DE202005021974U1 - DC / DC converter module - Google Patents
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Abstract
DC/DC-Wandler-Modul zur bidirektionalen Transformation von Gleichspannungen, bestehend aus zwei mittels Klemmen verbundenen Leistungsteilen die mit einem Transformator gekoppelt sind, wobei jedes Leistungsteil eine Schaltung ausweist, die der Veränderung des Stromimpulses dient und hierzu elektrisch mit einer Steuerung/Regelung verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerung/Regelung (5) mit einem Microcontroller (6) elektrisch verbunden ist und der Microcontroller (6) zwecks permanenter Messung der Spannungen und Ströme elektrische Verbindungen zu den Leistungsteilen (2; 4) hat und jedes Leistungsteil (2; 4) vier in einer Brückenschaltung angeordnete Transistoren-Dioden-Paare besitzt und so eine in der Steuerung/Regelung (5) integrierte Peak-Current-Mode-Ansteuerung wirksam macht.DC / DC converter module for bidirectional transformation of DC voltages, consisting of two power units connected by terminals that are coupled to a transformer, each power unit identifying a circuit that serves to change the current pulse and is electrically connected to a control system , characterized in that the open-loop / closed-loop control (5) is electrically connected to a microcontroller (6) and the microcontroller (6) has electrical connections to the power units (2; 4) for the purpose of permanent measurement of the voltages and currents, and each power unit (2 ; 4) has four transistor-diode pairs arranged in a bridge circuit and thus makes a peak current mode control integrated in the control / regulation (5) effective.
Description
Die Erfindung betrifft ein DC/DC-Wandler-Modul, das z. B. für eine ortsunabhängige Stromversorgung/Ladestation, die unter Einsatz von PEM-Brennstoffzellen arbeitet, und deren Anwendung sich besonders für schwer zugängliche stationäre oder mobile Anlagen anbietet, eingesetzt werden kann. Es ist möglich, dieses Modul sowohl in elektronischen Geräten zu verwenden, bei denen kleinere Leistungen benötigt werden, so z. B. in Computern, Kleingeräten mit Prozessoren, als auch in Generatoren, beispielsweise in Fahrzeugen, wobei ein größerer Leistungsbedarf durch eine Parallelschaltung dieser Module abgedeckt werden kann.The invention relates to a DC / DC converter module, the z. B. for a location-independent power supply / charging station, which operates using PEM fuel cells, and their application is particularly suitable for inaccessible stationary or mobile equipment, can be used. It is possible to use this module both in electronic devices where smaller powers are needed, such. As in computers, small appliances with processors, as well as in generators, for example in vehicles, with a greater power requirement can be covered by a parallel connection of these modules.
Nach dem Stand der Technik ist aus
Zur Wandlung der Batteriespannung in Kraftfahrzeugen wird in
Die Schrift
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Ein DC/DC-Wandler mit einem Microcontroller offenbart die Schrift
Weiterhin ist aus dem Stand der Technik bekannt, dass bei unidirektionalen DC/DC-Wandlern ein Einsatz der so genannten Peak-Current-Mode-Ansteuerung erfolgen kann. Dabei wird der Strom durch die Glättungs- bzw. Speicherdrossel erfasst und mit einem Sollwert verglichen. Zu Beginn eines Schaltzyklusses wird der Leistungstransistor eingeschaltet, sodass der Drosselstrom steigt. Überschreitet der Drosselstrom den Sollwert, so wird der Leistungstransistor abgeschaltet, sodass der Drosselstrom wieder fällt. Diese Ansteuermethode eignet sich sowohl für Flusswandler als auch für Sperrwandler. Für bidirektionale DC/DC-Wandler werden dementgegen Pulsbreitenmodulatoren verwendet. Nachteilig sind hier schlechte dynamische Eigenschaften der Stromregelung und die Notwendigkeit eines Sättigungsschutzes bei Verwendung eines Transformators.Furthermore, it is known from the prior art that in the case of unidirectional DC / DC converters it is possible to use the so-called peak-current-mode control. The current is detected by the smoothing or storage choke and compared with a setpoint. At the beginning of a switching cycle, the power transistor is turned on, so that the inductor current increases. If the inductor current exceeds the setpoint value, the power transistor is switched off so that the inductor current drops again. This control method is suitable for both flux transformers and flyback converters. For bidirectional DC / DC converters pulse width modulators are used accordingly. Disadvantages here are poor dynamic properties of the current regulation and the need for saturation protection when using a transformer.