DE102021101845A1

DE102021101845A1 - Magnetische integration mehrerer quellen unter verwendung einer durch stromquellen versorgten transformatorstruktur mit entkuppelten sekundärwicklungen

Info

Publication number: DE102021101845A1
Application number: DE102021101845.5A
Authority: DE
Inventors: Mohamed ELSHAER; Chingchi Chen; Mark J. Ferrel
Original assignee: Ford Global Technologies LLC
Current assignee: Ford Global Technologies LLC
Priority date: 2020-01-30
Filing date: 2021-01-27
Publication date: 2021-08-05
Also published as: US11021069B1; CN113199941A

Abstract

Diese Offenbarung stellt eine magnetische Integration mehrerer Quellen unter Verwendung einer durch Stromquellen versorgten Transformatorstruktur mit entkuppelten Sekundärwicklungen bereit. Ein Leistungssystem für ein Kraftfahrzeug beinhaltet einen Matrixtransformator, der zwei getrennte Kerne, eine Primärwicklung, die um jeden der Kerne gewickelt ist, eine erste Sekundärwicklung, die um einen der Kerne gewickelt ist, und eine zweite Sekundärwicklung, die von der ersten Sekundärwicklung galvanisch isoliert und um den anderen der Kerne gewickelt ist, aufweist. Das System beinhaltet zudem eine Schaltung, die Leistung von einer AC-Quelle an die Primärwicklung überträgt, Leistung von der ersten Sekundärwicklung an die Traktionsbatterie überträgt und Leistung von der zweiten Sekundärwicklung an die Hilfsbatterie überträgt.

Description

GEBIET DER TECHNIK
Diese Offenbarung betrifft Komponenten von Leistungselektroniksystemen für Kraftfahrzeuge.
ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
Ein Elektro- oder Hybridfahrzeug kann einen oder mehrere Motoren zum Antrieb enthalten. Das Fahrzeug kann zudem eine Traktionsbatterie, um Energie für den Motor bereitzustellen, und eine Hilfsbatterie, um Niederspannungslasten zu unterstützen, enthalten. Da der Motor, die Traktionsbatterie und die Hilfsbatterie unterschiedliche elektrische Parameter erfordern können, kann die elektrische Kommunikation zwischen ihnen eine Modifikation der bereitgestellten oder verbrauchten Leistung erfordern.
KURZDARSTELLUNG
Ein Leistungssystem für ein Kraftfahrzeug beinhaltet eine Traktionsbatterie, eine Hilfsbatterie und einen Matrixtransformator mit zwei getrennten Kernen, einer Primärwicklung, die um jeden der Kerne gewickelt ist, einer ersten Sekundärwicklung, die um einen der Kerne gewickelt ist, und einer zweiten Sekundärwicklung, die von der ersten Sekundärwicklung galvanisch isoliert und um den anderen der Kerne gewickelt ist. Das System beinhaltet zudem eine Schaltung, die Leistung von einer AC-Quelle an die Primärwicklung überträgt, um Leistung von der ersten Sekundärwicklung an die Traktionsbatterie zu übertragen und um Leistung von der zweiten Sekundärwicklung an die Hilfsbatterie zu übertragen. Die Schaltung beinhaltet eine erste aktive Brücke, die einen Schaltfrequenzbereich aufweist, und ein Paar in Reihe geschalteter Kondensatoren und eine Induktormitte, die die Kondensatoren anzapft, um ein Kondensator-Induktor-Kondensator-Resonanznetzwerk zu bilden, das elektrisch zwischen der ersten aktiven Brücke und der Primärwicklung verbunden und so abgestimmt ist, dass es eine Resonanzfrequenz aufweist, die durch den Schaltfrequenzbereich definiert ist. Das System beinhaltet ferner eine Steuerung, die die erste aktive Brücke betreibt, um eine Größe des Stroms durch die Primärwicklung unabhängig von einer Laständerung an der ersten und zweiten Sekundärwicklung konstant zu halten.
Ein Leistungssystem für ein Kraftfahrzeug beinhaltet eine Traktionsbatterie, eine Hilfsbatterie und einen Matrixtransformator mit zwei getrennten Kernen, einer Primärwicklung, die um jeden der Kerne gewickelt ist, einer ersten Sekundärwicklung, die um einen der Kerne gewickelt ist, und einer zweiten Sekundärwicklung, die von der ersten Sekundärwicklung galvanisch isoliert und um den anderen der Kerne gewickelt ist. Das System beinhaltet zudem eine Primärschaltung, die Leistung von einer AC-Quelle an die Primärwicklung überträgt, eine erste Sekundärschaltung, die Leistung von der ersten Sekundärwicklung an die Traktionsbatterie überträgt, und eine zweite Sekundärschaltung, die Leistung von der zweiten Sekundärwicklung an die Hilfsbatterie überträgt. Die zweite Sekundärschaltung beinhaltet eine aktive Brücke mit Mittelanzapfung, einen Resonanzkondensator und einen Induktor-Kondensator-Tiefpassfilter, der eine Ausgabeimpedanz der aktiven Brücke mit Mittelanzapfung an eine Eingabeimpedanz des Induktor-Kondensator-Tiefpassfilters anpasst. Der Resonanzkondensator ist elektrisch mit dem Induktor-Kondensator-Tiefpassfilter an einer Mittelanzapfung der aktiven Brücke mit Mittelanzapfung parallelgeschaltet, sodass unter Nulllastbedingungen an der zweiten Sekundärwicklung Strom, der durch die zweite Sekundärwicklung und die aktive Brücke mit Mittelanzapfung fließt, größer als null ist.
