DE102014223279A1

DE102014223279A1 - Schaltüberlappungsvermeidungssystem zum steuern eines leistungsversorgungssystems

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Publication number: DE102014223279A1
Application number: DE102014223279.1A
Authority: DE
Inventors: c/o Madhu Rajan Govindaraj Arvind; Jun Kikuchi
Original assignee: Ford Global Technologies LLC
Current assignee: Ford Global Technologies LLC
Priority date: 2013-11-25
Filing date: 2014-11-14
Publication date: 2015-05-28
Also published as: US20150145488A1; RU2014147326A; US20180083537A1; US10277129B2; RU2657247C2; US9853544B2; RU2014147326A3; CN104648175B; CN104648175A

Abstract

Ein Verfahren gemäß einem als Beispiel dienenden Aspekt der vorliegenden Offenbarung weist unter anderem das Steuern eines Leistungsversorgungssystems auf, um ein Überspannungsereignis über eine oder mehrere Schaltvorrichtungen des Leistungsversorgungssystems zu vermeiden, wobei der Steuerschritt auf Schaltüberlappungsinformationen beruht, welche Befehle zum Vorziehen oder Verzögern eines Schaltsignals in Zusammenhang mit wenigstens einer der Schaltvorrichtungen aufweisen.

Description

Diese Offenbarung betrifft ein elektrifiziertes Fahrzeug und insbesondere, jedoch nicht ausschließlich, ein Schaltüberlappungsvermeidungssystem und ein Verfahren zum Vermeiden eines Überspannungsereignisses über eine oder mehrere Schaltvorrichtungen eines Leistungsversorgungssystems.
Hybridelektrofahrzeuge (HEV), Plug-in-Hybridelektrofahrzeuge (PHEV), batterieelektrische Fahrzeuge (BEV), Brennstoffzellenfahrzeuge und andere bekannte elektrifizierte Fahrzeuge unterscheiden sich von herkömmlichen Motorfahrzeugen dadurch, dass sie an Stelle einer Verbrennungskraftmaschine oder zusätzlich dazu durch eine oder mehrere elektrische Maschinen (d.h. Elektromotoren und/oder Generatoren) angetrieben werden. Eine hohe Spannung und ein hoher Strom werden den elektrischen Maschinen typischerweise durch eine oder mehrere Batterien, welche elektrische Energie speichern, zugeführt.
Elektrifizierte Fahrzeuge verwenden typischerweise Leistungsversorgungssysteme, welche einen bidirektionalen Leistungsfluss innerhalb des Fahrzeugs unterstützen. Die Leistungsversorgungssysteme weisen mehrere Schaltvorrichtungen auf, welche Schaltvorgänge entsprechend einem von einer Steuereinrichtung zum Steuern einer Last erzeugten Ansteuersignal ausführen. Beispielsweise weisen elektrifizierte Fahrzeuge häufig Wechselrichter-/Wandlersysteme auf, welche mehrere Halbleiterschaltvorrichtungen in der Art von Leistungs-Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistoren (MOSFETs) oder Bipolartransistoren mit isoliertem Gate (IGBT) verwenden, welche selektiv Schaltvorgänge zum Versorgen eines oder mehrerer Wechselstromantriebsmotoren von einer Gleichstromspeicherbatterie oder alternativ zum Laden der Gleichstromspeicherbatterie von einer Wechselstromquelle in der Art eines Generators durchmachen.
Ein Überspannungsereignis kann durch verschiedene Faktoren in der Art einer Spannungssteuerverzögerung und eines Spannungssensoroffsetfehlers hervorgerufen werden und geschehen, wenn eine Schaltvorrichtung des Leistungsversorgungssystems Schaltvorgänge zwischen EIN und AUS durchmacht. Die Spannungsspitze tritt infolge der Wirkung einer großen Stromänderungsrate während eines Schaltereignisses, d.h. di/dt, und einer parasitären Induktivität L auf (was als V = L∙di/dt formuliert werden kann).
