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TECHNISCHES GEBIET
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Die
vorliegende Offenbarung bezieht sich allgemein auf Leistungswandler
und insbesondere auf ein Verfahren und ein System zum Betreiben
eines Leistungswandlers.
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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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In
den letzten Jahren haben Fortschritte in der Technologie sowie sich
stets wandelnde Geschmacksrichtungen im Stil zu wesentlichen Veränderungen
des Entwurfs von Kraftfahrzeugen geführt. Eine der Veränderungen
betrifft die Leistungsnutzung und die Komplexität der verschiedenen elektrischen
Systeme in Kraftfahrzeugen, insbesondere in Alternativkraftstoff-Fahrzeugen
wie etwa in Fahrzeugen mit Hybridantrieb, mit Elektroantrieb und
mit Brennstoffzellen.
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Solche
Fahrzeuge, insbesondere Brennstoffzellen-Fahrzeuge, verwenden häufig zwei
getrennte Spannungsquellen (z. B. eine Batterie und eine Brennstoffzelle),
um die Elektromotoren, die die Räder
antreiben, zu speisen. Um die Leistung der zwei Spannungsquellen
zu managen und zu übertragen, werden
typischerweise Leistungswandler wie etwa Gleichstrom-Gleichstrom-(DC/DC)-Wandler
verwendet. Moderne DC/DC-Wandler umfassen häufig Transistoren, die durch
eine Drosselspule elektrisch miteinander verbunden sind. Indem die
Zustände
der verschiedenen Transistoren gesteuert werden, kann ein Soll-Mittelwertsstrom
durch die Drosselspule eingeprägt
werden und somit der Leistungsfluss zwischen den zwei Spannungsquellen
gesteuert werden.
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Die
Zustände
der Transistoren werden durch elektrische Signale geregelt, die
den "Arbeitszyklus" (d. h. die Einschaltdauer
bzw. Durchschaltzeit) für
jeden Transistor vorschreiben, der sich häufig während des Betriebs des Wandlers
dynamisch ändert.
Die dynamische Änderung
von Arbeitszyklen, die für
einen korrekten Betrieb eines betreffenden Wandlers erforderlich
ist, hängt
von den betreffenden Eigenschaften des Fahrzeugs, in dem der Wandler
verwendet wird, (z. B. dem Spannungsquellentyp, dem gewünschten
Verhalten usw.) ab. Typischerweise wird das dynamische Verhalten
der Steuerung der Arbeitszyklen durch die elektrischen Komponenten (z.
B. Drosselspulen, Kondensatoren, Widerstände usw.) oder die Werte der
elektrischen Komponenten in der Schaltungsanordnung innerhalb des
Wandlers vorgeschrieben. Um das steuerungsdynamische Verhalten der
Arbeitszyklen zu verändern,
müssen
somit die elektrischen Komponenten ausgetauscht werden. Der Austausch
der elektrischen Komponenten kann die Kosten der Herstellung des
Kraftfahrzeugs speziell dann, wenn das Kraftfahrzeug neu entworfen
worden ist, erhöhen
und schwer durchzuführen
sein, nachdem das Kraftfahrzeug verkauft worden ist, da die Wandlerschaltungsanordnung
nicht ohne Weiteres zugänglich
ist.
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Daher
sollten ein System und ein Verfahren zum Betreiben eines Leistungswandlers
geschaffen werden, die ein Ändern
des steuerungsdynamischen Verhaltens der Arbeitszyklen der Transistoren
in dem Wandler ermöglichen,
ohne Änderungen
an Anlagen und Geräten
vorzunehmen. Ferner werden weitere wünschenswerte Merkmale und Eigenschaften
der vorliegenden Erfindung aus der nachfolgenden ausführlichen
Beschreibung und den angehängten
Ansprüchen
deutlich, wenn sie in Verbindung mit den begleitenden Zeichnungen
sowie dem technischen Gebiet und Hintergrund, die vorangestellt
worden sind, aufgenommen werden.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Es
wird ein Verfahren zum Betreiben eines Leistungswandlers mit einer
elektrischen Komponente und einem mit einer Spannungsquelle gekoppelten Schalter
geschaffen. Es wird ein Signal empfangen, das für einen Soll-Stromfluss durch
die elektrische Komponente repräsentativ
ist. Es wird ein Signal erzeugt, das für eine Differenz zwischen dem Soll-Stromfluss und einem
Ist-Stromfluss durch die elektrische Komponente repräsentativ
ist. Auf der Grundlage des Signals, das für die Differenz repräsentativ
ist, und einer durch die Spannungsquelle erzeugten Spannung wird
ein Arbeitszyklus für
den Schalter berechnet.
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Es
wird ein Kraftfahrzeugantriebssystem geschaffen. Das System umfasst
einen Leistungswandler mit einem ersten und einem zweiten Schalter
sowie einer Drosselspule, die konfiguriert ist, um mit einer ersten
Spannungsquelle und einer zweiten Spannungsquelle gekoppelt zu werden,
und einen Mikroprozessor in betriebsbereiter Kommunikation mit dem
Leistungswandler. Der Mikroprozessor ist konfiguriert, um ein Signal
zu empfangen, das für
einen Soll-Stromfluss durch die Drosselspule repräsentativ ist,
ein Signal zu erzeugen, das für
eine Differenz zwischen dem Soll-Stromfluss und einem Ist-Stromfluss durch
die Drosselspule repräsentativ
ist, und einen ersten bzw. einen zweiten Arbeitszyklus für den ersten
und den zweiten Schalter auf der Grundlage des Signals, das für die Differenz
repräsentativ
ist, und der ersten bzw. der zweiten Spannung, die durch die erste
und die zweite Spannungsquelle erzeugt werden, zu berechnen.
