DE102024126617A1

DE102024126617A1 - Stromübertragung für ein batteriepack mit gemischter chemie unter verwendung eines multilevel t-typ-umrichters

Info

Publication number: DE102024126617A1
Application number: DE102024126617.1A
Authority: DE
Inventors: Rashmi Prasad; Chandra S. Namuduri; JungHoon Kim; Yilun Luo; Khorshed Mohammed Alam
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2023-11-10
Filing date: 2024-09-16
Publication date: 2025-05-15
Also published as: CN119974996A; US20250158552A1

Abstract

Ein Fahrzeugsystem umfasst ein erstes Batteriepack, das mit einem zweiten Batteriepack über den T-Typ-Multilevel-Umrichter verbunden ist. Der Multilevel-Umrichter weist eine Mehrzahl von Umrichtersträngen auf, wobei jeder Umrichterstrang in einer T-Typ-Topologie angeordnet ist. Ein Motor ist mit dem Multilevel-Umrichter verbunden und eine Steuerung ist mit dem Motor und dem Multilevel-Umrichter verbunden. Die Steuerung umfasst einen Speicher, der Anweisungen speichert, die so konfiguriert sind, dass sie die Steuerung veranlassen, den Multilevel-Umrichter als Gleichstrom (DC)-DC-Wandler zu steuern, sodass ein Umlaufstrom durch den Motor, das erste Batteriepack und das zweite Batteriepack geleitet wird.

Description

EINLEITUNG
Der Gegenstand der Offenbarung betrifft das Ausgleichen und Übertragen von Strom zwischen Batteriepacks mit gemischter Chemie unter Verwendung eines Multilevel-Umrichters, der als Gleichstrom (DC) - DC-Umrichter arbeitet.
Fahrzeuge, einschließlich Elektro- und Hybridelektrofahrzeuge, sind mit Batteriespeichersystem ausgestattet, das für Zwecke wie etwa zum Betreiben von Elektromotoren, Elektronik und anderen Fahrzeugteilsystemen dient. Die Batterien für das Batteriespeichersystem umfassen in der Regel mehrere getrennte Stromzellen, von denen jede Strom zur späteren Verteilung speichert. Die Stromzellen sind elektrisch verbunden, um bei Bedarf einen Ausgangsstrom für einen Energieverteilungsbus bereitzustellen. Während oder kurz nach dem Aufladen des Batteriespeichersystems sollte sichergestellt werden, dass der Strom ordnungsgemäß zwischen den Batteriepacks verteilt wird, um einen optimalen Betrieb der Batteriespeichersysteme zu gewährleisten. Bestehende Systeme nutzen dieselben Zelltypen (als Chemien bezeichnet) innerhalb des Batteriepacks. Zellen desselben Typs können unter Verwendung von passiven Stromausgleichsverfahren ausgeglichen werden.
Verschiedene Arten von Batterien weisen unterschiedliche Eigenschaften, wie etwa Ladegeschwindigkeiten und Stromdichte auf. Bei einigen Konstruktionen kann es von Vorteil sein, verschiedene Arten von Batteriepacks in einem einzigen Batteriesystem zu verwenden, sodass verschiedene Betriebsarten des Fahrzeugs die Vorteile der unterschiedlichen Batterieeigenschaften nutzen können. Die Verwendung unterschiedlicher Batterietypen innerhalb eines einzigen Batteriespeichersystems erschwert jedoch die Stromübertragung zwischen den Batterien sowie den Stromausgleich, und die vorhandenen passiven Ausgleichssysteme sind nicht in der Lage, den Strom zwischen den Batterien unterschiedlicher Chemien effektiv zu übertragen.
Dementsprechend ist es wünschenswert, ein aktives Stromausgleichssystem für ein Fahrzeugbatteriespeichersystem bereitzustellen, das Batteriepacks mehrerer unterschiedlicher Typen umfasst.
KURZDARSTELLUNG
In einer beispielhaften Ausführungsform umfasst ein Fahrzeugsystem ein erstes Batteriepack, das mit einem zweiten Batteriepack über einen T-Typ-Multilevel-Umrichter verbunden ist, der eine Mehrzahl von Umrichtersträngen aufweist. Jeder Umrichterstrang ist in einer T-Typ-Topologie angeordnet. Ein Motor ist mit dem T-Typ-Multilevel-Umrichter verbunden. Eine Steuerung ist mit dem Motor und dem T-Typ-Multilevel-Umrichter verbunden. Die Steuerung umfasst einen Speicher, der Anweisungen speichert, die so konfiguriert sind, dass sie die Steuerung veranlassen, den T-Typ-Multilevel-Umrichter als Gleichstrom (DC)-DC-Wandler zu steuern, sodass ein Umlaufstrom durch den Motor, das erste Batteriepack und das zweite Batteriepack geleitet wird.
Zusätzlich zu einem oder mehreren der hierin beschriebenen Merkmale umfasst jeder Umrichterstrang des T-Typ-Multilevel-Umrichters einen ersten Transistor, der einen positiven Knoten mit einem entsprechenden AC-Ausgangsknoten des Umrichterstrangs verbindet, einen zweiten Transistor, der den entsprechenden AC-Ausgangsknoten mit einem niedrigen Knoten verbindet, ein Paar von dritten und vierten Transistoren, die den entsprechenden AC-Ausgangsknoten mit einem Mittelpunkt eines Paares von DC-Zwischenkreiskondensatoren verbinden. Jede Phase des Motors ist mit einem entsprechenden Strang des Multilevel-Umrichters verbunden.
Zusätzlich zu einem oder mehreren der hierin beschriebenen Merkmale ist der Motor ein Vierpolmotor, und das Steuern des Multilevel-Umrichters als DC-DC-Wandler umfasst das Bereitstellen eines ersten Steuersignals für den ersten Transistor und den zweiten Transistor jedes Umrichterstrangs. Das erste Steuersignal wird für den zweiten Transistor jedes Umrichterstrangs umgerichtet, wobei ein zweites Steuersignal für den dritten Transistor und den vierten Transistor jedes Umrichterstrangs bereitgestellt wird, das zweite Steuersignal für den vierten Transistor jedes Umrichterstrangs umgerichtet wird, das erste Steuersignal mit einer dreiphasigen DC-DC-Wandler-Pulsbreitenmodulation (PWM) moduliert wird, die PWM jedes Umrichterstrangs von jedem anderen Umrichterstrang um 120 Grad phasenverschoben ist.
Zusätzlich zu einem oder mehreren der hierin beschriebenen Merkmale ist der Motor ein Dreipolmotor. Das Steuern des T-Typ-Multilevel-Umrichters als DC-DC-Wandler umfasst für jeden eines ersten Umrichterstrangs und eines zweiten Umrichterstrangs das Bereitstellen eines ersten Steuersignals für den ersten und den zweiten Transistor, wobei das erste Steuersignal für den ersten Transistor jedes Umrichterstrangs umgerichtet wird, und das Bereitstellen eines zweiten Steuersignals für den dritten Transistor und den vierten Transistor des ersten Umrichterstrangs und des zweiten Umrichterstrangs, wobei das zweite Steuersignal für den dritten Transistor von jedem des ersten und zweiten Umrichterstrangs umgerichtet wird. Die ersten Steuersignale und die zweiten Steuersignale steuern einen offenen/geschlossenen Zustand des ersten, zweiten, dritten und vierten Transistors der entsprechenden Phase über Pulsbreitenmodulation. Das modulierte erste Steuersignal und das modulierte zweite Steuersignal sind in jedem Umrichterstrang vom modulierten ersten Steuersignal und modulierten zweiten Steuersignal des anderen Strangs um 180 Grad phasenverschoben. Ein drittes Steuersignal wird für den ersten, zweiten, dritten und vierten Transistor des dritten Umrichterstrangs bereitgestellt, wobei das dritte Steuersignal den ersten, zweiten, dritten und vierten Transistor für die Dauer der Steuerung des T-Typ-Multilevel-Umrichters als DC-DC-Wandler auf Aus setzt. Der dritte Umrichterstrang ist mit einem positiven Pol des ersten Batteriepacks verbunden.
Zusätzlich zu einem oder mehreren der hierin beschriebenen Merkmale sind das erste Batteriepack und das zweite Batteriepack an einer oder beiden von einem negativen Batteriepol und einem positiven Batteriepol parallel geschaltet.