Das vorstehend beschriebene Spannungsspitzenproblem kann bei modernen Leistungsschaltvorrichtungen erheblicher werden, die im Allgemeinen zu einem schnelleren Einschalten und Ausschalten (d.h. einem größeren di/dt) in der Lage sind. Schaltleistungswandler sind typischerweise dafür ausgelegt, einen verhältnismäßig hohen Spannungsspielraum aufzuweisen, so dass diese Spannungsspitze unter einer Nennspannung der Schaltvorrichtung gehalten werden kann. Im Fall von Schaltleistungswandlern mit mehreren Zweigen in der Art dreiphasiger PWM-Wechselrichter, die üblicherweise in Nutzgeräte-, Endkunden- und Automobilanwendungen verwendet werden, können gleichzeitige Schaltereignisse zwischen zwei oder mehr Zweigen jedoch zu einer verhältnismäßig großen Spannungsspitze über eine einzelne Vorrichtung führen. Dies kann zu einer verhältnismäßig schlechten Nennspannungsverwendung für Schaltleistungswandler mit mehreren Zweigen führen.
Ein Verfahren gemäß einem als Beispiel dienenden Aspekt der vorliegenden Offenbarung weist unter anderem das Steuern eines Leistungsversorgungssystems auf, um ein Überspannungsereignis über eine oder mehrere Schaltvorrichtungen des Leistungsversorgungssystems zu vermeiden, wobei der Steuerschritt auf Schaltüberlappungsinformationen beruht, welche Befehle zum Vorziehen oder Verzögern eines Schaltsignals in Zusammenhang mit wenigstens einer der Schaltvorrichtungen aufweisen.
Gemäß einer weiteren nicht einschränkenden Ausführungsform der vorstehenden Verfahrens weist das Verfahren folgenden Schritt auf: Nichtmodifizieren des Schaltsignals, falls kein Risiko eines Überspannungsereignisses vorhanden ist.
Gemäß einer weiteren nicht einschränkenden Ausführungsform eines der vorstehenden Verfahren weist der Schritt des Vorziehens oder Verzögerns des Schaltsignals das Vorziehen oder Verzögern einer oder mehrerer Pulsflanken des Schaltsignals auf.
Gemäß einer weiteren nicht einschränkenden Ausführungsform eines der vorstehenden Verfahren weisen die Schaltüberlappungsinformationen eine Schätzung einer Wahrscheinlichkeit, dass eine Schaltüberlappung zwischen zwei oder mehr Schaltsignalen auftritt, auf.
Gemäß einer weiteren nicht einschränkenden Ausführungsform eines der vorstehenden Verfahren weist der Steuerschritt das Vorziehen einer ersten Pulsflanke des Schaltsignals und das Verzögern einer zweiten Pulsflanke des Schaltsignals auf.
Gemäß einer weiteren nicht einschränkenden Ausführungsform eines der vorstehenden Verfahren wird eine dritte Pulsflanke des Schaltsignals weder vorgezogen noch verzögert.
Gemäß einer weiteren nicht einschränkenden Ausführungsform eines der vorstehenden Verfahren weist der Steuerschritt das Vorziehen von Pulsflanken des Schaltsignals oder das Verzögern von Pulsflanken des Schaltsignals auf.
Gemäß einer weiteren nicht einschränkenden Ausführungsform eines der vorstehenden Verfahren weist der Steuerschritt Folgendes auf: Bestimmen eines Orts von Pulsflanken des Schaltsignals und Prüfen, ob geplant ist, dass zusätzliche Pulsflanken in der Umgebung der Pulsflanken des Schaltsignals auftreten.
Gemäß einer weiteren nicht einschränkenden Ausführungsform eines der vorstehenden Verfahren weist das Verfahren Folgendes auf: Aufrufen einer Pulsflankenrepositionierungsroutine, falls die zusätzlichen Pulsflanken in der Umgebung der Pulsflanken des Schaltsignals eingeplant sind.
Gemäß einer weiteren nicht einschränkenden Ausführungsform eines der vorstehenden Verfahren weist das Verfahren Folgendes auf: Zuweisen eines Prioritätssystems, um auszuwählen, welches von mehreren Schaltsignalen rekonstruiert werden sollte.
Ein Verfahren nach einem anderen als Beispiel dienenden Aspekt der vorliegenden Offenbarung weist unter anderem Folgendes auf: Steuern eines Leistungsversorgungssystems eines Fahrzeugs, um ein Überspannungsereignis über eine oder mehrere Schaltvorrichtungen des Leistungsversorgungssystems durch Neueinstellen eines Schaltsignals ansprechend auf eine Schaltüberlappung zwischen zwei oder mehr der Schaltvorrichtungen zu vermeiden.
