DE102011085063A1 - Systeme und Verfahren zum Reduzieren harmonischer Störung in elektrischen Wandlern - Google Patents

Systeme und Verfahren zum Reduzieren harmonischer Störung in elektrischen Wandlern Download PDF

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Abstract

Es werden Systeme und Verfahren für das Liefern von Energie geliefert bzw. bereitgestellt, wobei ein Energie-Wandlermodul benutzt wird. Ein beispielhaftes Verfahren für das Liefern von Energie von einer Eingangsschnittstelle an eine Ausgangsschnittstelle, wobei ein Energiewandlermodul benutzt wird, welches zwischen der Eingangsschnittstelle und der Ausgangsschnittstelle gekoppelt ist, weist die Schritte auf: Bestimmen einer Eingangsspannungsreferenz für die Eingangsschnittstelle, basierend auf einer gewünschten Ausgangsspannung und einer gemessenen Spannung an der Ausgangsschnittstelle, Bestimmen eines Aussteuerungs-Steuerwertes, basierend auf einem Verhältnis der Eingangsspannungsreferenz und der gemessenen Spannung, Betreiben eines oder mehrerer Schaltelemente des Energiewandlermoduls, um Energie von der Eingangsschnittstelle an die Ausgangsschnittstelle mit einer Aussteuerung zu liefern, welche durch den Aussteuerungs-Steuerwert beeinflusst ist.

Description

  • Stellungnahme bezüglich von der Regierung geförderter Forschung und Entwicklung Diese Erfindung wurde mit Unterstützung der Regierung unter der Bewilligungsnr. DE-FC26-07NT43123 durchgeführt, zuerteilt vom Ministerium für Energie der Vereinigten Staaten. Die Regierung besitzt gewisse Rechte an dieser Erfindung.
  • Technischer Bereich
  • Ausführungsformen des Gegenstandes, welcher hier beschrieben wird, beziehen sich im Allgemeinen auf elektrische Systeme in Automobilfahrzeugen, und, spezieller ausgedrückt, beziehen sich Ausführungsformen des Gegenstandes auf Energieliefersysteme, welche ein oder mehrere induktive Elemente benützen.
  • Hintergrund
  • Matrix-Wandler bzw. -Stromrichter können in elektrischen und/oder hybriden Fahrzeugen benutzt werden, um das Liefern von verhältnismäßig hoher Leistung über einen verhältnismäßig breiten Bereich von Betriebsspannungen anzusiedeln, während zur gleichen Zeit eine galvanische Isolation, verhältnismäßig hohe Leistungsfaktoren, niedrige harmonische Störung, verhältnismäßig hohe Leistungsdichte und niedrige Kosten erreicht werden. Beispielsweise können bidirektional isolierte MatrixWandler benutzt werden, um Energie von einer Wechselstrom-(AC-)Energiequelle zu liefern, wie z. B. der Einzelphasen-Netzelektrizität, welche in den meisten Wohn- und Geschäftsgebäuden üblich ist, um ein Gleichstrom-(DC-)Energiespeicherelement zu laden, wie z. B. eine wiederaufladbare Batterie in einem Fahrzeug. Es wurden Schemen der Störgrößenaufschaltung entwickelt, basierend auf einem verlustfreien Widerstandsmodell, welche zu einem Strom führen, welcher von der AC-Energiequelle gezogen wird, um DC-Energie zu erzeugen, welche im Wesentlichen in Phase mit der Spannung der AC-Energiequelle ist (z. B. dem Leistungsfaktor eins). Jedoch führen einige dieser Schemen der Regelung mit Störgrößenaufschaltung des Leistungsfaktors eins zu unerwünschter hoher harmonischer Störung im Strom, welcher von der AC-Energiequelle gezogen wird.
  • Kurze Zusammenfassung
  • Entsprechend einer Ausführungsform wird ein elektrisches System geliefert. Das elektrische System beinhaltet: eine Eingangsschnittstelle, eine Ausgangsschnittstelle, ein Energiewandlermodul, welches zwischen der Eingangsschnittstelle und der Ausgangsschnittstelle gekoppelt ist, und ein Steuermodul. Das Energiewandlermodul beinhaltet ein oder mehrere Schaltelemente. Das Steuermodul ist so konfiguriert, um eine Eingangsspannungsreferenz an der Eingangsschnittstelle zu bestimmen, basierend auf einer gewünschten Spannung an der Ausgangsschnittstelle und einer gemessenen Spannung an der Ausgangsschnittstelle, um einen Aussteuerungs-Steuerwert zu bestimmen, basierend auf einem Verhältnis der Eingangsspannungsreferenz und der gemessenen Spannung an der Ausgangsschnittstelle, und das eine oder mehrere Schaltelemente des ersten Energiewandlermoduls zu betreiben, um Energie an die Ausgangsschnittstelle zu liefern, mit einer Aussteuerung, welche durch den Aussteuerungs-Steuerwert beeinflusst wird.
  • Entsprechend einer anderen Ausführungsform wird ein Verfahren geliefert bzw. bereitgestellt, um Energie von einer Eingangsschnittstelle an eine Ausgangsschnittstelle zu liefern, wobei ein Energie-Wandlermodul benutzt wird, welches zwischen der Eingangsschnittstelle und der Ausgangsschnittstelle gekoppelt ist. Das Verfahren weist die folgenden Schritte auf: Bestimmen einer Eingangsspannungsreferenz für die Eingangsschnittstelle, basierend auf einer gewünschten Ausgangsspannung und einer gemessenen Spannung an der Ausgangsschnittstelle, Bestimmen eines Aussteuerungs-Steuerwertes basierend auf einem Verhältnis der Eingangsspannungsreferenz und der gemessenen Spannung, Betreiben eines oder mehrerer Schaltelemente des Energiewandlermoduls, um Energie von der Eingangsschnittstelle an die Ausgangsschnittstelle mit einer Aussteuerung zu liefern, welcher durch den Aussteuerungs-Steuerwert beeinflusst wird.
  • In einer anderen Ausführungsform wird ein elektrisches System bereitgestellt. Das elektrische System weist auf: eine DC-Schnittstelle, eine AC-Schnittstelle, ein Isolationsmodul, welches einen ersten Satz von Wicklungen beinhaltet, welche magnetisch an einen zweiten Satz von Wicklungen gekoppelt ist, ein erstes Energiewandlermodul, welches zwischen der DC-Schnittstelle und dem ersten Satz von Wicklungen gekoppelt ist, ein zweites Energiewandlermodul, welches an den zweiten Satz der Wicklungen gekoppelt ist, ein induktives Element, welches zwischen dem zweiten Energiewandlermodul und der AC-Schnittstelle gekoppelt ist, und ein Steuermodul. Das Steuermodul ist so konfiguriert, um eine Eingangsspannungsreferenz für die AC-Schnittstelle zu bestimmen, basierend auf einer gewünschten Spannung an der DC-Schnittstelle, die Eingangsspannungsreferenz durch eine momentane Spannung an der DC-Schnittstelle zu dividieren, um einen Pulsbreitenmodulations-(PWM-) Aussteuerungs-Steuerwert zu erhalten, und eine Vielzahl von Schaltern des zweiten Energiewandlermoduls entsprechend dem PWM-Aussteuerungs-Steuerwert zu betreiben.
  • Diese Zusammenfassung wird geliefert, um eine Auswahl von Konzepten in einer vereinfachten Form einzuführen, welche weiter unten in einer detaillierten Beschreibung beschrieben werden. Diese Zusammenfassung soll nicht die Schlüsselmerkmale oder wesentlichen Merkmale des beanspruchten Gegenstandes identifizieren, noch ist beabsichtigt, dass sie als eine Hinzufügung für das Bestimmen des Umfangs des beanspruchten Gegenstandes benutzt wird.
  • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • Ein vollständigeres Verständnis des Gegenstandes kann mit Bezug auf die detaillierte Beschreibung und die Ansprüche abgeleitet werden, wenn diese in Verbindung mit den folgenden Figuren betrachtet werden, wobei ähnliche Referenzzahlen sich auf ähnliche Elemente innerhalb der Figuren beziehen.
  • 1 ist eine schematische Ansicht eines elektrischen Systems, welches für den Gebrauch in einem Fahrzeug geeignet ist, entsprechend einer Ausführungsform;
  • 2 ist ein Blockdiagramm eines Steuersystems, welches für den Gebrauch mit dem elektrischen System der 1 geeignet ist, entsprechend einer Ausführungsform; und
  • 3 ist ein Ablaufdiagramm des Steuerprozesses, welcher für den Gebrauch mit dem elektrischen System der 1 geeignet ist, entsprechend einer Ausführungsform.
  • Detaillierte Beschreibung
  • Die folgende detaillierte Beschreibung ist von ihrer Art her nur erläuternd, und es ist nicht beabsichtigt, die Ausführungsformen des Gegenstandes oder die Anwendung und das Gebrauchen derartiger Ausführungsformen zu begrenzen. Wie es hier gebraucht wird, bedeutet das Wort ”beispielhaft” ”als ein Beispiel, ein Zustand oder eine Erläuterung dienend”. Jede hier als beispielhaft beschriebene Implementierung muss nicht notwendigerweise als eine bevorzugte oder nützliche gegenüber anderen Implementierungen dargelegt werden. Außerdem besteht keine Absicht, durch irgendwelche ausgedrückte oder beinhaltete Theorie, welche in dem vorausgegangenen technischen Bereich, Hintergrund, der kurzen Zusammenfassung oder der folgenden detaillierten Beschreibung präsentiert wird, gebunden zu sein.
  • Technologien und Konzepte, welche hier diskutiert werden, beziehen sich im Allgemeinen auf elektrische Wandler bzw. Stromrichter, welche in der Lage sind, Energie von einer Wechselstrom-(AC-)Schnittstelle an eine Gleichstrom-(DC-)Schnittstelle mit niedriger gesamtharmonischer Störung an der AC-Schnittstelle zu liefern. Wie in größerem Detail nachfolgend beschrieben wird, wird ein Schema der Regelung mit Störgrößenaufschaltung benutzt, um eine Eingangsspannungsreferenz für die Eingangsspannung an der AC-Schnittstelle zu bestimmen, basierend auf einer gewünschten Ausgangsspannung an der DC-Schnittstelle und einer gemessenen Spannung an der DC-Schnittstelle, und ein Pulsbreitenmodulations-(PWM-)Aussteuerungs-Steuerwert für das Betreiben des elektrischen Wandlers wird bestimmt, basierend auf einem Verhältnis der Eingangsspannungsreferenz gegenüber der gemessenen Spannung an der DC-Schnittstelle. In einer beispielhaften Ausführungsform entspricht die gemessene Spannung einem Momentanwert der Spannung an der DC-Schnittstelle, welche abgetastet, gemessen oder in anderer Weise bei einem speziellen Zeitpunkt während eines aktuellen PWM-Zyklus erhalten wird, wobei der PWM-Aussteuerungs-Steuerwert den Betrieb des elektrischen Wandlers während des nachfolgenden PWM-Zyklus regelt. Als Ergebnis minimieren harmonische Komponenten der gemessenen momentanen DC-Spannung an der DC-Schnittstelle effektiv die gesamtharmonische Störung an der AC-Schnittstelle.
