtung, die Folgendes umfasst: einen Gleichstrom/Gleichstrom-Umsetzer, der mehrere erste Schalter enthält und konfiguriert ist, einen ersten Gleichstromausgang als Antwort auf einen ersten Gleichstromeingang von einem Niederspannungsbereich zu erzeugen, um mindestens eine Verbrauchervorrichtung in einem Verbrauchermodus mit Leistung zu versorgen, und einen zweiten Gleichstromeingang zu empfangen, um einen Niederspannungsbereich in einem Fahrzeug in einem Fahrzeuglademodus mit Leistung zu versorgen, wobei die zweite Gleichstromeingangsleistung einen endgültigen Gleichstromeingang angibt, der auf einer oder mehreren Batterien in dem Niederspannungsbereich gespeichert wird, und einen Wechselrichter, der mehrere zweite Schalter enthält und konfiguriert ist, einen Wechselstromausgang zu erzeugen, um die mindestens eine Verbrauchervorrichtung als Antwort auf den ersten Gleichstromausgang in dem Verbrauchermodus mit Leistung zu versorgen; dem Gleichstrom/Gleichstrom-Umsetzer den zweiten Gleichstromeingang als Antwort auf ein Wechselstromeingangssignal von einer Wechselstromleistungsquelle im Fahrzeuglademodus bereitzustellen, und eine bidirektionale Speichervorrichtung, die konfiguriert ist, den ersten Gleichstromausgang im Verbrauchermodus zu speichern und den zweiten Gleichstromeingang im Fahrzeuglademodus zu speichern.