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Die Erfindung betrifft einen Spannungswandler, insbesondere einen Spannungswandler im Kilowattbereich Ausgangsleistung.
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Bei einem Wandler hoher Leistungsklasse z.B. 3000 W bei 12 V Ausgangsspannung ergeben sich Ausgangsströme von bis zu 270 A. Diese Ströme genau zu messen bedingt einen hohen schaltungstechnischen Aufwand. Meistens wird dieser Strom durch mehrere Phasen z.B. parallele Wandler realisiert. In den einzelnen Strängen wird der Einzelstrom gemessen und aufsummiert. Um eine hohe Genauigkeit zu realisieren wird üblicherweise eine shuntbasierte Messung genutzt und keine induktive Messung. Die Verlustleistung in den Shunts kann stark durch die Aufteilung des Stroms reduziert werden, weil die Verluste quadratisch zum Strom ansteigen. Dieser schaltungstechnische Aufwand wird bei einer konventionellen Umsetzung auf der Eingangs- und Ausgangsseite benötigt.
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Der Erfindung lag die Aufgabe zu Grunde, den schaltungstechnischen Aufwand zu verringern.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß insbesondere gelöst durch einen elektrischen Spannungswandler, wobei der Spannungswandler einen ersten Anschluss und einen zweiten Anschluss aufweist, sowie weiterhin ein Leistungsteil, einen Stromsensor, eine elektronische Recheneinheit und einen Regler, wobei der Regler eingerichtet ist, den Betrieb des Spannungswandlers in Abhängigkeit eines mittels des Stromsensors erfassten Strommesswerts zu regeln, und wobei die elektronische Recheneinheit mit einer Umrechnungseinrichtung ausgestattet ist, mittels der ein Schätzwert eines Stroms an einem der beiden Anschlüsse in Abhängigkeit des Stroms an dem anderen der beiden Anschlüsse berechnet werden kann, wobei die elektronische Recheneinheit weiterhin eingerichtet ist, diesen Schätzwert an den Regler weiterzugeben.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß weiterhin insbesondere gelöst durch ein Verfahren zur elektrischen Spannungswandlung mittels eines elektrischen Spannungswandlers, der einen ersten Anschluss und einen zweiten Anschluss aufweist sowie weiterhin ein Leistungsteil, einen Stromsensor, eine elektronische Recheneinheit und einen Regler, wobei der Betrieb des Spannungswandlers mittels des Reglers in Abhängigkeit eines mittels des Stromsensors erfassten Strommesswerts geregelt wird, und wobei mittels der elektronischen Recheneinheit ein Schätzwert eines Stroms an einem der beiden Anschlüsse in Abhängigkeit eines Stroms an dem anderen der beiden Anschlüsse berechnet wird und dieser Schätzwert an den Regler weitergegeben wird.
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Mit der hier beschriebenen Erfindung kann die Stromsensorschaltung auf einer Seite entfallen, weil diese durch die virtuelle Stromnachbildung in Form des Schätzwerts ersetzt wird. Gleichzeitig kann jedoch ein Strom auf beiden Seiten des Wandlers in die Regelung einfließen. Somit wird der schaltungstechnische Aufwand verringert. Außerdem werden Verluste reduziert, da eine Stromsensorschaltung üblicherweise, da üblicherweise shuntbasiert, verlustbehaftet ist:
| 1 Phase | 270A | bei 1mOhm Shunt => | 72,9W Verlustleitung, |
| 9 Phasen | 9·30A | bei 1mOhm Shunt => | 9·0,9W = 8,1W Verlustleitung. |
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Diese Verlustleistung kann eingespart werden. Zudem werden Bauteilkosten und Platzbedarf eingespart. Voraussetzung ist, dass zumindest ein Strom gemessen wird z.B. am Eingang oder Ausgang des Wandlers im jeweiligen Betriebsmodus und bevorzugt, wie in den weiteren Ausführungsbeispielen genannt, die Eingangsspannung und/oder Ausgangsspannung bezogen auf den Betriebsmodus. Zudem ist es vorteilhaft, wenn der Wirkungsgrad des Gerätes und/oder die Betriebstemperatur bekannt sind und in die Berechnung einbezogen werden.
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Der Spannungswandler ist bevorzugt ein Spannungswandler für Leistungen von mehr als 1 kW. Er wandelt bevorzugt in eine Ausgangsgleichspannung von 12 V. Bevorzugt ist es ein DC/DC-Wandler. Besonders bevorzugt ist es ein bidirektionaler Wandler, d.h. er ist eingerichtet, in einer Betriebsrichtung eine Spannung am ersten Anschluss in eine Spannung am zweiten Anschluss zu wandeln und in einer anderen Betriebsrichtung eine Spannung am zweiten Anschluss in eine Spannung am ersten Anschluss. Einer der Anschlüsse bzw. Anschlussklemmen ist bevorzugt ein Eingangsanschluss und ein anderer der Anschlüsse ein Ausgangsanschluss, was bei einem bidirektionalen Wandler abhängig ist von er Betriebsrichtung. Bevorzugt ist am Eingangsanschluss die Eingangsspannung anlegbar, am Ausgangsanschluss ist die Ausgangsspannung abgreifbar.