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BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Die
vorliegende Erfindung wird nachstehend in Verbindung mit den folgenden
Zeichnungsfiguren, in denen gleiche Bezugszeichen gleiche Elemente bezeichnen,
beschrieben; unter diesen zeigen:
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1 eine
schematische Ansicht eines beispielhaften Kraftfahrzeugs, das ein
Gleichstrom-Gleichstrom-(DC/DC)-Wandlersystem gemäß einer
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung enthält;
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2 einen
schematischen Blockschaltplan des DC/DC-Wandlersystems von 1;
und
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3 einen
Blockschaltplan eines Verfahrens und/oder eines Systems zum Betreiben
des DC/DC-Wandlersystems von 2; und
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4 einen
Ablaufplan, der ein Verfahren zum Berechnen einer Integralkomponente
eines Proportional-Integral-Reglers in dem Verfahren und/oder dem
System von 3 veranschaulicht.
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BESCHREIBUNG EINER BEISPIELHAFTEN
AUSFÜHRUNGSFORM
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Die
folgende ausführliche
Beschreibung ist dem Wesen nach lediglich beispielhaft und soll
die Erfindung oder die Anwendung und Verwendungen der Erfindung
nicht einschränken.
Außerdem
soll sie nicht an irgendeine ausgedrückte oder implizierte Theorie,
die in dem technischen Gebiet, dem Hintergrund, der Kurzzusammenfassung,
die vorangestellt worden sind, oder der folgenden ausführlichen
Beschreibung dargestellt ist, gebunden sein.
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Die
folgende Beschreibung verweist auf Elemente oder Merkmale, die miteinander "verbunden" oder "gekoppelt" sind. Wie hier verwendet,
sofern nicht ausdrücklich
anders angegeben, bedeutet "verbunden", dass ein Element/Merkmal
direkt mit einem anderen Element/Merkmal verknüpft ist (oder direkt mit einem
solchen kommuniziert), jedoch nicht unbedingt auf mechanische Weise. Ähnlich bedeutet "gekoppelt", sofern nicht ausdrücklich anders
angegeben, dass ein Element/Merkmal direkt oder indirekt mit einem
anderen Element/Merkmal verknüpft
ist (oder direkt oder indirekt mit einem solchen kommuniziert),
jedoch nicht unbedingt auf mechanische Weise. Obwohl zwei Elemente
nachstehend in einer Ausführungsform
als "verbunden" beschrieben sind, können wohlgemerkt
in alternativen Ausführungsformen ähnliche
Elemente "gekoppelt" sein, und umgekehrt.
Obwohl die hier gezeigten schematischen Darstellungen beispielhafte
Anordnungen von Elementen zeigen, können somit in einer wirklichen
Ausführungsform
weitere beteiligte Elemente, Vorrichtungen, Merkmale oder Komponenten
vorhanden sein. Außerdem
sind die 1-4 selbstverständlich lediglich
veranschaulichend und nicht unbedingt maßstäblich gezeichnet.
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1 bis 4 zeigen
ein Verfahren und/oder ein System zum Betreiben eines Leistungswandlers
mit einer elektrischen Komponente und einem mit einer Spannungsquelle
gekoppelten Schalter. Es wird ein Signal empfangen, das für einen Soll-Stromfluss
durch die elektrische Komponente repräsentativ ist. Es wird ein Signal
erzeugt, das für eine
Differenz zwischen dem Soll-Stromfluss und einem Ist-Stromfluss
durch die elektrische Komponente repräsentativ ist. Auf der Grundlage
des Signals, das für
die Differenz repräsentativ
ist, und einer durch die Spannungsquelle erzeugten Spannung wird
ein Arbeitszyklus für
den Schalter berechnet. In ähnlicher
Weise kann ein zweiter Arbeitszyklus für einen mit der elektrischen
Komponente und einer zweiten Spannungsquelle gekoppelten zweiten
Schalter berechnet werden.
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Wie
nachstehend ausführlicher
beschrieben wird, ist in einer Ausführungsform die elektrische Komponente
eine Drosselspule in einem Gleichstrom-Gleichstrom-(DC/DC)-Wandler.
Die zwei Spannungsquellen können
eine Batterie und eine Brennstoffzelle in einem brennstoffzellengespeisten Kraftfahrzeug
umfassen.
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1 zeigt
ein Fahrzeug oder Kraftfahrzeug 10 gemäß einer Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung. Das Kraftfahrzeug 10 umfasst
ein Fahrwerk 12, eine Karosserie 14, vier Räder 16 und
ein elektronisches Steuersystem 18. Die Karosserie 14 ist
an dem Fahrwerk 12 angeordnet und umschließt im Wesentlichen
die anderen Komponenten des Kraftfahrzeugs 10. Die Karosserie 14 und
das Fahrwerk 12 können
gemeinsam einen Rahmen bilden. Die Räder 16 sind jeweils
in der Nähe
einer jeweiligen Ecke der Karosserie 14 drehbar mit dem
Fahrwerk 12 gekoppelt.
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Das
Kraftfahrzeug 10 kann ein Typ von mehreren verschiedenen
Typen von Kraftfahrzeugen wie beispielsweise eine Limousine, eine
Kombilimousine, ein Lastkraftwagen oder ein Sportnutzfahrzeug (SUV)
mit Zweiradantrieb (2WD) (d. h. Hinterradantrieb oder Vorderradantrieb),
Vierradantrieb (4WD) oder Allradantrieb (AWD) sein. Das Fahrzeug 10 kann
einen Typ oder eine Kombination von mehreren verschiedenen Typen
von Maschinen wie beispielsweise eine mit Benzin oder Diesel gespeiste
Brennkraftmaschine, eine Maschine für ein "Flex-Fuel-Fahrzeug (FFV) (d. h. eine
Maschine, die ein Gemisch aus Benzin und Alkohol verwendet), eine
mit einer gasförmigen
Verbindung (Wasserstoff und Naturgas) ge speiste Maschine, eine hybride
Maschine mit Brennkraftmaschine und Elektromotor und ein Elektromotor
enthalten.