  • 1 stellt eine beispielhafte Ausführungsform eines elektrischen Systems 100 (oder alternativ ein Aufladesystem, ein Aufladeglied oder ein Auflademodul) dar, welches für den Gebrauch in einem Fahrzeug, wie z. B. einem elektrischen und/oder Hybridfahrzeug, geeignet ist. Das elektrische System 100 beinhaltet ohne Eingrenzung eine erste Schnittstelle 102, ein erstes Energiewandlermodul 104, ein Isolationsmodul 106, ein zweites Energiewandlermodul 108, ein induktives Element 110, ein kapazitives Element 112, eine zweite Schnittstelle 114 und ein Steuermodul 116. Die erste Schnittstelle 102 stellt im Allgemeinen die physikalische Schnittstelle (z. B. Anschlüsse, Verbindungsglieder und Ähnliches) dar, um das elektrische System 100 an eine DC-Energiequelle 118 zu koppeln, und die zweite Schnittstelle 114 stellt im Allgemeinen die physikalische Schnittstelle (z. B. Anschlüsse, Anschlussglieder und Ähnliches) dar, um das elektrische System 100 an eine AC-Energiequelle 120 zu koppeln. Entsprechend, der Annehmlichkeit wegen, kann die erste Schnittstelle 102 hier als die DC-Schnittstelle bezeichnet werden, und die zweite Schnittstelle 114 kann hier als die AC-Schnittstelle bezeichnet werden. In einer beispielhaften Ausführungsform ist das Steuermodul 116 an die Energiewandlermodule 104, 108 gekoppelt und betreibt die Energiewandlermodule 104, 108, um Energie von der AC-Energiequelle 120 an die DC-Energiequelle 118 zu liefern, um eine gewünschte DC-Ausgangsspannung (VREF) an der DC-Schnittstelle 102 zu erreichen, wie dies in größerem Detail nachfolgend beschrieben wird.
  • In einer beispielhaften Ausführungsform ist die DC-Energiequelle 118 (oder alternativ die Energiespeicherquelle oder ESS) in der Lage, einen Gleichstrom (welcher durch den Pfeil 150 angezeigt ist) von dem elektrischen System 100 bei einem speziellen DC-Spannungspegel (angezeigt durch den Pfeil 160) zu empfangen. Entsprechend einer Ausführungsform wird die DC Energiequelle 118 als ein wiederaufladbarer Hochspannungs-Batteriestapel realisiert, welcher einen nominellen DC-Spannungsbereich von ungefähr 200 bis 500 Volt DC besitzt. Diesbezüglich kann die DC-Energiequelle 118 die Primärenergiequelle für ein anderes elektrisches System und/oder für einen elektrischen Motor in einem Fahrzeug aufweisen. Beispielsweise kann die DC-Energiequelle 118 an den Leistungswechselrichter gekoppelt sein, welcher so konfiguriert ist, um Spannung und/oder Strom an den elektrischen Motor zu liefern, welcher umgekehrt mit einem Getriebe in Eingriff sein kann, um das Fahrzeug in einer herkömmlichen Weise zu betreiben. In anderen Ausführungsformen kann die DC-Energiequelle 118 als eine Batterie, ein Ultra-Kondensator oder ein anderes geeignetes Energiespeicherelement realisiert sein.
  • Die AC-Energiequelle 120 (oder Leistungsquelle) ist so konfiguriert, um einen AC-Strom (angezeigt durch den Pfeil 170) an das elektrische System 100 bei einem speziellen AC-Spannungspegel (angezeigt durch den Pfeil 180) zu liefern, und kann als ein Hauptleistungsglied oder ein hauptelektrisches System für ein Gebäude, eine Wohnstätte oder eine andere Struktur innerhalb eines elektrischen Leistungsnetzes (z. B. Hauptelektrizitätsnetz oder Leistungsnetz) realisiert werden. Entsprechend einer Ausführungsform weist die AC-Energiequelle 120 eine Einzelphasen-Leistungsversorgung auf, welche für die meisten Wohnstättenstrukturen üblich ist, welche abhängig von der geographischen Region unterschiedlich ist. Beispielsweise kann in den vereinigten Staaten die AC-Energiequelle 120 als 120 Volt (RMS bzw. Effektivwert) oder 240 Volt (RMS) bei 60 Hz realisiert sein, während die AC-Energiequelle 120 in anderen Bereichen als 110 Volt (RMS) oder 220 Volt (RMS) bei 50 Hz realisiert sein kann. In alternativen Ausführungsformen kann die AC-Energiequelle 120 als irgendeine AC-Energiequelle realisiert werden, welche für den Betrieb mit dem elektrischen System 100 geeignet ist.
  • Wie in größerem Detail nachfolgend beschrieben wird, ist die DC-Schnittstelle 102 an das erste Energiewandlermodul 104 gekoppelt, und die AC-Schnittstelle 114 ist an das zweite Energiewandlermodul 108 über das induktive Element 110 gekoppelt. Das Isolationsmodul 106 ist zwischen den Energiewandlermodulen 104, 108 gekoppelt und liefert eine galvanische Isolation zwischen den zwei Energiewandlermodulen 104, 108. Das Steuermodul 116 ist an die Energiewandlermodule 104, 108 gekoppelt und betreibt das zweite Energiewandlermodul 108, um Energie von der AC-Energiequelle 120 in Hochfrequenzenergie über das Isolationsmodul 106 zu wandeln, welche dann in DC-Energie an der DC-Schnittstelle 102 durch das Energiewandlermodul 104 gewandelt wird. Es sollte davon ausgegangen werden, dass, obwohl der Gegenstand hier, der Erklärung wegen, im Kontext einer Netz-zu-Fahrzeug-Anwendung beschrieben wird (z. B. dass die AC-Energiequelle 120 Energie an die DC-Energiequelle 118 liefert), kann der hier beschriebene Gegenstand in Fahrzeug-zu-Netz-Anwendungen (z. B. wobei die DC-Energiequelle 118 Energie an die AC-Schnittstelle 114 und/oder die AC-Energiequelle 120 liefert) implementiert und/oder benutzt werden. Der Annehmlichkeit wegen, jedoch ohne Einschränkung, kann die AC-Schnittstelle 114 alternativ hier als die Eingangsschnittstelle bezeichnet werden, und die DC-Schnittstelle 102 kann alternativ hier als die Ausgangsschnittstelle bezeichnet werden.
  • Um Energie an die DC-Energiequelle 118 zu liefern (oder sie zu laden), wandelt das erste Energiewandlermodul 104 die Hochfrequenzenergie an den Knoten 122, 124 in DC-Energie, welche an die DC-Energiequelle 118 bei der DC-Schnittstelle 102 geliefert wird. Diesbezüglich arbeitet das erste Energiewandlermodul 104 als ein Gleichrichter, wenn es die Hochfrequenz-AC-Energie in DC-Energie wandelt. In der dargestellten Ausführungsform weist das erste Energiewandlermodul 104 vier Schaltelemente 9–12 auf, wobei jedes Schaltelement eine Diode 29–32 besitzt, welche antiparallel zu dem jeweiligen Schaltelement ist, um die bidirektionale Energielieferung zu beherbergen. Wie gezeigt wird, ist ein Kondensator 126 elektrisch parallel über der DC-Schnittstelle 102 konfiguriert, um den Spannungs-Ripple an der DC-Schnittstelle 102 zu reduzieren, wie dies in der Fachwelt gewürdigt werden wird.
  • In einer beispielhaften Ausführungsform sind die Schaltelemente 9–12 Transistoren und können realisiert werden, indem irgendein geeigneter Halbleiter-Transistorschalter benutzt wird, wie z. B. ein isolierter Gate-Bipolar-Transistor (IGBT), ein Feldeffekttransistor (z. B. ein MOSFET oder Ähnliches) oder irgendeine andere vergleichbare Einrichtung, welche in der Fachwelt bekannt ist. Die Schalter und Dioden sind antiparallel, was bedeutet, dass der Schalter und die Diode elektrisch parallel mit umgekehrter oder inverser Polarität sind. Die antiparallele Konfiguration gestattet einen bidirektionalen Stromfluss, während die Spannung in einer Richtung blockiert wird, wie dies in der Fachwelt gewürdigt werden wird. In dieser Konfiguration ist die Richtung des Stromes durch die Schalter entgegengesetzt zu der Richtung des zulässigen Stromes durch die jeweiligen Dioden. Die antiparallelen Dioden sind über jeden Schalter angeschlossen, um einen Pfad für den Strom an die DC-Energiequelle 118 zu liefern, um die DC-Energiequelle 118 zu laden, wenn der jeweilige Schalter aus ist.
  • In der dargestellten Ausführungsform ist der Schalter 9 zwischen dem Knoten 128 der DC-Schnittstelle 102 und dem Knoten 122 angeschlossen und so konfiguriert, um einen Pfad für den Stromfluss vom Knoten 128 zum Knoten 122 zu liefern, wenn der Schalter 9 geschlossen ist. Die Diode 29 ist zwischen dem Knoten 122 und dem Knoten 128 angeschlossen und so konfiguriert, um einen Pfad für den Stromfluss vom Knoten 122 zum Knoten 128 zu liefern (z. B. die Diode 29 ist antiparallel zum Schalter 9). Der Schalter 10 ist zwischen dem Knoten 130 der DC-Schnittstelle 102 und dem Knoten 122 angeschlossen und so konfiguriert, um einen Pfad für den Stromfluss vom Knoten 122 zum Knoten 130 zu liefern, wenn der Schalter 10 geschlossen ist, während die Diode 30 zwischen dem Knoten 122 und dem Knoten 130 angeschlossen ist und so konfiguriert ist, um einen Pfad für den Stromfluss vom Knoten 130 zum Knoten 122 zu liefern. In einer ähnlichen Weise ist der Schalter 11 zwischen dem Knoten 128 und dem Knoten 124 angeschlossen und so konfiguriert, um einen Pfad für den Stromfluss vom Knoten 128 zum Knoten 124 zu liefern, wenn der Schalter 11 geschlossen ist, die Diode 31 ist zwischen dem Knoten 124 und der DC-Schnittstelle 102 angeschlossen und so konfiguriert, um einen Pfad für den Stromfluss vom Knoten 124 zum Knoten 128 zu liefern, der Schalter 12 ist zwischen dem Knoten 130 und dem Knoten 124 angeschlossen und so konfiguriert, um einen Pfad für den Stromfluss vom Knoten 124 zum Knoten 130 zu liefern, wenn der Schalter 12 geschlossen ist, und die Diode 32 ist zwischen dem Knoten 124 und der DC-Schnittstelle 102 angeschlossen und so konfiguriert, um einen Pfad für den Stromfluss vom Knoten 130 zum Knoten 124 zu liefern.
