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DE102008005904A1 - Stromverteilungssystem für ein Fahrzeug - Google Patents

Stromverteilungssystem für ein Fahrzeug Download PDF

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DE102008005904A1
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Lear Corp
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Abstract

Stromverteilungssystem, das konfiguriert ist, um die Übertragung von Strom zwischen einer Stromquelle und einer Last zu unterstützen. Das Stromverteilungssystem kann konfiguriert oder in anderer Weise ausgebildet sein, um Gleichstrom zu Wechselstrom zu wandeln, wenn die Last angetrieben wird, und um Wechselstrom zu Gleichstrom zu wandeln, wenn die Stromquelle geladen wird.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Stromverteilungssystem, das für die Verwendung in einem Fahrzeug wie etwa einem elektrisch angetriebenen Fahrzeug geeignet ist.
  • Hybrid-Elektrofahrzeuge (HEVs) und Elektrofahrzeuge (EVs) können teilweise und/oder vollständig durch elektrische Energie angetrieben werden. Gewöhnlich wird die elektrische Energie durch eine Hochspannungsquelle zu einem Motor oder einem anderen elektrisch betriebenen Element zugeführt, um den Motor zu betätigen und dadurch das Fahrzeug in Bewegung zu setzen.
  • Die vorliegende Erfindung wird durch die beigefügten Ansprüche definiert. Die Merkmale der vorliegenden Erfindung werden durch die folgende ausführliche Beschreibung mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen verdeutlicht.
  • 1 zeigt ein elektrisches Antriebssystem gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung.
  • 2 zeigt die Merkmale des elektrischen Stromverteilungssystems gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung.
  • 3 zeigt einen Wechselrichter und einen Wandler gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung.
  • 4–6 zeigen zusätzliche Wechselrichter und Wandler gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung.
  • In 1 ist das elektrische Antriebssystem 10 gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung gezeigt. Das Antriebssystem 10 kann für die Verwendung in Hybrid-Elektrofahrzeugen und Elektrofahrzeugen konfiguriert oder ausgebildet sein, um elektrische Operationen wie etwa die mit dem Betrieb eines Elektromotors oder einer elektrischen Last assoziierten Operationen zu unterstützen. Das System umfasst allgemein eine Hochspannungsbatterie/Stromquelle 12 zum Vorsehen einer Hochspannung für eine elektrische Last 16 in dem Fahrzeug.
  • Zum Beispiel kann die Last 16 ein Elektromotor zum Antreiben des Fahrzeugs sein. Die vorliegende Erfindung ist jedoch nicht darauf beschränkt, wobei die Last 16 auch eine Wechselstromvorrichtung sein kann, die in dem Fahrzeug enthalten ist und/oder damit verbunden ist.
  • Ein Stromverteilungssystem 14 kann vorgesehen sein, um eine Stromübertragung von der Stromquelle 12 zu der Last 16 oder anderen verbundenen Vorrichtungen und Netzen zu ermöglichen. Das Verteilungssystem 14 kann konfiguriert oder auf andere ausgebildet sein, um einen Gleichstrom zu einem Wechselstrom zu wandeln, wenn die Last betrieben wird, und um den Wechselstrom zu einem Gleichstrom zu wandeln, wenn die Batterie geladen wird. Auf diese Weise kann das Stromverteilungssystem 14 als bidirektionaler Wechselrichter dienen, der relativ hohe Spannungen wandeln kann, um das Laden der Stromquelle von einer Steckdose oder einer anderen Stromversorgung zu ermöglichen.
  • 2 zeigt die Komponenten des Stromverteilungssystems 14 gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung. Die Komponenten können ein Eingangsfilter 20, einen Gleichstrom/Wechselstrom-Wechselrichter 22, einen Wechselstrom/Wechselstrom-Wandler 24 und ein Ausgangsfilter 26 umfassen. Die Filter können konfiguriert sein, um Rauschen und andere Variablen aus dem übertragenen Strom zu filtern. Der Wechselrichter 22 und der Wandler 24 können entsprechend konfiguriert sein und durch eine Steuereinrichtung oder eine andere Komponente (nicht gezeigt) gesteuert werden, um den gewünschten Wandlungsprozess durchzuführen, sodass die Wechselstromlast mit Strom versorgt werden kann und/oder die Batterie geladen werden kann.