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In
der in 1 gezeigten beispielhaften Ausführungsform
ist das Kraftfahrzeug 10 ein Brennstoffzellenfahrzeug und
umfasst ferner einen Elektromotor/Generator (oder "Fahrmotor") 20, eine
Batterie 22, ein Brennstoffzellenenergiemodul (FCPM) 24,
ein DC/DC-Wandlersystem 26, einen Wechselrichter 28 und
einen Kühler 30.
Der Motor 20 umfasst, obwohl dies nicht gezeigt ist, eine
Statoranordnung (die leitende Spulen umfasst), eine Rotoranordnung
(die einen ferromagnetischen Kern umfasst) und ein Kühlfluid
(d. h. ein Kühlmittel),
was für
einen Fachmann ersichtlich ist. Der Motor 20 kann außerdem ein
integriertes Getriebe umfassen, derart, dass der Motor 20 und
das Getriebe durch eine oder mehrere Antriebswellen 31 mit
wenigstens manchen der Räder 16 gekoppelt
sind.
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Wie
gezeigt ist, stehen die Batterie 22 und das FCPM 24 in
betriebsbereiter Kommunikation mit dem elektronischen Steuersystem 18 und
dem DC/DC-Wandlersystem 26 und/oder sind mit diesen elektrisch
verbunden. Das FCPM 24 umfasst, obwohl dies nicht gezeigt
ist, in einer Ausführungsform
neben anderen Komponenten eine Brennstoffzelle mit einer Anode,
einer Katode, einem Elektrolyten und einem Katalysator. Wie allgemein
bekannt ist, leitet die Anode oder negative Elektrode Elektronen,
die beispielsweise von Wasserstoffmolekülen freigesetzt werden, so
dass sie in einem äußeren Stromkreis verwendet
werden können.
Die Katode oder positive Elektrode leitet die Elektronen von dem äußeren Stromkreis
zurück
zu dem Katalysator, wo sie sich mit den Wasserstoff-Ionen und dem
Sauerstoff wieder verbinden können,
um Wasser zu bilden. Der Elektrolyt oder die Protonenaustauschmembran
leitet nur positiv geladene Ionen, während Elektronen blockiert
werden, wobei der Katalysator die Reaktion von Sauerstoff und Wasserstoff
fördert.
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2 zeigt
schematisch das DC/DC-Wandlersystem 26 ausführlicher.
Das Wandlersystem 26 umfasst einen bidirektionalen DC/DC-Wandler
(BDC) 32 und einen BDC-Controller 34. Der BDC 32 umfasst
in der gezeigten Ausführungsform
einen Leistungsumschaltungsabschnitt mit zwei Dual-Isolierschicht-Bipolartransistor-(IGBT)-Zweigen 36 und 38, wovon
jeder zwei IGBTs 40 (S1) und 42 (S2) bzw. 44 (S3)
und 46 (S4) besitzt. Die zwei Zweige 36 und 38 sind
an ihren Mittelpunkten durch eine Schaltdrosselspule 48 mit
einer Induktivität
(LS) miteinander verbunden. Der BDC 32 umfasst
außerdem
ein erstes Filter 50, das mit der positiven Schiene des
ersten IGBT-Zweigs 36 verbunden ist, und ein zweites Filter 52,
das mit der positiven Schiene des zweiten IGBT-Zweigs 38 verbunden
ist. Wie gezeigt ist, umfassen die Filter 50 und 52 eine
erste Drosselspule 54, einen ersten Kondensator 56 bzw.
eine zweite Drosselspule 58 und einen zweiten Kondensator.
Der erste IGBT-Zweig 36 ist durch das erste Filter 50 mit dem
FCPM 24 verbunden, während
der zweite IGBT-Zweig 38 durch das zweite Filter 52 mit
der Batterie 22 verbunden ist. Wie gezeigt ist, sind das
FCPM 24 und die Batterie 22 galvanisch nicht getrennt,
da ihre negativen (–)-Anschlüsse elektrisch
verbunden sind.
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Der
BDC-Controller 34 steht, wie gezeigt ist, in betriebsbereiter
Kommunikation mit dem BDC 32. Der BDC-Controller 34 kann,
obwohl er als gesondertes Modul gezeigt ist, in dem elektronischen
Steuersystem 18 (in 1 gezeigt)
ausgeführt
sein, wie es gemeinhin bekannt ist.
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In
einer Ausführungsform
umfasst der Wechselrichter 28, obwohl dies nicht gezeigt
ist, mehrere Leistungsmodulvorrichtungen. Die Leistungsmodulvorrichtungen
können
jeweils ein Substrat (z. B. ein Silicium substrat) mit einer integrierten
Schaltung umfassen, worauf mehrere Halbleitervorrichtungen (z. B.
Transistoren und/oder Schalter) gebildet sind, wie gemeinhin bekannt
ist.
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Wie
in 1 weiter gezeigt ist, ist der Kühler 30 mit
dem Rahmen an einem äußeren Abschnitt
von diesem verbunden, wobei er, obwohl dies nicht im Einzelnen gezeigt
ist, mehrere hindurchführende Kühlkanäle, die
ein Kühlfluid
(z. B. ein Kühlmittel)
wie etwa Wasser und/oder Ethylenglykol (d. h. ein Frostschutzmittel)
enthalten, umfasst, und ist mit dem Motor 20 und dem Wechselrichter 28 gekoppelt.
In einer Ausführungsform
empfängt
der Wechselrichter 28 gemeinsam mit dem Elektromotor 20 Kühlmittel.
Der Kühler 30 kann
in ähnlicher
Weise mit dem DC/DC-Wandlersystem 26,
dem Wechselrichter 28 und/oder dem Elektromotor 20 verbunden
sein.