Ein Leistungssystem für ein Kraftfahrzeug weist eine Traktionsbatterie, eine Hilfsbatterie und einen Matrixtransformator mit zwei getrennten Kernen, einer Primärwicklung, die um jeden der Kerne gewickelt ist, einer ersten Sekundärwicklung, die um einen der Kerne gewickelt ist, und einer zweiten Sekundärwicklung, die von der ersten Sekundärwicklung galvanisch isoliert und um den anderen der Kerne gewickelt ist, auf. Das System weist zudem eine Schaltung auf, die Leistung von einer AC-Quelle an die Primärwicklung überträgt, einschließlich eines bidirektionalen Wechselrichters, einer ersten aktiven Brücke, die einen Schaltfrequenzbereich aufweist, einem DC-Zwischenkreiskondendator zwischen dem direktionalen Wechselrichtung und der ersten Brücke, und einem Paar in Reihe geschalteter Kondensatoren und einer Induktormitte, die die Kondensatoren anzapft, um ein Kondensator-Induktor-Kondensator-Resonanznetzwerk zu bilden, das elektrisch zwischen der ersten aktiven Brücke und der Primärwicklung verbunden und darauf abgestimmt ist, eine Resonanzfrequenz aufweisen, die durch den Schaltfrequenzbereich definiert ist. Das System weist zudem eine Steuerung, die die erste aktive Brücke betreibt, um eine Größe des Stroms durch die Primärwicklung unabhängig von einer Laständerung an der ersten und zweiten Sekundärwicklung konstant zu halten, und eine Schaltung auf, die Leistung von der ersten Sekundärwicklung an die Traktionsbatterie überträgt, die eine zweite aktive Brücke, einen DC-Ausgabefilterkondensator und eine Anpassungsnetzwerkschaltung beinhaltet, die dazu konfiguriert ist, eine Ausgabeimpedanz des Matrixtransformators an eine Eingabeimpedanz der zweiten aktiven Brücke anzupassen. Das System weist ferner eine Schaltung auf, die Leistung von der zweiten Sekundärwicklung an die Hilfsbatterie überträgt, einschließlich einer dritten aktiven Brücke, eines Resonanzkondensators und eines Induktor-Kondensator-Tiefpassfilters, der dazu konfiguriert ist, eine Ausgabeimpedanz der dritten aktiven Brücke an eine Eingabeimpedanz des Induktor-Kondensator-Tiefpassfilters anzupassen. Die dritte aktive Brücke ist eine aktive Brücke mit Mittelanzapfung. Der Resonanzkondensator ist elektrisch mit dem Induktor-Kondensator-Tiefpassfilter an einer Mittelanzapfung der aktiven Brücke mit Mittelanzapfung parallelgeschaltet, sodass unter Nulllastbedingungen an der zweiten Sekundärwicklung Strom, der durch die zweite Sekundärwicklung und die aktive Brücke mit Mittelanzapfung fließt, größer als null ist, um der Steuerung zu ermöglichen, die Größe des Stroms durch die Primärwicklung unabhängig von einer Laständerung an der ersten und zweiten Sekundärwicklung konstant zu halten.
Figurenliste

1 ist ein vereinfachtes Schaltkreismodell.
2 ist ein Schaltkreisschema für eine(n) vorgeschlagene(n) integrierte(n) Ladevorri chtung/Generator.
3 ist eine schematisches Darstellung einer Schalter-Gate-Impulszeitgebung.
4 ist eine schematische Darstellung einer Steuerungsumsetzung.
Die 5A und 5B sind Verläufe von Spannung und Strom einer Spannung einer dualen aktiven Brücke im Verhältnis zur Zeit. In 5A beträgt die Leistung für die Hochspannungsbatterie 10 kW und beträgt die Leistung für die Niederspannungsbatterie 2 kW. In 5B beträgt die Leistung für die Hochspannungsbatterie 10 kW und beträgt die Leistung für die Niederspannungsbatterie 0 kW.
6A zeigt die Verbindung eines Resonanzkondensators an dem Eingang eines Ausgabeti efpassfil ters.
6B zeigt einen Verlauf der Netzeingabeimpedanzgröße im Verhältnis zur Frequenz.
Die 7A und 7B sind Verläufe von Spulenstrom, Resonanzkondensatorspannung und Ausgabestrom für eine Niederspannungsschaltung. In 7A beträgt die Leistung für die Hochspannungsbatterie 10 kW und beträgt die Leistung für die Niederspannungsbatterie 1 kW. In 7B beträgt die Leistung für die Hochspannungsbatterie 10 kW und beträgt die Leistung für die Niederspannungsbatterie 0 kW.
Die 8A und 8B sind Gate-Befehls-, Spannungs- und Stromverläufe für Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistoren einer aktiven Brücke der Niederspannungsschaltung aus den 7A und 7B. In 8A beträgt die Leistung für die Hochspannungsbatterie 10 kW und beträgt die Leistung für die Niederspannungsbatterie 1 kW. In 8B beträgt die Leistung für die Hochspannungsbatterie 10 kW und beträgt die Leistung für die Niederspannungsbatterie 0 kW.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
In dieser Schrift werden unterschiedliche Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung beschrieben. Die offenbarten Ausführungsformen sind jedoch lediglich beispielhaft und andere Ausführungsformen können unterschiedliche und alternative Formen annehmen, die nicht ausdrücklich veranschaulicht oder beschrieben sind. Die Figuren sind nicht zwingend maßstabsgetreu; einige Merkmale können vergrößert oder verkleinert dargestellt sein, um Details bestimmter Komponenten zu zeigen. Daher sind in dieser Schrift offenbarte konkrete strukturelle und funktionelle Details nicht als einschränkend auszulegen, sondern lediglich als repräsentative Grundlage, um einen Durchschnittsfachmann die unterschiedliche Verwendung der vorliegenden Erfindung zu lehren. Der Durchschnittsfachmann wird verstehen, dass verschiedene Merkmale, die unter Bezugnahme auf eine beliebige der Figuren veranschaulicht und beschrieben sind, mit Merkmalen kombiniert werden können, die in einer oder mehreren anderen Figuren veranschaulicht sind, um Ausführungsformen zu erzeugen, die nicht ausdrücklich veranschaulicht oder beschrieben sind. Die veranschaulichten Kombinationen von Merkmalen stellen repräsentative Ausführungsformen für typische Anwendungen bereit. Verschiedene Kombinationen und Modifikationen der Merkmale, die mit den Lehren dieser Offenbarung vereinbar sind, können jedoch für bestimmte Anwendungen oder Umsetzungen wünschenswert sein.