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Das Leistungsteil ist als der Teil des Wandlers zu verstehen, welcher eingerichtet ist, die Umsetzung der einen Spannung in die andere Spannung in einer dem Fachmann bekannten Weise mittels elektronischer Bauteile, wie z.B. Spule, Kondensator, elektronischer Schalter z.B. Transistor, unter Übertragung der gewünschten Leistung durchzuführen.
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Der Stromsensor weist bevorzugt einen Hallsensor auf, besonders bevorzugt einen, bevorzugt mehrere Shuntwiderstände, an dem bzw. denen jeweils eine dem Strom proportionale Spannung mittels entsprechend angeordneter Kontakte abgreifbar ist. Mittels des Stromsensors ist der Strom am ersten Anschluss d.h. der Strom, der über den ersten Anschluss in oder aus dem Wandler fließt messbar. Bevorzugt weist der Stromsensor einen Messverstärker bzw. Strommonitor auf, welcher ein differenzielles Messeingangssignal in ein bevorzugt massebezogenes Messausgangssignal überführt.
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Die elektronische Recheneinheit ist bevorzugt eine analoge, bevorzugt digitale Rechenschaltung, welche z.B. ein bestimmtes Funktionsergebnis (z.B. f(I1, ...) und/oder g(I2, ...), s.u.) am Schaltungsausgang in Abhängigkeit von einem oder mehreren Schaltungseingängen nachbildet, besonders bevorzugt ist sie ein Mikrocontroller, DSP und/oder FPGA. Bevorzugt ist der Stromsensor mit dem Mikrocontroller, DSP und/oder FPGA verbunden, z.B. ist eine Leitung vom Stromsensor zu einem A/D-Konverter-Eingang des Mikrocontrollers, DPS und/oder FPGA vorhanden.
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Der Regler ist bevorzugt ein funktionale, durch analoge oder digitale Elektronik gebildte Einheit, mittels welcher eine Regelgröße z.B. ein Strom und/oder eine Spannung des Wandlers an einem oder beiden Anschlüssen auf einen Referenzwert bzw. Sollwert regelbar ist. Bevorzugt besteht der Regler aus einem oder mehreren elektronischen Bauteilen wie z.B. Komparator, Operationsverstärker, und bevorzugt Kondensator und/oder Spule. Besonders ist der Regler ein digital in einer Recheneinheit implementierter Regler. Z.B. ist der Regler in dem Mikrocontroller integriert, z.B. als auf dem Mikrocontroller gespeicherter, ausführbarer Programmcode. Der Regler ist bevorzugt eingerichtet, ein Regelausgangssignal an ein Stellglied weiterzuleiten, welches z.B. eingerichtet ist, ein PWM-Duty-Cycle eines elektronischen Schalters im Leistungsteil des Wandlers entsprechend dem Reglersignal einzustellen.
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Die Umrechnungseinrichtung ist z.B. ein auf dem Mikrocontroller gespeicherter, ausführbarer Programmcode oder eine analoge Funktionsschaltung.
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Die Ermittlung eines Schätzwerts eines Stroms erfolgt bevorzugt über eine, der elektronischen Recheneinheit zugängliche Funktion. Z.B. wird zur Berechnung eines Schätzwerts I2* für den Strom I2 am zweiten Anschluss in Abhängigkeit des Stroms I1 am ersten Anschluss die Funktion f(I1): I1 → I2 verwendet, wobei im einfachsten Fall eine lineare Funktion angenommen werden kann, d.h. z.B. I2 = I1·a + b, wobei a, und b Konstanten sind, wobei b bevorzugt gleich Null ist. Zur Berechnung eines Schätzwerts I1* für den Strom I1 am zweiten Anschluss in Abhängigkeit des Stroms I2 am ersten Anschluss wird z.B. die Funktion g(I2): I2 → I1 verwendet, wobei im einfachsten Fall eine lineare Funktion angenommen werden kann, d.h. z.B. I1 = I2·c + d, wobei c, und d Konstanten sind, wobei d bevorzugt gleich Null ist.
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Bei einem Schätzwert eines Stroms kann es sich z.B. um den Schätzwert eines Referenzwerts, eines Messwerts oder zulässigen Maximalwerts handeln.
