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Technisches Gebiet
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Die vorliegende Erfindung betrifft Wandler mit variabler Frequenzsteuerung, so beispielsweise Wandler des Typs, die in einem Fahrzeug betrieben werden können, um die Regulierung von Strom bzw. Leistung zur Verwendung beim Laden einer Hochspannungs-Fahrzeugbatterie und/oder für andere Fahrzeugsysteme zu ermöglichen.
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Hintergrund
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Gleichstrom-, Gleichstrom-Wechselstrom- und Wechselstrom-Gleichstrom-Wandler werden für einige elektronische Einrichtungen verwendet, um die Zufuhr geregelter Leistung zu einer Last zu ermöglichen. Die Wandler können so konfiguriert sein, dass sie Leistung mit einer gewünschten Gruppe von Strom- und Spannungseigenschaften ausgeben. Zu den elektronischen Einrichtungen können mehrere Lasten mit unterschiedlichem Leistungsregulierungsbedarf gehören, so dass die elektronischen Einrichtungen so konfiguriert sein können, dass sie separate spezielle Wandler für jede Last mit speziellem Leistungsregulierungsbedarf enthalten. Der Einsatz derartiger separater spezieller Wandler kann angesichts des mit dem Konfigurieren, Einbauen und Betreiben mehrerer Wandler verbundenen Aufwandes ein Kostenproblem darstellen.
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Zusammenfassung
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Ein nichteinschränkender Aspekt der vorliegenden Erfindung sieht einen Wandler vor, der so betrieben werden kann, dass er mehrere Leistungsregulierprofile unterstützt, so dass ein und desselbe Wandler eingesetzt werden kann, um Leistungsregulierung für Lasten mit speziellem Leistungsregulierbedarf zu ermöglichen.
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Ein nichteinschränkender Aspekt der vorliegenden Erfindung sieht ein Verfahren zum Steuern eines Wandlers vor, der eine Vielzahl von Schaltern aufweist und in Funktion mit einem Transformator einen Gleichstromeingang in einen Wechselstromausgang umwandeln kann, wobei die Vielzahl von Schaltern selektiv zwischen einem offenen Zustand und einem geschlossenen Zustand betätigt werden können. Das Verfahren kann einschließen, dass eine erste Schaltfrequenz für die Vielzahl von Schaltern bestimmt wird, wobei durch die erste Schaltfrequenz in Funktion spannungsloses Schalten (zero voltage switching – ZVS) der Vielzahl von Schaltern beim Übergang veranlasst werden kann, so beispielsweise, wenn von dem offenen Zustand zu dem geschlossenen Zustand übergegangen wird, und eine zweite Schaltfrequenz für die Vielzahl von Schaltern bestimmt wird, wobei durch die zweite Schaltfrequenz in Funktion nicht-spannungsloses Schalten (non-zero voltage switching – NZVS) der Vielzahl von Schaltern veranlasst werden kann, wenn von dem offenen Zustand zu dem geschlossenen Zustand übergegangen wird.
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Ein nichteinschränkender Aspekt der vorliegenden Erfindung sieht vor, dass die zweite Frequenz so bestimmt wird, dass sie eine Frequenz ist, die niedriger ist als die erste Schaltfrequenz.
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Ein nichteinschränkender Aspekt der vorliegenden Erfindung sieht vor, dass ein Schaltablauf für die Vielzahl von Schaltern bestimmt wird, wenn sie auf die erste Schaltfrequenz eingestellt sind, wobei die Schaltfolge bzw. der Tastgrad (duty cycle) bewirkt, dass der Wechselstromeingang einen ersten Leistungspegel hat.
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Ein nichteinschränkender Aspekt der vorliegenden Erfindung sieht vor, dass Phasenverschiebung des Schaltablaufs für die Vielzahl von Schaltern durchgeführt wird, wenn sie auf die zweite Schaltfrequenz eingestellt sind, wobei die Phasenverschiebung bewirkt, dass der Wechselstromeingang einen zweiten Leistungspegel hat, der niedriger ist als der erste Leistungspegel.
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Ein nichteinschränkender Aspekt der vorliegenden Erfindung sieht vor, dass eine Leistungsanforderung von wenigstens einer Last empfangen wird, die den Wechselstromausgang empfängt, die Vielzahl von Schaltern auf die erste Schaltfrequenz eingestellt wird, wenn die Leistungsanforderung einen Leistungspegel anfordert, der über einem Schwellenwert liegt, und die Vielzahl von Schaltern auf die zweite Schaltfrequenz eingestellt wird, wenn der Leistungspegel unter dem Schwellenwert liegt.
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Ein nichteinschränkender Aspekt der vorliegenden Erfindung sieht vor, dass der Wechselstromausgang zu einem Gleichstromausgang gleichgerichtet wird, der zur Nutzung beim Laden einer Hochspannungs-Fahrzeugbatterie ausreicht.
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Ein nichteinschränkender Aspekt der vorliegenden Erfindung sieht ein Verfahren zum Steuern eines Wandlers vor, der eine Vielzahl von Schaltern aufweist und in Funktion mit einem Transformator einen Gleichstromeingang in einen Wechselstromausgang umwandeln kann, wobei die Vielzahl von Schaltern selektiv zwischen einem offenen Zustand und einem geschlossenen Zustand betätigt werden können. Das Verfahren kann einschließen, dass ein Leistungspegel für den Wechselstromausgang bestimmt wird, ein Schaltablauf für die Vielzahl von Schaltern bestimmt wird, der ausreicht, um den Wechselstromausgang auf dem Leistungspegel zu erzeugen, der Schaltablauf so bestimmt wird, dass die Vielzahl von Schaltern veranlasst wird, mit spannungslosem Schalten oder nicht-spannungslosem Schalten von dem offenen Zustand zu dem geschlossenen Zustand überzugehen, eine erste Schaltfrequenz für die Vielzahl von Schaltern bestimmt, wenn spannungsloses Schalten bestimmt wird, und eine zweite Schaltfrequenz für die Vielzahl von Schaltern bestimmt wird, wenn nicht-spannungsloses Schalten bestimmt wird.