Zusätzlich zu einem oder mehreren der hierin beschriebenen Merkmale sind das erste Batteriepack und das zweite Batteriepack über einen gemeinsamen Knoten in Reihe geschaltet.
Zusätzlich zu einem oder mehreren der hierin beschriebenen Merkmale ist ein neutraler Knoten, der jede Phase des Motors verbindet, mit dem gemeinsamen Knoten des ersten Batteriepacks und des zweiten Batteriepacks verbunden.
Zusätzlich zu einem oder mehreren der hierin beschriebenen Merkmale ist ein Phasenpol des Motors mit dem gemeinsamen Knoten der in Reihe geschalteten Batteriepacks verbunden.
Zusätzlich zu einem oder mehreren der hierin beschriebenen Merkmale ist der Motor ein Dreipolmotor, ein erster Umrichterstrang ist physisch näher am ersten Batteriepack und näher am zweiten Batteriepack angeordnet als jeder des zweiten Umrichterstrangs und des dritten Umrichterstrangs, und wobei der erste Umrichterstrang mit einem positiven Pol des Batteriepacks während des DC-DC-Wandlerbetriebs verbunden ist.
Zusätzlich zu einem oder mehreren der hierin beschriebenen Merkmale handelt es sich bei dem Motor um einen Dreipolmotor, und wobei ein erster Strang der drei Multilevel-Umrichterstränge über einen ersten Schalter mit einem positiven DC-Bus verbunden ist, ein neutraler Rückleitungsknoten des ersten Umrichterstrangs über einen zweiten Schalter mit einem Nullleiter verbunden ist, und über einen dritten Schalter mit einem positiven Pol des ersten Batteriepols verbunden ist.
Zusätzlich zu einem oder mehreren der hierin beschriebenen Merkmale umfasst das erste Batteriepack mindestens einen ersten Satz von Stromzellen und einen zweiten Satz von Stromzellen, die mit dem ersten Satz von Stromzellen am niedrigen Knoten verbunden sind.
In einer anderen beispielhaften Ausführungsform umfasst ein Verfahren zum Übertragen von Strom zwischen einem ersten Batteriepack und einem zweiten Batteriepack eines Fahrzeugsystems das Veranlassen einer Steuerung, einen T-Typ-Multilevel-Umrichter als Gleichstrom (DC)-DC-Wandler so zu steuern, dass ein Umlaufstrom durch den T-Typ-Multilevel-Umrichter, einen Motor, der drei Phasen aufweist, ein erstes Batteriepack und ein zweites Batteriepack geleitet wird. Das erste Batteriepack ist über den T-Typ-Multilevel-Umrichter mit dem zweiten Batteriepack verbunden. Ein Motor ist mit dem T-Typ-Multilevel-Umrichter verbunden und eine Steuerung ist mit dem Motor und dem T-Typ Multilevel-Umrichter verbunden. Die Motorsteuerung umfasst einen Speicher, der Anweisungen speichert, die so konfiguriert sind, dass sie das Fahrzeugsystem veranlassen, das Verfahren zu implementieren.
Zusätzlich zu einem oder mehreren der hierin beschriebenen Merkmale umfasst der T-Typ-Multilevel-Umrichter drei Umrichterstränge, wobei jeder Umrichterstrang einen ersten Transistor umfasst, der einen positiven Knoten mit einem AC-Ausgangsknoten verbindet, einen zweiten Transistor, der den AC-Ausgangsknoten mit einem niedrigen Knoten verbindet, ein Paar von dritten und vierten Transistoren, die den AC-Ausgangsknoten mit dem Mittelpunkt eines Paares von DC-Zwischenkreiskondensatoren verbinden, und wobei jede Phase des Motors mit einem entsprechenden Strang des T-Typ-Multilevel-Umrichters verbunden ist.
Zusätzlich zu einem oder mehreren der hierin beschriebenen Merkmale ist der Motor ein Vierpolmotor, und wobei das Steuern des T-Typ-Multilevel-Umrichters als DC-DC-Wandler das Bereitstellen eines ersten Steuersignals für den ersten Transistor und den zweiten Transistor jedes Umrichterstrangs umfasst, das erste Steuersignal für den zweiten Transistor jedes Umrichterstrangs umgerichtet wird, und das Bereitstellen eines zweiten Steuersignals für den dritten Transistor und den vierten Transistor des ersten Umrichterstrangs und jedes Umrichterstrangs, das zweite Steuersignal für den vierten Transistor jedes Umrichterstrangs umgerichtet wird. Das erste Steuersignal wird mit einer dreiphasigen DC-DC-Wandler-Pulsbreitenmodulation (PWM) moduliert, wobei die PWM jedes Umrichterstrangs von jedem anderen Umrichterstrang um 120 Grad phasenverschoben ist.
Zusätzlich zu einem oder mehreren der hierin beschriebenen Merkmale ist der Motor ein Dreipolmotor. Das Steuern des T-Typ-Multilevel-Umrichters als DC-DC-Wandler umfasst für jeden eines ersten Umrichterstrangs und eines zweiten Umrichterstrangs das Bereitstellen eines ersten Steuersignals für jeden des ersten und des zweiten Transistors von jedem des ersten und zweiten Umrichterstrangs, wobei das erste Steuersignal für den ersten Transistor jedes Umrichterstrangs umgerichtet wird, und das Bereitstellen eines zweiten Steuersignals für den dritten Transistor und den vierten Transistor des ersten Umrichterstrangs und zweiten Umrichterstrangs. Das zweite Steuersignal wird für den dritten Transistor von jedem des ersten und zweiten Umrichterstrangs umgerichtet. Die ersten Steuersignale und die zweiten Steuersignale steuern einen offenen/geschlossenen Zustand des ersten, zweiten, dritten und vierten Transistors des entsprechenden Umrichterstrangs über Pulsbreitenmodulation (PWM). Das modulierte erste Steuersignal und das modulierte zweite Steuersignal in jedem Umrichterstrang sind gegenüber dem ersten modulierten Steuersignal und zweiten modulierten Steuersignal des anderen Umrichterstrangs um 180 Grad phasenverschoben. Zusätzlich wird ein drittes Steuersignal für den ersten, zweiten, dritten und vierten Transistor des dritten Umrichterstrangs bereitgestellt, wobei das dritte Steuersignal den ersten, zweiten, dritten und vierten Transistor für die Dauer des Steuerns des Multilevel-Umrichters als DC-DC-Wandler auf Aus setzt. Der dritte Umrichterstrang ist mit einem positiven Pol des ersten Batteriepacks verbunden.
Zusätzlich zu einem oder mehreren der hierin beschriebenen Merkmale sind das erste Batteriepack und das zweite Batteriepack parallel geschaltet.
Zusätzlich zu einem oder mehreren der hierin beschriebenen Merkmale sind das erste Batteriepack und das zweite Batteriepack über einen Batterieknoten in Reihe geschaltet.
Zusätzlich zu einem oder mehreren der hierin beschriebenen Merkmale handelt es sich beim ersten Batteriepack um eine erste Chemie und beim zweiten Batteriepack handelt es sich um eine zweite Chemie, die sich von der ersten Chemie unterscheidet.
In einer weiteren beispielhaften Ausführungsform umfasst ein Fahrzeug ein elektrisches Antriebssystem, das mindestens einen Elektromotor umfasst, ein Stromverteilungssystem, das mindestens ein erstes Batteriepack und ein zweites Batteriepack umfasst, wobei das Stromverteilungssystem über einen T-Typ-Multilevel-Umrichter mit dem elektrischen Antriebssystem verbunden ist, und eine Steuerung mit dem Motor und dem T-Typ-Multilevel-Umrichter verbunden ist. Die Steuerung umfasst einen Speicher, der Anweisungen speichert, die so konfiguriert sind, dass sie die Steuerung veranlassen, den T-Typ-Multilevel-Umrichter als Gleichstrom (DC)-DC-Wandler zu steuern, sodass ein Umlaufstrom durch den Motor, das erste Batteriepack und das zweite Batteriepack geleitet wird.
