CN107005156A - 用于运行直流电压转换器的方法 - Google Patents

Abstract

介绍了一种用于运行直流电压转换器的方法和装置（10）。在此，使用一种算法，该算法是线性MISO块。

Description

用于运行直流电压转换器的方法

技术领域

本发明涉及一种用于运行直流电压转换器的方法以及一种用于执行该方法的装置。

背景技术

也称作DC/DC转换器的直流电压转换器是如下电路，所述电路将在输入端上输送的直流电压转换成具有更高、更低或颠倒的电压水平的直流电压。在此，所述转化通常借助于一个周期性工作的开关和一个蓄能器或多个蓄能器来进行。

在机动车中，直流电压转换器尤其是用在多电压电网中，如所述多电压电网例如用在混合动力车辆中的那样。目前，在汽车工业中，在开发机动车中的混合驱动系统的情况下做出了密集的努力。通常，在汽车中的多电压电网中，存在用于常规耗电器的12V电网以及用于新一代耗电器的48V电网。从中得出在所述两个电网之间进行切换的必要性。对此，逆变转换器（英文Buck-Boost-Converter（降压升压转换器））已经被证明为合适的。

发明内容

在该背景下，介绍一种具有权利要求1的特征的方法以及一种按照权利要求7所述的装置。实施方式根据从属要求以及说明书得到。

在此介绍的方法和相对应的装置提供了一种软件解决方案，该软件解决方案满足了所有要求，在不使用硬件的情况下表现出足够的动态性能并且仅仅需要有限的计算能力。

所介绍的实现该方法的算法最初是作为快速反应的软件组件来开发的，以便调节机动车中的电直流电压转换器单元。在这种情况下需要的是：不仅保证电池的安全运行而且保证连接在直流电压转换器上的所参与的耗电器的安全运行。除了对输出电压和输出电流的调节以外，这还导致了严格的要求和限制。

该方法又尤其适合于所有电系统或技术系统，其中信号渡越时间至少是采样时间的十分之一，并且其中输入和输出参量的改变彼此具有直接的物理关联。

所开发的算法特别适合于：将输出电压和/或输出电流调节到所给定的目标值；限制输出电流；在使用唯一的线性调节器的情况下监控输入电压的最小水平和输入电流的最大水平，所述线性调节器不仅在电压控制模式下工作而且在电流控制模式下工作，而不存在对级联的模式调节器或被切换的模式调节器的需求。

该算法同时执行下列任务：

1.在进行电流限制的情况下调节输出电压，以便遵循目标值；

2.在输出电压的最小和最大水平之内调节输出电流，以便遵循目标值；

3.将输出电流限制到可变的水平，所述可变的水平有能力切换到电流调节模式，以便使目标值保持在输出电压的最小和最大水平之内；

4.通过降低输出电压来将输入电流限制到可变的水平；

5.通过防止输入电压下降到可变的最小水平之下来保护蓄电装置，其中输出功率被降低；

6.通过降低输出电压将在输入或输出侧的功率限制在可变的水平。

所介绍的方法的特点在于，通过所述算法只使用一个调节器，所述调节器是电压模式调节器。所述调节器的目标值利用故障信号的经处理的并且级联的值来修改。该解决方案的最终的结果是一种复杂地进行工作的、然而非常简单的代码。这是离散式线性MISO（Multiple Input Single Output（多输入单输出））块。所有极限值都可以通过该应用动态地来修改。

如果控制信号在每个控制模式下都相同，那么该架构可以是有用的。最大的优点在于，在系统到达不同的状态期间，调节器或控制器遵循在工作极限之间的线性传输特性，其中工作环境予以考虑。因而，该系统的过渡是线性和连续的，这改善了调节的稳定性和鲁棒性。此外，级联连接的缺少保证了总系统的更好的动态性能。关键要素是对输入的故障信号的转换和绑定（Bindung）。该方法可以与大多数类型的调节器一起使用。

所描述的方法例如与直流电压转换器结合地来使用，其中开关元件由时间控制的PWM发生器来操控。在此不使用硬件电流调节器。对于转换器来说，传递函数U_aus/U_ein必须是有效的。相互考虑的信号的渡越时间比采样时间快几个量级。由于比较长的采样时间，该系统不能被划分成在时间上不同地被适配的过程。

应考虑的是，自动化应用环境对转换器的电压调节器算法提出了高要求。所述调节器的主要要求对应于逆变转换器朝两个方向进行转换的要求。介绍了一种更高阶的时变非线性功率转换系统，所述功率转换系统在所有工作点都稳定地工作。