Gemäß einer weiteren nicht einschränkenden Ausführungsform des vorstehenden Verfahrens weist das Überspannungsereignis eine Spannungsspitze auf, welche eine Nennspannung der einen oder der mehreren Schaltvorrichtungen überschreitet.
Gemäß einer weiteren nicht einschränkenden Ausführungsform eines der vorstehenden Verfahren weist das Neueinstellen des Schaltsignals das Vorziehen einer Pulsflanke des Schaltsignals oder das Verzögern der Pulsflanke des Schaltsignals auf.
Gemäß einer weiteren nicht einschränkenden Ausführungsform eines der vorstehenden Verfahren weist das Verfahren Folgendes auf: Ignorieren der Schaltüberlappung, falls kein Risiko des Überspannungsereignisses vorhanden ist.
Gemäß einer weiteren nicht einschränkenden Ausführungsform eines der vorstehenden Verfahren weist der Steuerschritt Folgendes auf: Vorziehen einer ersten Pulsflanke des Schaltsignals und Verzögern einer zweiten Pulsflanke des Schaltsignals.
Gemäß einer weiteren nicht einschränkenden Ausführungsform eines der vorstehenden Verfahren weist das Verfahren den Schritt des Ignorierens einer dritten Pulsflanke des Schaltsignals auf.
Gemäß einer weiteren nicht einschränkenden Ausführungsform eines der vorstehenden Verfahren geschieht die Schaltüberlappung, wenn eine erste Pulsflanke des Schaltsignals gleichzeitig mit einer zweiten Pulsflanke eines zweiten Schaltsignals auftritt.
Gemäß einer weiteren nicht einschränkenden Ausführungsform eines der vorstehenden Verfahren weist das Verfahren Folgendes auf: Zuweisen eines Prioritätssystems, um auszuwählen, welches von mehreren Schaltsignalen rekonstruiert werden sollte.
Gemäß einer weiteren nicht einschränkenden Ausführungsform eines der vorstehenden Verfahren weist der Steuerschritt Folgendes auf: Bestimmen eines Orts von Pulsflanken des Schaltsignals und Prüfen, ob das Auftreten zusätzlicher Pulsflanken in der Umgebung der Pulsflanken des Schaltsignals geplant ist.
Ein Leistungsversorgungssystem gemäß einem anderen als Beispiel dienenden Aspekt der vorliegenden Offenbarung weist unter anderem Folgendes auf: mehrere Schaltvorrichtungen und ein Schaltüberlappungsvermeidungssystem, das Schaltereignisse der mehreren Schaltvorrichtungen überwacht, wobei das Schaltüberlappungsvermeidungssystem dafür ausgelegt ist, ein oder mehrere Schaltsignale ansprechend auf eine Schaltüberlappung zwischen zwei oder mehr der mehreren Schaltvorrichtungen neu einzustellen, um ein Überspannungsereignis zu vermeiden.
Die Ausführungsformen, Beispiele und Alternativen der vorstehenden Absätze, der Ansprüche oder der folgenden Beschreibung und Zeichnung, einschließlich beliebiger ihrer verschiedenen Aspekte oder jeweiligen individuellen Merkmale können unabhängig oder in jeder beliebigen Kombination genommen werden. In Zusammenhang mit einer Ausführungsform beschriebene Merkmale sind auf alle Ausführungsformen anwendbar, es sei denn, dass diese Merkmale inkompatibel sind.
Die verschiedenen Merkmale und Vorteile dieser Offenbarung werden Fachleuten anhand der folgenden detaillierten Beschreibung verständlich werden. Die Zeichnung, welche die detaillierte Beschreibung begleitet, kann folgendermaßen kurz beschrieben werden.