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Ein nichteinschränkender Aspekt der vorliegenden Erfindung sieht vor, dass die zweite Schaltfrequenz so bestimmt wird, dass sie niedriger ist als die erste Schaltfrequenz.
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Ein nichteinschränkender Aspekt der vorliegenden Erfindung sieht vor, dass die zweite Schaltfrequenz so bestimmt wird, dass sie der Hälfte der ersten Schaltfrequenz entspricht.
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Ein nichteinschränkender Aspekt der vorliegenden Erfindung sieht vor, dass der Leistungspegel so bestimmt wird, dass er einem Gesamt-Leistungsbedarf einer oder mehrerer Lasten entspricht, die in einem Fahrzeug aktiv als Empfänger des Wechselstromausgangs betrieben werden kann/können.
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Ein nichteinschränkender Aspekt der vorliegenden Erfindung sieht vor, dass der Wechselstromausgang vor Empfang durch wenigstens eine der einen oder mehreren Last/en zu einem Gleichstromausgang gleichgerichtet wird.
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Ein nichteinschränkender Aspekt der vorliegenden Erfindung sieht vor, dass bei Betrieb entsprechend der zweiten Schaltfrequenz Phasenverschiebung der Vielzahl von Schaltern um einen Betrag durchgeführt wird, der geringer ist als bei Betrieb bei der ersten Schaltfrequenz.
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Ein nichteinschränkender Aspekt der vorliegenden Erfindung sieht vor, dass eine Spannung über wenigstens einen der Vielzahl von Schaltern gemessen wird, um entweder das spannungslose Schalten oder das nicht-spannungslose Schalten zu bestimmen, das spannungslose Schalten für den Fall bestimmt wird, dass die Spannung nahezu 0 beträgt, wenn der wenigstens einer der Vielzahl von Schaltern von dem geschlossenen Zustand zu dem offenen Zustand übergeht, und das nicht-spannungslose Schalten für den Fall bestimmt wird, dass die Spannung ausreichend höher ist als 0, wenn der wenigstens eine der Vielzahl von Schaltern von dem offenen Zustand zu dem geschlossenen Zustand übergeht.
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Ein nichteinschränkender Aspekt der vorliegenden Erfindung sieht vor, dass der wenigstens eine Schalter ein Transistor ist, und das Verfahren des Weiteren Messen der Spannung zwischen einem Drain und einer Source des Transistors umfasst.
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Ein nichteinschränkender Aspekt der vorliegenden Erfindung sieht vor, dass der Schaltablauf eine Phasenverschiebung für die Vielzahl von Schaltern vorgibt und das Verfahren das spannungslose Schalten bestimmt, wenn die Phasenverschiebung über einem Schwellenwert liegt, und das nicht-spannungslose Schalten bestimmt, wenn die Phasenverschiebung unter dem Schwellenwert liegt.
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Ein nichteinschränkender Aspekt der vorliegenden Erfindung sieht ein System vor, mit dem eine oder mehrere Last/en in einem Fahrzeug gespeist werden. Das System kann einen Wandler enthalten, der eine Vielzahl von Schaltern aufweist und in Funktion mit einem Transformator und einem Gleichrichter einen Gleichstromeingang in einen Wechselstromausgang umwandeln und dann den Wechselstromausgang zu einem Gleichstromausgang zur Nutzung beim Speisen der einen oder mehreren Last/en gleichrichten kann, wobei die Vielzahl von Schaltern selektiv zwischen dem offenen Zustand und dem geschlossenen Zustand betätigt werden können, und kann eine Steuereinheit enthalten, die in Funktion selektiv Schalten der Vielzahl von Schaltern zwischen dem offenen und dem geschlossenen Zustand steuern kann, wobei die Steuereinheit in Funktion einen Leistungspegel für den Gleichstromausgang auf Basis einer oder mehrerer der einen oder mehreren Last/en bestimmen kann, die aktiv den Gleichstromausgang anfordert/anfordern, Schalten, das für die Vielzahl von Schaltern erforderlich ist, um Ausgabe des Gleichstromausgangs auf dem bestimmten Leistungspegel zu ermöglichen, als spannungsloses Schalten oder nicht-spannungsloses Schalten bestimmen kann, selektiv Schalten der Vielzahl von Schaltern bei einer ersten Schaltfrequenz steuern kann, wenn spannungsloses Schalten bestimmt wird, und selektiv Schalten der Vielzahl von Schaltern bei einer zweiten Schaltfrequenz steuern kann, wenn nicht-spannungsloses Schalten bestimmt wird.
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Ein nichteinschränkender Aspekt der vorliegenden Erfindung sieht vor, dass die zweite Schaltfrequenz niedriger ist als die erste Schaltfrequenz.
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Ein nichteinschränkender Aspekt der vorliegenden Erfindung sieht vor, dass die Steuereinheit spannungsloses Schalten bestimmt, wenn der Leistungspegel auf oder über einem Leistungspegel-Schwellenwert liegt, und nicht-spannungsloses Schalten bestimmt, wenn der Leistungspegel unter dem Leistungspegel-Schwellenwert liegt.