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Bei einem weiteren erfindungsgemäßen Spannungswandler weist der Spannungswandler einen ersten Spannungssensor zum Erfassen eines Messwerts einer ersten Spannung am ersten Anschluss auf und die elektronische Recheneinheit ist eingerichtet, den Schätzwert zusätzlich in Abhängigkeit eines mittels des ersten Spannungssensors erfassten Messwerts der ersten Spannung zu berechnen. Bei einem entsprechenden weiteren Verfahren wird eine erste Spannung am ersten Anschluss gemessen und der Schätzwert wird zusätzlich in Abhängigkeit des Messwerts der ersten Spannung berechnet.
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Hierdurch wird eine noch genauere Schätzung des Stroms ermöglicht, da eine zusätzliche Information über den Betriebspunkt des Wandlers vorliegt.
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Unter einem Spannungssensor wird bevorzugt jede schaltungstechnische Implementierung verstanden, mittels welcher ein Potential an einer bestimmten Stelle, in diesem Fall am ersten Anschluss, des Spannungswandlers abgreifbar ist und die Potentialdifferenz, d.h. Spannung, gegenüber einem Bezugspotential, z.B. Masse, ermittelbar ist.
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Bevorzugt wird dann mittels einer spezifischeren Funktion f bzw. g der Schätzwert ermittelt, da nun eine erste Spannung U1 messbar ist bzw. gemessen wird: f(I1, U1): I1, U1 → I2, z.B. I2 = a·U1·I1 g(I2, U1): I2, U1 → I1, z.B. I1 = c·(1/U1)·I2.
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Bei einem weiteren erfindungsgemäßen Spannungswandler weist der Spannungswandler einen zweiten Spannungssensor zum Erfassen eines Messwerts einer zweiten Spannung am zweiten Anschluss auf und die elektronische Recheneinheit ist eingerichtet, den Schätzwert zusätzlich in Abhängigkeit eines mittels des zweiten Spannungssensors erfassten Messwerts der zweiten Spannung zu berechnen. Bei einem entsprechenden weiteren Verfahren wird eine zweite Spannung am zweiten Anschluss gemessen und der Schätzwert wird zusätzlich in Abhängigkeit des Messwerts der zweiten Spannung berechnet.
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Hierdurch wird eine noch genauere Schätzung des Stroms ermöglicht, da eine zusätzliche Information über den Betriebspunkt des Wandlers vorliegt. Bevorzugt wird dann mittels einer spezifischeren Funktion f bzw. g der Schätzwert ermittelt, da nun auch eine zweite Spannung U2 messbar ist bzw. gemessen wird: f(I1, U1), U2: I1, U1, U2 → I2, z.B. I2 = a·(U1/U2)·I1 g(I2, U1), U2: I2, U1, U2 → I1, z.B. I1 = c·(U2/U1)·I2.
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Die Bezeichnung „zweiter“ Spannungssensor ist derart zu verstehen, dass der zweite Spannungssensor dem zweiten Anschluss zugeordnet ist. Es wird damit nicht impliziert, dass das Vorhandensein des zweiten Spannungsssensors ein Vorhandensein des ersten Spannungssensors voraussetzt.
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Bei einem weiteren erfindungsgemäßen Spannungswandler weist der Spannungswandler einen Temperatursensor zum Erfassen einer Temperatur des Spannungswandlers auf und die elektronische Recheneinheit ist eingerichtet, den Schätzwert zusätzlich in Abhängigkeit eines mittels des Temperatursensors erfassten Messwerts der Temperatur zu berechnen. Bei einem entsprechenden weiteren Verfahren wird eine Temperatur des Spannungswandlers gemessen und der Schätzwert wird zusätzlich in Abhängigkeit des Messwerts Temperatur berechnet.
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Hierdurch wird eine noch genauere Schätzung des Stroms ermöglicht, da eine zusätzliche Information über den Betriebspunkt des Wandlers vorliegt. Bevorzugt wird dann mittels einer spezifischeren Funktion f bzw. g der Schätzwert ermittelt, da nun auch eine Temperatur T messbar ist bzw. gemessen wird: f(I1, U1, U2, T): I1, U1, U2 → I2, z.B. I2 = a·[U1/(U2·T)]·I1 g(I2, U1, U2, T): I2, U1, U2 → I1, z.B. I1 = c·[(U2·T)/U1]·I2.
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Bei einem weiteren erfindungsgemäßen Spannungswandler ist die elektronische Recheneinheit eingerichtet, auf einen Speicher zuzugreifen, der verschiedene betriebspunktabhängige Werte eines Wirkungsgrads des Spannungswandlers aufweist, und die elektronische Recheneinheit ist eingerichtet, den Schätzwert zusätzlich in Abhängigkeit eines aus dem Speicher ausgelesenen Werts des Wirkungsgrads des Spannungswandlers zu berechnen. Bei einem entsprechenden weiteren Verfahren wird eine ein betriebspunktabhängiger Wert eines Wirkungsgrads aus einem Speicher ausgelesen und der Schätzwert wird zusätzlich in Abhängigkeit des Wirkungsgrads berechnet.