时变性由于传递函数与负载电阻的相关性，在电阻、电感、电容和功率晶体管中的非线性以及在输入和输出电压中的高的变化而存在。

此外，在所有工作点都提供了针对所耦合的功率电子装置的高动态性。在输入端和输出端上遵循电压和电流限制。功率得以保持。

此外，代码与有限的容量、渡越时间限制以及有限的采样率适配。因此，调节器必须以较小的采样率来工作。

该算法的作用方式原则上基于不同的输入和输出的紧密的并且简单的物理关联。这意味着，输入信号彼此间可以利用实际上的简单的数学函数来变换。

因此，介绍了一种自适应的、离散式MISO多功能算法，其具有一个单独的用于直流电压转换器的调节器。所开发的算法的特点在于，所述算法仅仅使用了一个简单的线性调节器。

本发明的其它优点和设计方案从说明书和随附的附图中得到。

易于理解的是，在上文提到的和在下文还要阐述的特征不仅能以分别说明的组合来使用，而且能以其它组合或单独地来使用，而不脱离本发明的保护范围。

附图说明

图1示出了装置的一个实施方式，

图2示出了用于进行输入电流限制的单元，

图3以曲线图示出了根据负载的频率响应，

图4以框图示出了多输入调节器。

具体实施方式

本发明依据附图中的实施方式示意性地予以示出，并且随后参考附图详细地予以描述。

图1示出了装置或控制器装置的结构，所述装置总体上用附图标记10来表示并且用于执行所介绍的方法。此外，该图还示出了直流电压转换器12，所述直流电压转换器12由所述装置10来操控。

此外，该图还示出了放大适配装置14、调节器16（尤其是电压调节器，在该情况下是PID调节器）、输出电流限制装置18、输入电流限制装置20、输入电压限制装置22。此外，还设置有用于进行负载识别的单元24、选择最小值的第一块28、选择最小值的第二块30以及实施了函数 ≥0的环节32。作为调节参量的是电压U_set 40、供电电压U_versorg 42、最大输出电流I_aus,max 44、最大供电电流I_versorg,max 46以及最小供电电压U_versorg,min 48。

直流电压转换器12的输出参量是电压U50和电流I52。直流电压转换器12的输入参量以及借此调定量（Stellgroesse）都是占空比54。

在借助于电压调节器16进行电压调节的范围内，在上文提到的转换器的情况下，占空比确定了输入电压与输出电压之比。作为调节的调定量的控制信号是占空比，所述占空比物理地确定了输入电压与输出电压之比。因而，所述调节与参考信号无关。调节功能一般是PID块。但是调节器类型可以改变。

在输出电流限制装置18的情况下，所应用的电流调节是一种间接方法，基于欧姆定律和电压调节。该算法估计直流电压转换器10的当前的欧姆负载，而且借此并且利用实际上的最大电流来产生电压值。如果该值小于当前的目标电压，则目标参量由下面的值代替：

（1），

（2）。

图2以框图阐明了在图1中用附图标记20表示的输入电流限制装置。该图示出了用于在最大输入电流方面的参数的输入端70和用于在最大输出电流方面的参数的输入端72。此外，还设置有用于占空比的输入端74，在输出端76上的参量是最大输出电流。此外，还示出了效率块80和选择最小值的块82。

有下式成立：

（3）。

通过充分利用进行切换的直流电压转换器，可以使限制方法扩展。转换器的电压比和以块80来表示的效率确定了输入电压与输出电压之比。因而，实际上的输入电流值可以容易地被转换到输出侧。在对两个值进行比较之后，较小的值被视为实际上的电流极限。

为了进行输入/输出功率限制，电流限制结构利用数学公式来扩展，以便观察功率极限值。在有些情况下需要输入或输出电压在最高工作区内。在这些情况下，输出功率可能会超过该单元的标称值并且导致过载情况，而不违反电流极限。

或 （4）

简单的Min()函数保证：所有计算出的值中的最低值将始终是有效的。

在电流控制模式下，在进行电流限制输出时，在模块中使用简单逻辑开关的情况下可以将所述结构切换到完全的功能电流调节模式，而且输入被预先给定目标电流值。

在监控输入电压水平（这在图1中通过块22来实现）时，应注意：在许多情况下，机动车的功率源未提供足够的功率，以便保持蓄能单元的电压水平。因而，转换器单元必须考虑在输入侧的电压的最小值，并且必须在考虑车辆功率管理装置的指令的情况下通过监控输出功率来保证最小输入电压水平。对于调节器来说，这是最复杂的情况。不过，对于这种情况来说同样存在对所述值的转换。为了提高系统的鲁棒性，将附加的辅助调节器连接到调节回路中。如果输入电压达到最小的水平并且形成反向调节回路，那么所述辅助调节器降低了主调节器的实际上的目标电压。

在并行工作修改器中，输入的修改信号的简单求和导致并行处理，更强烈的限制可以在相同的时间是有效的，但是该系统在没有花费高的进行确定的软件的情况下提供了最高可能的功率。

不同的限制器建立起该系统的物理行为的自然优先级顺序。

自然顺序是：

0.最大供电电流；

1.最大输出电流；

2.使输出电压或输出电流保持在目标值。

较低的阶数意味着较高的优先级。如果这是必需的，则该顺序可以被影响，其方式是，例如通过电流限制模式或者在电流控制装置中的开关来使用简单的决策逻辑电路，以便获得更灵活的应用。