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Ein nichteinschränkender Aspekt der vorliegenden Erfindung sieht vor, dass wenigstens einer der Vielzahl von Schaltern ein Transistor ist, wobei spannungsloses Schalten bestimmt wird, wenn eine Spannung von einem Drain zu einer Source des Transistors beim Übergang des Transistors von dem offenen Zustand zu dem geschlossenen Zustand nahezu 0 beträgt, und nicht-spannungsloses Schalten bestimmt wird, wenn die Spannung von dem Drain zu der Source des Transistors beim Übergang des Transistors von dem offenen Zustand zu dem geschlossenen Zustand ausreichend höher ist als 0.
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Ein nichteinschränkender Aspekt der vorliegenden Erfindung sieht vor, dass die erste Schaltfrequenz 250 kHz beträgt, wenn der Leistungspegel ungefähr 3,3 kW beträgt, und die zweite Schaltfrequenz 125 kHz beträgt, wenn der Leistungspegel weniger ist als 500 W beträgt.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Die vorliegende Erfindung wird in den beigefügten Ansprüchen ausführlich dargelegt. Aus der folgenden ausführlichen Beschreibung und den dazugehörigen Zeichnungen ergibt sich jedoch ein klareres Bild anderer Merkmale der vorliegenden Erfindung sowie das beste Verständnis derselben, wobei:
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1 ein System darstellt, das einen mit variabler Frequenz gesteuerten Wandler gemäß einem nichteinschränkenden Aspekt der vorliegenden Erfindung aufweist.
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2 ein Flussdiagramm für ein Verfahren zum Steuern eines Wandlers gemäß einem nichteinschränkenden Aspekt der vorliegenden Erfindung darstellt.
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3-4 beispielhafte Schaltabläufe gemäß einem nichteinschränkenden Aspekt der vorliegenden Erfindung darstellen.
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5 ein Zustandsdiagramm gemäß einem nichteinschränkenden Aspekt der vorliegenden Erfindung darstellt.
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Ausführliche Beschreibung
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Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden im Folgenden, wie erforderlich, im Detail offenbart, es versteht sich jedoch, dass die offenbarten Ausführungsformen lediglich beispielhaft für die Erfindung sind, die in verschiedenen alternativen Formen ausgeführt werden kann. Die Figuren sind nicht notwendigerweise maßstabsgerecht, einige Strukturen können vergrößert oder verkleinert sein, um Details bestimmter Komponenten zu zeigen. Daher sind hier offenbarte strukturelle und funktionale Details nicht als einschränkend zu verstehen, sondern lediglich als veranschaulichende Basis, anhand der einem Fachmann vermittelt wird, wie die vorliegende Erfindung auf verschiedene Weise einzusetzen ist.
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1 stellt ein System dar, das einen mit variabler Frequenz gesteuerten Wandler 12 gemäß einem nichteinschränkenden Aspekt der vorliegenden Erfindung aufweist. Das System 10 wird vorwiegend zu Veranschaulichungszwecken so beschrieben, dass es aufgrund seiner Konfiguration Speisung einer oder mehrerer Fahrzeug-Last/en 14 ermöglicht, so beispielsweise Laden einer Hochspannungs-Fahrzeugbatterie und/oder anderweitige Speisung anderer Fahrzeugsysteme, jedoch nicht darauf beschränkt ist. Die vorliegende Erfindung ist jedoch nicht notwendigerweise auf Fahrzeuge beschränkt und sieht in vollem Umfang den Einsatz des mit variabler Frequenz gesteuerten Wandlers 12 für andere Zwecke außerhalb von Fahrzeugen vor, so beispielsweise für isolierte oder nicht isolierte Gleichstromwandler, Gleichstrom-Wechselstrom-Wandler und Wechselstromwandler, bei denen der Spannungs-Tastgrad (voltage duty cycle) so reguliert wird, dass die Spannungszeitfläche (volt-sec area) des Haupttransformators eines isolierten Systems gesteuert wird.
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Der Wandler 12 ist in einer verschachtelten Konfiguration aus einem ersten Wandler 16 (Wandler Nr. 1) und einem zweiten Wandler 18 (Wandler Nr. 2) dargestellt, wobei eine Vielzahl von Schaltern in Reaktion auf von einer Steuereinheit 22 empfangene Signale betätigt werden können. Die Steuereinheit 22 kann so konfiguriert sein, dass sie das Schalten der Schalter A1, A2, B1, B2, C1, C2, D1, D2 steuert, um geeignete Verarbeitung eines Gleichstromeingangs 26 zu bewirken, beispielsweise eines Gleichstromeingangs von einem Plug-In-Ladesystem, einer Steckdose usw., ohne dass dies eine Einschränkung darstellt. Die Schalter A1, A2, B1, B2, C1, C2, D1, D2 können so gesteuert werden, dass der Gleichstromeingang in einen Wechselstromeingang umgewandelt wird, der dann zu einem entsprechenden von einem ersten und einem zweiten Transformator 28, 30 geleitet wird. Der Wechselstromeingang an der Primärseite jedes Transformators 28, 30 erzeugt einen Wechselstromausgang an der Sekundärseite, der, wie dargestellt, mit einem Gleichrichter 32, 34 gleichgerichtet werden kann, um einen Gleichstromausgang zu erzeugen. Der Gleichstromausgang kann dann mit einem Kondensator 36 geglättet werden, bevor er zu einer oder mehreren Lasten gelangt.