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Das
elektronische Steuersystem 18 steht in betriebsbereiter
Kommunikation mit dem Motor 20, der Batterie 22,
dem FCPM 24, dem DC/DC-Wandlersystem 26 und
dem Wechselrichter 28. Das elektronische Steuersystem 18 umfasst,
obwohl dies im Einzelnen nicht gezeigt ist, verschiedene Sensoren und
Kraftfahrzeugsteuermodule oder elektronische Steuereinheiten (ECUS)
wie etwa den BDC-Controller 34 (in 2 gezeigt)
und einen Fahrzeugcontroller sowie wenigstens einen Prozessor und/oder
einen Speicher, der darin (oder in einem anderen computerlesbaren
Medium) gespeicherte Befehle zum Ausführen der Prozesse und Verfahren,
wie sie nachstehend beschrieben werden, enthält.
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Während des
Betriebs, um weiter auf 1 Bezug zu nehmen, wird das
Fahrzeug 10 betrieben, indem den Rädern 16 durch den
Elektromotor 20, der wechselweise von der Batterie 22 und
dem FCPM 24 und/oder gleichzeitig von der Batterie 22 und
dem FCPM 24 Leistung empfängt, Leistung bereitgestellt wird.
Um den Motor 20 zu speisen, wird Gleichstromleistung (DC-Leistung)
von der Batterie 22 und dem FCPM 24 über das
DC/DC-Wandlersystem 26 zu dem
Wechselrichter 28 geliefert, der die DC-Leistung in Wechselstromleistung
(DC-Leistung) umsetzt, wie an sich bekannt ist. Falls der Motor 20 nicht
die volle Leistung benötigt,
kann das FCPM 24 die zusätzliche Leistung dazu verwenden,
die Batterie 22 über
das DC/DC-Wandlersystem 26 aufzuladen.
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Um
auf 2 Bezug zu nehmen, wird das DC/DC-Wandlersystem 26 durch
das elektronische Steuersystem 18 und/oder den BDC-Controller 34 digital
gesteuert, wobei es Leistung zwischen dem FCPM 24 (Vdc1) und der Batterie 22 (Vdc2) überträgt. Die
Anschlussspannungen des FCPM 24 und der Batterie 22 können sich
dynamisch verändern,
so dass Vdc1 ≥ Vdc2 oder
Vdc1 ≤ Vdc2. Die Leistungsübertragung zwischen den zwei
Spannungsquellen findet unabhängig
von der voltaischen Beziehung zwischen dem FCPM 24 und
der Batterie 22 unter konstantem Strom oder unter konstanter
Leistung statt.
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Um
weiterhin auf 2 Bezug zu nehmen, reduzieren
das erste Filter 50 und das zweite Filter 52 die
elektromagnetischen Störemissionen,
wie für
einen Fachmann ersichtlich ist. In einer Ausführungsform ist in erster Linie
die Schaltdrosselspule 48 für den Leistungsumsetzungsprozess
verantwortlich, da sie in einem ersten Abschnitt des Arbeitszyklus
Energie speichert und in einem zweiten Abschnitt des Arbeitszyklus
diese freigibt, wobei sichergestellt ist, dass die Energieübertragung
ungeachtet der voltaischen Beziehung zwischen dem FCPM 24 und
der Batterie 22 in der gewünschten Richtung stattfindet.
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Es
wird ein konstanter mittlerer Strom, der gleich dem Soll-Mittelwertsstrom
ist, durch die Schaltdrosselspule 48 eingeprägt. Die
Steuerung des konstanten mittleren Stroms wird im Allgemeinen unter
geregeltem Betrieb durchgeführt.
Der Ausgang der Stromschleife steuert die Spannung über der Schaltdrosselspule 48 durch
Umschalten des Zustands der IGBTs 40, 42, 44 und 44 ('EIN' oder 'AUS'). In einer Ausführungsform
ist beispielsweise der IGBT (40 in dem ersten Zweig 36 oder 44 in
dem zweiten Zweig 38) mit dem positiven (+)-Anschluss der
Spannungsquelle verbunden, wobei der tiefere voltaische Wert ständig auf 'EIN' gehalten wird, während die
IGBTs an dem gegenüberliegenden
Zweig 'EIN'/'AUS'-geschaltet werden,
um die Leistungsübertragung
zu vollbringen. Die Rate dieses Schaltens kann als "Schaltfrequenz" (fsw)
bezeichnet werden. Der Kehrwert oder Reziprokwert der Schaltfrequenz kann
als "Schaltperiode" oder "Schaltzyklus" (Tsw)
bezeichnet werden. Ein Schalter oder IGBT 40–46 kann für eine bestimmte
Dauer innerhalb der Schaltperiode (d. h. eine "Ein-Periode") in dem 'EIN' Zustand sein.
Das Verhältnis
der 'EIN'-Zeit zur Schaltperiode kann
als "Tastverhältnis" oder als "Arbeitszyklus" bezeichnet werden.
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Gemäß einem
Aspekt der vorliegenden Erfindung erzeugt und korrigiert der nachstehend
beschriebene Steueralgorithmus Arbeitszyklen der vier IGBT-Schalter 40–46 (S1-S4) mittels Software,
die in dem elektronischen Steuersystem 18 ausgeführt wird.
Wie einem Fachmann ersichtlich ist, können die Steuerparameter in
dem elektronischen Steuersystem 18 einfach verändert werden,
um das Verhalten des DC/DC-Wandlersystems 26 einzustellen.
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Wie
in 2 angegeben ist, empfängt der BDC-Controller 34 Leistungs-/Strom- und Spannungsbefehle
von einer äußeren Quelle
(z. B. dem Fahrzeugcontroller). Der Steueralgorithmus in dem BDC-Controller 34 erzeugt
Arbeitszyklen der IGBTs 40–46 (S1-S4). Der BDC-Controller 34 führt außerdem Rückkopplungsmessungen
aus, die mit den Leistungs- und
Spannungsbefehlen verglichen werden. Die Arbeitszyklen der von dem
BDC-Controller gesendeten Antriebs- bzw. Steuersignale werden so eingestellt,
dass die Rückkopplungs-
bzw. Rückführwerte
des BDC-Controllers 34 im Wesentlichen den Leistungs- und
Spannungsbefehlen entsprechen.