  • In einer beispielhaften Ausführungsform erleichtert das zweite Energiewandlermodul 108 den Fluss von Strom (oder Energie) von der AC-Energiequelle 120 und/oder dem induktiven Element 110 an das Isolationsmodul 106. In der dargestellten Ausführungsform wird das zweite Energiewandlermodul 108 als ein Vorfeld-Einzelphasen-Matrix-Wandlermodul realisiert, welches acht Schaltelemente 1–8 aufweist, wobei jedes Schaltelement eine Diode 21–28 besitzt, welche antiparallel zu dem jeweiligen Schaltelement konfiguriert ist, in einer ähnlichen Weise, wie dies oben bezüglich des ersten Energiewandlermoduls 104 dargelegt ist. Der Annehmlichkeit wegen, jedoch ohne Einschränkung, kann das zweite Energiewandlermodul 108 alternativ hier als ein Matrix-Wandlermodul bezeichnet werden. Wie in größerem Detail nachfolgend beschrieben wird, moduliert das Steuermodul 116 (z. B. öffnet und/oder schließt) die Schalter 1–8 des Matrix-Wandlermoduls 108 entsprechend einem PWM-Aussteuerungs-Steuerwert, um eine Hochfrequenzspannung an den Knoten 134, 136 zu erzeugen, welche zu einem Leistungsfluss zu der DC-Schnittstelle 102 und/oder der DC-Energiequelle 118 führt, wobei beabsichtigt ist, eine gewünschte Ausgangsspannung an der DC-Schnittstelle 102 zu erreichen.
  • In der dargestellten Ausführungsform der 1 sind ein erstes Paar von Schaltern 1, 2 und Dioden 21, 22 zwischen dem Knoten 132 und dem Knoten 134 gekoppelt, wobei das erste Paar des Schalters und die antiparallele Diode (z. B. Schalter 1 und Diode 21) mit entgegengesetzter Polarität zu dem zweiten Paar des Schalters und der antiparallelen Diode (z. B. Schalter 2 und Diode 22) konfiguriert sind. Auf diese Weise sind der Schalter 1 und die Diode 22 so konfiguriert, um einen Pfad für den Stromfluss von dem Knoten 134 durch den Schalter 1 und die Diode 22 zum Knoten 132 zu liefern, wenn der Schalter 1 geschlossen, eingeschaltet oder in anderer Weise aktiviert ist und die Spannung an dem Knoten 134 positiver ist als die Spannung am Knoten 132. Der Schalter 2 und die Diode 21 sind so konfiguriert, um einen Pfad für den Stromfluss vom Knoten 132 durch den Schalter 2 und die Diode 21 zum Knote 134 zu liefern, wenn der Schalter 2 geschlossen, eingeschaltet oder in anderer Weise aktiviert ist und die Spannung am Knoten 132 positiver ist als am Knoten 134. In ähnlicher Weise ist ein zweites Paar von Schaltern 3, 4 und Dioden 23, 24 zwischen dem Knoten 136 und dem Knoten 138 gekoppelt, ein drittes Paar von Schaltern 5, 6 und Dioden 25, 26 ist zwischen dem Knoten 132 und dem Knoten 136 gekoppelt, und ein viertes Paar von Schaltern 7, 8 und Dioden 27, 28 ist zwischen dem Knoten 134 und dem Knoten 138 gekoppelt.
  • In der dargestellten Ausführungsform weisen die Schalter 1, 3, 5 und 7 einen ersten Satz von Schaltern auf, welche in der Lage sind, den Strom durch das induktive Element 110 (iL) (angezeigt durch den Pfeil 190) vom Knoten 138 zum Knoten 132 zu kommutieren, wenn der Strom durch das induktive Element 110 in eine negative Richtung (z. B. iL < 0) fließt und die Schalter 2, 4, 6 und 8 einen zweiten Satz von Schaltern aufweisen, welche in der Lage sind, den Strom durch das induktive Element 110 vom Knoten 132 zum Knoten 138 zu kommutieren, wenn der Strom durch das induktive Element 110 in einer positiven Richtung (z. B. iL > 0) fließt, wie dies in größerem Detail nachfolgend beschrieben wird. Mit anderen Worten, die Schalter 1, 3, 5, 7 sind in der Lage, wenigstens einen Teil des Stromes, welcher in eine negative Richtung durch das induktive Element 110 fließt (z. B. iL < 0), zu führen, und die Schalter 2, 4, 6, 8 sind in der Lage, wenigstens einen Teil des Stromes zu führen, welcher durch das induktive Element 110 in einer positiven Richtung fließt (z. B. iL > 0). Wie es hier benutzt wird, soll Kommutieren als der Prozess verstanden werden, den Strom durch das induktive Element 110 durch die Schalter und Dioden des Matrix-Wandlermoduls 108 kreisen zu lassen, so dass der Fluss des Stromes durch das induktive Element 110 nicht unterbrochen ist.
  • In einer beispielhaften Ausführungsform weist das Isolationsmodul 106 einen ersten Satz von Wicklungen 144 auf, welcher zwischen den Knoten 122, 124 des ersten Wandlermoduls 104 angeschlossen ist, und einen zweiten Satz von Wicklungen 146, welcher zwischen den Knoten 134, 136 angeschlossen ist. Für die Zwecke der Erklärung können die Wicklungen 146 hier so bezeichnet werden, als wenn sie die Primärwicklungsstufe (oder Primärwicklungen) aufweisen, und die Sätze der Wicklungen 144 können hier so bezeichnet werden, als wenn sie die zweite Wicklungsstufe (oder sekundären Wicklungen) aufweisen. Die Wicklungen 144, 146 liefern induktive Elemente, welche magnetisch in einer herkömmlichen Weise gekoppelt sind, um einen Transformator zu bilden, wie dies in der Fachwelt gewürdigt werden wird. In einer beispielhaften Ausführungsform wird das Isolationsmodul 106 als ein Hochfrequenz-Transformator realisiert. Diesbezüglich weist das Isolationsmodul 106 einen Transformator auf, welcher für einen speziellen Leistungspegel bei einer Hochfrequenz gestaltet ist, wie beispielsweise die Schaltfrequenz der Schalter der Energiewandlermodule 104, 108 (z. B. 50 kHz), was zu der physikalischen Abmessung des Transformators führt, welche relativ zu einem Transformator reduziert ist, welcher für den gleichen Leistungspegel bei einer niedrigeren Frequenz gestaltet ist, wie z. B. der Frequenz der AC-Energiequelle 120 (z. B. der Hauptnetzfrequenz).
  • In einer beispielhaften Ausführungsform wird das induktive Element 110 als ein Induktionsglied bzw. eine Drossel konfiguriert, elektrisch in Reihe zwischen dem Knoten 132 des Matrix-Wandlermoduls 108 und einem Knoten 140 der AC-Schnittstelle 114. Entsprechend, der Annehmlichkeit wegen, jedoch ohne Einschränkung, wird das induktive Element 110 hier als eine Drossel bezeichnet. Die Drossel 110 funktioniert als ein Hochfrequenz-induktives Energiespeicherelement während des Betriebes des elektrischen Systems 100. Das kapazitive Element 112 wird als ein Kondensator realisiert, welcher zwischen dem Knoten 140 und dem Knoten 142 der AC-Schnittstelle 114 gekoppelt ist, d. h. der Kondensator 112 ist elektrisch parallel zu der AC-Schnittstelle 114 konfiguriert. Der Kondensator 112 und die Drossel 110 sind kooperativ so konfiguriert, um ein Hochfrequenzfilter zu liefern, um den Spannungs-Ripple an der AC-Schnittstelle 114 zu minimieren, welcher den Modulationsschaltern 1–8 zuordenbar ist.
  • Das Steuermodul 116 repräsentiert im Allgemeinen die Hardware, Firmware und/oder Software, welche so konfiguriert ist, um die Schalter der Energiewandlermodule 104, 108 zu betreiben und/oder zu modulieren, um einen gewünschten Leistungsfluss von der AC-Energiequelle 120 an die DC-Energiequelle 118 zu liefern. Abhängig von der Ausführungsform kann das Steuermodul 116 mit einem Prozessor für allgemeine Zwecke, einem Mikroprozessor, einem Mikrosteuerglied, einem inhaltsadressierbaren Speicher, einem Digitalsignalprozessor, einer anwendungsspezifischen integrierten Schaltung, einem feldprogrammierbaren Gate-Array, jeder gewöhnlichen programmierbaren Einrichtung, einer diskreten Gate- oder Transistorlogik, diskreten Hardware-Komponenten oder irgendeiner Kombination davon implementiert oder realisiert werden, welche so gestaltet sind, um die hier beschriebenen Funktionen zu unterstützen und/oder durchzuführen.
  • Während des Normalbetriebes für Netz-zu-Fahrzeug-Anwendungen bestimmt das Steuermodul 116 die PWM-Befehlssignale, welches die Zeitablauf- und Arbeitszyklen der Schalter 1–8 des Matrix-Wandlermoduls 108 steuern, um eine Hochfrequenz-AC-Spannung über die Primärwicklungen 146 des Isolationsmoduls 106 herzustellen. Die Hochfrequenz-AC-Spannung über die Primärwicklungen 146 induziert eine Spannung über die Sekundärwicklungen 144 an den Knoten 122, 124, welche zu einem gewünschten Stromfluss zu der DC-Schnittstelle 102 führen, um Energie an die DC-Energiequelle 118 zu laden oder auf anderen Weise zu liefern. Wie in größerem Detail nachfolgend beschrieben wird, erzeugt das Steuermodul 116 einen PWM-Aussteuerungs-Steuerwert, welcher den Arbeitszyklus der Schalter 1–8 beeinflusst, regelt oder in anderer Weise steuert, um das geeignete Schaltmuster während eines Schaltintervalls (z. B. das Inverse der Schaltfrequenz) zu implementieren. Während des Schaltintervalls (oder des PWM-Zyklus) alterniert das Steuermodul 116 zwischen dem Betreiben der Schalter 1–8, um effektiv die Knoten 132, 138 kurzzuschließen und Energie durch das Matrix-Wandlermodul 108 kreisen zu lassen, um eine Spannung über der Drossel 110 anzulegen, bevor die Schalter 1–8 betrieben werden, um die gespeicherte Energie und/oder Spannung der Drossel 110 (alternativ die Rücklaufspannung) freizugeben. Die Summe der Rücklaufspannung und der Eingangsspannung 180 an der AC-Schnittstelle 114 werden an den Primärwicklungen 146 des Isolationsmoduls 106 angelegt, was zu einer Leistungsübertragung zu den Knoten 122, 124 und/oder die DC-Energiequelle 118 führt. Auf diese Weise betreibt das Steuermodul 116 die Schalter 1–8 des Matrix-Wandlermoduls 108, um zwischen dem Umlaufen der Energie durch die Drossel 110 und dem Liefern der Energie an die DC-Schnittstelle 102 zu alternieren. Wie in größerem Detail nachfolgend beschrieben wird, entspricht der Prozentsatz des Schaltintervalls (oder des PWM-Zyklus), welchen das Matrix-Wandlermodul 108 als Energie an die DC-Schnittstelle 102 liefert, dem Arbeitszyklus bzw. der Aussteuerung des Matrix-Wandlermoduls 108 während des jeweiligen Schaltintervalls.