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Hierdurch wird eine noch genauere Schätzung des Stroms ermöglicht, da eine zusätzliche Information über die elektrischen Eigenschaften des Wandlers vorliegt. Bevorzugt wird dann mittels einer spezifischeren Funktion f bzw. g der Schätzwert ermittelt, da nun auch der Wirkungsgrad η für bestimmte Betriebspunkte verwendbar ist bzw. verwendet wird: f(I1, U1, U2, η): I1, U1, U2 → I2, z.B. I2 = a·[(U1·η)/U2]·I1 g(I2, U1, U2, η): I2, U1, U2 → I1, z.B. I1 = c·[U2/(U1·η)]·I2.
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Bevorzugt ist der Wirkungsgrad η abhängig von dem bestimmten Betriebspunkt, z.B. η = η(I1, U1, U2, T), η = η(I1, U1, T), η = η(U1, T), η = η(I1, T) oder η = η(T). Er ist bevorzugt definiert als das Verhältnis von (U2·I2)/(U1·I1).
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Der Fehler, den man dabei durch die Berechnung des Schätzwertes durchführt ist überraschenderweise mit dem Fehler vergleichbar, der bei einer direkten Strommessung aufritt. Dies setzt voraus, dass der Wirkungsgrad des Gerätes relativ genau bekannt ist. Bei einem Wandler mit 48V auf 12V und folgenden Messgenauigkeiten, ergeben sich:
I1 = 270A +/–2,5A U1 = 12V +/–0,05V U2 = 48V +/–0,1V η = 97% +/–0,5% | Schätzwert I2* für I2 (Min): | 64,131A |
| Schätzwert I2* für I2 (Nom): | 65,475A |
| Schätzwert I2* für I2 (Max): | 66,838A |
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Damit ergibt sich ein maximaler Stromfehler von weniger als 1,5A, Dies entspricht auch bei einer physikalischen Messung des Stroms einem sehr guten Wert.
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Der Speicher ist bevorzugt Teil der elektronischen Recheneinheit. Bei einem weiteren erfindungsgemäßen Verfahren wird der betriebspunktabhängige Wirkungsgrad während eines Kalibriermodus, bevorzugt während der Entwicklung oder Fertigung des Wandlers, aufgezeichnet und in dem Speicher gespeichert.
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Hierdurch ist eine kostengünstige Kalibrierung und gleichzeitig genaue Bestimmung des Wirkungsgrads möglich.
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Bevorzugt wird in dem Kalibriermodus der Spannungswandler, bevorzugt ein Referenz-Spannungswandler für gleichartige Spannungswandler mit zwei Stromsensoren an beiden Anschlüssen ansonsten jedoch Baugleich, in verschiedene (bevorzugt wesentliche) Betriebspunkte des Betriebsbereichs gesteuert.
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Das Aufzeichnen erfolgt bevorzugt, indem die Betriebspunktvariablen (eine oder mehrere aus U1, U2, I1, I2, T) für verschiedene Betriebspunkte gespeichert werden oder aus diesen Betriebspunktvariablen der Wirkungsgrad (U2·I2)/(U1·I1) berechnet und abgespeichert wird.
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Bevorzugt wird ein Kennlinienfeld im Speicher des Mikrocontrollers abgespeichert, bevorzugt unter der Berücksichtigung der Einflussgrößen, hier in der Umsetzung Wirkungsgrad z.B. erste Spannung und/oder zweite Spannung und/oder Temperatur und/oder erfasster Strom des Stromsensors. Bevorzugt wird dieses Kennlinienfeld bei der Entwicklung für gleichartige Geräte pauschal z.B. anhand der Bauteilparameter theoretisch berechnet oder anhand eines Referenzgeräts empirisch ermittelt. Besonders bevorzugt wird es bei der Fertigung bevorzugt gerätespezifisch ermittelt, besonders bevorzugt geräteseirenspezifisch (d.h. für eine Geräteserie wird eine Ermittlung an einem Gerät stellvertretend durchgeführt und die ermittelten Werte werden in weiteren, bevorzugt allen Geräten der Geräteserie abgespeichert).
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Bei einem weiteren erfindungsgemäßen Spannungswandler ist der Regler eingerichtet, den Schätzwert als Istwert zu erhalten. Bei einem entsprechenden weiteren Verfahren wird der Schätzwert durch den Regler als Istwert verwendet.
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Hierdurch kann der Strom an dem Anschluss, für den der Schätzwert berechnet wurde, virtuell geregelt werden, d.h. ohne dass eine direkte Messung für diesen Strom vorliegt.