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3 zeigt
ein System (und/oder ein Verfahren) 62 zum Steuern des
DC/DC-Wandlersystems 26 gemäß einer Ausführungsform.
Wie gezeigt ist, empfängt
das System 62 drei Steuersignale oder Befehlsparameter
(einen CAN-Strombefehl, einen CAN-Leistungsbefehl und eine CAN-Befehlsauswahl)
von dem elektronischen Steuersystem 18 über ein Controller-Bereichsnetz
(controller area network, CAN), das nicht gezeigt ist.
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Im
Block 64 wird der CAN-Leistungsbefehl oder ein zugeordneter
Leistungswert durch die FCPM-Spannung (VFCPM)
geteilt, die eine gemessene Spannung des FCPM 24 sein kann.
Der Ausgang des Blocks 64 ist ein Strombefehl, der dem
in der Leistungssteuerungsbetriebsart arbeitenden BDC 32 entspricht.
Der Block 66 (d. h. ein CAN-Befehlsschalter) wählt auf
der Grundlage des CAN-Befehlsauswahl-Signals zwischen dem CAN-Strombefehl und dem
Ausgang des Blocks 64 und schreibt somit die Betriebsart
des BDC 32 (d. h. Stromsteuerung oder Leistungssteuerung)
vor.
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Der
Ausgang des Blocks 64 ist das Stromreferenzsignal oder
der Soll-Stromfluss
(I·FCPM) für
die Brennstoffzellenseite des DC/DC-Wandlersystems 26.
Im Block 68 wird die Stromreferenz (I·FCPM) als Funktion einer
innerhalb des DC/DC-Wandlersystems 26 erfassten Temperatur
wie etwa der Kühlkörpertemperatur
der Leistungsschaltungsanordnung oder als Funktion der Eingangsspannung
begrenzt, um die Funktionstüchtigkeit
des DC/DC-Wandlersystems 26 zu schützen. Wenn beispielsweise die Kühlkörpertemperatur
höher als
ein vorgegebener Wert ist, wird die Stromreferenz (I·FCPM) in einer Weise, die zu dem Betrag,
um den die erfasste Temperatur den vorgegebenen Wert übersteigt,
proportional ist, fortschreitend auf null reduziert. Ähnlich wird
dann, wenn die Eingangsspannung des BDC 32 größer als
ein vorgegebener Wert ist, der maximale Referenzstrom (I·FCPM) proportional zur Überspannung reduziert. Außerdem wird
dann, wenn der BDC 32 während
des Betriebs besonders aktive Fehler aufweist, im Block 68 die
Stromreferenz (I·FCPM) durch das Signal, das in 3 als
Fehlerstromgrenzwert angegeben ist, auf null reduziert.
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Der
Ausgang des Blocks 68 wird zum Block 70 geschickt,
der die Stromreferenz (I·FCPM) weiter begrenzt. Der Block 70 verwendet
einen positiven Grenzwert (L2p) und einen
negativen Grenzwert (L2n), die in den Blöcken 72 bzw. 74 bestimmt
werden, wie nachstehend näher
beschrieben wird. Die Stromreferenz (I·FCPM_lim)
wird zu dem Multipliziererblock 70 geschickt, wo sie wiederum
durch den Block 144 begrenzt wird, wie weiter unten beschrieben
wird.
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Der
Ausgang des Blocks 76 ist die begrenzte Stromreferenz des
brennstoffzellenseitigen Eingangs (I·FCPM_lim).
Von diesem Referenzwert wird an einem Summierer (oder einer Summierschaltung) 78 ein
gemessener Brennstoffzellenstrom (IFCPM)
subtrahiert, um einen "augenblicklichen" FCPM-Stromfehler
zu erzeugen. Das heißt,
dass der Summierer 78 eine Differenz (d. h. einen Fehler
bzw. eine Abweichung) zwischen der begrenzten Stromreferenz (I·FCPM_lim) und dem wirklichen gemessenen Betrag
des aus dem FCPM 24 fließenden Stroms (IFCPM)
berechnet.
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Der
Stromfehler wird zu einem ersten Proportional-Integral- oder Integrationsregler
(PI-Regler) 80 geschickt. Wie einem Fachmann ersichtlich
ist, ist der erste PI-Regler 80 wie auch die nachstehend
beschriebenen PI- Regler
eine Rückkopplungsschleifen-
bzw. Regelkomponente, die einen gemessenen Wert (oder Ausgang) von
einem Prozess oder einer anderen Vorrichtung nimmt und ihn mit einem
Einstell- oder Referenzwert vergleicht. Die Differenz (oder das "Fehlersignal") wird dann verwendet,
um einen Eingang in den Prozess so einzustellen, dass der Ausgang
auf seinen gewünschten
Referenzwert gebracht wird. Die PI-Regler umfassen einen Proportionalausdruck
und einen Integralausdruck. Der Proportionalausdruck wird verwendet,
um dem "unmittelbaren" oder augenblicklichen
Fehler Rechnung zu tragen, der mit einer Konstanten multipliziert
wird. Der Integralausdruck integriert den Fehler über eine Zeitperiode
und multipliziert die integrierte Summe mit einer weiteren Konstanten.
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Somit
empfängt
der erste PI-Regler den vorhanden Stromfehler von dem Summierer 78 und
erzeugt ein Signal, das für
eine Kombination aus dem augenblicklichen Stromfehler und dem Stromfehler über eine
Zeitperiode repräsentativ
ist.
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Der
erste PI-Regler 80 führt
ein Anti-Windup-(AWUP)-Rückführschema
aus, um den Übergangsbetrieb
zu verbessern, wenn der Ausgang durch den Begrenzerblock 82 begrenzt
wird. Die durch den Block 82 festgelegten Grenzwerte sind gleich
dem positiven und dem negativen Wert des maximal zulässigen Drosselspulenstroms
(+IL_max und –IL_max).