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Der Wandler 12 ist so dargestellt, dass er induktive Elemente 40, 42, 44, 46 sowohl an der Eingangs- als auch an der Ausgangsseite jedes Transformators 28, 30 enthält. Die induktiven Elemente 40, 42, 44, 46 können mit den anderen Wandlerkomponenten betrieben und/oder in Bezug auf diese so dimensioniert sein, das spannungsloses Schalten, sog. Zero Voltage Switching, kurz ZVS, ermöglicht wird. ZVS ist dadurch gekennzeichnet, dass es auftritt, wenn eine Spannung über die Schalter A1, A2, B1, B2, C1, C2, D1, D2 während eines Schaltübergangs, bei dem ein Schalter A1, A2, B1, B2, C1, C2, D1, D2 von einem offenen Zustand zu einem geschlossenen Zustand übergeht, im Wesentlichen 0 beträgt. Ein nichteinschränkender Aspekt der vorliegenden Erfindung sieht vor, dass die Schalter A1, A2, B1, B2, C1, C2, D1, D2 Transistoren sind und ZVS bestimmt wird, wenn die zwischen dem Drain und der Source des Transistors gemessene Spannung nahezu 0 beträgt und/oder wenn Last-Leistung innerhalb des entsprechenden Leistungs-Schwellenwertes bzw. Nennwertes für den gegebenen Vorgang liegt.
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Der Wandler 12 kann so konfiguriert sein, dass er ein breites Spektrum an Leistungs-Ausgangspegeln ermöglicht. Der dargestellte Wandler 12 kann beispielsweise so konfiguriert sein, dass er 0–3,3 kW bei einer Konstant-Gleichspannung von 250–420 V ermöglicht. Die Fähigkeit, mehrere Gleichstromausgang-Leistungspegel zu ermöglichen, kann insofern vorteilhaft sein, als die Funktion des Wandlers 12 entsprechend den Leistungsanforderungen der Lasten 14 angepasst werden kann, die aktuell Leistung anfordern, und nicht gesonderte Wandler für jede Last 14 und/oder für jeden möglichen Gleichstromausgang bereitgestellt werden müssen. Die Steuereinheit 12 kann so konfiguriert sein, dass sie den Leistungsbedarf der aktiven oder in naher Zukunft möglicherweise aktiven Lasten 14 einschätzt und einen Schaltablauf für die Schalter A1, A2, B1, B2, C1, C2, D1, D2 in Abhängigkeit davon festlegt, um zu gewährleisten, dass Gleichstromausgang mit geeignetem Leistungspegel, geeigneter Spannung und/oder geeignetem Strom erzeugt wird.
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Die Wandlerkomponenten, d. h. die induktiven Elemente 40, 42, 44, 46, die Transformatoren 28, 30 sowie die Schalter A1, A2, B1, B2, C1, C2, D1, D2 können so ausgelegt werden, dass ZVS Anwendung findet, wenn sich der Gleichstromausgang näher an den maximalen Betriebskapazitäten des Wandlers, d. h. 3,3 kW, befindet. Dass ZVS Anwendung findet, wenn der Wandler 12 näher an dem maximalen Ausgangsbereich arbeitet, kann von Vorteil bei Erreichung von maximalem Wirkungsgrad des Wandlers 12 bei Betrieb auf seinem Nennpegel sein. Da die Eigenschaften der Komponenten möglicherweise unveränderlich sind, d. h., dass sie in einigen Konfigurationen des Wandlers 12 nicht verändert werden können, wird ZVS möglicherweise nicht erreicht, wenn der Gleichstromausgang zu stark von dem maximalen Nennbereich abweicht. Eine ausreichende Abweichung kann nicht-spannungsloses Schalten, sog. Non-Zero-Voltage Switching, kurz NZVS, und den damit einhergehenden Verlust an Wirkungsgrad des Wandlers bewirken, wobei dies vorteilhafter sein kann als der Einsatz mehrerer Wandler.
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Die Wandlerkomponenten können des Weiteren auch so ausgewählt werden, dass sie Eigenschaften haben, die sich für eine bestimmte Schaltfrequenz eigenen, die verwendet wird, um die Vielzahl von Schaltern A1, A2, B1, B2, C1, C2, D1, D2 zu steuern, wenn näher an den maximalen Ausgangspegeln gearbeitet wird. Beim Auswählen der Eigenschaften der Wandlerkomponenten verringert sich die Größe der Komponenten, wenn die ausgewählte Schaltfrequenz ansteigt, so dass für den gleichen gewünschten Ausgang, beispielsweise 3,3 kW, kleine Wandlerkomponenten eingesetzt werden können, wenn eine höhere Schaltfrequenz ausgewählt wird. Die Auswahl der Komponenten entsprechend der Frequenz hängt auch mit der Auswahl von Komponenten für ZVS zusammen, so dass eine bestimmte Kombination von Auslegungsparametern den maximalen Wirkungsgrad mit den kleinsten Komponenten ergibt und dabei ZVS erreicht wird. Ein nichteinschränkender Aspekt der vorliegenden Erfindung sieht vor, dass die Wandlerkomponenten so ausgewählt werden, dass sie bei maximalem Wirkungsgrad und ZVS arbeiten, wenn 3,3 kW bei einer Schaltfrequenz von 250 kHz erzeugt werden.