  • In einer beispielhaften Ausführungsform erhält das Steuermodul 116 oder überwacht auf andere Weise den Strom 190 durch die Drossel 110 (z. B. einen gemessenen Drosselstrom (iL) über einen Stromsensor, welcher elektrisch in Reihe mit der Drossel 110 ist), den Strom (angezeigt durch den Pfeil 185) durch den Kondensator 112 (z. B. einen gemessenen Kondensatorstrom (iCAP) über einen Stromsensor, welcher elektrisch mit dem Kondensator 112 in Reihe ist), die Eingangsspannung 180 an der AC-Schnittstelle 114 und die Ausgangsspannung 160 an der DC-Schnittstelle 102 und implementiert ein Regelungssystem mit Störgrößenaufschaltung, um einen PWM-Aussteuerungs-Steuerwert für das Betreiben der Schalter 1–8 des Matrix-Wandlermoduls 108 zu bestimmen, wie dies in größerem Detail nachfolgend beschrieben wird. In einer beispielhaften Ausführungsform erhält das Steuermodul 116 gemessene Momentanwerte für den Drosselstrom (iL), den Kondensatorstrom (iCAP), die Eingangsspannung (VAC) an der Eingangsschnittstelle 114 und die Ausgangsspannung (VDC) an der Ausgangsschnittstelle 102, welche abgetastet, gemessen oder in anderer Weise bei einem speziellen Zeitpunkt während eines aktuellen PWM-Zyklus erhalten werden, wobei der PWM-Aussteuerungs-Steuerwert durch das Steuermodul 116 bestimmt wird, welches den Betrieb des elektrischen Wandlers während des nachfolgenden PWM-Zyklus regelt.
  • Es sollte davon ausgegangen werden, dass 1 eine vereinfachte Darstellung eines elektrischen Systems 100 ist, für die Zwecke der Erklärung, und dass nicht beabsichtigt ist, den Umfang oder die Anwendbarkeit des Gegenstandes, welcher hier beschrieben wird, in irgendeiner Weise einzuschränken. Demnach, obwohl 1 direkte, elektrische Verbindungen zwischen den Schaltelementen und/oder Anschlüssen darstellt, können alternative Ausführungsformen dazwischen liegende Schaltelemente und/oder Komponenten anwenden, während sie in einer im Wesentlichen ähnlichen Weise funktionieren. Zusätzlich, obwohl das elektrische System 100 hier im Kontext eines Matrix-Wandlermoduls 108 für ein Fahrzeug beschrieben wird, ist nicht beabsichtigt, dass der Gegenstand auf fahrzeugartige und/oder automobile Anwendungen beschränkt ist, und der hier beschriebene Gegenstand kann bei anderen Anwendungen implementiert werden, bei welchen ein Energiewandlermodul benutzt wird, um Energie zu übertragen, wobei Schaltelemente benutzt werden, oder in anderen elektrischen Systemen, wo Schemen für Störgrößenaufschaltung benutzt werden, um eine Leistungsfaktorkorrektur zu erreichen, indem der Eingangsanschluss als ein verlustfreier Widerstand modelliert wird.
  • 2 stellt eine beispielhafte Ausführungsform eines Aufschaltungssteuersystems 200 dar, welches für den Gebrauch durch das Steuermodul 116 der 1 geeignet ist. Das Steuersystem 200 ist so konfiguriert, um einen PWM-Aussteuerungs-Steuerwert (U) für das Betreiben des Matrix-Wandlermoduls 108 zu bestimmen, um eine gewünschte DC-Ausgangsspannung (VREF) an der DC-Schnittstelle 102 zu liefern. In einer beispielhaften Ausführungsform beinhaltet das Regelungssystem 200 zur Störgrößenaufschaltung einen ersten Summierungsblock 202, welcher so konfiguriert ist, um einen Ausgangsenergie-Fehlerwert zu erzeugen, basierend auf einer Differenz zwischen einer gewünschten Energie, ausgegeben bei einem ersten Eingang 204 und einer gemessenen Energie, ausgegeben bei einem zweiten Eingang 206. In einer beispielhaften Ausführungsform wird die gewünschte Energie, ausgegeben an der DC-Schnittstelle 102, berechnet oder auf andere Weise bestimmt, basierend auf der gewünschten DC-Ausgangsspannung (VREF), beispielsweise durch Quadrieren der gewünschten DC-Ausgangsspannung (V 2 / REF), und der gemessenen Energie, ausgegeben an der DC-Schnittstelle 102, wird berechnet oder auf andere Weise bestimmt, basierend auf der gemessenen momentanen Ausgangsspannung (VDC), z. B. durch Quadrieren der gemessenen momentanen Ausgangsspannung (V 2 / DC).
  • Der Ausgangsenergie-Fehlerwert wird an den Eingang eines Leistungsregulierungsblockes 208 geliefert. Der Leistungsregulierungsblock 208 erzeugt einen gewünschten AC-Eingangsleistungs-Referenzwert, um die gewünschte DC-Ausgangsleistung an der DC-Schnittstelle 102 herzustellen, basierend auf dem Ausgangsenergie-Fehlerwert.
  • In der dargestellten Ausführungsform wird der gewünschte AC-Eingangsleistungs-Referenzwert an einen Stromwandlungsblock 210 geliefert, welcher den gewünschten AC-Eingangsleistungs-Referenzwert in einen AC-Eingangsstrom-Referenzwert wandelt, welcher repräsentativ für den erforderlichen AC-Strom an der AC-Schnittstelle 114 ist, um die gewünschte AC-Eingangsleistung herzustellen. Der AC-Eingangsstrom-Referenzwert entspricht einem AC-Eingangsstrom an der AC-Schnittstelle 114, welcher im Wesentlichen in Phase mit der AC-Eingangsspannung 180 an der AC-Schnittstelle 114 ist, um einen im Wesentlichen Leistungsfaktor eins zu liefern, während die gewünschte AC-Eingangsleistung hergestellt wird. In einer beispielhaften Ausführungsform erzeugt der Stromwandlungsblock 210 oder bestimmt auf andere Weise den AC-Eingangsstrom-Referenzwert durch Multiplizieren des AC-Eingangsleistungs-Referenzwertes mit der gemessenen AC-Spannung 180 an der AC-Schnittstelle 114 dividiert durch das Quadrat der Quadratwurzel-(RMS-)Spannung an der AC-Schnittstelle 114.
  • In der dargestellten Ausführungsform ist ein zweiter Summierungsblock 212 konfiguriert, um einen Drosselstrom-Fehlerwert zu erzeugen oder auf andere Weise zu liefern, basierend auf der Differenz zwischen dem gemessenen Drosselstrom (iL) und einem Drosselstrom-Referenzwert. In einer beispielhaften Ausführungsform schätzt der zweite Summierungsblock 212 oder bestimmt auf andere Weise den Drosselstrom-Referenzwert als die Differenz zwischen dem AC-Eingangsstrom-Referenzwert und dem gemessenen Kondensatorstrom (iCAP), welcher am Eingang 216 empfangen wird. Der zweite Summierungsblock 212 subtrahiert den Drosselstrom-Referenzwert von dem gemessenen Drosselstrom (iL), welcher am Eingang 214 erhalten wird, um den Drosselstrom-Fehlerwert zu erzeugen oder auf andere Weise zu erhalten, und liefert den Drosselstrom-Fehlerwert an einen Verstärkungswert 218, welcher den Drosselstrom-Fehlerwert mit einem Verstärkungsfaktor multipliziert, um den Drosselstrom-Fehlerwert in einen AC-Eingangsspannungs-Fehlerwert zu übersetzen oder auf andere Weise zu konvertieren. Ein dritter Summierungsblock 220 ist so konfiguriert, um einen AC-Eingangsspannungs-Referenzwert durch Addieren des Eingangsspannungs-Fehlerwertes zu der gemessenen AC-Spannung (VAC) an der AC-Schnittstelle 114 zu erzeugen, welcher am Eingang 222 geliefert wird.
  • In der dargestellten Ausführungsform beinhaltet das Steuersystem 200 einen Divisionsblock 224, welcher so konfiguriert ist, um den AC-Eingangsspannungs-Referenzwert von dem Ausgang des dritten Summierungsblocks 220 durch die gemessene momentane Ausgangsspannung (VDC) zu dividieren, welche am Eingang 226 geliefert wird, um den PWM-Aussteuerungs-Steuerwert (U) am Ausgang 228 zu erhalten. Der PWM-Aussteuerungs-Steuerwert regelt den Arbeitszyklus (d), um das Matrix-Wandlermodul 108 während des darauf folgenden PWM-Zyklus (oder Schaltintervalls) zu betreiben, wobei umgekehrt die jeweiligen Zeitablauf- und Arbeitszyklen der Schalter 1–8 des Matrix-Wandlermoduls 108 geregelt werden, um ein gewünschtes Schaltmuster zu implementieren. Der PWM-Aussteuerungs-Steuerwert ist ein Wert zwischen 0 und 1, welcher gleich zu einem Minus des Arbeitszyklus (U = 1 – d) ist, oder alternativ, der Arbeitszyklus ist gleich zu einem Minus des PWM-Aussteuerungs-Steuerwert (d = 1 – U). Auf diese Weise wird der Arbeitszyklus durch den PWM-Aussteuerungs-Steuerwert beeinflusst. In einer beispielhaften Ausführungsform wird der AC-Eingangsspannungs-Referenzwert durch einen gemessenen momentanen Wert der DC-Spannung 160 an der DC-Schnittstelle 102 dividiert, d. h. die in jüngster Zeit abgetastete Ausgangsspannung 160, welche gemessen oder auf andere Weise während des aktuellen PWM-Zyklus (oder aktuellen Schaltintervalls) erhalten wurde. Diesbezüglich beinhaltet die Ausgangsspannung 160 an der DC-Schnittstelle 102 sowohl eine DC-Spannungskomponente und eine AC-Spannungskomponente bei der zweiten Harmonischen der AC-Eingangsfrequenz, beispielsweise eine DC-Spannung mit einer überlagerten 120-Hz-AC-Spannung für eine 60-Hz-AC-Energiequelle 120, welche an eine AC-Schnittstelle 114 gekoppelt ist. Demnach, indem eine gemessene momentane DC-Ausgangsspannung (VDC) benutzt wird, um den Ausgangsenergie-Fehlerwert zu bestimmen (z. B. durch Liefern des Quadrates der gemessenen DC-Ausgangsspannung am Eingang 206), wird eine harmonische Komponente eingeführt, welche durch den AC-Eingangsspannungs-Fehlerwert reflektiert wird, was zu einem AC-Eingangsspannungs-Referenzwert am Ausgang des dritten Summierungsblockes 220 führt, wobei eine harmonische Komponente beinhaltet ist. Das Dividieren des AC-Eingangsspannungs-Fehlerwertes durch die gemessene momentane DC-Ausgangsspannung (VDC), welche auch die harmonische Komponente beinhaltet, löscht effektiv oder eliminiert auf andere Weise die Wirkung der harmonischen Komponente auf dem PWM-Aussteuerungs-Steuerwert (U). Als ein Ergebnis wird die gesamte harmonische Störung an der AC-Schnittstelle 114 reduziert.