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Modul zu schaffen, das Gleichströme bidirektional zwischen zwei Klemmenpaaren übertragen kann, die unterschiedliche Spannungen haben. Die Spannung an jedem Klemmepaar soll konstant gehalten werden und zudem einstellbar sein. Der Stromfluss darf dabei ein Maximum nicht überschreiten und soll den eingestellten Sollwerten entsprechen. Des Weiteren sollen die Betriebsparameter über ein digitales Interface einstellbar und auswertbar sein.The invention has for its object to provide a module that can transmit DC currents bidirectionally between two pairs of terminals that have different voltages. The tension on each pair of clamps should be kept constant and also be adjustable. The current flow must not exceed a maximum and should correspond to the set reference values. Furthermore, the operating parameters should be adjustable and evaluable via a digital interface.
Die Aufgabe der Erfindung wird mit einem DC/DC-Wandler-Modul gemäß dem Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben.The object of the invention is achieved with a DC / DC converter module according to
Nach Maßgabe der Erfindung ist vorgesehen, dass ein DC/DC-Wandler-Modul zur bidirektionalen Transformation von Gleichspannungen, aus zwei Leistungsteilen, wobei beide Leistungsteile mittels eines Transformators gekoppelt sind und das erste Leistungsteil mit einer ersten Klemme und das zweite Leistungsteil mit einer zweiten Klemme verbunden ist. Jedes Leistungsteil sollte eine elektrische Verbindung zu der Steuerung/Regelung haben und Letztere eine Schaltung ausweisen, die der Veränderung des Stromimpulses dient.According to the invention, it is provided that a DC / DC converter module for the bidirectional transformation of DC voltages from two power parts, wherein both power parts are coupled by means of a transformer and the first power part with a first terminal and the second power part with a second terminal connected is. Each power section should have an electrical connection to the controller, and the latter should have a circuit that serves to alter the current pulse.
Erfindungswesentlich ist, dass die Steuerung/Regelung mit einem Microcontroller elektrisch verbunden ist und der Microcontroller zwecks permanenter Messung der Spannungen und Ströme elektrische Verbindungen zu den Leistungsteilen hat. Jedes Leistungsteil besitzt vier in einer Brückenschaltung angeordnete Transistoren-Dioden-Paare und macht so eine in der Steuerung/Regelung integrierte Peak-Current-Mode-Ansteuerung wirksam. Vorzugsweise sind bei dem DC/DC-Wandler-Modul die Klemmen galvanisch getrennt und mindestens ein Leistungsteil, hat eine Vorrichtung zur Begrenzung des maximalen Stromes. Weiterhin hat der Microcontroller mindestens vorteilhafterweise einen AD-Converter zum Messen von Ist-Betriebsdaten und mindestens einen DA-Converter zum Einstellen von Soll-Betriebsdaten. In dem Microcontroller ist ein Interface zum digitalen Datenaustausch integriert, über das die Betriebsdaten (Soll/Ist) des Moduls eingestellt und ausgewertet werden. Das Interface ist – wie auch zwei analoge Steuereingänge – galvanisch getrennt.Essential to the invention is that the control / regulation is electrically connected to a microcontroller and the microcontroller for the purpose of permanent measurement of the voltages and currents has electrical connections to the power parts. Each power section has four transistor-diode pairs arranged in a bridge circuit, thereby effecting a control mode control of the peak current mode. Preferably, in the DC / DC converter module, the terminals are galvanically isolated and at least one power section has a maximum current limiting device. Furthermore, the microcontroller has at least advantageously an AD converter for measuring actual operating data and at least one DA converter for setting desired operating data. In the microcontroller, an interface for digital data exchange is integrated, via which the operating data (setpoint / actual) of the module are set and evaluated. The interface is - as well as two analogue control inputs - galvanically isolated.