在图1中通过块14实现的放大适配的情况下，经调节的系统强烈地取决于负载。线性调节器的缺点在于，其可能在围绕单个工作点的比较狭窄的范围内执行最大动态功率，而不冒不稳定的危险。作为对时变系统的挑战的回应，已经应用放大规划方法，以便考虑和补偿动态地进行改变的负载的宽范围的影响，在所述放大规划方法的情况下，对所述调节的放大的动态变化根据实际情况来观察。

放大规划表是依据测量数据来制订的。该方法提高了用于大数目的外部负载的闭合回路的鲁棒性。利用所述扩展，转换器不仅可以给断开的连接供电，而且可以给类似于短路的10毫欧的负载供电。图3阐述了传递函数如何根据负载来改变。应考虑的是，在实际应用中，主调节器是一个单独的积分器部件，这非常简单地构造了放大规划。

图3以图表示出了根据负载的频率响应。在此，上面绘出了大小[dB]而下面绘出了相位[deg]。在此，在不同的欧姆负载的情况下，在占空比的输入与到直流电压转换器的输出的占空比为30%的情况下，开始于0.025 O直至100 O以七个步骤绘出了该装置的开环特性。

如果系统该达到极限，则调节器开始线性地降低输出功率，以便监控在极限上的值，直至该值在物理上是可能的。如果运行条件在可监控范围之外，那么该装置必须进入故障安全状态。如果所述条件恢复正常，那么该装置借此继续无故障地工作。

所介绍的方法具有一系列优点。这样，软件调节保证了调节器在整个寿命期间的时不变性。由于贯穿始终的电压控制，在运行范围或工作点之间不存在过渡。通过自适应调节回路，实现了最大的动态性和稳定性。尽管硬件元件非线性，该方法仍然是稳定和鲁棒的。此外，代码大小是极其紧凑的。

该算法能简单地来调整、维护并且与其它装置适配。这导致开发时间的降低。对于其中控制信号在所有工作模式下都是相同的其它系统来说，所介绍的架构同样可以是有用的。此外，实现了透明并且灵活的代码。

图4以框图示出了具有多重输入端的调节器的理论信号流图。设置有：用于最大供电电流的第一输入端100；用于供电电流的第二输入端102；用于最小供电电压的第三输入端104；用于供电电压的第四输入端106；用于调节参量U_set的第五输入端108；用于最大输出电流的第六输入端110；用于输出电流的第七输入端112；用于关于是执行电压调节还是执行电流调节的选择信号的第八输入端114；用于输出电压的第九输入端116；以及用于所估计的负载的第十输入端118。

此外，还示出了集成在图1的块18中的输入电流限制装置130、根据来自图1的块22的输入电压限制装置132、以及根据图1的块18的输出电流限制装置134。

此外，该图还示出了饱和块140、142和144和关于电流限制/调节的选择开关146，所述饱和块140、142和144保证：输出保持在负范围内。此外，还示出了根据图1中的块14的放大适配装置150和根据图1中的块16的电压调节装置154。

并行工作得到故障的简单的相加。另一限制在相同的时间是有效的，这导致自然优先级，所述自然优先级由该系统的物理行为导致，所述方法是针对该系统来开发的。

自然顺序：

0.最小供电电压；

1.最大供电电流；

2.最大输出电流；

3.使输出电压或输出电流保持在目标值。

较低的阶数意味着较高的优先级。

如果这是必需的，那么该顺序可以被影响，其方式是，使用简单的仲裁逻辑电路、（例如在电流调节与电流限制模式之间的开关），以便获得更宽的蕴涵域。

Claims (9)

1.一种用于运行直流电压转换器（12）的方法，所述直流电压转换器（12）的输出电压被调节，其中，在算法的范围内使用调节器（16），所述调节器（16）是电压模式调节器并且输出占空比作为调定量，其中所述算法是线性MISO块。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，进行放大适配（14）。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其中，执行输出电流限制（18）。

4.根据权利要求1至3之一所述的方法，其中，执行功率限制。

5.根据权利要求1至4之一所述的方法，其中，使用PID调节器作为调节器（16）。

6.根据权利要求1至5之一所述的方法，所述方法与直流电压转换器（12）结合地使用，其中，开关元件由时间控制的PWM发生器来操控。

7.一种用于运行直流电压调节器（12）的装置，所述装置尤其是被设立为执行根据权利要求1至6之一所述的方法，其中，所述装置（10）实施如下算法，所述算法包括调节器（16），所述调节器（16）是电压模式调节器并且输出占空比作为调定量，其中所述算法是线性MISO块。

8.根据权利要求8所述的装置，其中，PID调节器用作调节器（16）。

9.根据权利要求8或9所述的装置，所述装置被设计用于在机动车中使用。