Zusätzlich zu einem oder mehreren der hierin beschriebenen Merkmale umfasst der T-Typ-Multilevel-Umrichter drei Umrichterstränge, wobei jeder Umrichterstrang des T-Typ-Multilevel-Umrichters einen ersten Transistor, der einen positiven Knoten mit einem AC-Ausgangsknoten verbindet, einen zweiten Transistor, der den AC-Ausgangsknoten mit einem niedrigen Knoten verbindet, ein Paar von dritten und vierten Transistoren umfasst, die den AC-Ausgangsknoten mit dem Mittelpunkt eines Paares von DC-Zwischenkreiskondensatoren verbinden, und jede Phase des Motors mit einem entsprechenden Strang des T-Typ-Multilevel-Umrichters verbunden ist.
Die vorstehend genannten Merkmale und Vorteile sowie andere Merkmale und Vorteile der Offenbarung sind aus der folgenden ausführlichen Beschreibung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen ohne weiteres ersichtlich.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Weitere Merkmale, Vorteile und Details sind nur beispielhaft in der folgenden ausführlichen Beschreibung aufgeführt, wobei sich die ausführliche Beschreibung auf die Zeichnungen bezieht, wobei:

1 eine schematische Darstellung eines Fahrzeugs ist, das ein Stromverteilungssystem umfasst;
2 ein Blockdiagramm eines Batteriesystems gemäß einer beispielhaften Ausführungsform ist;
3 eine Schaltungsdiagrammdarstellung des Stromübertragungsverfahrens ist, das für parallel angeordnete Batteriepacks gemäß einem ersten Beispiel angewendet wird;
4 eine Schaltungsdiagrammdarstellung des Stromübertragungsverfahrens ist, das für parallel angeordnete Batteriepacks gemäß einem zweiten Beispiel angewendet wird;
5 ein Schaltungsdiagramm des Stromübertragungsverfahrens ist, das für seriell angeordnete Batteriepacks gemäß einem ersten Beispiel angewendet wird;
6 ein Schaltungsdiagramm des Stromübertragungsverfahrens ist, das für seriell angeordnete Batteriepacks gemäß einem zweiten Beispiel angewendet wird; und
7 eine beispielhafte physische Kondensatormontagekonfiguration gemäß einem Beispiel ist.
8 ein beispielhaftes Schaltungsdiagramm des Stromübertragungsverfahrens ist, das unter Verwendung eines Dreipolmotors und der Kondensatormontagekonfiguration von 7 angewandt wird.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Die folgende Beschreibung hat lediglich beispielhaften Charakter und ist nicht dazu bestimmt, die vorliegende Offenbarung, ihre Anwendung oder ihren Gebrauch zu einschränken.
Es sollte verstanden werden, dass in den Zeichnungen entsprechende Bezugszeichen gleiche oder entsprechende Teile und Merkmale bezeichnen. Wie hierin verwendet, bezieht sich der Begriff Modul auf eine Verarbeitungsschaltung, die eine anwendungsspezifische integrierte Schaltung (ASIC), eine elektronische Schaltung, einen Prozessor (gemeinsam, dediziert oder Gruppe) und einen Speicher, der ein oder mehrere Software- oder Firmwareprogramme ausführt, eine kombinatorische Logikschaltung und/oder andere geeignete Komponenten umfassen kann, die die beschriebene Funktionalität bereitstellen.
Gemäß einer beispielhaften Ausführungsform umfasst ein Fahrzeugsystem für eine Batterie mehrere Batteriepacks, die unterschiedliche Batteriepackchemien aufweisen. Ein Multilevel-Umrichter wandelt Gleichstrom (DC) aus der Batterie in einen Wechselstrom (AC) um, der für einen Motor bereitgestellt wird, und den Motor zum Drehen antreibt. Die Eigenschaften der Motordrehung werden durch die Eigenschaften des AC-Stromsignals gesteuert. Eine Motorsteuerung steuert aktiv das Schalten innerhalb des Multilevel-Umrichters, um die Eigenschaften des AC-Stromsignals zu steuern.
Ein Speicher ist so konfiguriert, dass er die Motorsteuerung veranlasst, einen Stromausgleich oder eine Stromübertragung zwischen den verschiedenen Batteriepacks durchzuführen, indem der Multilevel-Umrichter als DC-DC-Wandler betrieben wird, und die interne Induktivität der Motorstränge genutzt wird, ohne den Motor für die DC-DC-Wandlerinduktoren zu drehen. Die innere Induktivität der Motorstränge kann genutzt werden, ohne dass eine Drehung veranlasst wird, indem die Phasenverschiebung in der Modulation des Umrichters gesteuert wird, während er als DC-DC-Wandler arbeitet, sodass den Drehkräften, die durch den Strom, der durch den Strang fließt, erzeugt werden, direkt durch die Drehkräfte entgegengewirkt wird, die durch den Strom erzeugt werden, der durch die anderen Stränge des Motors fließt. Der DC-DC-Wandler ist dann in der Lage, Strom zwischen den Batteriepacks gemäß bekannten Stromübertragungsverfahren zu übertragen.
In einigen Beispielen kann die zum Erleichtern des Betriebs im DC-DC-Wandlermodus integrierte Schaltung ferner genutzt werden, einen Fehlerschutz und/oder eine Isolierung eines oder mehrerer Stränge während eines Fehlerzustands zu gewährleisten, indem der Strang, der den Fehlerzustand erfährt, von den entsprechenden Strombussen getrennt wird.
Unter fortgesetzter Bezugnahme auf das vorstehend beschriebene allgemeine System stellt 1 eine Ausführungsform eines Kraftfahrzeugs 10 dar, das eine Batteriesystemsteuerung 24 umfasst, die so konfiguriert ist, dass sie ein Batteriesystem steuert. Das Fahrzeug 10 umfasst eine Fahrzeugkarosserie 12, die mindestens teilweise einen Insassenraum 14 definiert. Die Fahrzeugkarosserie 12 trägt auch verschiedene Teilsysteme des Fahrzeugs, einschließlich eines Antriebssystems 16, eines Batteriesystems 22 anderer Teilsysteme zum Unterstützen von Funktionen des Antriebssystems 16 und anderer Fahrzeugkomponenten, wie etwa ein Bremsteilsystem, ein Aufhängungssystem, ein Lenkungsteilsystem, ein Kraftstoffeinspritzungsteilsystem, ein Abgasteilsystem usw.
Das Fahrzeug 10 kann ein Fahrzeug mit Verbrennungsmotor, ein elektrisch angetriebenes Fahrzeug (EV) oder ein Hybridfahrzeug sein. In einer Ausführungsform ist das Fahrzeug 10 ein Hybridfahrzeug, das ein Verbrennungsmotorsystem 18 und mindestens eine Elektromotoranordnung umfasst. Das Antriebssystem 16 umfasst beispielsweise einen ersten Elektromotor 20 und einen zweiten Elektromotor 21. Die Motoren 20 und 21 können so konfiguriert sein, dass sie Räder (nicht dargestellt) auf gegenüberliegenden Seiten des Fahrzeugs 10 antreiben. Eine beliebige Anzahl von Motoren, die an verschiedenen zusätzlichen Standorten des Fahrzeugs 10 positioniert sind, kann verwendet werden, um für die entsprechenden Systeme und Teilsysteme Strom bereitzustellen.
Das Batteriesystem 22 kann mit den Motoren 20 und 21 und/oder anderen Komponenten, wie etwa der Fahrzeugelektronik, elektrisch verbunden sein. Das Batteriesystem 22 kann als wiederaufladbares Energiespeichersystem (RESS, rechargeable energy storage system) konfiguriert sein und umfasst mehrere Stromzellen, die in Abschnitte unterteilt sind. Eine Batteriesystemsteuerung 24 ist im Batteriesystem 22 eingeschlossen und steuert die Lade- und Entladefunktionen der Batterien innerhalb des Batteriesystems 22. In alternativen Konfigurationen kann die Batteriesystemsteuerung 24 eine allgemeine, vom Batteriesystem 22 entfernte Fahrzeugsteuerung sein, die so konfiguriert ist, dass sie mehrere Systeme und/oder Teilsysteme steuert. Die allgemeine Fahrzeugsteuerung kann an einem beliebigen Standort im Fahrzeug 10 positioniert sein. In weiteren Alternativen kann die Batteriesystemsteuerung 24 ein verteiltes Steuersystem sein, das mehrere koordinierenden Steuerungen im gesamten Fahrzeug 10 umfasst, das Steuerungen innerhalb des Batteriesystems 22 und Steuerungen außerhalb des Batteriesystems 22 umfasst.