Der maßgebliche Vorteil der Erfindung ist, dass wesentliche Betriebsparameter (Soll/Ist) über ein digitales Interface austauschbar sind. Zudem führt der Microcontroller eigenständig modulinterne komplexe Steuervorgänge zu den einstellbaren Betriebsparametern Spannungen, Stromfluss und Maximalstrom durch. Das dadurch optimierte Zeitverhalten wird des Weiteren durch die Peak-Current-Mode-Ansteuerung gesteigert; Letztere wird vorteilhafterweise im bidirektionalen Betrieb eingesetzt. Die damit möglichen schnellen Mess- und Steuerverfahren lassen, in Kombination mit dem Leistungsvermögen des Microcontrollers, die Einstellung und Auswertung von Stromänderungsraten nach der Zeit zu (di/dt). In Folge dessen wird ein Wirkungsgrad des DC/CD-Wandler-Moduls von 90% erreicht.The significant advantage of the invention is that essential operating parameters (nominal / actual) are interchangeable via a digital interface. In addition, the microcontroller independently performs complex module-internal control operations to the adjustable operating parameters of voltages, current flow and maximum current. The thus optimized time response is further enhanced by the peak current mode control; The latter is advantageously used in bidirectional operation. The resulting fast measuring and control methods, in combination with the performance of the microcontroller, allow the setting and evaluation of power change rates over time (di / dt). As a result, the efficiency of the DC / CD converter module of 90% is achieved.
Das DC/DC-Wandler-Modul erfüllt damit optimale Voraussetzungen, in einem DC/DC-Wandler-Gerät eingesetzt zu werden. Auf Grund der o. g. Vorteile des DC/DC-Wandler-Moduls können mehrere einzelne Module parallel und in einfacher Weise auf einen sogenannten DC-BUS mit konstanter Spannung aufgeschaltet werden; hierfür lassen sich mittels eines gerätinternen Microcontrollers die Betriebsdaten der DC/DC-Wandler-Module über die digitale Kopplung einstellen und auswerten. The DC / DC converter module thus fulfills optimum conditions for being used in a DC / DC converter device. Due to the above advantages of the DC / DC converter module several individual modules can be connected in parallel and in a simple manner to a so-called DC-BUS with constant voltage; For this purpose, the operating data of the DC / DC converter modules can be adjusted and evaluated via the digital coupling by means of a device-internal microcontroller.
Dem so geschaffenen DC/DC-Wandler-Gerät ist es möglich, sich sofort auf einen wechselnden Leistungsbedarf am Verbraucherausgang einzustellen und dementsprechend elektrische Größen an Ein- und Ausgängen so zu regeln, dass beispielsweise Spannungen konstant gehalten werden und die beanspruchte Leistung des Verbrauches in Form eines geregelten Strombedarfs an den Erzeugereingang weitergeleitet wird. Darüber hinaus können Erzeuger und Verbraucher ohne zusätzliche Schaltungen an dieses Gerät angeschlossen werden. Der gerätinterne Microcontroller erlaubt sowohl eine flexible Anpassung an spezifische Erzeuger und Verbraucher, als auch eine problemlose Kopplung mit weiteren gleichen Geräten, sodass sich ein Energie-Management-System mit mehreren unterschiedlichen Erzeugern aufbauen lässt.The thus created DC / DC converter device, it is possible to immediately adjust to an alternating power requirement at the consumer output and accordingly electrical variables at inputs and outputs to regulate so that, for example, voltages are kept constant and the power consumption of the form a regulated power requirement is forwarded to the generator input. In addition, producers and consumers can be connected to this unit without additional circuitry. The on-board microcontroller allows for flexible adaptation to specific producers and consumers, as well as easy coupling with other identical devices, so that an energy management system can be set up with several different generators.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungs- und Anwendungsbeispieles näher erläutert.The invention will be explained in more detail with reference to an embodiment and application example.