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Der
Ausgang des Blocks 82 (I·Ls)
bildet den Referenzstromwert für
die Stromschleife mit der Schaltdrosselspule 48 mit den
oben angeführten Grenzwerten.
Das heißt,
dass der Ausgang des Blocks 82 (I·Ls)
als ein Signal betrachtet werden kann, das einen Soll-Stromfluss
oder genauer eine gewünschte Änderung
des Stromflusses durch die Schaltdrosselspule 48, die auf
dem durch den Summierer 78 berechneten Stromfehler basiert,
repräsentiert.
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Der
Referenzstromwert für
die Schaltdrosselspule 48 (I·Ls)
wird zu dem Summierer 84 geschickt. Der Summierer 84 empfängt außerdem einen
Vorwärtskopplungsausdruck
(IL_FFWD) vom Block 90 und einen
gemessenen Ist-Stromfluss (ILs) durch die
Schaltdrosselspule 48.
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Der
Vorwärtskopplungsausdruck
(IL_FFWD) ist eine Schätzung des durch die Schaltdrosselspule 48 fließenden Stroms
als Funktion des Stroms (IFCPM) für die Brennstoffzellenseite
des DC/DC-Wandlersystems 26, die die Ansprechzeit der Drosselspulenstromschleife
verbessert, wenn der Eingangsbefehl geändert wird. Wenn sich das System
in der Stromsteuerungsbetriebart befindet, ist der Brennstoffzellenstrom
(IFCPM) gleich dem Referenzwert (I·FCPM_lim).
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Die
Schätzung
(IL_FFWD) des durch die Schaltdrosselspule 48 fließenden Stroms
wird unter der Annahme ausgeführt,
dass der IGBT-Zweig, der der tieferen der zwei Eingangsspannungsquellen
(VFCPM oder Vbatt)
entspricht, nicht umgeschaltet wird und dass der obere IGBT ununterbrochen 'EIN' ist und dass die
Verluste des BDC 32 vernachlässigbar sind.
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Um
nun auf 2 in Kombination mit 3 Bezug
zu nehmen, ist unter den oben angeführten Bedingungen dann, wenn
VFCPM ≤ Vbatt, der Schalter 40 (S1) 'EIN' ist und der mittlere
Stromwert der Schaltdrosselspule 48 (Ls)
gleich IFCPM ist, ILs = IFCPM. (1)
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Wenn
VFCPM > Vbatt, der Schalter 44 (S3) ununterbrochen 'EIN' ist
und der mittlere Stromwert der Schaltdrosselspule 48 (Ls) gleich dem Strom (Ibatt)
der Spannungsquelle (Vbatt) ist, ist ILs = Ibatt. (2)
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Da
angenommen wird, dass Verluste innerhalb des BDC 32 vernachlässigbar
sind, ist die Eingangsleistung des BDC 32 gleich der Ausgangsleistung
des BDC 32. Das heißt,
dass VFCPM·IFCPM = Vbatt·Ibatt. (3)
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Wenn
VFCPM > Vbatt, folgt aus den Gleichungen (2) und (3),
dass ILs =
Ibatt = IFCPM·VFCPM/Vbatt. (4)
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Die
oben beschriebenen Berechnungen werden im Block 90 ausgeführt, der
den Referenzwert (I·FCPM_lim) vom Block 76 zusammen
mit der gemessenen Spannung (VFCPM) des
FCPM 24 und einer gemessenen Spannung (Vbatt)
der Batterie 22 als Eingänge empfängt, um den Vorwärtskopplungsausdruck
(IL_FFWD) zu berechnen oder zu schätzen.
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Um
auf 3 Bezug zu nehmen, addiert der Summierer 84 den
Vorwärtskopplungsausdruck (IL_FFWD) zu dem Referenzstromwert für die Schaltdrosselspule 48 (I·Ls) und subtrahiert den gemessenen Drosselspulenstromfluss
(ILs), um einen augenblicklichen Drosselspulenstromfehler
zu berechnen. Der augenblickliche Drosselspulenstromfehler wird zu
einem zweiten PI-Regler 86 geschickt, der in ähnlicher
Weise wie der oben beschriebene erste PI-Regler 80 ein
Signal erzeugt, das für
eine Kombination aus dem augenblicklichen Drosselspulenstromfehler
und dem Drosselspulenstromfehler über eine Zeitperiode repräsentativ
ist.
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Der
Ausgang des zweiten PI-Reglers 86 wird durch den Begrenzerblock 88 auf
den positiven und den negativen Wert der maximal zulässigen Spannung über der
Schaltdrosselspule 48 (+VL_max und –VL_max) begrenzt. Wie bei dem ersten PI-Regler 80 wird
ein Anti-Windup-(AWUP)-Rückführschema
verwendet, um den Wert der Integralkomponente des zweiten PI-Reglers 82 auf
die Differenz zwischen dem begrenzten Ausgang des Blocks 88 und
der zu dem Vorwärtskopplungsausdruck
(IL_FFWD) addierten Proportionalkomponente
zu begrenzen.
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Der
Ausgang (Vreg) des Blocks 88 repräsentiert
die befohlene Spannung über
der Drosselspule 48. Das heißt, dass der Ausgang (Vreg) des Blocks 88 als ein Signal
betrachtet werden kann, das eine Sollspannung oder genauer eine
gewünschte Änderung der
Spannung über
der Schaltdrosselspule 48, die auf dem durch den Summierer 84 berechneten
Fehlerdrosselspulenstromfehler basiert, repräsentiert.
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Die
befohlene Spannung über
der Drosselspule 48 (Vreg) wird
zu dem Modulatorblock 92 geschickt. Der Block 92 berechnet
die Arbeitszyklen für die
IGBT-Schalter 40–46 (S1–S4). Die Arbeitszyklen können ausgedrückt werden
als d1 = kmod + Vreg/VFCPM (5)und d2 = kmod – Vreg/Vbatt, (6)wobei kmod eine Konstante nahe bei 1 ist. Der Arbeitszyklus
d1 steuert die Schalter 40 und 42 (S1 und S2), während der
Arbeitszyklus d2 die Schalter 44 und 46 (S3 und S4) steuert.