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2 stellt ein Flussdiagramm 50 für ein Verfahren zum Steuern des Wandlers 12 gemäß einem nichteinschränkenden Aspekt der vorliegenden Erfindung dar. Das Verfahren kann mit Befehlen oder anderen logischen Operatoren ausgeführt werden, die auf einem computerlesbaren Medium der Steuereinheit 22 gespeichert sind. Die Steuereinheit 22 kann einen Prozessor und geeignete Eingabe-/Ausgabeeinrichtungen enthalten, die Ausführen der vorgesehenen Operationen ermöglichen. Das Verfahren wird in Bezug auf den beispielhaften Einsatz des oben beschriebenen Wandlers 12 beschrieben, der betrieben werden kann, um einen Gleichstromeingang zur Ausgabe an eine oder mehrere Fahrzeuglast/en 14 zu ermöglichen. Das Verfahren ist jedoch nicht notwendigerweise darauf beschränkt, und die vorliegende Erfindung sieht ohne Einschränkungen vor, dass das Verfahren eingesetzt wird, um Steuerung von Wandlern zu ermöglichen, die für Lasten außerhalb von Fahrzeugen eingesetzt werden.
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Block 52 zeigt, dass ein Leistungsbedarf bestimmt wird. Der Leistungsbedarf kann durch Steuereinheit 22 bestimmt werden, die eine Leistungsanforderung von einer oder mehreren der Lasten 14 empfängt, die einen Bedarf an Leistung anzeigt, und/oder über andere Bewertungsschritte, wie beispielsweise Aktivierung eines Fahrzeugschalters, Drücken des Gaspedals durch den Fahrer usw. Der Leistungsbedarf kann so berechnet werden, dass er einer Gesamtmenge an Leistung entspricht, die von der einen oder den mehreren aktiven Last/en 14 benötigt wird, und/oder entsprechend den speziellen Charakteristiken bzw. Eigenschaften der Leistung, deren Zufuhr angefordert wird, d. h. bei Gleichstrom können die Eigenschaften Leistung, Spannung und/oder Strom definieren (wenn die Gleichrichter 32, 34 wegfallen oder andere Wechselstromlasten vor den Gleichrichter geschaltet sind, können auch Wechselstrom-Variablen, wie beispielsweise die Frequenz, angegeben werden). Zu Veranschaulichungszwecken soll der Leistungspegel alle möglichen Charakteristiken der von den Lasten angeforderten Energie einschließen.
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Block 54 zeigt, dass ein Schaltungsablauf bestimmt wird, mit dem der Leistungsbedarf erfüllt wird. Der Schaltungsablauf entspricht einer Steuerstrategie, mit der Übergang der Schalter A1, A2, B1, B2, C1, C2, D1, D2 zwischen dem offenen Zustand und dem geschlossenen Zustand gesteuert wird, um Zufuhr des gewünschten Gleichstromausgangs auf dem gewünschten Leistungspegel zu ermöglichen. Die Schalter A1, A2, B1, B2, C1, C2, D1, D2 können paarweise schalten, um eine modifizierte bzw. quadrierte Sinuswelle als den Wechselstromeingang an den Transformatoren 32, 34 zu erzeugen. Die Paare können aus den Schaltern A und B sowie den Schaltern B und D bestehen, wobei die An-/Aus-Zyklen jedes Paars entgegengesetzt und gespiegelt sind, so dass die Schalter A und B gespiegelt sind und die Schalter und C und D gespiegelt sind.
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3–4 stellt beispielhafte Schaltabläufe 58, 60 für einen Schalter A und einen Schalter B dar, wobei die Schalter A1, A2, B1, B2, C1, C2, D1, D2 ohne Phasenverschiebung (3) und mit Phasenverschiebung (4) geschaltet werden. Ein Maß an Phasenverschiebung kann zwischen den Paaren hergestellt werden, um den Leistungspegel der Gleichstromausgabe so zu steuern, dass die maximale Leistung vorliegt, wenn keine Phasenverschiebung vorhanden ist, und von da ausgehend proportional zum Maß der Phasenverschiebung abnimmt. Die vorliegende Erfindung sieht vor, dass der Leistungspegel unter Verwendung der Phasenverschiebung gesteuert wird, um Sättigung der Transformatoren 28, 30 zu begrenzen. Eine weitere Möglichkeit, die anstelle von Phasenverschiebung oder in Kombination damit eingesetzt werden kann, besteht darin, ein Tastverhältnis jedes Schalters A1, A2, B1, B2, C1, C2, D1, D2 zu steuern. 3–4 stellen ein festes Tastverhältnis von 50% dar, die Tastverhältnisse können jedoch geändert werden, um Anpassen des Ausgangs-Leistungspegels des Gleichstromausgangs weitergehend zu ermöglichen (wobei angenommen wird, dass Sättigung von Transformatoren und andere damit einhergehende Probleme die mit einem anderen Tastverhältnis als 50% verbunden sind, gelöst werden können).
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Block 66 zeigt, wie wiederum aus 2 ersichtlich ist, dass beurteilt wird, ob der zum Erzeugen des geforderten Leistungspegels erforderliche Schaltablauf ZVS oder NZVS ergibt. Diese Beurteilung kann von der Steuereinheit 22 getroffen werden, die beurteilt, ob der Leistungspegel, das Tastverhältnis und/oder die Phasenverschiebung, die in dem Schaltablauf angegeben sind, ZVS- oder NZVS-Bedingungen entsprechen, d. h. die Steuereinheit kann eine Verweistabelle oder eine andere vordefinierte Bezugsgröße enthalten, anhand der die Bestimmung auf Basis eines Wertes oder mehrerer Werte der angeführten Parameter getroffen wird. Die Beurteilung kann auch im Betrieb durch die Steuereinheit 22 vorgenommen oder bestätigt werden, die eine Spannung über einen oder mehrere der Schalter misst oder anderweitig beurteilt. Dies kann beispielsweise hilfreich sein, wenn die Steuereinheit den Schaltablauf automatisch festlegt, um den Leistungsbedarf zu erfüllen, ohne dass zuvor bekannt ist, ob der resultierende Ablauf zu ZVS oder NZVS führt. Diese Möglichkeit kann auch hilfreich bei Anpassung bei starker Beanspruchung oder Ermüdung (fatigue) des Wandlers oder anderen funktionalen Veränderungen hilfreich sein, die eine Änderung der ZVS- und NZVS-Betriebs-Schwellenwerte verursachen.