  • Die Kombination aus dem Gleichstrom/Wechselstrom-Wechselrichter 22 und dem Wechselstrom/Wechselstrom-Wandler 24 wird als effiziente Lösung betrachtet, mit der eine hohe Wechselspannungsausgabe mit einer niedrigen gesamten harmonischen Verzerrung für Systeme ausgegeben werden kann, die auf einem Gleichstrom/Gleichstrom beruhen, der mit einem Gleichstrom/Wechselstrom-Wechselrichter verbunden ist. Das Ausgangsfilter für einen Gleichstrom/Wechselstrom-Wechselrichter ist eher voluminös, weil die Leistungsfaktorkorrektur durch passive Komponenten bewerkstelligt wird, die prinzipiell Drosselspulen und Leistungskondensatoren sind. Die Leistungsfaktorkorrektur bei Verwendung des Wechselstrom/Wechselstrom-Wandlers der vorliegenden Erfindung kann aktiv erfolgen, um die Größe, das Gewicht und die Kosten für die Komponente des Ausgangsfilters zu reduzieren.
  • 3 zeigt den Wechselrichter 22 und den Wandler 24 gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung. Der Wechselrichter 22 und der Wandler 24 können miteinander verbunden sein, um einen integrierten Aufbau vorzusehen. Der Wechselrichter 22 kann als Vollbrückenwechselrichter aufgebaut sein, und der Wandler 24 kann als Vollbrückenwandler aufgebaut sein. Es wird davon ausgegangen, dass diese Konfigurationen des Wechselrichters 22 und des Wandlers 24 eine bessre Leistung als andere Anordnungen wie etwa ein Halbbrückenwandler 30 (4), ein Gegentaktwechselrichter 32 (5) oder ein Halbbrückenwechselrichter 34 (6) bieten. Die vorliegende Erfindung ist jedoch nicht darauf beschränkt, sondern es kann auch eine beliebige dieser anderen Konfigurationen verwendet werden.
  • Bei dem Halbbrückenwechselrichter (4) sind nur zwei Leistungs-MOSFETs (M1 und M2), aber zwei zusätzliche Leistungskondensatoren (Cp1 und Cp2) im Vergleich zu dem Vollbrückenwandler erforderlich. Weil weiterhin die Stromanforderung höher ist, müssen die MOSFETs und Wandler im Vergleich zu den kleineren Einrichtungen des Halbbrückenwechselrichters größer vorgesehen werden. Diese Unterschiede erhöhen die Größe, das Gewicht und die Kosten des Systems. Weiterhin leitet der Leistungs-MOSFET mehr Leistung ab als der Vollbrückenwandler, weil die Strombelastung höher ist als bei dem MOSFET. Dadurch werden die Verluste in dem Halbleiter vergrößert und werden heiße Stellen erzeugt, die schwer zu handhaben sind, sodass die erforderliche Kaltplatte kostspieliger und komplex aufgebaut sein muss, um den Leistungsverlust abzuführen. Die Kostenerhöhung wird weiterhin durch die Tatsache verstärkt, dass der Halbleiter dem doppelten Eingangsstrom des Gleichstrom/Wechselstrom-Wechselrichters standhalten muss, weshalb unübliche und kostspielige MOSFETs erforderlich sind.
  • Der Gegentaktwechselrichter (5) ist weniger gut geeignet als der Halbbrückenwechselrichter, weil der Halbleiter dem doppelten Ausgangsstrom des Gleichstrom/Wechselstrom-Wechselrichters standhalten muss, weshalb unübliche und kostspielige MOSFETs (M1 und M2) verwendet werden müssen. Weiterhin liegt aufgrund der Abzweigung des primären Umsetzers eine Spitze des Stroms/der Spannung vor, der bzw. die über den primären Leistungs-MOSFET (M1) aufgrund eines Leckinduktionselements der primären Wicklung erzeugt wird. Um diese Spannungsspitze zu unterdrücken, kann ein Überspannungsschutzelement erforderlich sein, wodurch der Aufbau komplexer, größer, schwerer und kostspieliger wird.
  • Es wird also die Anordnung mit dem Vollbrückenwechselrichter 22 (3) gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung als Lösung gewählt, weil diese standardmäßige Leistungs-MOSFETs (M1–M4) und weiterhin eine nicht abgezweigte primäre Wicklung (L1) und kein Überspannungsschutzelement verwendet. Weiterhin ist die Verwendung von vier Schaltern in der vorliegenden Erfindung vertretbar, weil der Vollbrückenschalter als Nullspannungsschalter verwendet werden kann, wobei das Schalten der Leistungs-MOSFETs (M1–M4) erfolgt, wenn die Spannung über die Schalter gleich null ist, wodurch die Verluste minimiert werden. Diese Funktion ist bei der Halbbrücken- und Gegentaktanordnung nicht möglich, weil dort nur zwei Leistungsschalter verwendet werden.