  • Mit Bezug nun auf 3 kann in einer beispielhaften Ausführungsform ein elektrisches System konfiguriert sein, um einen Steuerprozess 300 und zusätzliche Aufgaben, Funktionen und Betriebsarten, welche nachfolgend beschrieben werden, durchzuführen. Die verschiedenen Aufgaben können durch Software, Hardware, Firmware oder irgendeine Kombination davon durchgeführt werden. Für erläuternde Zwecke kann die folgende Beschreibung sich auf Elemente beziehen, welche oben in Verbindung mit den 1–2 erwähnt wurden. In der Praxis können die Aufgaben, Funktionen und Betriebsarten durch unterschiedliche Elemente des beschriebenen Systems, wie z. B. das Steuermodul 116, das Steuersystem 200 und/oder das Matrix-Wandlermodul 108 durchgeführt werden. Es sollte gewürdigt werden, dass jede Zahl der zusätzlichen oder alternativen Aufgaben beinhaltet sein kann und in einer umfangreicheren Prozedur oder einem Prozess eingebaut sein kann, welcher zusätzliche Funktionalität, welche hier nicht im Detail beschrieben ist, besitzt.
  • Mit Bezug auf 3 und mit fortlaufendem Bezug auf 1–2 wird in einer beispielhaften Ausführungsform der Steuerprozess 300 in Antwort auf eine unterbrochene Anforderung durchgeführt, welche durch das Steuermodul 116 bei festgelegten regulären Intervallen erzeugt oder in anderer Weise empfangen wird. Beispielsweise, entsprechend einer Ausführungsform, empfängt das Steuermodul 116 ein Unterbrechungssignal alle zwanzig Mikrosekunden, welches das Steuermodul 116 veranlasst, den Steuerprozess 300 auszuführen. Der Steuerprozess 300 initialisiert oder beginnt durch Erhalten gemessener Werte für die Eingangsspannung an der Eingangsschnittstelle die Ausgangsspannung an der Ausgangsschnittstelle, den Strom durch den Kondensator und den Strom durch die Drossel (Aufgaben 302, 304, 306, 308). Diesbezüglich erhält das Steuermodul 116 und/oder das Steuersystem 200 momentane Werte für die Eingangsspannung 180 an der AC-Schnittstelle 114, die Ausgangsspannung 160 an der DC-Schnittstelle 102, den Strom 185 durch den Kondensator 112 und den Strom 190 durch die Drossel 110 durch Abtasten, Erfassen oder auf andere Weise Messen der jeweiligen Werte während eines aktuellen PWM-Zyklus (oder Schaltintervalls), was zu einer gemessenen AC-Eingangsspannung (VAC), einer gemessenen DC-Ausgangsspannung (VDC), einem gemessenen Kondensatorstrom (iCAP) und einem gemessenen Drosselstrom (iL) führt.
  • In einer beispielhaften Ausführungsform fährt der Steuerprozess 300 mit dem Identifizieren oder auf andere Weise Bestimmen einer gewünschten Ausgangsspannung für das Ladesystem an der Ausgangsschnittstelle fort (Aufgabe 310). Beispielsweise, entsprechend einer Ausführungsform, kann das Steuermodul 116 einen gewünschten Wert (VREF) für die DC-Ausgangsspannung 160 an der DC-Schnittstelle 102 identifizieren, in Antwort auf das Empfangen eines Befehlssignals, welches indikativ für die gewünschte DC-Ausgangsspannung (VREF) von einem Steuerglied ist, welches mit der DC-Energiequelle 118 verbunden ist (z. B. einem Batterie-Steuerglied). In einer anderen Ausführungsform kann das Steuermodul 116 vorkonfiguriert sein oder auf andere Weise annehmen, dass die gewünschte DC-Ausgangsspannung immer gleich einem konstanten Wert sein wird (z. B. einer vorausgegangenen oder erwarteten Spannung für die DC-Energiequelle 118).
  • Nach dem Identifizieren der gewünschten Spannung an der DC-Schnittstelle fährt der Steuerprozess 300 fort, indem eine Eingangsspannungsreferenz für die Eingangsschnittstelle bestimmt wird, basierend auf der gewünschten Ausgangsspannung an der Ausgangsschnittstelle (Aufgabe 312). Wie oben beschrieben, bestimmt in einer beispielhaften Ausführungsform das Steuermodul 116 und/oder das Steuersystem 200 einen Ausgangsenergie-Fehlerwert basierend auf einer Differenz zwischen dem Quadrat der gewünschten DC-Ausgangsspannung (V 2 / REF) und dem Quadrat der gemessenen DC-Ausgangsspannung (V 2 / DC) und erzeugt einen gewünschten Eingangsleistungs-Referenzwert, um die gewünschte Spannung (VREF) an der DC-Schnittstelle 102 zu erzeugen, basierend auf dem Ausgangsenergie-Fehlerwert. Das Steuermodul 116 und/oder Steuersystem 200 wandelt den gewünschten Eingangsleistungs-Referenzwert in einen AC-Eingangsstrom-Referenzwert, subtrahiert den gemessenen Kondensatorstrom (iCAP) von dem AC-Eingangsstrom-Referenzwert, um einen Drosselstrom-Referenzwert zu erhalten, und subtrahiert den Drosselstrom-Referenzwert von dem gemessenen Drosselstrom (iL), um einen Drosselstrom-Fehlerwert zu erhalten. Das Steuermodul 116 und/oder Steuersystem 200 multipliziert den Drosselstrom-Fehlerwert durch einen Verstärkungsfaktor, um den Drosselstrom-Fehlerwert in einen AC-Eingangsspannungs-Fehlerwert zu übersetzen oder auf andere Weise zu wandeln, welcher zu der gemessenen AC-Eingangsspannung (VAC) addiert wird, um einen AC-Eingangsspannungs-Referenzwert zu erhalten. Es wird in der Fachwelt gewürdigt werden, dass der Verstärkungsfaktor ausgewählt oder auf andere Weise gewählt werden kann, um eine gewünschte Bandbreite für das Steuersystem 200 zu liefern.
  • In einer beispielhaften Ausführungsform fährt der Steuerprozess 300 fort, indem ein PWM-Aussteuerungs-Steuerwert bestimmt wird, um das Matrix-Wandlermodul zu betreiben, basierend auf einem Verhältnis zwischen der Eingangsspannungsreferenz und der gemessenen momentanen Ausgangsspannung an der Ausgangsschnittstelle (Aufgabe 314). Diesbezüglich, in einer beispielhaften Ausführungsform, bestimmt das Steuermodul 116 und/oder das Steuersystem 200 den PWM-Aussteuerungs-Steuerwert (U) für das Betreiben des Matrix-Wandlermoduls 108, indem der AC-Eingangsspannungs-Referenzwert durch die gemessene DC-Ausgangsspannung (VDC) dividiert wird, d. h. einen Momentanwert für die Ausgangsspannung 160 an der DC-Schnittstelle 102, welcher während des aktuellen PWM-Zyklus (oder Schaltintervalls) erhalten wird, um den PWM-Aussteuerungs-Steuerwert (U) für den nächsten PWM-Zyklus zu erhalten.
  • Der Steuerprozess 300 fährt mit dem Bestimmen der PWM-Befehlssignale, um die Schalter des Matrix-Wandlermoduls zu betreiben, basierend auf dem PWM-Aussteuerungs-Steuerwert für das Matrix-Wandlermodul, und dem Betreiben der Schalter des Matrix-Wandlermoduls entsprechend den PWM-Befehlssignalen fort (Aufgaben 316, 318). Diesbezüglich bestimmt das Steuermodul 116 die PWM-Befehlssignale, um die Schalter 1–8 während des nächsten PWM-Zyklus zu betreiben, so dass das Matrix-Wandlermodul 108 Energie von der AC-Schnittstelle 114 an die DC-Schnittstelle 102 während des nächsten PWM-Zyklus bei einer Aussteuerung (d) gleich zu eins minus dem PWM-Aussteuerungs-Steuerwert (d = 1 – U) liefert. Während des nächsten PWM-Zyklus betreibt das Steuermodul 116 die Schalter 1–8 des Matrix-Wandlermoduls 108 entsprechend zu den PWM-Befehlssignalen, um Energie von einer AC-Schnittstelle 114 an die DC-Schnittstelle 102 zu liefern, für einen Prozentsatz des PWM-Zyklus entsprechend zu der Aussteuerung (d). Diesbezüglich betreibt das Steuermodul 116 die Schalter 1–8 des Matrix-Wandlermoduls 108, um den Drosselstrom durch das Matrix-Wandlermodul 108 kreisen zu lassen oder auf andere Weise zirkulieren zu lassen, ohne Energie an die CC-Schnittstelle 102 für einen Prozentsatz des PWM-Zyklus entsprechend zu dem PWM-Aussteuerungs-Steuerwert (U) zu liefern.
  • Beispielsweise, mit Bezug wieder auf 1, wenn die Spannung an der AC-Schnittstelle 114 positiv ist, schließt (oder schaltet ein) das Steuermodul 114 gleichzeitig die Schalter 2, 4, 6 und 8, um den Drosselstrom (iL) durch das Matrix-Wandlermodul 108 für eine erste Zeitperiode (t1) kreisen oder auf andere Weise zirkulieren zu lassen, entsprechend einem ersten Teilbereich des PWM-Zyklus. Die Schalter 2 und 6 und die Dioden 21 und 25 führen wenigstens einen Teil des Drosselstromes (iL) am Knoten 132, und die Schalter 8 und 4 und Dioden 27 und 23 führen jeweils den Teil des Drosselstromes, welcher jeweils durch die Schalter 2 und 6 bzw. die Dioden 21 und 25 fließt, zum Knoten 138. Das Steuermodul 116 öffnet darauf folgend (oder schaltet aus) die Schalter 6 und 8, während die Schalter 2 und 4 in einem geschlossenen Zustand verbleiben, um den Drosselstrom (iL) von dem Knoten 132 zum Knoten 138 durch die Primärwicklungen 146 zu führen, und wenden eine Spannung über den Primärwicklungen 146 an, wobei dadurch Energie an die DC-Schnittstelle 102 (über Sekundärwicklungen 144 und das Energiewandlermodul 104) für eine zweite Zeitperiode (t2) geliefert wird, entsprechend zu einem zweiten Teil des PWM-Zyklus. Das Steuermodul 116 schließt dann gleichzeitig die Schalter 2, 4, 6 und 8 (oder schaltet sie ein), um den Drosselstrom (iL) durch das Matrix-Wandlermodul 108 für eine dritte Zeitperiode (t3) kreisen oder auf andere Weise zirkulieren zu lassen, entsprechend einem dritten Teil des PWM-Zyklus. Das Steuermodul 116 öffnet darauf folgend die Schalter 2 und 4 (oder schaltet sie aus), während die Schalter 6 und 8 in einem geschlossenen Zustand verbleiben, um den Drosselstrom (iL) vom Knoten 132 zum Knoten 138 durch die Primärwicklungen 146 zu führen und eine Spannung über den Primärwicklungen 146 anzuwenden, und um dadurch Energie an die DC-Schnittstelle 102 (über sekundäre Wicklungen 144 und das Energiewandlermodul 104) für eine vierte Zeitperiode (t4) zu liefern, entsprechend zu dem verbleibenden Teil des PWM-Zyklus. Die Summe der vier Zeitperioden entspricht der Dauer des PWM-Zyklus, wobei die Summe der ersten Zeitperiode und der dritten Zeitperiode dividiert durch die Summe der vier Zeitperioden dem PWM-Aussteuerungs-Steuerwert (z. B.