Einleitung
Neue Schaltungstopologien und Transformatorstrukturen werden in dieser Schrift vorgeschlagen, um dem Zweck des Regulierens eines Leistungsflusses zwischen drei Leistungsquellen zu dienen: einer AC-Quelle, einer Hochspannungsbatterie (HV-Batterie) und einer Niederspannungsbatterie (LV-Batterie). Eine effiziente magnetische Kopplung zwischen diesen Quellen wird durch eine stromquellengespeiste Transformatorstruktur mit entkoppelten Sekundärwicklungen erreicht. Dieser Schaltkreis ermöglicht bidirektionale Leistungsübertragungsvorgänge von Netz zu Fahrzeug (G2V) und Fahrzeug zu Netz (V2G), während die LV-Batterie (Hilfsbatterie) geladen wird. Zusätzlich kann dieser Schaltkreis in dem Fall, dass das AC-Netz nicht vorhanden ist, als ein fahrzeuginterner Generator zum Zuführen von Leistung an AC-Lasten die mit dem Fahrzeug verbunden sind, verwendet werden. Ein Wechseln zwischen diesen Modi erfordert keine Relais oder Schaltvorrichtungen, um den Schaltkreis neu zu konfigurieren.
Um das Problem zu veranschaulichen, wird ein vereinfachtes Ersatzschaltkreismodell 10 erzeugt, wie in 1 gezeigt. Eine Stromquelle 12 modelliert den Schaltkreis, der eine Primärwicklung 14 antreibt, und Ersatzimpedanzen modellieren die Schaltkreise, die die Sekundärwicklungen 16, 18 belasten. Von diesem Schaltkreis wird die an die Wicklung 16, P2 und die Wicklung 18, P3, gelieferte Leistung durch die G1. 1 und die G1. 2 ausgedrückt. $P_{2} = \frac{X_{12} I_{1} I_{2}}{2} cos (θ_{1} - θ_{2} - \frac{π}{2}) + \frac{X_{23} I_{2} I_{3}}{2} cos (θ_{3} - θ_{2} - \frac{π}{2})$
$P_{3} = \frac{X_{13} I_{1} I_{3}}{2} cos (θ_{1} - θ_{3} - \frac{π}{2}) + \frac{X_{23} I_{2} I_{3}}{2} cos (θ_{2} - θ_{3} - \frac{π}{2})$
Wobei X₁₁ die Selbstreaktanz der Primärwicklung 14 ist, X₂₂ und X₃₃ die jeweilige Selbstreaktanz der Sekundärwicklungen 16, 18 sind, R₂ und R₃ die reellen Komponenten der Ersatzimpedanzen, die die Sekundärwicklungen 16, 18 belasten, sind, X₂ und X₃ die imaginären Komponenten der Ersatzimpedanzen, die die Sekundärwicklungen 16, 18 belasten, sind, X₁₂, X₁₃ und X₂₃ die gegenseitigen Reaktanzen zwischen der Primärwicklung und den Sekundärwicklungen 14, 16, der Primärwicklung und den Sekundärwicklungen 14, 18 und den Sekundärwicklungen 16, 18 und θ₁ sind, θ₂ und θ₃ jeweils die Phasen der Ströme I₁, I₂ und I₃ sind. Somit ist die an die Wicklung 16 gelieferte Leistung abhängig von der Größe und Phase des Stroms durch die Wicklung 18. Eine Laständerung in der Wicklung 18 wirkt sich auf die Leistung aus, die an die Wicklung 16 geliefert wird. Ebenso wirkt sich eine Laständerung in der Wicklung 16 auf die Leistung aus, die an die Wicklung 18 geliefert wird. Aufgrund einer derartigen inhärenten Kopplung zwischen allen Wicklungen 14, 16, 18 ist eine unabhängige Leistungsregulierung an jeder der Sekundärwicklungen 16, 18 eine Herausforderung.
Wie vorstehend erwähnt, sind die vorgeschlagene Schaltungstopologie und Transformatorstruktur dazu ausgestaltet, den Leistungsfluss zwischen drei Quellen zu regulieren: einer AC-Quelle/-Last, einer HV-Batterie und einer LV-Batterie. Der Hauptleistungstransformator ist unter Verwendung von zwei getrennten Kernen konstruiert. Somit ist der in dem ersten Kern erzeugte Magnetfluss von dem in dem zweiten Kern erzeugten Fluss entkoppelt/galvanisch isoliert. Die Primärwicklung des Transformators ist um beide Kerne gewickelt und mit einem Kondensator-Induktor-Kondensator(capacitorinductor-capacitor - CLC)-Netzwerk verbunden. Eine Sekundärspule ist um einen der Kerne gewickelt und mit einem Resonanzabwärtswandler mit Nullspannungsschaltung (zero voltage switching - ZVS) über deren Mittelanzapfungspunkt verbunden, um einen bidirektionalen Leistungsfluss von der LV-Batterie zu realisieren. Eine andere Sekundärwicklung ist um den anderen der Kerne gewickelt und mit einem seriellen Induktor-Kondensator(LC)-Netzwerk verbunden. Durch die Verwendung von zwei H-Brücken-Wechselrichtern - einem auf der Netz-DC-Busseite und dem anderen auf der HV-Batterieseite - wird ein bidirektionaler Leistungsfluss zwischen dem AC-Netz und der HV-Traktionsbatterie realisiert.
Konkretes Beispiel
Unter Bezugnahme auf 2 beinhaltet ein beispielhaftes Leistungssystem 20 für ein Fahrzeug 22 eine Traktionsbatterie 24, eine Hilfsbatterie 26 und einen Matrixtransformator 28. Der Matrixtransformator 28 beinhaltet zwei getrennte Kerne 30, 32, eine Primärwicklung 34, die um jeden der Kerne 30, 32 gewickelt ist, eine erste Sekundärwicklung 36, die um den Kern 30 gewickelt ist, und eine zweite Sekundärwicklung 38 (die einen Abschnitt A und einen Abschnitt B beinhaltet), die von der ersten Sekundärwicklung 36 galvanisch isoliert und um den Kern 32 gewickelt ist. Das Leistungssystem 20 beinhaltet zudem eine Schaltung 40, die Leistung von einer AC-Quelle 41 an die Primärwicklung 34 überträgt, eine Schaltung 42, die Leistung von der ersten Sekundärwicklung 36 an die Traktionsbatterie 24 überträgt, und eine Schaltung 43, die Leistung von der zweiten Sekundärwicklung 38 an die Hilfsbatterie 26 überträgt.