  • Was die Wandler betrifft, kann der Halbbrücken-Gleichstrom/Wechselstrom-Wandler (6) für einen unidirektionalen Betrieb durch zwei Schalter (Q1, Q4) und zwei Dioden (D1, D3) gebildet werden. Wenn ein bidirektionaler Wechselrichter/Batterielader erforderlich ist, können zwei obere Schalter (Q1, Q2) und zwei obere Dioden (D1, D2) und zwei untere Schalter (Q3, Q4) und zwei untere Dioden (D3, D4) verwendet werden.
  • Das Stromverteilungssystem 14 von 2–3 umfasst einen Gleichstrom/Wechselstrom-Wechselrichter 22 und einen Wechselstrom/Wechselstrom-Wandler 24. Die Gleichstrom/Wechselstrom-Phase kann als ein Vollbrückenwechselrichter aus vier Leistungs-MOSFETs (M1–M4) mit vier parallelen Dioden (D1–D4) konfiguriert werden. Der unidirektionale Vollbrücken-Wechselstrom/Wechselstrom-Wandler kann durch einen oberen rechten und einen oberen linken Schalter (Q1, Q5) und eine obere linken und eine obere rechte Diode (D1, D5) und einen unteren linken und einen unteren rechten Schalter (Q3, Q7) und eine untere linke und eine untere rechte Diode (D3, D7) gebildet werden. Wenn ein bidirektionaler Wechselrichter/Batterielader erforderlich ist, können zwei obere linke und rechte Schalter (Q1, Q2, Q5, Q6) und zwei obere linke und rechte Dioden (D1, D2, D5, D6) und zwei untere linke und rechte Schalter (Q3, Q4, Q7, Q8) und zwei untere linke und rechte Dioden (D3, D4, D7, D8) verwendet werden. Der Wechselrichter kann ein gemeinsames Modusfilter am Ausgang umfassen, der aus zwei Induktionselementen (L3 und L4), die auch verdoppelt werden können, und aus einem Kondensator C2 parallel zu der Last bestehen kann.
  • Im Vergleich zu dem Vollbrücken-Gleichstrom/Wechselstrom-Wandler kann der Halbbrückenwandler eine abgezweigte sekundäre Wicklung erfordern, weshalb die Konfiguration schwieriger herzustellen ist und ein Leckinduktionselement erzeugt wird. Um die nachteiligen Wirkungen des Leckinduktionselement in der Gleichstrom/Wechselstrom-Anordnung zu minimieren, muss unter Umständen ein komplexer, planer Umsetzer zusammen mit einem Überspannungsschutzelement verwendet werden, um die Spitzen über den Leistungs-IGBTs zu minimieren. Die Kostenerhöhung kann sich noch verstärken, weil der Halbleiter dem doppelten Eingangsstrom des Gleichstrom/Wechselstrom-Wechselrichters standhalten muss, sodass unter Umständen unübliche und kostspielige Leistungs-MOSFETs verwendet werden müssen.
  • Gemäß den Anforderungen wurden Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung ausführlich beschrieben, wobei die Erfindung nicht auf die beschriebenen Ausführungsformen beschränkt ist, sondern auch durch verschiedene alternative Ausführungsformen realisiert werden kann. Die Figuren sind nicht notwendigerweise maßstabsgetreu, wobei einige Merkmale vergrößert oder verkleinert dargestellt sein können, um die Details bestimmter Komponenten zu verdeutlichen. Die hier beschriebenen Details des Aufbaus und der Funktion sind nicht einschränkend aufzufassen, sondern lediglich als beispielhafte Basis für die Ansprüche und/oder den Fachmann, der die Erfindung realisieren möchte.
  • Es wurden verschiedene Ausführungsformen der Erfindung gezeigt und beschrieben, wobei die Erfindung nicht auf die beschriebenen Ausführungsformen beschränkt ist. Die Beschreibung ist beispielhaft und nicht einschränkend aufzufassen, wobei verschiedene Änderungen vorgenommen werden können ohne dass deshalb der Erfindungsumfang verlassen wird.

Claims (20)

  1. Stromverteilungssystem zum Wandeln des zwischen einer Fahrzeugbatterie und einer Fahrzeuglast übertragenen Stroms, wobei das System umfasst: einen Gleichstrom/Wechselstrom-Wechselrichter (22), der elektrisch mit der Batterie verbunden ist, wobei der Wechselrichter (22) konfiguriert ist, um einen Gleichstrom zu einem Wechselstrom zu wandeln, und einen Wechselstrom/Wechselstrom-Wandler (24), der elektrisch mit dem Wechselrichter (22) und der Fahrzeuglast (16) verbunden ist, wobei der Wandler (24) konfiguriert ist, um den aus dem Wechselrichter (22) ausgegebenen Wechselstrom für die Ausgabe zu der Fahrzeuglast zu wandeln.