Es zeigen:
1 schematisch einen Antriebsstrang eines elektrifizierten Fahrzeugs,
2 eine Topologie eines Leistungsversorgungssystems,
3 ein Schaltüberlappungsvermeidungssystem, das zum Steuern des Leistungsversorgungssystems aus 2 verwendet werden kann,
die 4A und 4B graphische Darstellungen vor über die Zeit gemessenen Schaltsignalen, welche Schaltvorgänge eines Leistungsversorgungssystems steuern,
die 5A, 5B, 5C und 5D schematisch ein Verfahren zum Erkennen von Schaltsignalüberlappungen unter Verwendung des Schaltüberlappungsvermeidungssystems aus 3 und
6 schematisch ein Prioritätssystem des Schaltüberlappungsvermeidungssystems aus 3.
Diese Offenbarung betrifft ein Schaltüberlappungsvermeidungssystem und ein Verfahren zum Steuern eines Leistungsversorgungssystems eines elektrifizierten Fahrzeugs. Das erfindungsgemäße System sagt eine Schaltüberlappung zwischen zwei oder mehr Schaltvorrichtungen vorher und modifiziert ein Schaltsignal in Zusammenhang mit wenigstens einer der Schaltvorrichtungen ansprechend auf die detektierte Schaltüberlappung. Die Schaltsignale können durch Vorziehen oder Verzögern von Pulsflanken, welche Einschalt-/Ausschalttransienten repräsentieren, neu eingestellt werden, um ein Überspannungsereignis über einer oder mehreren Schaltvorrichtungen zu vermeiden. Eine durch gleichzeitige Schaltpulsflanken identifizierte Schaltüberlappung kann alternativ ignoriert werden, falls es kein Risiko eines Überspannungsereignisses gibt. Diese und andere Merkmale werden hier in weiteren Einzelheiten erörtert.
1 zeigt schematisch einen Antriebsstrang 10 für ein elektrifiziertes Fahrzeug 12 in der Art eines HEV. Wenngleich ein HEV dargestellt ist, sollte verstanden werden, dass die hier beschriebenen Konzepte nicht auf HEV beschränkt sind und auf andere elektrifizierte Fahrzeuge erweitert werden könnten, einschließlich PHEV, BEV und Brennstoffzellenfahrzeuge, jedoch ohne Einschränkung auf diese.
Gemäß einer Ausführungsform ist der Antriebsstrang 10 ein System mit Kraftaufteilung, das ein erstes Antriebssystem, welches eine Kombination aus einem Verbrennungsmotor 14 und einem Generator 16 (d.h. einer ersten elektrischen Maschine) aufweist, und ein zweites Antriebssystem, welches wenigstens einen Motor 36 (d.h. eine zweite elektrische Maschine), den Generator 16 und eine Batterie 50 aufweist, verwendet. Beispielsweise können der Motor 36, der Generator 16 und die Batterie 50 ein elektrisches Antriebssystem 25 des Antriebsstrangs 10 bilden. Das erste und das zweite Antriebssystem erzeugen Drehmoment zum Antreiben eines oder mehrerer Sätze von Fahrzeugantriebsrädern 30 des elektrifizierten Fahrzeugs 12.
Der Verbrennungsmotor 14 in der Art einer Verbrennungskraftmaschine und der Generator 16 können durch eine Kraftübertragungseinheit 18 verbunden sein. Gemäß einer nicht einschränkenden Ausführungsform ist die Kraftübertragungseinheit 18 ein Planetengetriebesatz. Natürlich können auch andere Typen von Kraftübertragungseinheiten, einschließlich anderer Getriebesätze und Getriebe, verwendet werden, um den Verbrennungsmotor 14 mit dem Generator 16 zu verbinden. Die Kraftübertragungseinheit 18 kann ein Hohlrad 20, ein Sonnenrad 22 und eine Trägeranordnung 24 aufweisen. Der Generator 16 wird durch die Kraftübertragungseinheit 18 angetrieben, wenn er als ein Generator wirkt, um kinetische Energie in elektrische Energie umzuwandeln. Der Generator 16 kann alternativ als ein Motor wirken, um elektrische Energie in kinetische Energie umzuwandeln, wodurch Abtriebsdrehmoment an eine Welle 26 ausgegeben wird, die mit der Trägeranordnung 24 der Kraftübertragungseinheit 18 verbunden ist. Weil der Generator 16 operativ mit dem Verbrennungsmotor 14 verbunden ist, kann die Geschwindigkeit des Verbrennungsmotors 14 durch den Generator 16 gesteuert werden.