Die Schaltung 40 beinhaltet einen bidirektionalen Wechselrichter 44, eine erste aktive Brücke 45, die einen Schaltfrequenzbereich (z. B. 200 bis 400 kHz) aufweist, und eine Vielzahl von Schaltern Q_G1, Q_G2, Q_G3, Q_G4, einen DC-Zwischenkreiskondensator 46 (C_ES) zwischen dem bidirektionalen Wechselrichter 44 und der ersten aktiven Brücke 45 und ein Paar in Reihe geschalteter Kondensatoren 48 (C_G1), 50 (C_G2) und eine Induktormitte 52 (L_G), die die Kondensatoren 48, 50 anzapft, um ein Kondensator-Induktor-Kondensator(CLC)-Resonanznetzwerk 54 zu bilden, das elektrisch zwischen der ersten aktiven Brücke 45 und der Primärwicklung 34 verbunden und darauf abgestimmt ist, eine Resonanzfrequenz aufzuweisen, die durch den Schaltfrequenzbereich definiert ist. Die CLC-Resonanzfrequenz könnte zum Beispiel zwischen 190 und 410 kHz liegen, unter der Voraussetzung, dass der Schaltfrequenzbereich der ersten aktiven Brücke 45 200 bis 400 kHz beträgt. Die CLC-Resonanzfrequenz könnte auch das 0,5- bis 1,5-fache des Nennschaltfrequenzbereichs der ersten aktiven Brücke 45 betragen usw.
Das Leistungssystem 20 beinhaltet zudem eine Steuerung 56, die die erste aktive Brücke 45 betreibt, um eine Größe des Stroms durch die Primärwicklung 34 unabhängig von einer Laständerung an der ersten und zweiten Sekundärwicklung 36, 38 konstant zu halten, wie weiter unten erörtert. Die Steuerung betreibt ferner die zweite und dritte aktive Brücke 60, 64, sodass eine Verzögerungszeit zwischen impulsbreitenmodulierten Gate-Signalen der zweiten aktiven Brücke 60 und impulsbreitenmodulierten Gate-Signalen der ersten aktiven Brücke 45 unabhängig von einer Verzögerungszeit zwischen impulsbreitenmodulierten Gate-Signalen der dritten aktiven Brücke 64 und den impulsbreitenmodulierten Gate-Signalen der ersten aktiven Brücke 45 ist.
Die Schaltung 42 beinhaltet eine zweite aktive Brücke 60, die eine Vielzahl von Schaltern Q_H1, Q_H2, Q_H3, Q_H4, einen DC-Ausgabefilterkondensator 62 (C_F1) und eine Anpassungsnetzwerkschaltung 64 (L_H, C_H), die eine Ausgabeimpedanz des Matrixtransformators 28 an eine Eingabeimpedanz der zweiten aktiven Brücke 60 anpasst, aufweist.
Die Schaltung 43 beinhaltet eine dritte aktive Brücke 64, die eine Vielzahl von Schaltern Q_L1, Q_L2, einen Resonanzkondensator 66 (C_L) und einen Induktor-Kondensator-Tiefpassfilter 68 (L_F, C_F2), der eine Ausgabeimpedanz der dritten aktiven Brücke 64 an eine Eingabeimpedanz des Induktor-Kondensator-Tiefpassfilters 68 anpasst, aufweist. Die dritte aktive Brücke 64 ist in diesem Beispiel eine aktive Brücke mit Mittelanzapfung (die Mittelanzapfung befindet sich zwischen den Abschnitten A und B). Der Resonanzkondensator 66 ist elektrisch mit dem Induktor-Kondensator-Tiefpassfilter 68 an einer Mittelanzapfung der aktiven Brücke 64 mit Mittelanzapfung parallelgeschaltet ist, sodass unter Nulllastbedingungen an der zweiten Sekundärwicklung 38 Strom, der durch die zweite Sekundärwicklung 38 und die aktive Brücke mit Mittelanzapfung 64 fließt, größer als null ist, um der Steuerung 56 zu ermöglichen, die Größe des Stroms durch die Primärwicklung 34 unabhängig von einer Laständerung an der ersten und zweiten Sekundärwicklung 36, 38 konstant zu halten.
Wie weiter unten erörtert, ist der Resonanzkondensator 62 dazu abgestimmt, mit dem Induktor-Kondensator-Tiefpassfilter 68 in Resonanz zu treten, sodass eine Lastimpedanz der dritten aktiven Brücke 64 während des Betriebs der dritten aktiven Brücke 64 innerhalb des Schaltfrequenzbereichs kapazitiv ist.
Allgemeine Diskussion
Um die Wechselwirkung zwischen den Sekundärspulen 36, 38 (d. h. jeweils der Spule 2 und der Spule 3) der vorgeschlagenen Ausgestaltungen zu entkoppeln, ist der Kern derart ausgestaltet, dass die gegenseitige Reaktanz zwischen den Sekundärspulen 36, 38, X₂₃ null beträgt. Dies wird erreicht, indem die Spule 2 und die Spule 3 in den getrennten Kernen 30, 32 wie in dem Beispiel aus 2 gewickelt werden. Somit können die G1.1 und die G1.2 wie in der G1.3 und der G1.4 ausgedrückt werden. Da der CLC-Schwingkreis 54 einen relativ konstanten Stromkreislauf in der Primärwicklung 34 aufrechterhält, ist der Strom durch die Primärwicklung 34, I₁, in der G1. 3 und der G1. 4 konstant. Somit ist die an jede der Sekundärspulen 36, 38, gelieferte Leistung P₂, P₃ nur von der Größe und Phase des Stroms, der in ihnen zirkuliert, abhängig. $P_{2} = \frac{X_{12} I_{1} I_{2}}{2} cos (θ_{1} - θ_{2} - \frac{π}{2})$
$P_{3} = \frac{X_{13} I_{1} I_{3}}{2} cos (θ_{1} - θ_{3} - \frac{π}{2})$
Wobei X₁₂ und X₁₃ jeweils die gegenseitigen Reaktanzen zwischen der Primärwicklung und den Sekundärwicklungen 34, 36 und der Primärwicklung und den Sekundärwicklungen 34, 38 sind, 12 und 13 jeweils die Ströme durch die Sekundärwicklungen 34, 36 sind und θ₁, θ₂ und θ₃ jeweils die Phasen der Ströme I₁, I₂ und I₃ sind.