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Block 68 zeigt, dass die Steuereinheit 22 eine erste Schaltfrequenz (siehe 3) festlegt, mit der die Schalter gesteuert werden, wenn ZVS bestimmt wird. Die erste Schaltfrequenz kann der optimalen Schaltfrequenz entsprechen, für die der Wandler 12 ausgelegt ist und die einem Leistungspegel von 3,3 kW oder einem anderen Leistungspegel entsprechen kann, der auf oder über einem entsprechenden Leistungspegel-Schwellenwert liegt. Ein nichteinschränkender Aspekt der vorliegenden Erfindung sieht vor, dass optimale Bedingungen für den Wandler 3,3 kW bei einer Schaltfrequenz von 250 kHz sind. Die erste Schaltfrequenz kann so festgelegt werden, dass sie der optimalen Schaltfrequenz von 250 kHz entspricht.
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Block 70 zeigt, dass die Steuereinheit 22 eine zweite Schaltfrequenz festlegt, mit der die Schalter gesteuert werden, wenn NZVS bestimmt wird. Da das ZVS so ausgelegt sein kann, dass es wirksam wird, wenn nahe an den Maximal- oder Nenn-Betriebsbedingungen gearbeitet wird, kann, wenn NZVS bestimmt wird, dies anzeigen, dass der Wandler 12 unterhalb maximaler Pegel arbeiten soll und/oder weniger Leistung bereitstellen soll. Ein nichteinschränkender Aspekt der vorliegenden Erfindung sieht vor, dass die Wirkungsgradverluste, die auftreten, wenn unter NZVS-Bedingungen gearbeitet wird, verringert werden, indem die Schaltfrequenz relativ zu der Auslegungs/Nennwirkungs-Schaltfrequenz (der ersten Schaltfrequenz) reduziert wird. Durch die reduzierte Schaltfrequenz der zweiten Schaltfrequenz wird die Anzahl von Übergängen der Schalter A1, A2, B1, B2, C1, C2, D1, D2 zwischen offenen und geschlossenen Zuständen verringert. Da jeder Übergang einen Schaltverlust bewirkt, kann der Gesamt-Schaltverlust reduziert werden, indem die Anzahl von Übergängen verringert wird.
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Die durch Block 70 vorgesehene zweite Schaltfrequenz kann einem vordefinierten Wert, wie beispielsweise 125 kHz oder einem proportionalen Wert, entsprechen, ist jedoch nicht darauf beschränkt. Der proportionale Wert kann auf Basis des Maßes von NZVS (d. h. der Spannung über wenigstens einen der Schalter) und/oder eines Algorithmus bestimmt werden, der auf dem Ausgangs-Leistungspegel basiert. Der proportionale Wert kann so ausgewählt werden, dass die Schaltfrequenz um ein Maß reduziert wird, das ausreicht, um die Schaltverluste im Verhältnis zu der geringeren Leistung auszugleichen, die mit niedrigeren Schaltfrequenzen einhergeht. Der vordefinierte Wert kann anstelle des proportionalen Wertes verwendet werden, um Schaltübergänge zu steuern, wenn NZVS bestimmt wird, so dass die Steuereinheit 22 keine zusätzliche Verarbeitung durchführen muss, die mit einer proportionalen Verringerung der Schaltfrequenz zusammenhängt.
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Es kann, wie oben dargelegt, ein systematisches Verfahren für hohe Schaltfrequenz eines Gleichstromwandlers hoher Leistung mit großem Ausgangsspannungs-Bereich geschaffen werden, durch das der Wandler 12 mit gewünschter niedriger Schaltfrequenz bei geringer Last und hoher Schaltfrequenz bei Nennleistungs-Ausgang betrieben werden kann. Die vorliegende Erfindung betrifft Gleichstromwandler, Gleichstrom-Wechselstrom-Wandler, Wechselstrom-Gleichstrom-Wandler und Wechselstromwandler, ist jedoch nicht notwenderweise darauf beschränkt.
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Ein kennzeichnendes Merkmal dieser Steuerungsmethode besteht darin, dass Schaltfrequenzen geändert werden, um optimale Leistung von geringer Last (Null-Last) bis zu Last mit voller Leistung zu erzielen.
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ZVS-Steuerung ist ein Verfahren, das von der vorliegenden Erfindung vorgesehen wird, um unter Einsatz hoher Schaltfrequenz hohe Leistungsdichte bei der Auslegung und Implementierung von Leistungswandlern zu erreichen. Da der damit zusammenhängende ZVS-Bereich eine Einschränkung bei der Auslegung für ein breites Lastspektrum darstellt, insbesondere bei Einsatzzwecken, bei denen die geforderte Leistung der Last von Null-Leistung bis zu voller Leistung variiert (da der Wandler zum sogenannten ”Hard Switching” wechselt, wenn er bei geringer Last arbeitet, die außerhalb des ZVS-Bereiches liegt, wodurch es zu starker thermischer Belastung oder auch thermischer Instabilität bei Leistungsschaltern kommen kann), schafft die vorliegende Erfindung eine Lösung mit ihrer Steuerung mit variabler Frequenz.