Das Hohlrad 20 der Kraftübertragungseinheit 18 kann mit einer Welle 28 verbunden werden, die durch eine zweite Kraftübertragungseinheit 32 mit den Fahrzeugantriebsrädern 30 verbunden ist. Die zweite Kraftübertragungseinheit 32 kann einen Getriebesatz mit mehreren Zahnrädern 34A, 34B, 34C, 34D, 34E und 34F aufweisen. Andere Kraftübertragungseinheiten können auch geeignet sein. Die Zahnräder 34A–34F übertragen Drehmoment vom Verbrennungsmotor 14 auf ein Differenzial 38, um den Fahrzeugantriebsrädern 30 Traktion bereitzustellen. Das Differenzial 38 kann mehrere Zahnräder aufweisen, welche die Übertragung von Drehmoment auf die Fahrzeugantriebsräder 30 ermöglichen. Die zweite Kraftübertragungseinheit 32 ist über das Differenzial 38 mechanisch mit einer Achse 40 gekoppelt, um Drehmoment auf die Fahrzeugantriebsräder 30 zu verteilen.
Der Motor 36 kann auch verwendet werden, um die Fahrzeugantriebsräder 30 durch Ausgeben von Drehmoment an eine Welle 46, welche mit der zweiten Kraftübertragungseinheit 32 verbunden ist, anzutreiben. Gemäß einer Ausführungsform sind der Motor 36 und der Generator 16 Teil eines regenerativen Bremssystems, bei dem sowohl der Motor 36 als auch der Generator 16 als Motoren für die Ausgabe von Drehmoment verwendet werden können. Beispielsweise können der Motor 36 und der Generator 16 jeweils elektrische Leistung an einen Hochspannungsbus 48 und die Batterie 50 ausgeben. Die Batterie 50 kann eine Hochspannungsbatterie sein, die in der Lage ist, elektrische Leistung für das Betreiben des Motors 36 und des Generators 16 auszugeben. Andere Typen von Energiespeichervorrichtungen und/oder Ausgabevorrichtungen können auch für die Verwendung mit dem elektrifizierten Fahrzeug 12 aufgenommen werden.
Der Motor 36, der Generator 16, die Kraftübertragungseinheit 18 und die Kraftübertragungseinheit 32 können allgemein als ein Transaxle 42 oder Getriebe des elektrifizierten Fahrzeugs 12 bezeichnet werden. Wenn ein Fahrer demgemäß eine bestimmte Schaltposition auswählt, wird das Transaxle 42 geeignet gesteuert, um den entsprechenden Gang für das Vorbewegen des elektrifizierten Fahrzeugs 12 durch Bereitstellen von Traktion für die Fahrzeugantriebsräder 30 bereitzustellen.
Der Antriebsstrang 10 kann zusätzlich ein Steuersystem 44 zum Überwachen und/oder Steuern verschiedener Aspekte des elektrifizierten Fahrzeugs 12 aufweisen. Beispielsweise kann das Steuersystem 44 mit dem elektrischen Antriebssystem 25, den Kraftübertragungseinheiten 18, 32 oder anderen Komponenten kommunizieren, um das elektrifizierte Fahrzeug 12 zu überwachen und/oder zu steuern. Das Steuersystem 44 weist Elektroniken und/oder Software zum Ausführen der erforderlichen Steuerfunktionen für das Betreiben des elektrifizierten Fahrzeugs 12 auf. Gemäß einer Ausführungsform ist das Steuersystem 44 eine Kombination aus einer Fahrzeugsystemsteuereinrichtung und einem Antriebsstrangsteuermodul (VSC/PCM). Wenngleich es als eine einzelne Hardwarevorrichtung dargestellt ist, kann das Steuersystem 44 mehrere Steuereinrichtungen in Form mehrerer Hardwarevorrichtungen oder mehrere Softwaresteuereinrichtungen innerhalb einer oder mehrerer Hardwarevorrichtungen aufweisen.