Leistung, die an die Sekundärspulen 36, 38 geliefert wird, wird durch ein Steuern der Reaktanzfehlanpassung zwischen der Selbstreaktanz der Sekundärwicklung und ihrer Lastreaktanz reguliert. Die Phasendifferenz zwischen dem Primärspulenstrom und den Strömen der Spule 2 und der Spule 3 ist durch die G1. 5 und die G1. 6 beschrieben. Durch ein Steuern von ΔX_2 und ΔX_3 wird der Strom in der Spule 2 und der Spule 3 verändert und die an sie gelieferte Leistung effektiv gesteuert. $θ_{1} - θ_{2} = \frac{π}{2} + {sin}^{- 1} (\frac{I_{2} Δ X_{2}}{I_{2} X_{12}}), w h e r e Δ X_{2} = X_{22} + X_{2}$
$θ_{1} - θ_{3} = \frac{π}{2} + {sin}^{- 1} (\frac{I_{3} Δ X_{3}}{I_{1} X_{13}}), w h e r e Δ X_{3} = X_{33} + X_{3}$
Eine relativ konstante Stromquelle treibt die Primärwicklung 34 des Transformators an. Das CLC-Netzwerk 54 erzeugt einen Schwingkreis, in dem die Stromstärke in der Primärwicklung weniger empfindlich gegenüber der Änderung der Leistung ist, die entweder an die HV-Batterie 24 oder die LV-Batterie 26 geliefert oder von diesen empfangen wird. Zusätzlich wird das serielle LC-Netzwerk 64 verwendet, um die Reaktanz der Sekundärwicklung 36 anzupassen, die mit der HV-Batterie 24 verbundenen ist. Darüber hinaus wird die Reaktanz der Wicklung 38, die mit der LV-Batterie 26 verbunden ist, durch den parallelen Resonanzkondensator 66, der zwischen den LV-Schaltern 64 und dem Ausgabetiefpassfilter 68 verbunden ist, angepasst.
Eine Leistungsregulierung wird durch ein Steuern des Spannungsphasenwinkels zwischen den Ausgabespannungen des Wechselrichters und jeder der Eingabespannungen der aktiven Gleichrichter realisiert. 3 zeigt das impulsbreitenmodulierte (pulse width modulated - PWM) Gate-Signal, das allen Schaltern bereitgestellt wird. Die netzseitige H-Brücke 45 wird mit Impulsen mit einer festen Frequenz angetrieben, sodass ihre Ausgabespannung eine Rechteckwelle ist. Die der batterieseitigen H-Brücke 60 bereitgestellten Impulse sind gegenüber den netzseitigen H-Brückenimpulsen um eine Zeit T_d1 verzögert. Diese Zeit wird gesteuert, um die an die HV-Batterie 24 gelieferte Leistung zu regulieren. Gleichermaßen sind dem Resonanzabwärtswandler 64 bereitgestellte Impulse gegenüber dem netzseitigen H-Brückenimpuls um eine Zeit T_d2 verzögert. Diese Zeit wird gesteuert, um die an die LV-Batterie 26 gelieferte Leistung zu regulieren. Die Schaltung ist derart ausgestaltet, dass die HV-Batterie 24 unabhängig durch T_d1 gesteuert wird und die LV-Batterie 26 unabhängig durch T_d2 gesteuert wird. Somit sind T_d1 und T_d2 unabhängig voneinander.
Die an die Batterien 24, 26 gelieferte Leistung wird durch ein Steuern entweder der Stromstärke der Ladevorrichtung oder der Batteriespannung reguliert. 4 zeigt das Blockdiagramm für eine mögliche Steuerungsumsetzung. Kompensationsnetzwerke 72, 74, 76, 78 werden verwendet, um den Fehler zwischen dem Referenz- und dem gemessenen Rückkopplungssignal zu minimieren. Schalter 80, 82 werden verwendet, um zwischen dem Stromsteuermodus und dem Spannungssteuermodus umzuschalten. PWM-Modulatoren 84, 86 empfangen jeweils eine Ausgabe von den Schaltern 80, 82. Und die PWM-Modulatoren 84, 86 stellen dementsprechend PWM-Befehle an die/den integrierte(n) fahrzeugeigene(n) Ladevorrichtung/ Generator 88 bereit. Im Fall der HV-Batteriesteuerung geben die Kompensationsnetzwerke 72, 74 und der Schalter 80 Referenzsignale aus, um die erforderliche Verzögerungszeit T_d1 einzustellen. Eine ähnliche Steuerungsarchitektur wird für die LV-Batteriesteuerung realisiert, wobei in diesem Fall die Kompensationsnetzwerke 76, 78 und der Schalter 82 die Verzögerungszeit T_d2 einstellen. In dem Fall, dass die Leistung umgekehrt wird und die HV-Batterie 24 die Quelle ist, werden Strom und Spannung des DC-Zwischenkreisbusses mit einer Steuerungsarchitektur gesteuert, die der in 4 gezeigten ähnlich ist.
Ausgeprägte Wellenformen werden bereitgestellt. Ein bidirektionaler Leistungsfluss zwischen dem AC-Netz 41 und der HV-Batterie 24 wird durch ein Steuern der Zeitverzögerung T_d1 zwischen den PWM-Signalen, die den dualen aktiven Brücken (dual active bridges - DAB) 45, 60 bereitgestellt werden, realisiert. 5 zeigt die AC-Anschlusseigenschaften der DAB 45, 60 für den Fall, dass die an die LV-Batterie 26 gelieferte Leistung 2 kW und 0 W beträgt. Auf diese Zeitverzögerung wirkt sich die an die LV-Batterie 26 gelieferte Leistung nicht aus. Das CLC-Resonanznetzwerk 54 und der Flusswegentkopplungsansatz sind beim Entkoppeln der Lastdynamik zwischen der HV-Batterie 24 und der LV-Batterie 26 wirksam, wenn das AC-Netz 41 die Quelle ist. Somit wird eine unabhängige Steuerung der Leistung, die an beide der Batterien 24, 26 abgegeben wird, erreicht.