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5 stellt ein Zustandsdiagramm gemäß einem nichteinschränkenden Aspekt der vorliegenden Erfindung dar. Die folgenden Tabellen definieren die Zustandssteuerung, die in
5 vorgesehen ist.
| Allgemeine Informationen zur Funktion |
| Name der Funktion | HV_Converter_Select |
| Rate der Funktion | 100 ms (10 Hz) |
| Name des Eingangs | Beschreibung | Ursprung | Bereich |
| VINAC_FILT | Eingangs-Wechselspannung (RMS), stark gefiltert (~1 Sekunde Zeitkonstante) | Eingangs-Verarbeitung | 0–300 |
| OUTPUT_PWR_FILT | Lader-Ausgangsleistung (W), stark gefiltert (~1 Sekunde Zeitkonstante) | Eingangs-Verarbeitung | 0–4000 |
| Name des Eingangs | Beschreibung | Ziel | Bereich |
| HV_Select_State | Status der HV-Wandlerauswahl. 1 = Two_Low, 4 = Both Anfangszustand = 1 | | 1 oder 2 oder 3 |
| Converter_Select | Flag, das anzeigt, welche HV-Wandler betrieben werden sollen. Wenn 1, wird Wandler Nr. 1 verwendet. Wenn 2, wird Wandler Nr. 2 verwendet, wenn 3, werden beide HV-Wandler verwendet Anfangszustand = 1 | ZustandsmaschinenFunktion von HV-Wandler | 1 oder 2 oder 3 |
| Tap_Flag | Flag, das anzeigt, ob nur ein oder beide HV-Wandler verwendet wird/werden. 0 bedeutet ein Wandler, 1 bedeutet beide Wandler. Anfangszustand = 0 | HV-Strombegrenzungs-Funktion | 0 oder 1 |
| Switching_Freq | Schaltfrequenz, auf die der HV-Wandler eingestellt werden soll. Standardwert = 250 kHz | Sync-Signalerzeugungsfunktion | 0–250 kHz |
| | Beschreibung | Bereich |
| HV_Select_State | Code dafür, welche HV-Wandler betrieben werden sollen (One, Two oder Both). Anfangszustand = One | 1 oder 2 oder 3 |
| Timer | Timer, der zum Umschalten zwischen HV-Wandlern bei niedriger Leistung verwendet wird. Eine Zähleinheit beträgt 100 ms (Normzeit). Anfangszustand – 0 | 0 bis 1000 |
| Name der Kalibrierung | Beschreibung | Bereich |
| Tap_Limit | Eingangs-Wechselspannung, unter der nur einer der HV-Wandler eingesetzt wird. Standardwert = 160 V Wechselspannung | 0–300 |
| Tap_Hysteresis | Hysterese, die zu verwenden ist, um Prallen zwischen Hi-Tap und Lo-Tap zu verhindern. Standardwert = 10 V | 0–100 |
| Single_Converter_Threshold | Schwellenwert, der zum Umschalten auf/von Einzel/Doppel-Wandlerbetrieb verwendet wird. Standardwert = 1000 W | 0–4000 |
| Low_Power_Threshold | Schwellenwert, der verwendet wird, um Umschalten zwischen einzelnen Wandlern zu beginnen und auch die Schaltfrequenz zu reduzieren. Standardwert = 300 W | 0–4000 |
| Power_Hysteresis | Hysterese, die zu verwenden ist, um vor Prallen zwischen Zuständen zu schützen. Standardwert = 200 W | 0–4000 |
| Low_Power_Time | Maximale Zeit zum Betreiben eines einzelnen Wandlers bei niedriger Leistung vor Umschalten auf den anderen (um abkühlen zu lassen). Standardwert = 100 Zähleinheiten (10 Sekunden bei 100 ms Normrate) | 0–1000 |
| Low_Sw_Freq | Schaltfrequenz, die bei niedriger Ausgangsleistung einzustellen ist, um Verluste zu reduzieren. Standardwert = 125 kHz | 0–250 kHz |
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Zustandsübergangs-Matrix
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- 1) Für diese Matrix impliziert die Übergangsreihenfolge Vorrang (precedence). Dies bedeutet, dass, wenn beispielsweise der aktuelle Zustand ”One” ist, die Bedingung für Übergang zu ”Both” zunächst geprüft wird, und, wenn die Bedingung erfüllt ist, der Zustandsübergang vollzogen wird, ohne andere Bedingungen zu prüfen.
- 2) Es wird angenommen, dass die Ausgänge stabil (persistent) sind, d. h., wenn keine Maßnahme zum Ändern eines der Ausgänge während einer gegebenen Ausführung der Zustandsmaschine ergriffen wird, sollten die letzten Werte für alle Ausgänge nach wie vor verwendet werden.
- 3) Wenn keine Bedingungen für den Übergang erfüllt sind, soll sich der Zustand nicht ändern, und es sind keine Maßnahmen zu ergreifen.
- 4) Es wird nur ein Zustandsübergang pro Ausführung der Zustandsmaschine zugelassen.
- 5) Standard-Zustand bei niedriger Leistung zum Beginn von Laden ist ”One”, wobei eine Flag-Steuerung zum Identifizieren eines Anfangszustandes verwendet wird.
- 6) Die Zustandsmaschine wird bei einem 3,3 kW-Vollbrücken-Wechselstrom-Gleichstrom-Batterielader mit zwei verschachtelten Teilwandlern angewendet.