In einer Ausführungsform umfasst das Batteriesystem 22 ein oder mehrere Batteriepacks 28. Die Batteriepacks 28 umfassen mehrere verschiedene Batteriezellen, die parallel angeordnet und mit einem Stromverteilungsbus 29 verbunden sind, um Strom für ein oder mehrere Systeme bereitzustellen. Im beispielhaften System von 1 ist der Energieverteilungsbus 29 in vereinfachter Form als eine einzige Leitung veranschaulicht und für die Antriebssysteme 16 über einen Umrichter 32 Strom bereit.
Unter weiterer Bezugnahme auf 1 veranschaulicht 2 ein allgemeines Blockdiagramm des Batteriesystems 22, das ein erstes Batteriepack 102 und ein zweites Batteriepack 104 umfasst. 3 und 4 veranschaulichen spezifische Beispiele des allgemeinen Blockdiagramms von 2. Das erste und zweite Batteriepack 102, 104 sind parallel geschaltet und über einen Multilevel-Umrichter 110 verbunden. Der Multilevel-Umrichter 110 ist mit jedem Umrichterstrang eines Motors 20, 21 verbunden und stellt für den Motor 20, 21 bei Standardbetrieb AC-Strom aus einem positiven Bus 130 bereit. Zusätzlich zum DC-DC-Wandler 110 kann eine Last 120 über einen positiven Bus 130 und einen neutralen Bus 132 verbunden werden, um Strom von den Batteriepacks 102, 104 zu empfangen. In einigen Beispielen, wie etwa dem veranschaulichten Beispiel in 2 und dem spezifischen Beispiel von 3 weist der Motor 20, 21 eine Y-Strangkonfiguration (alternativ als Vierpolmotor bezeichnet) mit einem Neutralknoten 103 auf, der über eine Verbindung 134 mit dem positiven Bus 130 verbunden ist. In anderen Beispielen, wie etwa dem speziellen Beispiel von 4, weist der Motor 20, 21 eine Delta-Strangkonfiguration (auch als Dreipolmotor bezeichnet) mit einem schwebenden Sternpunkt auf (d. h. es gibt keine interne Verbindung der Motorstrang mit einem Sternpunkt oder einer Referenzspannung). Das Batteriesystem 22 kann mit einem Ladegerät 140, wie etwa einem Wandladegerät, verbunden werden, und das Ladegerät 140 ermöglicht es, dass für das Batteriesystem 22 Strom bereitgestellt wird, um die Batteriepacks 102, 104 zu laden.
Das Batteriesystem 22 umfasst Batteriepacks 102, 104 mit gemischter Chemie, die eine Mischung aus Brennstoffzellen und Lithium (Li)-Ionen-Packs und ähnlichen Batterietypen umfassen können. Jedes Batteriepack 102, 104 umfasst eine einzige Chemie, und die Chemie jedes Batteriepacks 102, 104 unterscheidet sich von der Chemie des anderen Batteriepacks 102, 104. Die gemischten Chemien stellen für Batteriepacks 102, 104 unterschiedliche Strommerkmale bereit, wobei einige Batteriepacks 102, 104 eine schnellere Ladegeschwindigkeit und eine niedrigere Stromdichte aufweisen, und andere Batteriepacks 102, 104 eine langsamere Ladegeschwindigkeit und eine höhere Stromdichte aufweisen. Aufgrund der unterschiedlichen Ladegeschwindigkeiten und Stromdichten kann passives Ausgleichen durch paralleles Platzieren der Packs mit einer Filterdrossel, wie es bei bestehenden Batteriesystemen üblich ist, den Strom nicht richtig von einem Batteriepack auf das andere umverteilen.
Um die Batteriepacks 102, 104 während des Ladevorgangs und/oder unmittelbar nach Abschluss des Ladevorgangs ordnungsgemäß auszugleichen, umfasst das Batteriesystem 22 eine Batteriesystemsteuerung 150. In einigen Beispielen kann die Batteriesystemsteuerung 24 von 1 die Funktionen der Batteriesystemsteuerung 150 übernehmen, in anderen Ausführungsformen werden die Funktionen von einer eigenen Steuerung 150 übernommen, die auf mehrere Fahrzeugsteuerungen verteilt ist, oder von einem ähnlichen Steuerungsschema. Es versteht sich von, dass die Bezugnahme hierin auf die Steuerung 150 eine Mehrzahl von Steuerungstypen und -konfigurationen umfasst und nicht auf die veranschaulichte spezielle Batteriesystemsteuerung 150 beschränkt ist.
Während des Ladens oder unmittelbar nach dem Laden können die Batteriepacks 102, 104 unausgeglichen sein, oder ein Batteriepack kann schneller geladen werden als das andere. In diesem Fall ist es wünschenswert, Strom von einem Batteriepack 102, 104 auf das andere Batteriepack 102, 104 zu übertragen. Da das hierin beschriebene Verfahren den Motor 20, 21 in einer nicht drehenden Funktion verwendet, ist es je nach Funktion des Motors möglicherweise nicht für den Einsatz während des Fahrzeugbetriebs geeignet. Da es sich bei den Batteriepacks 102, 104 um unterschiedliche Chemien mit unterschiedlicher Stromdichte und Ladecharakteristik handelt, ist ein DC-DC-Wandler erforderlich, um den Strom von einem Batteriepack 102, 104 auf das andere Batteriepack 102, 104 zu übertragen. Die Steuerung 150 ist so konfiguriert, dass sie Schalter verwendet, die das Ladegerät 140 mit den Batteriepacks 102, 104 verbinden und den Umrichter 110 in einem DC-DC-Wandlermodus betreiben, der die Eigeninduktivität der Motorstränge im Motor 132 nutzt, um Strom von einem Batteriepack 102, 104 an das andere Batteriepack 102, 104 weiterzuleiten, ohne Drehbewegung innerhalb des Motors zu erzeugen.
Durch das Modulieren des Schaltens von jedem Umrichterstrang, sodass das Schalten in einem Strang um 180 Grad von den zwei anderen Strängen versetzt erfolgt, wird der Strom durch jeden Motorstrang geleitet. Dies ermöglicht, dass die Induktivität jedes Motorstrangs als DC-DC-Wandlerinduktivität für den entsprechenden Umrichterstrang des AC-Umrichters 110 arbeiten kann. Die Modulation der Schalter in jedem Umrichterstrang des AC-Umrichters 110 zum Erreichen des DC-DC-Wandlerbetriebs erfolgt gemäß bekannten Techniken.
Unter weiterer Bezugnahme auf 2 veranschaulicht 3 eine detailliertere beispielhafte Implementierung des Stromsystems von 2. Der Motor 20, 21 ist in einer Y-Strangkonfiguration angeordnet (alternativ als Vierpolmotor 20, 21 bezeichnet). Jeder Motorstrang des Motors 20, 21 ist als Induktor 302, 304, 306 dargestellt, der die innere Induktivität des betreffenden Motorstrangs des Motors 20, 21 darstellt. Das Ladegerät 140 ist über ein erstes Paar von Schaltern 310, 312 mit dem ersten Batteriepack 102 verbunden und über ein zweites Paar von Schaltern 314, 316 mit dem zweiten Batteriepack 104 verbunden. Ein Schalter 310, 314 in jedem Paar von Schaltern verbindet den positiven Pol des Ladegeräts 140 mit dem entsprechenden Batteriepack 102, 104 und ein zweiter Schalter 312, 316 verbindet den negativen Pol des Ladegeräts 140 mit dem entsprechenden Batteriepack 102, 104.
Zusätzlich ist das erste Batteriepack 102 über einen Schalter 320 mit dem positiven Bus 132 und über einen Schalter 322 mit dem negativen Bus 134 verbunden. Das zweite Batteriepack 104 umfasst eine Verbindung mit dem positiven Bus 130 über die Schalter 310, 314, 320, und ein Schalter 324 verbindet die positive Seite des zweiten Batteriepacks 104 über einen Neutralknoten 103 mit einem Motor-Sternpunkt 133. Die negative Seite des zweiten Batteriepacks 104 ist über einen Schalter 324 mit dem negativen Bus 132 verbunden.