Hierzu zeigt
Aus
Mittels
Die
Schließlich zeigt
Das Blockschaltbild gemäß
Hier ist also vorgesehen, dass fünf DC/DC-Wandler-Module
Die maximale umsetzbare elektrische Leistung hängt von den DC/DC-Wandler-Modulen
Die Microcontroller-Steuerung leistet dabei folgendes:
- • Aufnahme der (Ist-)Messwerte (Strom/Spannung) eines jeden DC/DC-Wandler-
Moduls 10 und Bestimmung der Änderungsraten, z. B. di/dt. - • Einstellung der Sollwerte (Strom/Spannung) in jedem DC/DC-Wandler-
Modul 10 - • Einstellung der Werte derart, dass die Spannungen in allen Kreisen konstant sind und nur noch Ströme variiert werden.
- • Ermittlung des Verbraucherbedarfs aus den Stromwerten und Nachregelung des Stromes auf der Erzeugerseite so, dass der Erzeuger (Brennstoffzelle) nicht überlastet oder zerstört wird und der Verbraucher die maximal zur Verfügung stehende Leistung bekommt.
- • Recording the (actual) measured values (current / voltage) of each DC /
DC converter module 10 and determining the rates of change, e.g. Eg di / dt. - • Setting the setpoints (current / voltage) in each DC /
DC converter module 10 - • Setting the values such that the voltages in all circuits are constant and only currents are varied.
- • Determination of the consumer demand from the current values and readjustment of the current the producer side so that the producer (fuel cell) is not overloaded or destroyed and the consumer gets the maximum available power.
Einzelne DC/DC-Wandler-Geräte können ohne Weiteres für ein optimales Energie-Management-System zu einer Einheit, die mehrere Einzelgräte umfasst, zusammen geschalten werden, so z. B. 5 der beschriebenen DC/DC-Wandler-Geräte kombiniert, für Erzeuger wie z. B. Brennstoffzelle, Fotovoltaik, Elektrolyseur, Akku-Systeme und AC-Lasteinspeisungen.Individual DC / DC converter devices can be readily combined to form a single multi-element unit for an optimal power management system. B. 5 of the described DC / DC converter devices combined, for producers such. As fuel cell, photovoltaic, electrolyzer, battery systems and AC load power supplies.
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 11
- Klemmeclamp
- 22
- Leistungsteilpower unit
- 33
- Klemmeclamp
- 44
- Leistungsteilpower unit
- 55
- Steuerung/RegelungControl / regulation
- 66
- Microcontrollermicrocontrollers
- 77
- Interfaceinterface
- 88th
- Anschluss für Strom-/SpannungserzeugerConnection for current / voltage generator
- 99
- Anschluss für Strom-/SpannungsverbraucherConnection for current / voltage consumers
- 1010
- DC/DC-WandlerDC / DC converter
- 1111
- DC-BUSDC-BUS
- 1212
- SPI-VerbindungsleitungSPI connection line
- 1313
- Microcontrollermicrocontrollers
- 1414
- SPI (Serial Peripheral Interface)SPI (Serial Peripheral Interface)
- 1515
- Anschluss für DC-BUSConnection for DC-BUS
- 1616
- Interface zu anderen DC/DC-Geräten (RS485)Interface to other DC / DC devices (RS485)
- 1717
- Bedienteil (Tastatur, Display)Control panel (keyboard, display)
- 1818
- Interface zu PC (USB)Interface to PC (USB)
- 1919
- Anschlüsse und DC/DC-Wandler für HilfsspannungenConnections and DC / DC converters for auxiliary voltages
- 2020
- Anschluss für optionalen Strom-/SpannungserzeugerConnection for optional power / voltage generator
- 2121
- Mess- bzw. DatenleitungMeasuring or data line
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
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- DE 10063289 A1 [0006] DE 10063289 A1 [0006]
- DE 10103817 A1 [0007] DE 10103817 A1 [0007]
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R152 | Utility model maintained after payment of third maintenance fee after eight years |
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