Ebenso wirkt sich eine Laständerung in der Wicklung 16 auf die Leistung aus, die an die Wicklung 18 geliefert wird. Um die Blindleistungszirkulation in der LV-Spule 38 zu reduzieren, wird der Resonanzkondensator 66 hinzugefügt, um die Reaktanz der LV-Spule an die Reaktanz des Ausgabefilters anzupassen. Die 6A und 6B zeigen die Eingabeimpedanz des Ausgabefilters 68. Durch ein Hinzufügen des Resonanzkondensators 66 scheint die Impedanz, die die LV-Spule 38 belastet, bei der Schaltfrequenz kapazitiv zu sein. Der Resonanzkondensator 38 ist dazu optimiert, die Blindleistungszirkulation in der LV-Spule 38 zu minimieren, wodurch der Wirkungsgrad der integrierten Ladevorrichtung verbessert wird.
Um den Betrieb des Resonanzabwärtswandlers 64 zu veranschaulichen, sind die 7A und 7B bereitgestellt, um den Strom in der LV-Spule 38 und die Spannung über dem Resonanzkondensator 66 für den Fall zu zeigen, dass die an die LV-Batterie 26 gelieferte Leistung 1 kW und 0 kW beträgt. Durch ein Steuern der Verzögerungszeit zwischen dem PWM-Signal, das den LV-Schaltern 64 und den Netzschaltern 45 bereitgestellt wird, wird die LV-Batterieleistung unabhängig von der HV-Batterie 24 gesteuert. Der Resonanzkondensatorspannung wird ermöglicht, mit dem LV-Spulenstrom in Resonanz zu treten. Somit enthält seine Spannung eine große AC-Komponente. Die 8A und 8B sind bereitgestellt, um zu zeigen, dass durch ein Hinzufügen des Resonanzkondensators 66 der Schalterstrom niedrig gehalten wird. Wenn der LV-Batterie 26 keine Leistung geliefert wird, leiten die LV-Schalter 64 Vorwärtsstrom, um die Reaktanzfehlanpassung zwischen der LV-Spule 38 und ihrer Lastreaktanz zu erhöhen.
Die in dieser Schrift offenbarten Verfahren, Methoden oder Algorithmen können einer Verarbeitungsvorrichtung, einer Steuerung oder einem Computer, die/der eine existierende programmierbare elektronische Steuerungseinheit oder eine dedizierte elektronische Steuereinheit beinhalten kann, zuführbar sein oder davon umgesetzt werden. Ebenso können die Verfahren, Methoden oder Algorithmen als Daten und Anweisungen gespeichert werden, die von einer Steuerung oder einem Computer in vielen Formen, einschließlich unter anderem Informationen, die permanent auf nicht beschreibbaren Speichermedien wie ROM-Vorrichtungen gespeichert sind, und Informationen, die veränderbar auf beschreibbaren Speichermedien wie Disketten, Magnetbändern, CDs, RAM-Vorrichtungen und weiteren magnetischen und optischen Medien gespeichert sind, ausführbar sind. Die Prozesse, Verfahren oder Algorithmen können zudem in einem von Software ausführbaren Objekt umgesetzt sein. Alternativ können die Prozesse, Verfahren oder Algorithmen ganz oder teilweise unter Verwendung geeigneter Hardwarekomponenten, wie etwa anwendungsspezifischer integrierter Schaltungen (Application Specific Integrated Circuits - ASICs), feldprogrammierbarer Gate-Anordnungen (Field-Programmable Gate Arrays - FPGAs), Zustandsmaschinen, Steuerungen oder sonstiger Hardwarekomponenten oder Vorrichtungen oder einer Kombination aus Hardware-, Software- und Firmwarekomponenten ausgeführt werden.
Bei den in der Beschreibung verwendeten Ausdrücken handelt es sich um beschreibende und nicht um einschränkende Ausdrücke, und es versteht sich, dass unterschiedliche Änderungen vorgenommen werden können, ohne von Geist und Umfang der Offenbarung und der Patentansprüche abzuweichen. Wie vorstehend beschrieben, können die Merkmale unterschiedlicher Ausführungsformen miteinander kombiniert werden, um Ausführungsformen zu bilden, die unter Umständen nicht ausdrücklich beschrieben oder veranschaulicht sind. Wenngleich verschiedene Ausführungsformen eventuell so beschrieben sind, dass sie Vorteile bereitstellen oder gegenüber anderen Ausführungsformen oder Umsetzungen nach dem Stand der Technik in Bezug auf eine oder mehrere gewünschte Eigenschaften bevorzugt werden, liegt für den Durchschnittsfachmann auf der Hand, dass ein oder mehrere Merkmale oder eine oder mehrere Eigenschaften beeinträchtigt werden können, um die gewünschten Gesamtattribute des Systems zu erzielen, die von der konkreten Anwendung und Umsetzung abhängen. Diese Attribute beinhalten unter anderem Kosten, Festigkeit, Lebensdauer, Lebenszykluskosten, Marktfähigkeit, Erscheinungsbild, Verpackung, Größe, Wartbarkeit, Gewicht, Herstellbarkeit, bequeme Montage usw. Demnach liegen Ausführungsformen, die in Bezug auf eine oder mehrere Eigenschaften als weniger wünschenswert als andere Ausführungsformen oder Umsetzungen nach dem Stand der Technik beschrieben sind, nicht außerhalb des Umfangs der Offenbarung und können für bestimmte Anwendungen wünschenswert sein.