Der AC-Umrichter 110 ist in einer T-Typ-Multilevel-Umrichtertopologie angeordnet, die drei Umrichterstränge 330, 340, 350 umfasst. Jeder Umrichterstrang 30, 340, 350 weist einen ersten Transistor X1, X5, X9, der einen positiven Knoten 331, 341, 351 mit einem AC-Ausgangsknoten 332, 342, 352 verbindet, einen zweiten Transistor X2, X6, X10, der den AC-Ausgangsknoten 332, 342, 352 mit einem niedrigen Knoten 333, 343, 353 verbindet, und ein Paar von dritten und vierten Transistoren X3, X4, X7, X8, X11, X12 auf, das den AC-Ausgangsknoten 332, 342, 352 mit dem Mittelpunkt 331 des DC-Zwischenkreises verbindet. Im Interesse der Klarheit werden bestimmte Ziffern, die Elemente der Umrichterstränge 330, 340, 350 in 3 und 4 identifizieren, und die entsprechenden Umrichterstränge 530, 540, 550 von 5 und 6 nach 3 weggelassen. Das Nichtvorhandensein einer bestimmten numerischen Angabe in 4, 5 und 6 ist nicht als Angabe zu verstehen, dass das Element nicht vorhanden ist, sondern vielmehr als Angabe dafür, dass sich das Element in einer identischen Position befindet wie in 3.
Der AC-Ausgangsknoten 332, 342, 352 jedes Umrichterstrangs 330, 340, 350 ist mit einem entsprechenden Motorstrang 302, 304, 306 des Motors 20, 21 verbunden. Während des typischen Betriebs moduliert die Steuerung 150 die Transistoren X1, X2, X3, X4, X5, X6, X7, X8, X9, X10, X11, X12 innerhalb jedes Umrichterstrangs 330, 340, 350 des AC-Umrichters 110, um den Motor 20, 21 unter Verwendung von gleich welchem des mit dem positiven Bus 130 und dem negativen Bus 132 verbundenen Batteriepacks 102, 104 anzutreiben. Ein Paar von Kondensatoren 370 ist parallel zu den Strängen 330, 340, 350 des Umrichters geschaltet.
Während des Ladevorgangs oder kurz danach ist es wünschenswert, den Strom zwischen den Batteriepacks 102 und 104 auszugleichen oder Strom von einem der Batteriepacks 102 auf das andere Batteriepack 104 zu übertragen. Wenn beispielsweise ein erstes Batteriepack eine niedrige Stromdichte, aber eine hohe Ladegeschwindigkeit aufweist, kann es von Vorteil sein, den akkumulierten Strom vom schneller ladenden Batteriepack 102 auf das langsamer ladende Batteriepack 104 zu übertragen, um den gesamten Ladevorgang zu beschleunigen.
Das Ausgleichen und die Stromübertragung werden durch Modulieren der Transistoren X1, X2, X3, XC4, X5, X6, X7, X8, X9, X10, X11, X12 im AC-Umrichter 110 erreicht, sodass der AC-Umrichter als DC-DC-Wandler arbeitet und die internen Induktivitäten des Motorstrangs 302, 304, 306 als entsprechende DC-DC-Wandlerinduktoren verwendet. In diesem Modus ist jeder von den Schaltern 310, 312, 314, 316, die die Batteriepacks 102, 104 mit dem Ladegerät 140 verbinden, geöffnet und die Schalter 320, 322, 324, 326, die beide Batteriepacks mit dem positiven und negativen Bus 130, 132 verbinden, geschlossen. Jeder Umrichterstrang 330, 340, 350 wird mit einer von jedem anderen Umrichterstrang 330, 340, 350 um 120 Grad voneinander versetzten Phase moduliert, sodass der Strom durch den Motor 20, 21 mit einer Nettodrehkrafterzeugung von Null fließt und die Induktivitäten der Motorstränge 302, 304, 306 genutzt werden können.
In dieser Konfiguration zirkuliert Energie durch die Motorstränge 302, 304, 306 und die entsprechenden Umrichterstränge 330, 340, 350. Die Umrichterstränge 330, 340, 350 wandeln den DC-Strom in ein Spannungs- und Stromniveau um, die vom empfangenden Batteriepack 102, 104 akzeptiert werden können. Der Strom mit der neuen Charakteristik wird für den Strombus 130, 132 bereitgestellt, sodass Strom von einem Batteriepack 102, 104 auf das andere Batteriepack 102, 104 übertragen werden kann.
Zusätzlich, da jedes Batteriepack 102, 104 über Schalter 320, 322, 326, 328 mit beiden Strombussen 130, 132 und dem Ladegerät 140 verbunden ist, kann die Steuerung 150 ein einzelnes Batteriepack 102, 104 isolieren oder entfernen, während sich eines der Batteriepacks 102, 104 in einem Fehlerzustand befindet. Um das fehlerhafte Batteriepack 102, 104 zu isolieren, werden die entsprechenden Schalter 320, 322, 326, 328, die dieses Batteriepack 102, 104 mit den Bussen 130, 132 verbinden, offen gehalten, wodurch das Batteriepack 102, 104 elektrisch isoliert wird.
Unter Bezugnahme auf 4, wenn der Motor 20, 21 in einer Delta-Konfiguration konfiguriert ist, gibt es keinen Sternpunkt innerhalb des Motors 20, 21, mit dem der Schalter 326 verbunden werden kann. Diese Konfiguration ist in 4 veranschaulicht, wobei gleiche Bezugszeichen mit 2 und 3 gleiche Elemente und Konfigurationen angeben. Strukturell weicht das Beispiel von 4 von dem in 3 nur dahingehend ab, dass der Schalter 326 mit dem Sternpunkt 352 von einem der Umrichterstränge 350 des AC-Umrichters 110 verbunden ist.
Während des Betriebs im DC-DC-Wandlermodus werden die Transistoren X9, X10, X11, X12 im Umrichterstrang 350 offen gehalten, und der Umrichter 110 wird als zweiphasiger DC-DC-Wandler betrieben, wobei die zwei anderen Umrichterstränge 330, 340 um 180 Grad voneinander versetzt moduliert werden. Während diesem Modus fließt Strom durch den Motorstrang 306, der dem ausgeschalteten Umrichterstrang 350 entspricht, was dazu führt, dass der Strom durch den Motorstrang 306 und jeden anderen Umrichterstrang 330, 340 fließt, da die Umrichterstränge 330, 340 moduliert werden, um einen DC-Strom mit der angemessenen Stromcharakteristik zu erzeugen. In diesem Modus wird der Strom aus dem zweiten Batteriepack 120 durch den Schalter 326 geleitet und fließt durch den dritten Motorstrang 306 des Motors 20, 21 in jeden der anderen Motorstränge 302, 304 des Motors 20, 21. Die Energie wird durch die Umrichterstränge 330, 340 geleitet und für das erste Batteriepack 102 bereitgestellt.
Im Beispiel des Delta-Motors ist es in einigen Beispielen vorteilhaft, sicherzustellen, dass der Motorstrang, der während des DC-DC-Motors nicht betrieben wird, der Motorstrang ist, der den in Reihe geschalteten Batteriepacks 402, 404 physisch am nächsten ist. In einigen Konfigurationen befindet sich dieser Motorstrang zwischen den in Reihe geschalteten Batteriepacks 402, 404 und den anderen Motorsträngen. Das Nutzen des Motorstrangs, der den Batteriepacks 402, 404 physisch am nächsten ist, stellt eine thermische Trennung zwischen den Batteriepacks 402, 404 und den in Betrieb befindlichen Motorsträngen bereit, minimiert so die Gefahr von übermäßiger Erwärmung.
In einigen Fällen können die Batteriepacks mit unterschiedlicher Chemie in Reihe zwischen einem positiven Bus und einem negativen Bus angeordnet sein. Solche Beispiele sind in 5 und 6 dargestellt, wobei 5 einen verbundenen Y-Motor 20, 21 darstellt, und 6 einen verbundenen Delta-Motor 20, 21 darstellt. Die in 5 und 6 veranschaulichten Umrichterstränge 530, 540, 550 sind identisch angeordnet, wie die in 3 und 4 veranschaulichten.