    Figure 00240001
    entspricht und die Summe der zweiten Zeitperiode und der vierten Zeitperiode dividiert durch die Summe der vier Zeitperioden der Aussteuerung (z. B. d =
    Figure 00250001
    entspricht.
  • Umgekehrt, wenn die Spannung an der AC-Schnittstelle 114 negativ ist, schließt das Steuermodul 116 gleichzeitig die Schalter 1, 3, 5 und 7 (oder schaltet sei ein), um den Drosselstrom (iL) durch das Matrix-Wandlermodul 108 für eine erste Zeitperiode (t1) kreisen oder auf andere Weise zirkulieren zu lassen. Das Steuermodul 116 öffnet darauf folgend die Schalter 5 und 7 (oder schaltet sie aus), während die Schalter 1 und 3 in einem geschlossenen Zustand verbleiben, um den Drosselstrom (iL) vom Knoten 138 zum Knoten 132 durch die Primärwicklungen 146 zu führen und eine Spannung über den Primärwicklungen 146 anzuwenden, und liefert dadurch Energie an die DC-Schnittstelle 102 (über die Sekundärwicklungen 144 und das Energiewandlermodul 104) für eine zweite Zeitperiode (t2). Das Steuermodul 116 schließt dann gleichzeitig die Schalter 1, 3, 5 und 7 (oder schaltet sie ein), um den Drosselstrom (iL) durch das Matrix-Wandlermodul 108 für eine dritte Zeitperiode (t3) kreisen oder auf andere Weise zirkulieren zu lassen, und öffnet nachfolgend die Schalter 1 und 3 (oder schaltet sie aus), während die Schalter 5 und 7 in einem geschlossenen Zustand verbleiben, um den Drosselstrom (iL) von dem Knoten 138 zum Knoten 132 durch die Primärwicklungen 146 zu führen, und wendet eine Spannung über die Primärwicklungen 146 an und liefert dadurch Energie an die DC-Schnittstelle 102 (über zweite Wicklungen 144 und das Energie-Wandlermodul 104) für eine vierte Zeitperiode (t4). Wie oben dargelegt, entspricht die Summe der vier Zeitperioden der Dauer des PWM-Zyklus, wobei das Verhältnis der Summe der ersten Zeitperiode und der dritten Zeitperiode zur Dauer des PWM-Zyklus dem PWM-Aussteuerungs-Steuerwert (U) entspricht und das Verhältnis der Summe der zweiten Zeitperiode und der vierten Zeitperiode zu der Dauer des PWM-Zyklus der Aussteuerung (d) entspricht.
  • Mit Bezug wieder auf 3 kann der Steuerprozess 300 während des Betriebes des elektrischen Systems 100 wiederholt werden, um eine gewünschte DC-Ausgangsspannung an der DC-Schnittstelle 102 herzustellen. Diesbezüglich, während das Matrix-Wandlermodul 108 betrieben wird, um Energie an die DC-Schnittstelle 102 entsprechend der Aussteuerung (d) während eines PWM-Zyklus zu liefern, wiederholt das Steuermodul 116 und/oder das Steuersystem 200 den Steuerprozess 300, um einen PWM-Aussteuerungs-Steuerwert (U) für den nächsten PWM-Zyklus zu bestimmen, und so weiter.
  • Um kurz zusammenzufassen, ein Vorteil der Systeme und/oder der Verfahren, welche oben beschrieben sind, besteht darin, dass ein Regelungssystem mit Störaufschaltung benutzt werden kann, um ein Matrix-Wandlermodul zu betreiben, um eine gewünschte DC-Ausgangsspannung zu erreichen, während zur gleichen Zeit ein im Wesentlichen Leistungsfaktor eins und eine niedrige gesamtharmonische Störung an dem AC-Eingang erhalten wird. Wie oben dargelegt, werden gemessene Momentanwerte für die DC-Ausgangsspannung (im Gegensatz zu einer DC-Ausgangsspannung) benutzt, um einen PWM-Aussteuerungs-Steuerwert zu bestimmen, welcher umgekehrt die gesamtharmonische Störung an der AC-Eingangsschnittstelle reduziert.
  • Der Kürze wegen werden herkömmliche Techniken, welche sich auf elektrische Energie- und/oder Leistungswandlung, elektrische Ladesysteme, Leistungswandler, Pulsbreitenmodulation (PWM) und andere funktionelle Gesichtspunkte der Systeme (und die individuellen Betriebskomponenten der Systeme) beziehen, hier im Detail nicht beschrieben. Außerdem sollen die hier gezeigten Anschlussleitungen in den verschiedenen Figuren, welche hier enthalten sind, beispielhafte funktionelle Beziehungen und/oder physikalische Kopplungen zwischen den verschiedenen Elementen repräsentieren. Es sollte beachtet werden, dass viele alternative oder zusätzliche funktionelle Beziehungen oder physikalische Verbindungen in einer Ausführungsform des Gegenstandes vorhanden sein können.
  • Die vorausgegangene Beschreibung bezieht sich auf Elemente oder Knoten oder Merkmale, welche miteinander ”verbunden” oder ”gekoppelt” sind. Wie es hier gebraucht wird, ohne dass es ausdrücklich festgestellt wird, bedeutet ”verbunden”, dass ein Element/Knoten/Merkmal direkt mit einem anderen Element/Knoten/Merkmal verbunden ist (oder direkt kommuniziert), und dies nicht notwendigerweise auf mechanische Weise. In ähnlicher Weise, es sei denn, es wird ausdrücklich in anderer Weise festgestellt, bedeutet ”gekoppelt”, dass ein Element/Knoten/Merkmal direkt oder indirekt mit einem anderen Element/Knoten/Merkmal verbunden ist (oder direkt oder indirekt mit diesem kommuniziert), und dies nicht notwendigerweise auf mechanische Art. Demnach, obwohl die Figuren eine beispielhafte Anordnung von Elementen darstellen, können zusätzliche dazwischen liegende Elemente, Einrichtungen, Merkmale oder Komponenten in einer Ausführungsform des dargestellten Gegenstandes vorhanden sein. Zusätzlich kann eine gewisse Terminologie in der folgenden Beschreibung nur des Bezuges wegen benutzt werden, und dies soll nicht eingrenzend sein. Die Terme „erster”, „zweiter” und andere derartige numerischen Terme, welche sich auf Strukturen beziehen, beinhalten keine Reihenfolge oder Ordnung, es sei denn, dies wird klar durch den Kontext ausgedrückt.
  • Wie es hier gebraucht wird, bedeutet ein ”Knoten” irgendein interner oder externer Referenzpunkt, ein Verbindungspunkt, eine Verbindung, Signalleitung, leitendes Element oder Ähnliches, bei welchem ein gegebenes Signal, ein logischer Pegel, eine Spannung, ein Datenfeld, Strom oder eine Größe vorhanden ist. Außerdem können zwei oder mehr Knoten durch ein physikalisches Element realisiert sein (und zwei oder mehr Signale können gemultiplext, moduliert oder auf andere Weise unterschieden sein, obwohl sie sogar an einem gemeinsamen Knoten empfangen oder ausgegeben werden).
  • Techniken und Technologien können hier in Termen von funktionellen und/oder logischen Blockbauteilen und mit Bezug auf symbolische Wiedergaben von Operationen, Prozessaufgaben und Funktionen, welche durch verschiedene Berechnungsbauteile oder -einrichtungen ausgeführt werden. Es sollte gewürdigt werden, dass die verschiedenen Blockbauteile, welche in den Figuren gezeigt werden, durch irgendeine Anzahl von Hardware-, Software- und/oder Firmware-Bauteilen realisiert werden kann, welche so konfiguriert sind, um die spezifizierten Funktionen auszuführen. Beispielsweise kann eine Ausführungsform der Erfindung verschiedene integrierte Schaltbaukomponenten, z. B. Speicherelemente, Digitalsignal-Verarbeitungselemente, logische Elemente, Look-up- bzw. Verweistabellen oder Ähnliches anwenden, welche eine Vielzahl von Funktionen unter der Steuerung eines oder mehrerer Mikroprozessoren oder anderer Steuereinrichtungen ausführen können.
  • Während wenigstens eine beispielhafte Ausführungsform in der vorausgegangenen detaillierten Beschreibung präsentiert wurde, sollte gewürdigt werden, dass eine große Anzahl von Variationen existiert. Es sollte gewürdigt werden, dass die beispielhafte Ausführungsform oder Ausführungsformen, welche hier beschrieben sind, nicht den Umfang, die Anwendbarkeit oder die Konfiguration des beanspruchten Gegenstandes in irgendeiner Weise eingrenzen sollen. Vielmehr wird die vorausgegangene detaillierte Beschreibung Fachleuten eine bequeme Anleitung für das Implementieren der beschriebenen Ausführungsform oder Ausführungsformen liefern. Es sollte davon ausgegangen werden, dass verschiedene Änderungen in der Funktion und in der Anordnung der Elemente durchgeführt werden können, ohne vom Umfang, wie er in den Ansprüchen definiert ist, abzuweichen, welche bekannte Äquivalente und voraussehbare Äquivalente zur Zeit des Einreichens dieser Patentanmeldung beinhalten.
  • WEITERE AUSFÜHRUNGSFORMEN
    • 1. Elektrisches System, welches aufweist: eine Eingangsschnittstelle; eine Ausgangsschnittstelle; ein erstes Energie-Wandlermodul, welches zwischen der Eingangsschnittstelle und der Ausgangsschnittstelle gekoppelt ist, wobei das erste Energie-Wandlermodul ein oder mehrere Schaltelemente beinhaltet; und ein Steuermodul, welches an das erste Energie-Wandlermodul, die Eingangsschnittstelle und die Ausgangsschnittstelle gekoppelt ist, wobei das Steuermodul so konfiguriert ist, um: eine Eingangsspannungsreferenz an der Eingangsschnittstelle zu bestimmen, basierend auf einer gewünschten Spannung an der Ausgangsschnittstelle und einer gemessenen Momentanspannung an der Ausgangsschnittstelle; einen Aussteuerungs-Steuerwert zu bestimmen, basierend auf einem Verhältnis der Eingangsspannungsreferenz und der gemessenen momentanen Spannung an der Ausgangsschnittstelle; und das eine oder mehrere Schaltelemente des ersten Energie-Wandlermoduls zu betreiben, um Energie an die Ausgangsschnittstelle mit einer Aussteuerung zu liefern, welche durch den Aussteuerungs-Steuerwert beeinflusst ist.
    • 2. Elektrisches System nach Ausführungsform 1, wobei das Steuermodul so konfiguriert ist, um den Aussteuerungs-Steuerwert durch Dividieren der Eingangsspannungsreferenz durch die gemessene momentane Spannung an der Ausgangsschnittstelle zu bestimmen.
    • 3. Elektrisches System nach Ausführungsform 1, welches ferner ein induktives Element aufweist, welches zwischen der Eingangsschnittstelle und dem ersten Energie-Wandlermodul gekoppelt ist.
    • 4. Elektrisches System nach Ausführungsform 3, welches ferner ein kapazitives Element aufweist, welches zwischen der Eingangsschnittstelle und dem induktiven Element gekoppelt ist und elektrisch parallel zu der Eingangsschnittstelle konfiguriert ist.