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| Übergang Nr. |
Anfangszustand |
Endzustand |
Bedingungen für Übergang |
Maßnahmen bei Übergang |
| 1 |
One |
Both |
OUTPUT_PWR_FILT > Single_Converter_Threshold and VINAC_FILT > Tas_Limit |
Set Converter_Select = 3 Set Tap_Flag = 1 Set Switchin_Freq = 250 kHz |
| 2 |
One |
One_Low |
OUTPUT_PWR_FILT < (Low_Power_Threshold – Power_Hysteresis |
Set Time = 0 Set Converter_Select = 1 Set Tap_Flag = 0 Set Switching_Freq = Low_Sw_Freq |
| 3 |
One |
One |
Keine-Standardübergang |
If (OUTPUT_PWR_FILT > Low_Power_Threshold + Power_Hysteresis) set timer = 0 If (OUTPUT_PWR_FILT < Low_Power_Threshold) Set Timer = Timer + 1 |
| 4 |
One_Low |
Both |
OUTPUT_PWR_FILT > Single_Converter_Threshold and VINAC_FILT > Tap_Limit |
Set Converter_Select = 3 Set Tap_Flag = 1 Set Switching_Freq = 250 kHz |
| 5 |
One_Low |
One |
OUTPUT_PWR_FILT > (Low_Power_Threshold) |
Set Timer = 0 Set Converter_Select = 1 Set Tap_Flag = 0 Set Switching_Freq = 250 kHz |
| 6 |
One_Low |
Two_Low |
Timer >= Low_Power_Time |
Set Timer = 0 Set Converter_Select = 2 Set Tap_Flag = 0 Set Switching_Freq = Low_Sw_Freq |
| 7 |
One_Low |
One_Low |
Keine-Standardübergang |
If (OUTPUT_PW R_FILT > Low_Power_Threshold + Power_Hysteresis) set timer = 0 If (OUTPUT_PWR_FILT < Low_Power_Threshold) Set Timer = Timer + 1 |
| 8 |
Two_Low |
Both |
OUTPUT_PWR_FILT > Single_Converter_Threshold and VINAC_FILT > Tap_Limit |
Set Converter_Select = 3 Set Tap_Flag = 1 Set Switching_Freq = 250 kHz |
| 9 |
Two_Low |
One |
OUTPUT_PWR_FILT > (Low_Power_Threshold) |
Set Timer = 0 Set Converter_Select = 1 Set Tap_Flag = 0 Set Switching_Freq = 250 kHz |
| 10 |
Two_Low |
One_Low |
Timer >= Low_Power_Time |
Set Timer = 0 Set Converter_Select = 1 Set Tap_Flag = 0 Set Switching_Freq = Low_Sw_Freq |
| 11 |
Two_Low |
Two_Low |
Keine-Standardübergang |
If (OUTPUT_PWR_FILT > Low_Power_Threshold + Power_Hysteresis) set timer = 0 If (OUTPUT_PWR_FILT < Low_Power_Threshold) Set Timer = Timer + 1 |
| 12 |
Both |
One |
OUTPUT_PWR_FILT < (Single_Converter_Threshold – Power_Hysteresis) or VINAC_FILT < (Tap_Limit – Tap_Hysteresis) |
Set Timer = 0 Set Converter_Select = 1 Set Tap_Flag = 0 |
| 13 |
Both |
Both |
Keine-Standardübergang |
Keine |
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Erläuterung der Zustände
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One-Zustand:
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Im One-Zustand wird HV-Wandler Nr. 1 bei normaler Schaltfrequenz betrieben. Er kommt bei Low-Tap-Betrieb zum Einsatz, wenn die Leistung hoch genug ist, so dass nicht zum Niedrigleistungs-Modus übergegangen werden muss, oder im High-Tap-Betrieb, wenn die Ausgangsleistung innerhalb der Kapazität eines einzelnen Wandlers liegt.
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One_Low-Zustand
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Im One_Low-Zustand wird HV-Wandler Nr. 1 bei verringerter Schaltfrequenz betrieben. Dies ist der Fall, wenn der Leistungsbedarf sehr niedrig ist. Ein Timer wird des Weiteren so eingestellt, dass zwischen HV-Wandler Nr. 1 und HV-Wandler Nr. 2 gewechselt wird, so dass für beide Abkühlzeit zur Verfügung steht.
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Two_Low-Zustand
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In dem Two_Low-Zustand wird HV-Konverter Nr. 2 bei verringerter Schaltfrequenz betrieben. Dies ist der Fall, wenn der Leistungsbedarf sehr niedrig ist. Des Weiteren wird ein Timer so eingestellt, dass zwischen HV-Wandler Nr. 1 und HV-Wandler Nr. 2 gewechselt wird, so dass für beide Abkühlzeit zur Verfügung steht.
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Both-Zustand
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Im Both-Zustand werden sowohl HV-Wandler Nr. 1 als auch HV-Wandler Nr. 2 bei voller Schaltfrequenz betrieben. Dies ist der Fall, wenn im High-Tap-Betrieb gearbeitet wird und der Bedarf an Ausgangsleistung über der Kapazität eines einzelnen Wandlers liegt.
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Obwohl oben beispielhafte Ausführungsformen beschrieben sind, sollen diese Ausführungsformen nicht alle möglichen Formen der Erfindung beschreiben. Vielmehr sind die in der Patentbeschreibung verwendeten Formulierungen beschreibende und keine beschränkenden Formulierungen, und es versteht sich, dass verschiedene Veränderungen vorgenommen werden können, ohne vom Geist und vom Schutzumfang der Erfindung abzuweichen. Weiterhin können die Merkmale verschiedener Umsetzungsformen kombiniert werden, um weitere Ausführungsformen der Erfindung zu schaffen.