Unter Bezugnahme auf 5 sind die zwei Sätze von Batteriepacks 102, 104 spezifisch über eine positive Busschiene 130 und eine negative Busschiene 132 in Reihe geschaltet, wobei ein positiver Pol des zweiten Batteriepacks 104 mit einem negativen Pol des ersten Batteriepacks 102 an einem Batteriepack-Verbindungsknoten 592 verbunden ist. Der Batteriepack-Knoten 592 ist über einen Schalter 594 mit einem Neutralknoten 103 des Motors 20, 21 verbunden. Während die Umrichterstränge 530, 540, 550 im DC-DC-Wandlermodus betrieben werden, ist der Schalter 594 geschlossen, wodurch ein Stromzirkulationsweg zwischen den Batteriepacks 102, 104 erzeugt wird, wobei jeder Motorstrang 502, 504, 506 des Motors 20, 21 die interne Stranginduktivität bereitstellt und die Schalter des entsprechenden Umrichterstrangs 530, 540, 550 (wobei der Motorstrang 502 dem Umrichterstrang 530, der Motorstrang 504 dem Umrichterstrang 540 und der Motorstrang 50 dem Umrichterstrang 550 entspricht) um 120 Grad voneinander versetzt moduliert werden. Die Stromzirkulation zwischen den Batteriepacks 102, 104 in diesem Modus gleicht die Ladung in jedem Batteriepack 102, 104 aus, und der Modus kann während oder nach dem seriellen Laden der Batteriepacks 102, 104 verwendet werden.
Unter weiterer Bezugnahme auf 1-5 veranschaulicht 6 schematisch die in Reihe geschalteten Batteriepacks 102, 104 mit einem Motor 20, 21, der eine Delta-Schaltungskonfiguration anstatt einer Y-Schaltungskonfiguration aufweist. In der Delta-Konfiguration ist der Batteriepack-Knoten 592 mit einem der Motorstränge 502 verbunden. Wenn der Schalter 594 geschlossen ist, während die Schalter in jedem Strang 530, 540, 550 des Umrichters 110 als DC-DC-Wandler betrieben werden, erzeugt der Schalter 594 einen Stromzirkulationsweg von der zweiten Batterie 104 durch den ersten Motorstrang 502 und in jeden vom zweiten und dritten Motorstrang 504, 506, dann zurück in das erste Batteriepack 102. Jeder vom zweiten und dritten Motorstrang 504, 506 wird mit einer Phasenverschiebung moduliert, die vom anderen Elektromotoren Strang 504, 506 um 180 Grad versetzt ist, um zu gewährleisten, dass sich der Motor 20, 21 nicht dreht. Während der Schalter 594 geschlossen ist (Strom durchlässt), gleicht sich das Ladeniveau zwischen den zwei Batteriepacks 102, 104 aus.
In jedem der vorstehend genannten Beispiele sind die Batteriepacks 102, 104 mit unterschiedlicher Chemie als einzelne Batteriepacks veranschaulicht. Es versteht sich, dass jedes einzelne Batteriepack 102, 104 durch einen Satz seriell angeordneter Teilbatteriepacks ersetzt werden kann, vorausgesetzt, jedes seriell angeordnete Teilbatteriepack umfasst eine identische Chemie wie jedes andere seriell angeordnete Teilbatteriepack im Batteriepack 102, 104. In einigen Fällen können die Teilbatteriepacks eine identische Speicherkapazität aufweisen. In anderen Beispielen können die Teilbatteriepacks unterschiedliche Speicherkapazitäten aufweisen. In jeder Konfiguration ist die Gesamtkapazität des Batteriepacks 102, 104 die Summe der Kapazitäten der Teilbatteriepacks.
Es folgen spezifische beispielhafte Steuerungsschemata für einen Y-Nierpolmotor 20, 21 (3 und 5).
Unter fortgesetzter Bezugnahme auf 3 und 5 (Vierpolmotoren 20, 21) umfasst das Steuern des Multilevel-Umrichters 110 als DC-DC-Wandler das Bereitstellen eines ersten Steuersignals für den ersten Transistor X1, X5, X9 und den zweiten Transistor X2, X6, X10 jedes Umrichterstrangs 330, 530, 340, 540, 350, 550, wobei das erste Steuersignal für den ersten Transistor X1, X5, X9 umgerichtet wird. Ein zweites Steuersignal wird für den dritten Transistor X3, X7, X11 und den vierten Transistor X4, X8, X12 bereitgestellt, wobei das zweite Steuersignal für den dritten Transistor X3, X7, X11 jedes Umrichterstrangs 330, 530, 340, 540, 350, 550 umgerichtet wird. Das erste Steuersignal wird mit einer Pulsweitenmodulation moduliert, um den DC-DC-Wandlerbetrieb unter Verwendung der ersten und zweiten Transistoren X1, X2, X5, X6, X9, X10 zu erreichen, wobei jeder Umrichterstrang 330, 530, 340, 540, 350, 550 von jedem anderen Umrichterstrang 330, 530, 340, 540, 350, 550 um 120 Grad phasenverschoben ist. Die Modulation des ersten und zweiten Steuersignals erfolgt gemäß dem typischen Betrieb eines dreiphasigen DC-DC-Wandlers.
Es folgt ein spezifisches beispielhaftes Steuerungsschema für einen Delta-/Dreipolmotor 20, 21 (4 und 6).
Unter fortgesetzter Bezugnahme auf 4 und 6 (Vierpolmotoren 20, 21) umfasst das Steuern des Multilevel-Umrichters 110 als DC-DC-Wandler das Bereitstellen eines ersten Steuersignals für den ersten Transistor X1, X5, X9 und den zweiten Transistor X2, X6, X10 von jedem des ersten und zweiten Umrichterstrangs 340, 540, 350, 550, wobei das erste Steuersignal für den zweiten Transistor X1, X5, X9 umgerichtet wird. Ein zweites Steuersignal wird für den dritten Transistor X7, X11 und den vierten Transistor X8, X12 des ersten und zweiten Inverterstrangs 240, 350, 530, 550 bereitgestellt, wobei das zweite Steuersignal für den vierten Transistor X8, X12 jedes des ersten und zweiten Inverterstrangs 340, 540, 350, 550 umgerichtet wird. Die ersten Steuersignale und die zweiten Steuersignale steuern einen offenen/geschlossenen Zustand des ersten, zweiten, dritten und vierten Transistors X5, X6, X7, X8, X9, X10, X11, X12 des entsprechenden Umrichterstrangs 304, 504 über Pulsbreitenmodulation (PWM). Die Modulation der Steuersignale für den ersten und zweiten Umrichterstrang 340, 540, 350, 550 ist vom jeweils anderen Umrichterstrang 340, 540, 350, 550 um 180 Grad phasenverschoben.
Zusätzlich wird im Dreipolbeispiel ein drittes Steuersignal an für den ersten, zweiten, dritten und vierten Transistor X1, X2, X3, X4 des dritten Umrichterstrangs 530 bereitgestellt. Das dritte Steuersignal schaltet den ersten, zweiten, dritten und vierten Transistor X1, X2, X3, X4 für die Dauer der Steuerung des Multilevel-Umrichters als DC-DC-Wandler auf Aus.
Die Systeme von 2-6 veranschaulichen eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Bereitstellen von bidirektionaler Stromübertragung zwischen Batteriepacks 102, 104 mit gemischter Chemie (z. B. eine Mischung aus Energie- und Strompacks/-modulen, Brennstoffzellen- und Li-Ionen-Packs) unter Verwendung eines Multilevel-T-Typ-Umrichter-Antriebssystems als DC-DC-Wandler (unter Verwendung eines nicht drehenden Motors und eines Multilevel-Umrichters während Dauerbetrieb oder eines nicht drehenden Motors und eines Multilevel-Umrichters während eines stationären Zustands). Beim Betrieb als DC-DC-Wandler wirken die Induktivitäten der Maschinenwicklung jedes Motorstrangs 302, 304, 306, 502, 504, 506 des nicht drehenden Motors 20, 21 zusammen mit dem jeweiligen Umrichterstrang 330, 340, 350, 530, 540, 550 als synchronisierter oder verschachtelter zweiphasiger Multilevel-Aufwärtswandler (DC-DC-Wandler), wobei die Wicklungsinduktivität des dritten Motorstrangs eine zusätzliche Verstärkungs- und Filterungsaktion bereitstellt.
Die hierin verwendeten Bezeichnungen „erster“, „zweiter“ und „dritter“ Umrichterstrang sind willkürliche Bezeichnungen zum Unterscheiden der Funktionen der Umrichterstränge 330, 340, 35, 530, 540 und 550 und implizieren keine unbestimmten Positions- oder Betriebsparameter.