Claims

Leistungssystem für ein Kraftfahrzeug, das Folgendes umfasst: eine Traktionsbatterie; eine Hilfsbatterie; einen Matrixtransformator, der zwei getrennte Kerne, eine Primärwicklung, die um jeden der Kerne gewickelt ist, eine erste Sekundärwicklung, die um einen der Kerne gewickelt ist, und eine zweite Sekundärwicklung, die von der ersten Sekundärwicklung galvanisch isoliert und um den anderen der Kerne gewickelt ist, beinhaltet; eine Schaltung, die dazu konfiguriert ist, Leistung von einer AC-Quelle an die Primärwicklung zu übertragen, Leistung von der ersten Sekundärwicklung an die Traktionsbatterie zu übertragen und Leistung von der zweiten Sekundärwicklung an die Hilfsbatterie zu übertragen, wobei die Schaltung eine erste aktive Brücke, die einen Schaltfrequenzbereich aufweist, und ein Paar von in Reihe geschalteten Kondensatoren, und eine Induktormitte, die die Kondensatoren anzapft, um ein Kondensator-Induktor-Kondensator-Resonanznetzwerk zu bilden, das elektrisch zwischen der ersten aktiven Brücke und der Primärwicklung verbunden und darauf abgestimmt ist, eine Resonanzfrequenz aufweisen, die durch den Schaltfrequenzbereich definiert ist, beinhaltet; und eine Steuerung, die dazu konfiguriert ist, die erste aktive Brücke zu betreiben, um eine Größe des Stroms durch die Primärwicklung unabhängig von einer Laständerung an der ersten und zweiten Sekundärwicklung konstant zu halten.
Leistungssystem nach Anspruch 1, wobei die Schaltung eine zweite aktive Brücke, einen DC-Ausgabefilterkondensator und eine Anpassungsnetzwerkschaltung, die dazu konfiguriert ist, eine Ausgabeimpedanz des Matrixtransformators an eine Eingabeimpedanz der zweiten aktiven Brücke anzupassen, beinhaltet.
Leistungssystem für ein Kraftfahrzeug nach Anspruch 2, wobei die Schaltung eine dritte aktive Brücke, einen Resonanzkondensator und einen Induktor-Kondensator-Tiefpassfilter, der dazu konfiguriert ist, eine Ausgabeimpedanz der dritten aktiven Brücke an eine Eingabeimpedanz des Induktor-Kondensator-Tiefpassfilters anzupassen, beinhaltet, wobei die dritte aktive Brücke eine aktive Brücke mit Mittelanzapfung ist, und wobei der Resonanzkondensator elektrisch mit dem Induktor-Kondensator-Tiefpassfilter an einer Mittelanzapfung der aktiven Brücke mit Mittelanzapfung parallelgeschaltet ist, sodass unter Nulllastbedingungen an der zweiten Sekundärwicklung Strom, der durch die zweite Sekundärwicklung und die aktive Brücke mit Mittelanzapfung fließt, größer als null ist, um der Steuerung zu ermöglichen, die Größe des Stroms durch die Primärwicklung unabhängig von einer Laständerung an der ersten und zweiten Sekundärwicklung konstant zu halten.
Leistungssystem für ein Kraftfahrzeug nach Anspruch 3, wobei der Resonanzkondensator dazu abgestimmt ist, mit dem Induktor-Kondensator-Tiefpassfilter in Resonanz zu treten, sodass eine Lastimpedanz der dritten aktiven Brücke während des Betriebs der dritten aktiven Brücke innerhalb des Schaltfrequenzbereichs kapazitiv ist.
Leistungssystem für ein Kraftfahrzeug nach Anspruch 3, wobei die Steuerung ferner dazu konfiguriert ist, die zweite und dritte aktive Brücke zu betreiben, sodass eine Verzögerungszeit zwischen impulsbreitenmodulierten Gate-Signalen der zweiten aktiven Brücke und impulsbreitenmodulierten Gate-Signalen der ersten aktiven Brücke unabhängig von einer Verzögerungszeit zwischen impulsbreitenmodulierten Gate-Signalen der dritten aktiven Brücke und den impulsbreitenmodulierten Gate-Signalen der ersten aktiven Brücke ist.
Leistungssystem nach Anspruch 1, wobei die Schaltung ferner einen bidirektionalen Wechselrichter und einen DC-Zwischenkreiskondensator zwischen dem bidirektionalen Wechselrichter und der ersten aktiven Brücke beinhaltet.
Leistungssystem für ein Kraftfahrzeug, das Folgendes umfasst: eine Traktionsbatterie; eine Hilfsbatterie; einen Matrixtransformator, der zwei getrennte Kerne, eine Primärwicklung, die um jeden der Kerne gewickelt ist, eine erste Sekundärwicklung, die um einen der Kerne gewickelt ist, und eine zweite Sekundärwicklung, die von der ersten Sekundärwicklung galvanisch isoliert und um den anderen der Kerne gewickelt ist, beinhaltet; eine Primärschaltung, die dazu konfiguriert ist, Leistung von einer AC-Quelle an die Primärwicklung zu übertragen; eine erste Sekundärschaltung, die dazu konfiguriert ist, Leistung von der ersten Sekundärwicklung an die Traktionsbatterie zu übertragen; und eine zweite Sekundärschaltung, die eine aktive Brücke mit Mittelanzapfung, einen Resonanzkondensator und einen Induktor-Kondensator-Tiefpassfilter, der dazu konfiguriert ist, eine Ausgabeimpedanz der aktiven Brücke mit Mittelanzapfung an eine Eingabeimpedanz des Induktor-Kondensator-Tiefpassfilters anzupassen, beinhaltet, wobei die zweite Sekundärschaltung dazu konfiguriert ist, Leistung von der zweiten Sekundärwicklung an die Hilfsbatterie zu übertragen, und wobei der Resonanzkondensator elektrisch mit dem Induktor-Kondensator-Tiefpassfilter an einer Mittelanzapfung der aktiven Brücke mit Mittelanzapfung parallelgeschaltet ist, sodass unter Nulllastbedingungen an der zweiten Sekundärwicklung Strom, der durch die zweite Sekundärwicklung fließt, größer als null ist.
Leistungssystem für ein Kraftfahrzeug nach Anspruch 7, wobei die Primärschaltung einen bidirektionalen Wechselrichter, eine erste aktive Brücke, die einen Schaltfrequenzbereich aufweist, einen DC-Zwischenkreiskondensator zwischen dem bidirektionalen Wechselrichter und der ersten aktiven Brücke und ein Paar von in Reihe geschalteten Kondensatoren und eine Induktormitte, die die Kondensatoren anzapft, um ein Kondensator-Induktor-Kondensator-Resonanznetzwerk zu bilden, das elektrisch zwischen der ersten aktiven Brücke und der Primärwicklung verbunden und darauf abgestimmt ist, eine Resonanzfrequenz aufweisen, die durch den Schaltfrequenzbereich definiert ist, beinhaltet, ferner umfassend eine Steuerung, die dazu konfiguriert ist, die erste aktive Brücke zu betreiben, um eine Größe des Stroms, der durch die Primärwicklung fließt, unabhängig von einer Lastveränderung an der ersten und zweiten Sekundärwicklung konstant zu halten.