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Bei einem weiteren erfindungsgemäßen Spannungswandler ist der Regler eingerichtet, den Schätzwert als Sollwert zu erhalten. Bei einem entsprechenden weiteren Verfahren wird der Schätzwert durch den Regler als Sollwert bzw. Referenzwert verwendet.
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Dies ist eine alternative virtuelle Stromregelung, die z.B. dann vorteilhaft ist, wenn die Änderungen des Sollwerts seltener sind als die Frequenz der Messung des Ist-Werts, da dann die Berechnung des Schätzwerts nicht so oft durchzuführen ist. Bevorzugt wird der Schätzwert nur dann berechnet, wenn sich der zugrunde liegend Sollwert des Stroms ändert.
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Bei einem weiteren erfindungsgemäßen Spannungswandler ist die Recheneinheit eingerichtet, den Schätzwert mit mindestens einem weiteren Wert, zu vergleichen und den kleinsten der verglichenen Werte an den Regler, bevorzugt als Sollwert, weiterzuleiten.
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Hierdurch ist eine Strombegrenzung bezüglich des berechneten Schätzwerts möglich. Z.B. ist der Spannungswandler eingerichtet, eine Stromregelung durchzuführen, bei welcher der Stromsollwert einen Strommaximalwert am ersten Anschluss und einen Strommaximalwert am zweiten Anschluss berücksichtigt.
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Bei einem weiteren erfindungsgemäßen Spannungswandler weist der Regler einen Stromregler und einen Spannungsregler auf, mit denen eine Stromregelung in Kombination mit einer Spannungsregelung durchführbar ist, wobei der Stromregler eingerichtet ist, die Stromregelung in Abhängigkeit des Schätzwerts durchzuführen.
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Hierdurch wird eine besonders praktikable Spannungsregelung mit einer Stromregelung kombiniert. Bevorzugt beinhaltet die Stromregelung eine Strombegrenzung, wobei die Strombegrenzung in Abhängigkeit des Schätzwerts erfolgt.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnungen näher erläutert.
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Es zeigen:
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1 eine konventionelle Umsetzung eines Wandlers mit Stromsensoren an beiden Anschlüssen
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2 einen erfindungsgemäßen Spannungswandler mit einer Umrechnungseinrichtung,
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3a einen erfindungsgemäßen Spannungswandler mit einer präziseren Umrechnungsrichtung,
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3b ein Ablaufdiagramm des Betriebs des Spannungswandlers in 3a,
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4a eine funktionale Darstellung des Zusammenspiels des Reglers und der elektronischen Recheneinheit mit dem Schätzwert als Istwert,
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4b eine funktionale Darstellung des Zusammenspiels des Reglers und der elektronischen Recheneinheit mit dem Schätzwert als Sollwert,
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5a eine funktionale Darstellung aufbauend auf 4a, wobei zusätzlich eine Strombegrenzung implementiert ist,
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5b eine funktionale Darstellung aufbauend auf 4b, wobei zusätzlich eine Strombegrenzung implementiert ist,
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6a eine funktionale Darstellung aufbauend auf 5a, wobei eine Kombination mit einer Spannungsregelung durchgeführt wird,
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6b eine funktionale Darstellung ähnlich wie 6a, wobei die Kombination in Form eine Kaskade implementiert ist.
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1 zeigt eine konventionelle Umsetzung eines Wandlers 1 mit Stromsensoren 30, 30’ an beiden Anschlüssen. Der elektrische Spannungswandler 1 weist einen ersten Anschluss 10 und einen zweiten Anschluss 20 auf, sowie weiterhin ein Leistungsteil 2, einen Stromsensor 30 am ersten Anschluss 10, einen Stromsensor 30’ am zweiten Anschluss 20, eine elektronische Recheneinheit 40 und einen Regler 50, wobei der Regler 50 eingerichtet ist, den Betrieb des Spannungswandlers 1 in Abhängigkeit eines mittels des Stromsensors 30 erfassten Strommesswerts I1mes zu regeln. Weiterhin wird der mittels des Stromsensors 30’ erfasste Strommesswert z.B. für Überwachungsfunktionen in der Regelung berücksichtigt. Der Regler 50 kann auch Teil der elektronischen Recheneinheit 40 sein. In 1–3 ist aus Gründen der Übersichtlichkeit jedoch der Regler 50 separat von der Recheneinheit 40 dargestellt.
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2 zeigt einen erfindungsgemäßen Spannungswandler 1 mit einer Umrechnungseinrichtung 41. Im Unterschied zu 1 weist er keinen zweiten Stromsensor 30’ auf, stattdessen jedoch ist die elektronische Recheneinheit 40 mit einer Umrechnungseinrichtung 41 ausgestattet, mittels der ein Schätzwert I1*, I2* eines Stroms I1, I2 an einem der beiden Anschlüsse 10, 20 in Abhängigkeit des Stroms I1, I2 an dem anderen der beiden Anschlüsse 10, 20 berechnet werden kann, wobei die elektronische Recheneinheit 40 weiterhin eingerichtet ist, diesen Schätzwert I1*, I2* an den Regler 50 weiterzugeben.