  2. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Wechselrichter direkt mit dem Wandler (24) verbunden ist.
  3. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Wechselrichter (22) ein Vollbrückenwechselrichter ist.
  4. System nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Vollbrückenwechselrichter vier Schalter umfasst.
  5. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Wandler (24) ein Vollbrückenwandler ist.
  6. System nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Vollbrückenwandler zwei Schalter umfasst, um einen unidirektionalen Betrieb zu ermöglichen.
  7. System nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Vollbrückenwandler vier Schalter umfasst, um einen bidirektionalen Betrieb zu ermöglichen.
  8. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Wandler (24) ein Vollbrückenwandler ist und der Wechselrichter (22) ein Vollbrückenwechselrichter ist.
  9. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Fahrzeuglast (16) ein Elektromotor ist, der konfiguriert ist, um das Fahrzeug in Abhängigkeit von der Wechselstromausgabe des Wandlers (24) zu betreiben.
  10. System nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Motor, der Wandler (24) und der Wechselrichter (22) bidirektional sind, um das Laden der Batterie (12) mit Energie aus dem Motor zu ermöglichen.
  11. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Last (16) über einen an dem Fahrzeug vorgesehenen Stecker mit dem Wandler (24) verbunden ist, wobei die Last (16) separat zu dem Fahrzeug ist.
  12. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Wandler (24) und der Wechselrichter (22) bidirektional sind, um das Laden der Batterie (12) mit Strom aus einer mit einem Stecker des Fahrzeugs verbundenen Steckdose zu ermöglichen.
  13. System nach Anspruch 1, weiterhin gekennzeichnet durch ein Eingangsfilter (20) zum Filtern des Gleichstroms und ein Ausgangsfilter zum Filtern des aus dem Wandler (24) ausgegebenen Wechselstroms.
  14. System nach Anspruch 1, weiterhin gekennzeichnet durch ein gemeinsames Ausgangsfilter (26), das zwischen dem Wandler (24) und der Fahrzeuglast (16) verbunden ist.
  15. System nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass ein gemeinsames Filter zwischen der Fahrzeugbatterie (12) und dem Wechselrichter (22) verbunden ist.
  16. System nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Filter (20, 26), der Wechselrichter (22) und der Wandler (24) in einem Anschlusskasten enthalten sind.
  17. Stromverteilungssystem zum Wandeln des zwischen einer Fahrzeugbatterie und einer Fahrzeuglast übertragenen Stroms, wobei das System umfasst: einen Vollbrücken-Gleichstrom/Wechselstrom-Wechselrichter (22), der elektrisch mit der Batterie (12) verbunden ist, wobei der Wechselrichter (22) konfiguriert ist, um Gleichstrom zu Wechselstrom zu wandeln, und einen Vollbrücken-Wechselstrom/Wechselstrom-Wandler (24), der elektrisch mit dem Wechselrichter (22) und der Fahrzeuglast (16) verbunden ist, wobei der Wandler (24) konfiguriert ist, um den aus dem Wechselrichter (22) ausgegebenen Wechselstrom für eine Ausgabe zu der Fahrzeuglast (16) zu wandeln.
  18. Stromverteilungssystem zum Wandeln des zwischen einer Fahrzeugbatterie und einer Fahrzeuglast übertragenen Stroms, wobei das System umfasst: einen Gleichstrom/Wechselstrom-Wechselrichter (22), der elektrisch mit der Batterie (12) verbunden ist, wobei der Wechselrichter (22) konfiguriert ist, um Gleichstrom zu Wechselstrom zu wandeln, einen Wechselstrom/Wechselstrom-Wandler (24), der elektrisch mit dem Wechselrichter (22) und der Fahrzeuglast (16) verbunden ist, wobei der Wandler (24) konfiguriert ist, um die Wechselstromausgabe aus dem Wechselrichter (22) für eine Ausgabe an die Fahrzeuglast (16) zu wandeln, und wobei der Wandler (24) und der Wechselrichter (22) bidirektional sind, um das Laden der Batterie (12) mit Strom aus einer Steckdose, die mit einem Stecker des Fahrzeugs verbunden ist, oder mit Energie aus einem für den Antrieb des Fahrzeugs verwendeten Elektromotor zu ermöglichen.
  19. System nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass der Wechselrichter (22) ein Vollbrückenwechselrichter ist.
  20. System nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass der Wandler (24) ein Vollbrückenwandler ist.
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