Ein neues Steuerungsschema wird für den Betrieb des Multilevel-Umrichters im DC-DC-Modus in die Motorsteuerung integriert. Das Steuerungsschema steuert einen EIN/AUS-Zustand, um den Stromfluss in beide Richtungen durch den nicht drehenden Motor und den Multilevel-Umrichter zu steuern. Ein Ladeanschluss kann zum kontinuierlichen Laden eines der beiden Batteriepacks verwendet werden, und der DC-DC-Wandlermodus kann zum gleichzeitigen Laden des ersten Batteriepacks über einen Ladeanschluss und des zweiten Batteriepacks über das erste Batteriepack unter Verwendung des DC-DC-Modus des Multilevel-Umrichter-Motorsystems verwendet werden. In einigen Beispielen handelt es sich bei den Schaltern im Multilevel-Umrichter um Bipolartransistoren mit isolierter Steuerelektrode (IGBTs, insulated gate bipolar transistors) und antiparallelen Dioden oder Si/SiC/GaN-Feldeffekttransistoren (FETs). In einigen Beispielen ist das neue Steuerungssystem vollständig softwarebasiert und kann nachträglich zu bestehenden Steuerungen hinzugefügt werden, ohne dass ein Austausch oder Neukonfigurieren von Teilen erforderlich ist. In einigen Beispielen könnten bestimmte Schalter X3, X4, X7, X8, X11, X12 für jeden Umrichterstrang durch rückwärtssperrende Antiserien-IGBTs oder MOSFETs ersetzt und angemessen gesteuert werden. Diese Schalter X3, X4, X7, X8, X11, X12 können alternativ als Hilfsschalter bezeichnet werden.
Die Konfiguration von Ladeausgleich oder Stromübertragung kann für Ladevorgänge für einen einzelnen Anschluss oder mit mehreren Anschlüssen verwendet werden. Alle (im Falle eines Vierpolmotors) oder ausgewählte (im Falle eines Dreipolmotors) Phasen werden unter Verwendung einer Logik mit vorbestimmter Phasenverschiebung (z. B. 180 Grad bei einem Vierpolmotor oder 120 Grad bei einem Dreipolmotor) von jeder anderen Phase moduliert. Die Phasenverschiebung wird unter Verwendung einer Pulsbreitenmodulations (PWM)-Steuerung der internen Schalter erreicht. Das Tastverhältnis und die Phasenbeziehung zwischen den internen Schaltern werden so gewählt, dass die Aufwärts- oder Abwärtsfunktion des DC-DC-Wandlers mit einem Stromfluss in der gewünschten Richtung (z. B. vom ersten Batteriepack zum zweiten Batteriepack) erreicht und gleichzeitig ein Kurzschluss des Hauptbusses vermieden wird. Die PWM-Frequenz, das Tastverhältnis und die Phasenverschiebung zwischen den schaltenden Umrichtersträngen sind Funktionen der Ladeleistung und der Stromwelligkeit, die während des Ladevorgangs erreicht werden sollen, und können von einem Fachmann auf dem Gebiet bestimmt werden.
In einem Beispiel mit in Reihe angeordneten Batteriepacks (z. B. 5 und 6) werden ein Multilevel-T-Typ-Umrichter 110 und die entsprechenden Motorwicklungen 502, 504, 506) des Motors 20, 21 verwendet, um den Ladezustand von zwei Batteriepacks 102, 104 während oder nach der Serienladung aktiv auszugleichen. Das zweite Batteriepack 102 wird kontinuierlich geladen, bis die Differenz der Ladezustände der zwei Batteriepacks 102, 104 kleiner als ein vordefinierter Schwellenwert ist. Bei einem Beispiel einer Vierpolmaschine wird ein Schalter verwendet, um den Mittelpunkt der Batterie und den Sternpunkt der Vierpolwickelmaschine zu verbinden. Ein Beispiel für eine Dreipolmaschine verwendet einen Schalter, um den Mittelpunkt der Batteriepacks und einen Strangpol einer Dreipolmaschine zu verbinden.
Bei einer Variante des Dreipolmotors kann der inaktive Umrichterstrang des Umrichters 110 mit speziellen Schaltern aus der Schaltung herausgeschaltet werden, anstatt die Transistoren so zu steuern, dass sie innerhalb des inaktiven Umrichterstrangs offengehalten werden.
8 veranschaulicht ein solches Beispiel, während 7 ein Beispiel für eine Kondensatormontagekonfiguration veranschaulicht, die in einer Ausführungsform der in 8 dargestellten Variante verwendet werden kann. Strukturell weicht das Beispiel von 8 von demjenigen in 4 dadurch ab, dass der positive DC-Bus 130 und der negative DC-Bus 132 eine geschaltete Verbindung 670 (dargestellt über das Teildiagramm 680) umfassen, die so konfiguriert ist, dass einer der Umrichterstränge 620, 630, 640 (620 in der dargestellten Konfiguration) vom positiven DC-Bus 130 unter Verwendung eines ersten Schalters 672 für eine Dauer des Betriebs als DC-DC-Wandler getrennt wird.
Ein zweiter Schalter 674 trennt einen Rücklaufknoten 660 des Umrichterstrangs 620 vom Rücklaufknoten 660 jedes der anderen Umrichterstränge 640, 650 für eine Dauer des Betriebs als DC-DC-Wandler. Der erste Schalter 672 und der zweite Schalter 674 können das gleiche Steuersignal empfangen und befinden sich immer im gleichen Zustand. Zusätzlich verbindet ein dritter Schalter 676 den Rücklaufknoten 660 des Umrichterstrangs 630 mit dem positiven Pol der Batterie 102 für die Dauer des Betriebs als DC-DC-Wandler. Diese Schaltanordnung ermöglicht, dass der Strom von der Batterie 102 durch den ersten Umrichterstrang 630 zum Motorinduktor 602 fließt, die dem ersten Umrichterstrang 630 entspricht, und dann durch den Motor zu den zwei anderen Umrichtersträngen 640, 650, die als DC-DC-Wandler arbeiten.
Wie bei den Beispielen in 4 und 6 wird der Umrichter 110 als zweiphasiger DC-DC-Wandler betrieben, wobei die zwei anderen Umrichterstränge 530, 540 um 180 Grad versetzt moduliert sind. In diesem Modus werden der zweite und dritte Umrichterstrang 540, 550 moduliert, um einen DC-Strom mit der entsprechenden Stromcharakteristik zu erzeugen. Eine Kondensatorhalterung 700 ist in 7 dahingehend veranschaulicht, dass sechs Kondensatoren 702 auf drei parallelen Busschienenplatten 704, 706, 708 montiert sind. Die Konfiguration der Kondensatorhalterung von 7 mit sechs Kondensatoren 702 minimiert die Schleifeninduktivität und verbessert die Leistung beim Betrieb im DC-DC-Wandlermodus.
In einigen Beispielen können mehrere Multilevel-Umrichtereinheiten verwendet werden, um den Strom zu teilen, der an ein anderes Pack übertragen wird. Darüber hinaus kann ein N-Level-Umrichter eingesetzt werden, um die Spannungs- und Wärmespannungen im DC-DC-Betrieb weiter zu reduzieren. Das Steuerschema für diese Funktion umfasst eine kontinuierliche Überwachung des Batterie-SOC und der Energie, um den Ladestrom abzuschalten und die Abschaltung der Schütze/Schalter zu befehlen. Die Hochspannungsleitungen können zusätzliche Spannungs- und/oder Stromsensoren/Pyrosicherungen zur Diagnose und Sicherheit dieser Hochspannungsleitung aufweisen. Die jedem Pack zugeordneten Hauptschütze können auch eine Vorladevorrichtung umfassen, die parallel zu einem Hauptschütz ist.
Die Begriffe „ein/e/r/s“ bedeuten keine Mengenbegrenzung, sondern bezeichnen das Vorhandensein von mindestens einem der genannten Gegenstände. Der Begriff „oder“ bedeutet „und/oder“, sofern sich aus dem Kontext nicht eindeutig etwas anderes ergibt. Wenn in der gesamten Beschreibung von „einem Aspekt“ die Rede ist, bedeutet dies, dass ein bestimmtes Element (z. B. ein Merkmal, eine Struktur, ein Schritt oder eine Eigenschaft), das im Zusammenhang mit dem Aspekt beschrieben wird, in mindestens einem der hierin beschriebenen Aspekte umfasst ist, und in anderen Aspekten vorhanden sein kann oder nicht. Zusätzlich versteht sich, dass die beschriebenen Elemente in den verschiedenen Aspekten auf jede geeignete Weise kombiniert werden können.