Ein Steuereinrichtungsbereichsnetz (CAN) 52 ermöglicht es, dass das Steuersystem 44 mit dem Transaxle 42 kommuniziert. Beispielsweise kann das Steuersystem 44 Signale vom Transaxle 42 empfangen, um anzugeben, ob ein Übergang zwischen Schaltpositionen geschieht. Das Steuersystem 44 könnte auch mit einem Batteriesteuermodul der Batterie 50 oder mit anderen Steuervorrichtungen kommunizieren.
Zusätzlich kann das elektrische Antriebssystem 25 eine oder mehrere Steuereinrichtungen 54 in der Art einer Wechselrichtersystemsteuereinrichtung (ISC) aufweisen. Die Steuereinrichtung 54 ist dafür ausgelegt, spezifische Komponenten innerhalb des Transaxles 42 in der Art des Generators 16 und/oder des Motors 36 zu steuern, beispielsweise um einen bidirektionalen Leistungsfluss zu unterstützen. Gemäß einer Ausführungsform ist die Steuereinrichtung 54 eine Wechselrichtersystemsteuereinrichtung, die mit einem veränderlichen Spannungswandler (ISC/VVC) kombiniert ist.
2 zeigt ein Leistungsversorgungssystem 60, das in ein elektrifiziertes Fahrzeug aufgenommen werden kann. Beispielsweise kann das Leistungsversorgungssystem 60 ein Wechselrichtersystem, ein Wandlersystem oder einen kombinierten Spannungswandler/Wechselrichter des elektrifizierten Fahrzeugs 12 aus 1 aufweisen. Gemäß einer Ausführungsform weist das Leistungsversorgungssystem 60 einen Motorantriebswechelrichter, einen Generatorantriebswechelrichter und einen veränderlichen Spannungswandler (VVC) auf. Das Leistungsversorgungssystem 60 gibt Leistung für das Steuern von Lasten in der Art eines Motors 36 und eines Generators 16 durch Schalten einer oder mehrerer Schaltvorrichtungen 62 aus.
Gemäß einer Ausführungsform weist das Leistungsversorgungssystem 60 mehrere Schaltvorrichtungen 62 auf. Die Schaltvorrichtungen 62 können Schaltoperationen durchmachen (d.h. zwischen EIN und AUS umschalten), um die Lasten unter Verwendung von Energie von der Batterie 50 zu versorgen oder um alternativ die Batterie 50 über einen Gleichstrombus 64 zu laden. Gemäß einer Ausführungsform sind die Schaltvorrichtungen 62 IGBT. Gemäß einer anderen Ausführungsform sind die Schaltvorrichtungen 62 Leistungs-MOSFETs. Andere Schaltvorrichtungen und andere Konfigurationen des Leistungsversorgungssystems 60 werden als innerhalb des Schutzumfangs dieser Offenbarung liegend angesehen.
Das Leistungsversorgungssystem 60 kann mehrere Zweige 66 von Schaltvorrichtungen 62 aufweisen, die parallel geschaltet sind. Jeder Zweig 66 weist erste und zweite Schaltvorrichtungen 62 _{a,b,c,d,e,f,g-1}, 62 _{a,b,c,d,e,f,g-2} auf, die jeweils in Reihe geschaltet sind. Die Anzahl der bereitgestellten Zweige 66 kann der Gesamtzahl der Phasen der Lasten und Quellen entsprechen, wobei es sich gemäß einer Ausführungsform um einen Dreiphasenmotor 36, einen Dreiphasengenerator 16 und eine Batterie 50 handelt. Dementsprechend weist das Leistungsversorgungssystem 60 gemäß einer Ausführungsform sieben Zweige 66a, 66b, 66c, 66d, 66e, 66f und 66g von Schaltvorrichtungen 62 zum Steuern des Leistungsflusses zwischen den Lasten und der Quelle auf. Es ist jedoch zu verstehen, dass das Leistungsversorgungssystem 60 eine beliebige Anzahl von Zweigen von Schaltvorrichtungen für das Versorgen von Lasten mit einer beliebigen Anzahl von Phasen aufweisen könnte.