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Im Betrieb des Spannungswandlers wird mittels des elektrischen Spannungswandlers 1 eine Spannung U1 an dem ersten Anschluss 10 in eine Spannung U2 an dem zweiten Anschluss 20 gewandelt oder umgekehrt. Der Betrieb des Spannungswandlers 1 wird mittels des Reglers 50 in Abhängigkeit eines mittels des Stromsensors 30 erfassten Strommesswerts Imes1 geregelt. Mittels der elektronischen Recheneinheit 40 wird ein Schätzwert I1*, I2* eines Stroms I1, I2 an einem der beiden Anschlüsse 10, 20 in Abhängigkeit eines Stroms I1, I2 an dem anderen der beiden Anschlüsse 10, 20 berechnet und dieser Schätzwert I1*, I2* wird an den Regler 50 weitergegeben.
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Hierdurch kann auf den zweiten Stromsensor 30’ wie in 1 gezeigt verzichtet werden, dennoch ist durch den Schätzwert I2* oder I1* auch ein Strom I2 in der Regelung berücksichtigbar.
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3a zeigt einen erfindungsgemäßen Spannungswandler 1 aufbauend auf 2 mit einer präziseren Umrechnungsrichtung 41. Der Spannungswandler 1 weist einen ersten Spannungssensor 61 zum Erfassen eines Messwerts einer ersten Spannung U1 am ersten Anschluss 10 auf und die elektronische Recheneinheit 40 ist eingerichtet, den Schätzwert I1*, I2* zusätzlich in Abhängigkeit eines mittels des ersten Spannungssensors 61 erfassten Messwerts der ersten Spannung U1 zu berechnen. Der Spannungswandler 1 weist einen zweiten Spannungssensor 62 zum Erfassen eines Messwerts einer zweiten Spannung U2 am zweiten Anschluss 20 auf und die elektronische Recheneinheit 40 ist eingerichtet, den Schätzwert I1*, I2* zusätzlich in Abhängigkeit eines mittels des zweiten Spannungssensors 62 erfassten Messwerts der zweiten Spannung U2 zu berechnen. Der Spannungswandler 1 weist einen Temperatursensor 70 zum Erfassen einer Temperatur T des Spannungswandlers 1 auf und die elektronische Recheneinheit 40 ist eingerichtet, den Schätzwert I1*, I2* zusätzlich in Abhängigkeit eines mittels des Temperatursensors 70 erfassten Messwerts der Temperatur T zu berechnen. Die elektronische Recheneinheit 40 ist eingerichtet, auf einen Speicher 80 zuzugreifen, der verschiedene betriebspunktabhängige Werte eines Wirkungsgrads η des Spannungswandlers 1 aufweist, und die elektronische Recheneinheit 40 ist eingerichtet, den Schätzwert I1*, I2* zusätzlich in Abhängigkeit eines aus dem Speicher 80 ausgelesenen Werts des Wirkungsgrads η des Spannungswandlers 1 zu berechnen. Beispielhaft wird in diesem Beispiel zur Beschreibung des Ablaufs Anschluss 10 als der Eingangsanschluss und Anschluss 20 als der Ausgangsanschluss betrachtet.
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3b zeigt ein Ablaufdiagramm des Betriebs des Spannungswandlers in 3a. Es wird eine Regelung des Ausgangsstroms I2 auf einen Sollwert I2ref durchgeführt, wobei jedoch nur eine Messung des Eingangsstroms I1 durch den Stromsensor 30 vorliegt und keine Messung des Ausgangsstroms I2. Es wird in Schritt 130 der Eingangsstrom I1 mittels des Stromsensors 30 gemessen. Im Schritt 161 wird die Eingangsspannung U1 mittels des Spannungssensors 61 gemessen, im Schritt 162 die Ausgangsspannung U2 mittels des Spannungssensors 62, im Schritt 170 die Temperatur des Wandlers 1 mittels des Temperatursensors 70. Diese Messungen können sequentiell – wie dargestellt – aber auch teilweise oder vollkommen gleichzeitig durchgeführt werden. Im Schritt 180 wird der Wirkungsgrad η(I1, U1, U2, T) für diesen Betriebspunkt, gegeben durch U1, U2, I1 und T, bestimmt, was in diesem Fall durch Auslesen aus dem Speicher 80 erfolgt, z.B. Auslesen einer Tabelle oder Auslesen und Auswerten eines im Speicher gespeicherten Kennlinienfelds des Wirkungsgrads. Im Schritt 140 wird anhand des Sollwerts I2ref ein Schätzwert I1* berechnet, z.B. mittels I1 = [U2/(U1·η(I1, U1, U2, T))]·I2. Im Schritt 150 wird I1* als Sollwert der Regelung durchgeführt, welche nun den gemessenen Eingangsstrom I1 als Istwert mit dem Schätzwert I1* vergleicht und den Regelfehler minimiert.