    • 5. Elektrisches System nach Ausführungsform 4, wobei das Steuermodul so konfiguriert ist, um: eine Eingangsstromreferenz zu bestimmen, basierend auf der gewünschten Spannung an der Ausgangsschnittstelle und der gemessenen momentanen Spannung an der Ausgangsschnittstelle; und die Eingangsspannungsreferenz zu bestimmen, basierend auf der Eingangsstromreferenz, einem Strom durch das induktive Element und einem Strom durch das kapazitive Element.
    • 6. Elektrisches System nach Ausführungsform 5, wobei: das induktive Element elektrisch in Reihe zwischen einem ersten Knoten und der Eingangsschnittstelle gekoppelt ist; und das eine oder mehrere Schaltelemente beinhalten: ein erstes Schaltelement, welches zwischen dem ersten Knoten und einem zweiten Knoten gekoppelt ist, wobei das erste Schaltelement so konfiguriert ist, um einen Strom von dem zweiten Knoten zu dem ersten Knoten zu gestatten, wenn das erste Schaltelement geschlossen ist; ein zweites Schaltelement, welches zwischen dem ersten Schaltelement und dem zweiten Knoten gekoppelt ist, wobei das zweite Schaltelement so konfiguriert ist, um einen Strom von dem ersten Knoten zu dem zweiten Knoten zu gestatten, wenn das zweite Schaltelement geschlossen ist; ein drittes Schaltelement, welches zwischen dem ersten Knoten und einem dritten Knoten gekoppelt ist, wobei das dritte Schaltelement so konfiguriert ist, um einen Strom von dem dritten Knoten an dem ersten Knoten zu gestatten, wenn das dritte Schaltelement geschlossen ist; ein viertes Schaltelement, welches zwischen dem dritten Schaltelement und dem dritten Knoten gekoppelt ist, wobei das vierte Schaltelement so konfiguriert ist, um einen Strom von dem ersten Knoten zu dem dritten Knoten zu gestatten, wenn das vierte Schaltelement geschlossen ist; ein fünftes Schaltelement, welches zwischen einem vierten Knoten und dem dritten Knoten gekoppelt ist, wobei der vierte Knoten an die Eingangsschnittstelle gekoppelt ist und das fünfte Schaltelement so konfiguriert ist, um einen Strom von dem vierten Knoten zu dem dritten Knoten zu gestatten, wenn das fünfte Schaltelement geschlossen ist; ein sechstes Schaltelement, welches zwischen dem fünften Schaltelement und dem vierten Knoten gekoppelt ist, wobei das sechste Schaltelement so konfiguriert ist, um einen Strom von dem dritten Knoten zu dem vierten Knoten zu gestatten, wenn das sechste Schaltelement geschlossen ist; ein siebtes Schaltelement, welches zwischen dem vierten Knoten und dem zweiten Knoten gekoppelt, wobei das siebte Schaltelement so konfiguriert ist, um einen Strom von dem vierten Knoten zu dem zweiten zu gestatten, wenn das siebte Schaltelement geschlossen ist; und ein achtes Schaltelement, welches zwischen dem siebten Schaltelement und dem vierten Knoten gekoppelt ist, wobei das achte Schaltelement so konfiguriert ist, um einen Strom von dem zweiten Knoten zu dem vierten Knoten zu gestatten, wenn das achte Schaltelement geschlossen ist.
    • 7. Elektrisches System nach Ausführungsform 1, welches ferner aufweist: ein zweites Energie-Wandlermodul, welches an die Ausgangsschnittstelle gekoppelt ist; und ein Isolationsmodul, welches zwischen dem ersten Energie-Wandlermodul und dem zweiten Energie-Wandlermodul gekoppelt ist, wobei das Isolationsmodul eine galvanische Isolation zwischen dem ersten Energie-Wandlermodul und dem zweiten Energie-Wandlermodul liefert.
    • 8. Elektrisches System nach Ausführungsform 7, wobei das erste Energie-Wandlermodul ein Matrix-Wandlermodul aufweist.
    • 9. Elektrisches System nach Ausführungsform 8, welches ferner ein induktives Element aufweist, welches in Reihe zwischen der Eingangsschnittstelle und dem Matrix-Wandlermodul gekoppelt ist, wobei das Matrix-Wandlermodul aufweist: einen ersten Knoten, welcher an das induktive Element gekoppelt ist; einen zweiten Knoten, welcher an die Eingangsschnittstelle gekoppelt ist; einen dritten Knoten; einen vierten Knoten; ein erstes Schaltelement, welches zwischen dem ersten Knoten und dem dritten Knoten gekoppelt ist, wobei das erste Schaltelement so konfiguriert ist, um einen Strom von dem dritten Knoten zu dem ersten Knoten zu gestatten, wenn das erste Schaltelement geschlossen ist; ein zweites Schaltelement, welches zwischen dem ersten Schaltelement und dem dritten Knoten gekoppelt ist, wobei das zweite Schaltelement so konfiguriert ist, um einen Strom von dem ersten Knoten zu dem dritten Knoten zu gestatten, wenn das zweite Schaltelement geschlossen ist; ein drittes Schaltelement, welches zwischen dem ersten Knoten und dem vierten Knoten gekoppelt ist, wobei das dritte Schaltelement so konfiguriert ist, um einen Strom von dem vierten Knoten zu dem ersten Knoten zu gestatten, wenn das dritte Schaltelement geschlossen ist; ein viertes Schaltelement, welches zwischen dem dritten Schaltelement und dem vierten Knoten gekoppelt ist, wobei das vierte Schaltelement so konfiguriert ist, um einen Strom von dem ersten Knoten zu dem vierten Knoten zu gestatten, wenn das vierte Schaltelement geschlossen ist; ein fünftes Schaltelement, welches zwischen dem zweiten Knoten und dem vierten Knoten gekoppelt ist, wobei das fünfte Schaltelement so konfiguriert ist, um einen Strom von dem zweiten Knoten zu dem vierten Knoten zu gestatten, wenn das fünfte Schaltelement geschlossen ist; ein sechstes Schaltelement, welches zwischen dem fünften Schaltelement und dem zweiten Knoten gekoppelt ist, wobei das sechste Schaltelement so konfiguriert ist, um einen Strom von dem vierten Knoten zu dem zweiten Knoten zu gestatten, wenn das sechste Schaltelement geschlossen ist; ein siebtes Schaltelement, welches zwischen dem zweiten Knoten und dem dritten Knoten gekoppelt ist, wobei das siebte Schaltelement so konfiguriert ist, um einen Strom von dem zweiten Knoten zu dem dritten Knoten zu gestatten, wenn das siebte Schaltelement geschlossen ist; und ein achtes Schaltelement, welches zwischen dem siebten Schaltelement und dem zweiten Knoten gekoppelt ist, wobei das achte Schaltelement so konfiguriert ist, um einen Strom von dem dritten Knoten zu dem zweiten Knoten zu gestatten, wenn das achte Schaltelement geschlossen ist.
    • 10. Elektrisches System nach Ausführungsform 9, wobei: das Isolationsmodul einen ersten Satz von Wicklungen aufweist, welcher zwischen dem dritten Knoten und dem vierten Knoten gekoppelt ist, und einen zweiten Satz von Wicklungen aufweist, welcher an das zweite Energie-Wandlermodul gekoppelt ist, wobei der zweite Satz von Wicklungen magnetisch mit dem ersten Satz von Wicklungen gekoppelt ist; und das Steuermodul so konfiguriert ist, um das erste Schaltelement, das zweite Schaltelement, das dritte Schaltelement, das vierte Schaltelement, das fünfte Schaltelement, das sechste Schaltelement, das siebte Schaltelement und das achte Schaltelement zu betreiben, um Energie an die Ausgangsschnittstelle mit der Aussteuerung entsprechend zu dem Aussteuerungs-Steuerwert zu liefern.
    • 11. Verfahren für das Liefern von Energie von einer Eingangsschnittstelle zu einer Ausgangsschnittstelle, wobei ein Energie-Wandlermodul genutzt wird, welches zwischen der Eingangsschnittstelle und der Ausgangsschnittstelle gekoppelt ist, wobei das Energie-Wandlermodul ein oder mehrere Schaltelemente beinhaltet, welche an ein induktives Element gekoppelt ist bzw. sind, wobei das Verfahren aufweist: Bestimmen einer Eingangsspannungsreferenz für die Eingangsschnittstelle, basierend auf einer gewünschten Ausgangsspannung und einer gemessenen Spannung an der Ausgangsschnittstelle, wobei die gemessene Spannung einer momentanen Spannung an der Ausgangsschnittstelle entspricht; Bestimmen eines Aussteuerungs-Steuerwertes basierend auf einem Verhältnis der Eingangsspannungsreferenz und der gemessenen Spannung; und Betreiben des einen oder mehrerer Schaltelemente, um Energie von der Eingangsschnittstelle an die Ausgangsschnittstelle mit einer Aussteuerung zu liefern, welche durch den Aussteuerungs-Steuerwert beeinflusst ist.
    • 12. Verfahren nach Ausführungsform 11, wobei das Bestimmen des Aussteuerungs-Steuerwertes das Dividieren der Eingangsspannungsreferenz durch die gemessene Spannung aufweist, wobei die Aussteuerung einem Minus des Aussteuerungs-Steuerwertes entspricht.
    • 13. Verfahren nach Ausführungsform 11, wobei die Eingangsschnittstelle eine AC-Schnittstelle aufweist, welche an eine Wechselstrom-(AC-)Energiequelle gekoppelt ist, und die Ausgangsschnittstelle eine DC-Schnittstelle aufweist, welche an eine Gleichstrom-(DC-)Energiequelle gekoppelt ist, wobei: das Bestimmen der Eingangsspannungsreferenz das Bestimmen einer AC-Eingangsspannungsreferenz aufweist, basierend auf der gewünschten Ausgangsspannung und einer momentanen Spannung an der DC-Schnittstelle; und das Bestimmen des Aussteuerungs-Steuerwertes das Dividieren der AC-Eingangsspannungsreferenz durch die momentane Spannung an der DC-Schnittstelle aufweist.
    • 14. Verfahren nach Ausführungsform 13, wobei das Bestimmen der AC-Eingangsspannungsreferenz aufweist: Bestimmen eines Ausgangs-Energiefehlers, basierend auf einer Differenz zwischen einem Quadrat der gewünschten Ausgangsspannung und einem Quadrat der momentanen Spannung an der DC-Schnittstelle; Bestimmen eines AC-Eingangsspannungsfehlers, basierend auf dem Ausgangs-Energiefehler; und Addieren des AC-Eingangsspannungsfehlers zu einer gemessenen Spannung an der AC-Schnittstelle.