Wenn ein Element wie eine Schicht, ein Film, ein Bereich oder ein Substrat als „auf“ einem anderen Element liegend bezeichnet wird, kann es direkt auf dem anderen Element liegen oder es können auch dazwischenliegende Elemente vorhanden sein. Im Gegensatz dazu gibt es keine dazwischenliegenden Elemente, wenn ein Element als „direkt auf“ einem anderen Element liegend bezeichnet wird.
Sofern hierin nicht anders angegeben, sind alle Prüfnormen die neueste Norm, die am Anmeldetag dieser Anmeldung in Kraft ist, oder, wenn eine Priorität beansprucht wird, der Anmeldetag der frühesten Prioritätsanmeldung, in der die Prüfnorm erscheint.
Sofern nicht anders definiert, haben die hierin verwendeten technischen und wissenschaftlichen Begriffe die gleiche Bedeutung, wie sie von einem Fachmann in der Technik, zu der diese Offenbarung gehört, allgemein verstanden wird.
Obwohl die vorstehende Offenbarung unter Bezugnahme auf beispielhafte Ausführungsformen beschrieben wurde, ist es Fachleuten in der Technik bekannt, dass verschiedene Änderungen vorgenommen und gleichwertige Elemente ersetzt werden können, ohne vom Anwendungsbereich davon abzuweichen. Zusätzlich können viele Änderungen vorgenommen werden, um eine bestimmte Situation oder ein bestimmtes Material an die Lehren der Offenbarung anzupassen, ohne von ihrem wesentlichen Umfang abzuweichen. Daher soll die vorliegende Offenbarung nicht auf die besonderen offenbarten Ausführungsformen beschränkt sein, sondern alle Ausführungsformen umfassen, die in ihren Umfang fallen.

Claims

Fahrzeugsystem, umfassend; ein erstes Batteriepack, das mit einem zweiten Batteriepack über einen T-Typ-Multilevel-Umrichter verbunden ist, der eine Mehrzahl von Umrichtersträngen aufweist, wobei jeder Umrichterstrang in einer T-Typ-Topologie angeordnet ist; einen Motor, der mit dem T-Typ-Multilevel-Umrichter verbunden ist. eine Steuerung, die mit dem Motor und dem T-Typ-Multilevel-Umrichter verbunden ist, wobei die Steuerung einen Speicher umfasst, der Anweisungen speichert, die so konfiguriert sind, dass sie die Steuerung veranlassen, den T-Typ-Multilevel-Umrichter als Gleichstrom (DC)-DC-Wandler zu steuern, sodass ein Umlaufstrom durch den Motor, das erste Batteriepack und das zweite Batteriepack geleitet wird.
Fahrzeugsystem nach Anspruch 1, wobei jeder Umrichterstrang des T-Typ-Multilevel-Umrichters einen ersten Transistor, der einen positiven Knoten mit einem entsprechenden AC-Ausgangsknoten verbindet, einen zweiten Transistor, der den entsprechenden AC-Ausgangsknoten mit einem niedrigen Knoten verbindet, ein Paar von dritten und vierten Transistoren umfasst, die den entsprechenden AC-Ausgangsknoten mit einem Mittelpunkt eines Paares von DC-Zwischenkreiskondensatoren verbinden; und wobei jede Phase des Motors mit einem entsprechenden Strang des T-Typ-Multilevel-Umrichters verbunden ist.
Fahrzeugsystem nach Anspruch 2, wobei der Motor ein Vierpolmotor ist, und wobei das Steuern des T-Typ-Multilevel-Umrichters als DC-DC-Wandler umfasst: Bereitstellen eines ersten Steuersignals für den ersten Transistor und den zweiten Transistor jedes Umrichterstrangs, wobei das erste Steuersignal für den zweiten Transistor jedes Umrichterstrangs umgerichtet wird; Bereitstellen eines zweiten Steuersignals für den dritten Transistor und den vierten Transistor jedes Umrichterstrangs, wobei das zweite Steuersignal für den vierten Transistor umgerichtet wird; und wobei das erste Steuersignal mit einer dreiphasigen DC-DC-Wandler-Pulsbreitenmodulation (PWM) moduliert wird, wobei die PWM jedes Umrichterstrangs von jedem anderen Umrichterstrang um 120 Grad phasenverschoben ist.
Fahrzeugsystem nach Anspruch 2, wobei der Motor ein Dreipolmotor ist, und wobei das Steuern des Multilevel-Umrichters als DC-DC-Wandler umfasst: für jeden eines ersten Umrichterstrangs und eines zweiten Umrichterstrangs Bereitstellen eines ersten Steuersignals für den ersten Transistor und den zweiten Transistor von jedem des ersten Umrichterstrangs und zweiten Umrichterstrangs, wobei das erste Steuersignal für den ersten Transistor jedes Umrichterstrangs umgerichtet wird; Bereitstellen eines zweiten Steuersignals für den dritten Transistor und den vierten Transistor des ersten Umrichterstrangs und zweiten Umrichterstrangs, wobei das zweite Steuersignal für den dritten Transistor von jedem des ersten und des zweiten Umrichterstrangs umgerichtet wird; wobei die ersten Steuersignale und die zweiten Steuersignale einen offenen/geschlossenen Zustand des ersten, zweiten, dritten und vierten Transistors der entsprechenden Phase über Pulsbreitenmodulation (PWM) steuern; und wobei das modulierte erste Steuersignal und das modulierte zweite Steuersignal in jedem Umrichterstrang gegenüber dem ersten modulierten Steuersignal und zweiten modulierten Steuersignal des anderen Strangs um 180 Grad phasenverschoben sind; wobei ein drittes Steuersignal dem ersten, zweiten, dritten und vierten Transistor eines dritten Umrichterstrangs zugeführt wird, das dritte Steuersignal den ersten, zweiten, dritten und vierten Transistor für eine Dauer der Steuerung des T-Typ-Multilevel-Umrichters als DC-DC-Wandler auf Aus setzt, wobei der dritte Umrichterstrang mit einem positiven Pol des ersten Batteriepacks verbunden ist.
Fahrzeugsystem nach Anspruch 1, wobei das erste Batteriepack und das zweite Batteriepack an einem oder beiden von einem negativen Batteriepol und einem positiven Batteriepol parallel geschaltet sind.
Fahrzeugsystem nach Anspruch 1, wobei das erste Batteriepack und das zweite Batteriepack über einen gemeinsamen Knoten in Reihe geschaltet sind.
Fahrzeugsystem nach Anspruch 6, wobei ein neutraler Knoten, der jede Phase des Motors verbindet, mit dem gemeinsamen Knoten des ersten Batteriepacks und des zweiten Batteriepacks verbunden ist.
Fahrzeugsystem nach Anspruch 6, wobei ein Phasenpol des Motors mit dem gemeinsamen Knoten der in Reihe geschalteten Batteriepacks verbunden ist, und wobei es sich bei dem Motor um einen Dreipolmotor handelt, und ein erster Umrichterstrang physisch näher am ersten Batteriepack und näher am zweiten Batteriepack angeordnet ist als jeder eines zweiten Umrichterstrangs und eines dritten Umrichterstrangs, und wobei der erste Umrichterstrang während des DC-DC-Wandlerbetriebs mit einem positiven Pol des Batteriepacks verbunden ist.
Fahrzeug nach Anspruch 2, wobei es sich bei dem Motor um einen Dreipolmotor handelt und wobei ein erster Strang der Mehrzahl von Umrichtersträngen über einen ersten Schalter mit einem positiven DC-Bus verbunden ist, ein neutraler Rückleitungsknoten des ersten Umrichterstrangs über einen zweiten Schalter mit einem Nullleiter verbunden ist, und über einen dritten Schalter mit einem positiven Pol des ersten Batteriepacks verbunden ist.
Fahrzeugsystem nach Anspruch 2, wobei das erste Batteriepack mindestens einen ersten Satz von Stromzellen und einen zweiten Satz von Stromzellen umfasst, die mit dem ersten Satz von Stromzellen am niedrigen Knoten verbunden sind.