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4a zeigt eine funktionale Darstellung des Zusammenspiels des Reglers 50, der in 5a–6b ein Stromregler 51 ist, und der elektronischen Recheneinheit 40 mit dem Schätzwert I2* als Istwert. Es wird I2 auf I2ref geregelt. Der Regler 50 ist eingerichtet ist, den Schätzwert I2*, welcher aus dem Messwert I1mes berechnet wurde, als Istwert zu erhalten. Der Regler gibt sein Signal dann an das Stellglied 55 weiter, welches z.B. eingerichtet ist, ein Duty-Cycle eines elektronischen Schalters im Leistungsteil 2 des Wandlers 1 entsprechend dem Reglersignal einzustellen.
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4b zeigt eine funktionale Darstellung des Zusammenspiels des Reglers und der elektronischen Recheneinheit mit dem Schätzwert I2* als Sollwert. Wiederum wird I2 auf I2ref geregelt, jedoch mit einer alternativen Reglertopologie. Der Regler 50 ist eingerichtet, den Schätzwert I1*, welcher aus dem Sollwert I2ref berechnet wurde, als Sollwert zu erhalten. Diese Topologie ist auch diejenige, die sich mit dem in 3b dargestellten Ablauf vorteilhaft ergänzt.
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5a zeigt eine funktionale Darstellung aufbauend auf 4a, wobei zusätzlich eine Strombegrenzung implementiert ist. Die Recheneinheit 40 ist eingerichtet, den Schätzwert I2* mit mindestens zwei weiteren Werten I2max, I2ref zu vergleichen und den kleinsten der verglichenen Werte an den Regler 50 weiterzuleiten. Es erfolgt eine Regelung von I2 auf I2ref unter Berücksichtigung von I1max und I2max. Z.B. ist I1max der maximal zulässige Strom am ersten Anschluss 10, z.B. 5 A, bei dem keine Überlastung des Wandlers zu befürchten ist. I2max ist der maximal zulässige Strom am zweiten Anschluss 20, z.B. 10 A, bei dem keine Überlastung des Wandlers zu befürchten ist. Die Berechnung von I2* für einen Strom I1 von 5A mittels f(I1) ergibt z.B. 8 A. Wird nun der Sollwert I2ref auf 11 A gestellt, würde die Recheneinheit 40 aufgrund des Min-Komparators feststellen, dass 11 A zu hoch ist, da dies über den zulässigen Strom am zweiten Anschluss 20 hinausgeht, zudem würde aber auch nicht ein Strom von 10 A an den Regler gegeben werden, da sich bei einem solchen Strom I2 ein Strom I1 ergeben würde, der über 5A liegt. Der Min-Komparator wählt daher 8 A als den maximal möglichen Strom für den Sollwert des Reglers aus, da dann die Strombegrenzung von 5 A am ersten Anschluss 10 auch eingehalten ist. Somit kann lediglich durch Messung des Stroms I1mess am ersten Anschluss 10 und durch Berücksichtigung der beiden Schätzwerte I2*, einmal als Schätzwert für die Strombegrenzung, einmal als Schätzwert für den Istwert, eine Regelung von I2 bei Strombegrenzung von I1 und I2 durchgeführt werden.
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In analoger Weise kann – bevorzugt anstatt einer Regelung von I2 auf I2ref – eine Regelung von I1 auf I1ref in Abhängigkeit des Messwerts I1mess durchgeführt werden, bei Strombegrenzung von I1 und I2. Dabei wird I1mess direkt als Ist-Wert dem Regler 50 zugeführt. Ein Min-Komparator vergleicht I1ref, I1max und einen Schätzwert I1*, welcher in Abhängigkeit von I2max mittels g(I2) berechnet wird, und gibt den minimalen Wert als Sollwert an den Regler weiter.
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5b zeigt eine funktionale Darstellung aufbauend auf 4b, wobei zusätzlich eine Strombegrenzung implementiert ist. Auch hier wird im Ergebnis wie in 5a lediglich durch Messung des Stroms I1mess am ersten Anschluss 10 und durch Berücksichtigung eines Schätzwerts I1* als Schätzwert für die Strombegrenzung, eine Regelung von I2 auf I2ref bei Strombegrenzung von I1 und I2 auf I1max und I2max durchgeführt. Zunächst wird das Minimum aus I2ref und I2max bestimmt, dieses wird in einen Schätzwert I1* mittels g(I2) umgerechnet. Aus dem Schätzwert I1* und I1max wird wiederum das Minium gewählt und dieses wird als Sollwert dem Regler zugeführt, welcher diese direkt mit I1mess als Istwert vergleicht.