    • 15. Verfahren nach Ausführungsform 14, wobei: eine Drossel elektrisch in Reihe zwischen der AC-Schnittstelle und dem Energie-Wandlermodul gekoppelt ist; ein Kondensator elektrisch parallel zu der AC-Schnittstelle zwischen der AC-Schnittstelle und der Drossel gekoppelt ist; und das Bestimmen des AC-Eingangsspannungsfehlers aufweist: Bestimmen einer AC-Eingangsstromreferenz, basierend auf dem Ausgangs-Energiefehler; Bestimmen einer Drosselstromreferenz, basierend auf einer Differenz zwischen der AC-Eingangsstromreferenz und einem gemessenen Strom durch den Kondensator; Bestimmen eines Drosselstromfehlers, basierend auf der Drosselstromreferenz und einem gemessenen Strom durch die Drossel; und Wandeln des Drosselstromfehlers in den AC-Eingangsspannungsfehler.
    • 16. Verfahren nach Ausführungsform 13, wobei die Aussteuerung entsprechend einem Minus des Aussteuerungs-Steuerwertes entspricht, wobei das Betreiben des einen oder mehrerer Schaltelemente, um Energie von der Eingangsschnittstelle an die Ausgangsschnittstelle mit der Aussteuerung zu liefern, aufweist: Bestimmen von PWM-Befehlssignalen, um das eine oder mehrere Schaltelemente zu betreiben, um Energie von der AC-Energiequelle an die DC-Energiequelle für einen Prozentsatz eines Schaltintervalls zu liefern, wobei der Prozentsatz gleich der Aussteuerung ist; und Betreiben des einen oder mehrerer Schaltelement entsprechend zu den PWM-Befehlssignalen.
    • 17. Elektrisches System, welches aufweist: eine Gleichstrom-(DC-)Schnittstelle; eine Wechselstrom-(AC-)Schnittstelle; ein Isolationsmodul, welches einen ersten Satz von Wicklungen beinhaltet, welche magnetisch an einen zweiten Satz von Wicklungen gekoppelt ist; ein erstes Energie-Wandlermodul, welches zwischen der DC-Schnittstelle und dem ersten Satz der Wicklungen gekoppelt ist; ein zweites Energie-Wandlermodul, welches an den zweiten Satz der Wicklungen gekoppelt ist, wobei das zweite Energie-Wandlermodul eine Vielzahl von Schaltern beinhaltet; ein induktives Element, welches zwischen dem zweiten Energie-Wandlermodul und der AC-Schnittstelle gekoppelt ist; und ein Steuermodul, welches an das zweite Energie-Wandlermodul gekoppelt ist, wobei das Steuermodul so konfiguriert ist, um: eine Eingangsspannungsreferenz für die AC-Schnittstelle zu bestimmen, basierend auf einer gewünschten Spannung an der DC-Schnittstelle; die Eingangsspannungsreferenz durch eine momentane Spannung an der DC-Schnittstelle zu dividieren, um einen Pulsbreitemodulations-(PWM-)Aussteuerungs-Steuerwert zu erhalten; und die Vielzahl von Schaltern des zweiten Energie-Wandlermoduls zu betreiben, entsprechend zu dem PWM-Aussteuerungs-Steuerwert.
    • 18. Elektrisches System nach Ausführungsform 17, wobei das Steuermodul konfiguriert ist, um: einen Ausgangs-Energiefehler zu bestimmen, basierend auf der gewünschten Spannung an der DC-Schnittstelle und der momentanen Spannung an der DC-Schnittstelle; einen AC-Eingangsspannungsfehler zu bestimmen, basierend auf dem Ausgangs-Energiefehler; und den AC-Eingangsspannungsfehler zu einer gemessenen Spannung an der AC-Schnittstelle zu addieren, um die Eingangsspannungsreferenz für die AC-Schnittstelle zu erhalten.
    • 19. Elektrisches System nach Ausführungsform 18, welches ferner ein kapazitives Element aufweist, welches zwischen der AC-Schnittstelle und dem induktiven Element gekoppelt ist, wobei das kapazitive Element elektrisch parallel zu der AC-Schnittstelle konfiguriert ist, wobei das Steuermodul konfiguriert ist, um: eine AC-Eingangsstromreferenz zu bestimmen, basierend auf dem Ausgangs-Energiefehler; eine Drosselstromreferenz zu bestimmen, basierend auf einer Differenz zwischen der AC-Eingangsstromreferenz und einem gemessenen Strom durch das kapazitive Element; einen Drosselstrom zu bestimmen, basierend auf einer Differenz zwischen einem gemessenen Strom durch das induktive Element und der Drosselstromreferenz; und Wandeln des Drosselstromfehlers in den AC-Eingangsspannungsfehler.
    • 20. Elektrisches System nach Ausführungsform 17, wobei das zweite Energie-Wandlermodul ein Matrix-Wandlermodul aufweist.

Claims (10)

  1. Elektrisches System, welches aufweist: eine Eingangsschnittstelle; eine Ausgangsschnittstelle; ein erstes Energie-Wandlermodul, welches zwischen der Eingangsschnittstelle und der Ausgangsschnittstelle gekoppelt ist, wobei das erste Energie-Wandlermodul ein oder mehrere Schaltelemente beinhaltet; und ein Steuermodul, welches an das erste Energie-Wandlermodul, die Eingangsschnittstelle und die Ausgangsschnittstelle gekoppelt ist, wobei das Steuermodul so konfiguriert ist, um: eine Eingangsspannungsreferenz an der Eingangsschnittstelle zu bestimmen, basierend auf einer gewünschten Spannung an der Ausgangsschnittstelle und einer gemessenen Momentanspannung an der Ausgangsschnittstelle; einen Aussteuerungs-Steuerwert zu bestimmen, basierend auf einem Verhältnis der Eingangsspannungsreferenz und der gemessenen momentanen Spannung an der Ausgangsschnittstelle; und das eine oder mehrere Schaltelemente des ersten Energie-Wandlermoduls zu betreiben, um Energie an die Ausgangsschnittstelle mit einer Aussteuerung zu liefern, welche durch den Aussteuerungs-Steuerwert beeinflusst ist.
  2. Elektrisches System nach Anspruch 1, wobei das Steuermodul so konfiguriert ist, um den Aussteuerungs-Steuerwert durch Dividieren der Eingangsspannungsreferenz durch die gemessene momentane Spannung an der Ausgangsschnittstelle zu bestimmen.
  3. Elektrisches System nach einem der vorherigen Ansprüche, welches ferner ein induktives Element aufweist, welches zwischen der Eingangsschnittstelle und dem ersten Energie-Wandlermodul gekoppelt ist.
  4. Elektrisches System nach einem der vorherigen Ansprüche, welches ferner ein kapazitives Element aufweist, welches zwischen der Eingangsschnittstelle und dem induktiven Element gekoppelt ist und elektrisch parallel zu der Eingangsschnittstelle konfiguriert ist.
  5. Elektrisches System nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei das Steuermodul so konfiguriert ist, um: eine Eingangsstromreferenz zu bestimmen, basierend auf der gewünschten Spannung an der Ausgangsschnittstelle und der gemessenen momentanen Spannung an der Ausgangsschnittstelle; und die Eingangsspannungsreferenz zu bestimmen, basierend auf der Eingangsstromreferenz, einem Strom durch das induktive Element und einem Strom durch das kapazitive Element.
  6. Verfahren für das Liefern von Energie von einer Eingangsschnittstelle zu einer Ausgangsschnittstelle, wobei ein Energie-Wandlermodul genutzt wird, welches zwischen der Eingangsschnittstelle und der Ausgangsschnittstelle gekoppelt ist, wobei das Energie-Wandlermodul ein oder mehrere Schaltelemente beinhaltet, welche an ein induktives Element gekoppelt ist bzw. sind, wobei das Verfahren aufweist: Bestimmen einer Eingangsspannungsreferenz für die Eingangsschnittstelle, basierend auf einer gewünschten Ausgangsspannung und einer gemessenen Spannung an der Ausgangsschnittstelle, wobei die gemessene Spannung einer momentanen Spannung an der Ausgangsschnittstelle entspricht; Bestimmen eines Aussteuerungs-Steuerwertes basierend auf einem Verhältnis der Eingangsspannungsreferenz und der gemessenen Spannung; und Betreiben des einen oder mehrerer Schaltelemente, um Energie von der Eingangsschnittstelle an die Ausgangsschnittstelle mit einer Aussteuerung zu liefern, welche durch den Aussteuerungs-Steuerwert beeinflusst ist.
  7. Verfahren nach Anspruch 6, wobei das Bestimmen des Aussteuerungs-Steuerwertes das Dividieren der Eingangsspannungsreferenz durch die gemessene Spannung aufweist, wobei die Aussteuerung einem Minus des Aussteuerungs-Steuerwertes entspricht.
  8. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Eingangsschnittstelle eine AC-Schnittstelle aufweist, welche an eine Wechselstrom-(AC-)Energiequelle gekoppelt ist, und die Ausgangsschnittstelle eine DC-Schnittstelle aufweist, welche an eine Gleichstrom-(DC-)Energiequelle gekoppelt ist, wobei: das Bestimmen der Eingangsspannungsreferenz das Bestimmen einer AC-Eingangsspannungsreferenz aufweist, basierend auf der gewünschten Ausgangsspannung und einer momentanen Spannung an der DC-Schnittstelle; und das Bestimmen des Aussteuerungs-Steuerwertes das Dividieren der AC-Eingangsspannungsreferenz durch die momentane Spannung an der DC-Schnittstelle aufweist.
  9. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei das Bestimmen der AC-Eingangsspannungsreferenz aufweist: Bestimmen eines Ausgangs-Energiefehlers, basierend auf einer Differenz zwischen einem Quadrat der gewünschten Ausgangsspannung und einem Quadrat der momentanen Spannung an der DC-Schnittstelle; Bestimmen eines AC-Eingangsspannungsfehlers, basierend auf dem Ausgangs-Energiefehler; und Addieren des AC-Eingangsspannungsfehlers zu einer gemessenen Spannung an der AC-Schnittstelle.
  10. Elektrisches System, welches aufweist: eine Gleichstrom-(DC-)Schnittstelle; eine Wechselstrom-(AC-)Schnittstelle; ein Isolationsmodul, welches einen ersten Satz von Wicklungen beinhaltet, welche magnetisch an einen zweiten Satz von Wicklungen gekoppelt ist; ein erstes Energie-Wandlermodul, welches zwischen der DC-Schnittstelle und dem ersten Satz der Wicklungen gekoppelt ist; ein zweites Energie-Wandlermodul, welches an den zweiten Satz der Wicklungen gekoppelt ist, wobei das zweite Energie-Wandlermodul eine Vielzahl von Schaltern beinhaltet; ein induktives Element, welches zwischen dem zweiten Energie-Wandlermodul und der AC-Schnittstelle gekoppelt ist; und ein Steuermodul, welches an das zweite Energie-Wandlermodul gekoppelt ist, wobei das Steuermodul so konfiguriert ist, um: eine Eingangsspannungsreferenz für die AC-Schnittstelle zu bestimmen, basierend auf einer gewünschten Spannung an der DC-Schnittstelle; die Eingangsspannungsreferenz durch eine momentane Spannung an der DC-Schnittstelle zu dividieren, um einen Pulsbreitemodulations-(PWM-)Aussteuerungs-Steuerwert zu erhalten; und die Vielzahl von Schaltern des zweiten Energie-Wandlermoduls zu betreiben, entsprechend zu dem PWM-Aussteuerungs-Steuerwert.
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