Leistungssystem für ein Kraftfahrzeug nach Anspruch 8, wobei der Resonanzkondensator dazu abgestimmt ist, mit dem Induktor-Kondensator-Tiefpassfilter in Resonanz zu treten, sodass eine Lastimpedanz der aktiven Brücke mit Mittelanzapfung während des Betriebs der aktiven Brücke mit Mittelanzapfung innerhalb des Schaltfrequenzbereichs kapazitiv ist.
Leistungssystem für ein Kraftfahrzeug nach Anspruch 8, wobei die erste Sekundärschaltung eine zweite aktive Brücke, einen DC-Ausgabefilterkondensator und eine Anpassungsnetzwerkschaltung, die dazu konfiguriert ist, eine Ausgabeimpedanz des Matrixtransformators an eine Eingabeimpedanz der zweiten aktiven Brücke anzupassen, beinhaltet.
Leistungssystem für ein Kraftfahrzeug nach Anspruch 10, wobei die Steuerung ferner dazu konfiguriert ist, die zweite aktive Brücke und die aktive Brücke mit Mittelanzapfung zu betreiben, sodass eine Verzögerungszeit zwischen impulsbreitenmodulierten Gate-Signalen der zweiten aktiven Brücke und impulsbreitenmodulierten Gate-Signalen der ersten aktiven Brücke unabhängig von einer Verzögerungszeit zwischen impulsbreitenmodulierten Gate-Signalen der aktiven Brücke mit Mittelanzapfung und den impulsbreitenmodulierten Gate-Signalen der ersten aktiven Brücke ist.
Leistungssystem für ein Kraftfahrzeug, das Folgendes umfasst: eine Traktionsbatterie; eine Hilfsbatterie; einen Matrixtransformator, der zwei getrennte Kerne, eine Primärwicklung, die um jeden der Kerne gewickelt ist, eine erste Sekundärwicklung, die um einen der Kerne gewickelt ist, und eine zweite Sekundärwicklung, die von der ersten Sekundärwicklung galvanisch isoliert und um den anderen der Kerne gewickelt ist, beinhaltet; eine Schaltung, die dazu konfiguriert ist, Leistung von einer AC-Quelle an die Primärwicklung zu übertragen, einschließlich eines bidirektionalen Wechselrichters, einer ersten aktiven Brücke, die einen Schaltfrequenzbereich aufweist, und einem Paar in Reihe geschalteter Kondensatoren und einer Induktormitte, die die Kondensatoren anzapft um ein Kondensator-Induktor-Kondensator-Resonanznetzwerk zu bilden, das elektrisch zwischen der ersten aktiven Brücke und der Primärwicklung verbunden und darauf abgestimmt ist, eine Resonanzfrequenz aufweisen, die durch den Schaltfrequenzbereich definiert ist. eine Steuerung, die dazu konfiguriert ist, die erste aktive Brücke zu betreiben, um eine Größe des Stroms durch die Primärwicklung unabhängig von einer Laständerung an der ersten und zweiten Sekundärwicklung konstant zu halten; eine Schaltung, die dazu konfiguriert ist, Leistung von der ersten Sekundärwicklung an die Traktionsbatterie zu übertragen, einschließlich einer zweiten aktiven Brücke, eines DC-Ausgabefilterkondensators und einer Anpassungsnetzwerkschaltung, die dazu konfiguriert ist, eine Ausgabeimpedanz des Matrixtransformators an eine Eingabeimpedanz der zweiten aktiven Brücke anzupassen. eine Schaltung, die dazu konfiguriert ist, Leistung von der zweiten Sekundärwicklung an die Hilfsbatterie zu übertragen, einschließlich einer dritten aktiven Brücke, eines Resonanzkondensators und eines Induktor-Kondensator-Tiefpassfilters, der dazu konfiguriert ist, eine Ausgabeimpedanz der dritten aktiven Brücke an eine Eingabeimpedanz des Induktor-Kondensator-Tiefpassfilters anzupassen, wobei die dritte aktive Brücke eine aktive Brücke mit Mittelanzapfung ist, und wobei der Resonanzkondensator elektrisch mit dem Induktor-Kondensator-Tiefpassfilter an einer Mittelanzapfung der aktiven Brücke mit Mittelanzapfung parallelgeschaltet ist, sodass unter Nulllastbedingungen an der zweiten Sekundärwicklung Strom, der durch die zweite Sekundärwicklung und die aktive Brücke mit Mittelanzapfung fließt, größer als null ist, um der Steuerung zu ermöglichen, die Größe des Stroms durch die Primärwicklung unabhängig von einer Laständerung an der ersten und zweiten Sekundärwicklung konstant zu halten.
Leistungssystem für ein Kraftfahrzeug nach Anspruch 12, wobei der Resonanzkondensator dazu abgestimmt ist, mit dem Induktor-Kondensator-Tiefpassfilter in Resonanz zu treten, sodass eine Lastimpedanz der dritten aktiven Brücke während des Betriebs der dritten aktiven Brücke innerhalb des Schaltfrequenzbereichs kapazitiv ist.
Leistungssystem für ein Fahrzeug nach Anspruch 12, wobei die Steuerung ferner dazu konfiguriert ist, die zweite und dritte aktive Brücke zu betreiben, sodass eine Verzögerungszeit zwischen impulsbreitenmodulierten Gate-Signalen der zweiten aktiven Brücke und impulsbreitenmodulierten Gate-Signalen der ersten aktiven Brücke unabhängig von einer Verzögerungszeit zwischen impulsbreitenmodulierten Gate-Signalen der dritten aktiven Brücke und den impulsbreitenmodulierten Gate-Signalen der ersten aktiven Brücke ist.