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6a zeigt eine funktionale Darstellung aufbauend auf 5a, wobei eine Kombination mit einer Spannungsregelung durchgeführt wird. Der Regler 50 weist einen Stromregler 51 und einen Spannungsregler 52 auf, mit denen eine Stromregelung in Kombination mit einer Spannungsregelung durchführbar ist, wobei der Stromregler 51 eingerichtet ist, die Stromregelung in Abhängigkeit des Schätzwerts I2* durchzuführen. Der Stromregler 51 und dessen Ansteuerung entsprechen 5a, wobei im Unterschied dazu in den Min-Komparator kein externer Sollwert gegeben wird, was eine optionale Variationsmöglichkeit ist. Somit dient der Stromregler der Stromgrenzwertüberwachung ohne Möglichkeit einer externen Stromsollwertvorgabe. Der Spannungsregler 52 ist ein üblicher Regelkreis, der U2 auf U2ref in Abhängigkeit von U2mess regelt. Die beiden Reglerausgänge der Regler 51, 52 sind über einen Komparator verschaltet, dessen Ausgangssignal dann auf das Stellglied 55 wirkt. Somit wird
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6b zeigt eine funktionale Darstellung ähnlich wie 6a, wobei die Kombination in Form einer Kaskade implementiert ist. Der äußere Regelkreis ist der Spannungsregelkreis U2 auf U2ref, wobei das Reglerausgangssignal des Spannungsreglers 51 zusammen mit den Strombegrenzungswerten I2max, I2* (berechnet aus I1max über f(I1)), in einen Min-Komparator gegeben wird, und der minimale Wert wird als Sollwert an den Stromregler 51 übergeben, der dann diesen Sollwert mit I2* (berechnet aus I1mes über f(I1)) als Ist-Wert vergleicht und ein entsprechendes Regelsignal an das Stellglied 55 weitergibt.
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Alternativ ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass der äußere Regelkreis der Stromregelkreis I2 auf I2ref und der innere Regelkreis der Spannungsregelkreis U2 auf U2ref ist.
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Bei der vorgestellten Erfindung wird der Eingangsstrom oder Ausgangstrom berechnet und auf diese Werte geregelt. Dieser virtuelle Strom wird berechnet unter Berücksichtigung des gemessenen Stroms, bevorzugt den Spannungen am Eingang und Ausgang, sowie bevorzugt dem abgespeicherten Wirkungsgrad. Durch die Erfindung wird vermieden, dass weitere Verluste durch eine zweite shuntbasierte Strommessung erzeugt werden. Trotzdem kann auf den berechneten Strom geregelt werden. Die Funktion bleibt maximal flexibel und kostengünstig, weil Shunts und Messverstärker Komponenten eingespart werden können.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Spannungswandler
- 2
- Leistungsteil
- 10
- Eingangsanschluss
- 20
- Ausgangsanschluss
- 30
- Stromsensor
- 40
- Elektronische Recheneinheit
- 41
- Umrechnungseinheit
- 50
- Regler
- 51
- Stromregler
- 52
- Spannungsregler
- 55
- Stellglied
- 61
- Erster Spannungssensor
- 62
- Zweiter Spannungssensor
- 70
- Temperatursensor
- 80
- Speicher
- 130
- Messung des Eingangsstroms I1
- 140
- Berechnung des Schätzwerts I1*
- 150
- Weitergabe des Schätzwerts I1* an den Regler
- 161
- Messung der Eingangsspannung U1
- 162
- Messung der Ausgangsspannung U2
- 170
- Messung der Temperatur T
- 180
- Bestimmung des Wirkungsgrads η
- I1
- Strom am ersten Anschluss, allgemeine Variable
- I1mes
- Messwert des Stroms am ersten Anschluss
- I1ref
- Referenzwert des Stroms am ersten Anschluss
- I1max
- Zulässiger Maximalwert des Stroms am ersten Anschluss
- I2
- Strom am zweiten Anschluss, allgemeine Variable
- I2ref
- Referenzwert des Stroms am zweiten Anschluss
- I2max
- Zulässiger Maximalwert des Stroms am zweiten Anschluss
- U1
- Erste Spannung
- U2
- Zweite Spannung
- U2mes
- Messwert der zweiten Spannung
- U2ref
- Referenzwert der Zweiten Spannung
- T
- Temperatur des Spannungswandlers
- η
- Wirkungsgrad des Spannungswandlers
- f(I1)
- f: I1 → I2
- g(I2)
- g: I2 → I1