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Idealerweise
ist kmod gleich 1, um die Spannung an den
Mittelpunkten der zwei IGBT-Zweige 36 und 38,
an denen die Leistungsübertragung
stattfindet, zu maximieren und damit den Wirkungsgrad des Umsetzungsprozesses
zu erhöhen.
Jedoch sei angemerkt, dass der Wert von kmod beispielsweise
etwa 0,98 sein kann, um einen Regelspannungsspielraum zuzulassen,
der Fehlern bei der Spannungsmessung und anderen Mängeln der betreffenden
Einrichtungen, die verwendet werden, Rechnung zu tragen, wie einem
Fachmann ersichtlich ist.
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Der
BDC-Controller 34 führt
außerdem
eine Suchzeit (Totzeit) zwischen den Gate-Befehlen der zwei Schalter
desselben Zweigs ein, um eine gleichzeitige Leitung (oder Querleitung)
der Schalter infolge inhärenter
Aktivierungsverzögerungen
zu verhindern. Die Totzeit führt
Fehler der Ist-Mittelwertsspannung
an der Schaltdrosselspule 48 ein. Aus diesem Grund führt der
Modulatorblock 92 eine Arbeitszyklus-Totzeitkompensation
als Funktion der Drosselspulenstromrichtung aus, um eine korrekte
Reproduktion der befohlenen Spannung (Vreg) über der Schaltdrosselspule 48 zu
erreichen.
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Das
System und/oder das Verfahren 62 prägen außerdem den korrekten Betrag
der Spannung über
der Schaltdrosselspule 48 bei der Einleitung des Betriebs
des DC/DC-Wandlersystems ein. Falls die korrekte Spannung nicht
eingeprägt
ist, kann eine große
Stromspitze durch die Drosselspule 48 auftreten, weil das
FCPM 24 (VFCPM) und die Batterie 22 (Vbatt) durch die niedrige Impedanz der Schaltdrosselspule 48 (LS) miteinander verbunden sind. Somit werden
die Arbeitszyklen, die während
des Starten zu verwenden sind, berechnet, um eine "Null"-Anfangsspannung über der
Schaltdrosselspule 48 einzuprägen. Das diese Arbeitszyklen
durch den Ausgang des zweiten PI-Reglers 86 gesteuert werden,
wird die befohlene Spannung (Vreg) berechnet,
um die Null-Strom-Anfangsbedingung zu erfüllen.
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Um
diese Berechnung durchzuführen,
wird im Block 94 (d. h. der Schätzeinrichtung für Anfangsbedingungen)
der Anfangswert der Integralkomponente des zweiten PI-Reglers 86 berechnet.
Die mittlere Spannung über
dem Schalter 42 (S2) kann ausgedrückt werden
als VS2 =
d1·VFCPM = kmod·VFCPM + Vreg, (7)und die mittlere
Spannung über
dem Schalter 46 (S4) kann ausgedrückt werden
als VS4 =
d2·Vbatt = kmod·Vbatt – Vreg. (8)
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Wenn über der
Drosselspule 48 keine Spannung anliegt, sind die Spannungen über dem
Schalter 42 (S2) und dem Schalter 46 (S4) gleich (d. h., VS2 =
VS4). Somit ist kmod·VFCPM + Vreg = kmod·Vbatt – Vreg. (9)
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Die
Gleichung 9 kann wie folgt vereinfacht werden Vreg = kmod·(Vbatt – VFCPM)/2. (10)
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Der
Wert Vreg wird der Integralkomponente des
zweiten PI-Reglers 86 als Anfangsbedingung während des
Startens aufgedrückt. 4 zeigt
ein Verfahren 96 zum Berechnen von Vreg und
der Integralkomponente des zweiten PI-Reglers 86, wie es im
Block 94 ausgeführt
wird. Wie gezeigt ist, berechnet die Gleichung 10 den Anfangswert
der Integralkomponente korrekt, wenn keine Arbeitszyklussättigung
vorliegt (d. h. d1 ≤ 1
oder d2 ≤ 1).
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Um
nochmals auf 3 Bezug zu nehmen, begrenzen
das System und/oder das Verfahren 62 außerdem den minimalen oder den
maximalen Spannungspegel auf für
an seinen Eingängen
erforderliche Pegel. Wie gezeigt ist, werden von dem elektronischen
Steuersystem 18 (1) ein FCPM-Entladespannungsgrenzwert
(CAN_HV_FCPMLowVlim), ein Batterie-Ladespannungsgrenzwert (CAN_HV_battHighVlim),
ein Batterie-Entladespannungsgrenzwert (CAN_HV_battLowVlim) und
ein FCPM-Ladespan nungsgrenzwert (CAN_HV_FCPMHighVlim) gesendet.
Die Spannungsgrenzwertsignale werden dazu verwendet, den Ladepegel
und den Entladepegel der zwei Spannungsquellen VFCPM und
Vbatt zu begrenzen.
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Der
FCPM-Entladespannungsgrenzwert (CAN_HV_FCPMLowVlim) wird durch den
Summierer 98 von der Ist-FCPM-Spannung (VFCPM)
subtrahiert, wobei das sich ergebende Fehlersignal zu einem dritten
PI- oder "PID"-Regler 100, der durch Blöcke 102 und 104 sowie
einen Summierer 106 gebildet ist, geschickt wird. Wie einem
Fachmann ersichtlich ist, kann der dritte PI-Regler auch einen Differentialausdruck
umfassen und somit als Proportional-Integral-Differential-(PID)-Regler
erkannt werden.
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Der
Ausgang des dritten PID-Reglers 100 wird dann im Block 108 zwischen
null und dem maximal zulässigen
FCPM-Strom (IFCPM_max) eingegrenzt. Wenn
die gemessene FCPM-Spannung (VFCPM) niedriger
als der FCPM-Entladespannungsgrenzwert (CAN_HV_FCPMLowVlim) ist,
sättigt
sich der Ausgang des dritten PID-Reglers 100 auf den maximal zulässigen FCPM-Strom
(IFCPM_max). Wenn die gemessene FCPM-Spannung
(VFCPM) höher als der FCPM-Entladespannungsgrenzwert (CAN_HV_FCPMLowVlim)
ist, wird der Ausgang des dritten PID-Reglers 100 fortschreitend
auf null reduziert.
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In
einer ähnlichen
Weise wird der Batterie-Ladespannungsgrenzwert (CAN_HV_battHighVlim)
durch Vergleichen von CAN_HV_battHighVlim mit der gemessenen Spannung
der Batterie (Vbatt) unter Verwendung eines Summierers 110 und
eines vierten PI-Reglers (oder PID-Reglers) 112, der durch
Blöcke 114 und 116 sowie
einen Summierer 118 gebildet ist, gesteuert. Der Ausgang
des Summierers 118 wird im Block 120 zwischen
null und dem maximal zulässigen FCPM-Strom
(IFCPM_max) eingegrenzt.
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Wie
oben kurz erwähnt
worden ist, wählt
der Block 72 das Minimum von den zwei Ausgangswerten der
Blöcke 108 und 120 aus
und wendet es als den positiven Grenzwert (L2p)
von Block 70 an. Somit wird der befohlene FCPM-Strom reduziert,
wenn einer der Spannungsgrenzwerte von Block 108 oder Block 120 erreicht
ist.
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Um
weiterhin auf 3 Bezug zu nehmen, empfängt ein
Summierer 122 den Batterie-Entladespannungsgrenzwert (CAN_HV_battLowVlim)
und die gemessene Spannung der Batterie (Vbatt)
als Eingänge.
Der Summierer 122, ein fünfter PID-Regler 124 (der
Blöcke 126 und 128 sowie
einen Summierer 130 umfasst), ein Begrenzungsblock 132 und
ein Negativ-Block 74 arbeiten
in einer ähnlichen
Weise wie oben, um den negativen Grenzwert (L2n)
zu steuern und eine Batterieentladesteuerung zu vollbringen.
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Ähnlich steuern
ein Summierer 134, ein sechster PID-Regler 136 (der
Blöcke 138 und 140 sowie
einen Summierer 142 umfasst) und ein Begrenzungsblock 144 den
FCPM-Ladespannungsgrenzwert (CAN_HV_FCPMHighVlim). Da der FCPM-Bus im
Voraus geladen wird, bevor das FCPM verbunden wird, erlauben das
System und/oder das Verfahren 62 einen Betrieb bei fehlender
Last und verhalten sich wie eine wahre Spannungsquelle (d. h. Nullimpedanz
oder Nullwiderstand) anstatt wie ein Spannungsbegrenzer.
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Der
Ausgang des sechsten PID-Reglers 136 wird durch den Block 144 zwischen
+1 und –1
eingegrenzt und dann zu dem Multipliziererblock 76 geschickt.
Der befohlene FCPM-Strom am Ausgang des Blocks 144 kann
somit sein Vorzeichen (d. h. zwischen positiv und negativ) wechseln,
um dem System und/oder dem Verfahren 62 zu ermöglichen,
innerhalb der Grenzwerte des befohlenen Stroms eine Quelle für Strom
und eine Senke für
Strom zu schaffen. Diese Betriebsart ermöglicht dem DC/DC-Wandlersystem 26 das
Halten der Spannung an dem FCPM-Eingang auf dem durch den FCPM-Ladespannungsgrenzwert
(CAN_HV_FCPMHighVlim) vorgeschriebenen Wert.
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Ein
Vorteil des Systems und/oder des Verfahrens, die oben beschrieben
worden sind, ist, dass die Arbeitszyklen für die Transistoren innerhalb
des DBC auf der Grundlage des gewünschten Verhaltens des DBC
zusammen mit anderen Komponenten des Fahrzeugs eingestellt werden
können,
ohne irgendwelche Einrichtungen innerhalb des DC/DC-Wandlersystems
zu verändern.
Folglich kann das DC/DC-Wandlersystem in vielen Fahrzeugtypen verwendet
werden und damit unter Aufrechterhaltung eines optimalen Verhaltens
die Kosten der Herstellung der Fahrzeuge reduzieren.
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Weitere
Ausführungsformen
können
das Verfahren und das System, die oben beschrieben worden sind,
in völlig
verschiedenen Typen von Kraftfahrzeugen oder in völlig verschiedenen
elektrischen System verwenden, da sie in jeder Situation, in der sich
die Spannungen der zwei Quellen über
einen weiten Bereich dynamisch verändern, implementiert werden
können.
Beispielsweise könnte
in einer anderen Ausführungsform
die Batterie durch einen Ultrakondensator ersetzt sein.
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Obgleich
in der vorstehenden ausführlichen Beschreibung
wenigstens eine beispielhafte Ausführungsform dargestellt worden
ist, sollte klar sein, dass es eine große Anzahl von Abwandlungen
gibt. Außerdem
sollte klar sein, dass die beispielhafte Ausführungsform oder die beispielhaften
Ausführungsformen
lediglich Beispiele sind und den Umfang der Erfindung, die Anwendbarkeit
oder die Konfiguration der Erfindung in keiner Weise einschränken sollen.
Eher stellt die vorstehende ausführliche
Beschreibung für
Fachleute einen zweckmäßigen Plan zur
Realisierung der beispielhaften Ausführungsform oder der beispielhaften
Ausführungsformen
bereit. Selbstverständlich
können
an der Funktion und der Anordnung von Elementen verschiedene Änderungen
vorgenommen werden, ohne vom Umfang der Erfindung, wie er in den
beigefügten
Ansprüchen
und in deren zulässigen
Entsprechungen dargestellt ist, abzuweichen.