Gemäß einer Ausführungsform können die Schaltvorrichtungen 62 _{a,b,c,d,e,f,g-1}, 62 _{a,b,c,d,e,f,g-2} jedes Zweigs 66a bis 66g alternativ zwischen EIN- und AUS-Positionen geschaltet werden, um eine Gleichspannung in eine Dreiphasenwechselspannung zum Antreiben des Motors 36 und des Generators 16 umzuwandeln oder um auf einen anderen Spannungspegel der Gleichspannung für die Hochspannungsbatterie 50 umzuwandeln. Eine Schaltüberlappung kann während der Schaltereignisse der verschiedenen Schaltvorrichtungen 62 auftreten, was zu einem Überspannungsereignis (d.h. einer Spannungsspitze, welche die Nennspannung der Schaltvorrichtung 62 überschreitet) an einer oder mehreren der Schaltvorrichtungen 62 führen kann. Wie nachstehend in weiteren Einzelheiten erörtert wird, können ein als Beispiel dienendes System und ein als Beispiel dienendes Verfahren zum Vorhersagen einer Schaltüberlappung und zum Neueinstellen von Schaltsignalen, um die Schaltüberlappung zu vermeiden, verwendet werden, um das Leistungsversorgungssystem 60 zu steuern und dadurch Überspannungsereignisse zu vermeiden.
3 zeigt ein Schaltüberlappungsvermeidungssystem 70, das zum Steuern des Leistungsversorgungssystems 60 aus 2 verwendet werden kann. Gemäß einer Ausführungsform ist das Schaltüberlappungsvermeidungssystem 70 Teil einer Steuereinrichtung 72 des Leistungsversorgungssystems 60. Es wird verständlich sein, dass das Schaltüberlappungsvermeidungssystem 70 gemäß einer Ausführungsform als Software auf der Steuereinrichtung 72 implementiert ist. Beispielsweise kann das Schaltüberlappungsvermeidungssystem 70 einen oder mehrere in die Steuereinrichtung 72 einprogrammierte Algorithmen verwenden, um Schaltüberlappungen vorherzusagen und zu vermeiden. Alternativ könnte das Schaltüberlappungsvermeidungssystem 70 gemäß einer anderen Ausführungsform als eine eigens entwickelte Hardwareschaltungsanordnung des Leistungsversorgungssystems 60 implementiert werden.
Das als Beispiel dienende Schaltüberlappungsvermeidungssystem 70 weist einen Haupttakt 74, einen Pulsbreitenmodulations-(PWM)-Block 76, einen Schaltüberlappungserkennungsblock (SODB) 78 und einen Schaltpulsflankenrepositionierungsblock (SPERB) 80 auf. Der Haupttakt 74 stellt eine Zeitreferenz für das Schaltüberlappungsvermeidungssystem 70 bereit. Gemäß einer Ausführungsform erzeugt der Haupttakt 74 einen Strom von Pulsen, die in Form einer Rechteckwelle vorliegen (siehe Graphik (a) von 5). Andere Taktsignalformate sind innerhalb des Schutzumfangs dieser Offenbarung auch vorgesehen.
Der PWM-Block 76 erzeugt Schaltsignale P₁ bis P_n zum Steuern von Schaltvorgängen der Schaltvorrichtungen 62 des Leistungsversorgungssystems 60. Die Schaltsignale P₁ bis P_n werden vom Haupttakt 74 abgeleitet und können als ganzzahlige Vielfache des Ticks des Haupttakts 74 erzeugt werden. Die Schaltsignale P₁ bis P_n weisen Schaltereignisinformationen für das Steuern der Schaltvorrichtungen zwischen EIN- und AUS-Positionen auf.
Gemäß einer Ausführungsform kann der SODB 78 Schaltüberlappungen durch Überwachen des PWM-Blocks 76 mit einer durch den Haupttakt 74 angesteuerten Zeitsteuerschaltung vorhersagen. Der SPERB 80 kann dann Überlappungspulsflanken der Schaltsignale P₁ bis P_n neu planen und den Gate-Ansteuerungen der Schaltvorrichtungen 62 neu eingestellte Schaltsignale P₁’ bis P_n’ übermitteln. Der SPERB 80 kann ein oder mehrere der Schaltsignale P₁ bis P_n durch Vorziehen oder Verzögern der Pulsflanken dieser Signale neu planen. Die Gesamtpulsbreite der Schaltsignale P₁’ bis P_n’ kann durch diese Neueinstellung beeinflusst werden. Zwischen dem SODB 78 und dem SPERB 80 wird gewährleistet, dass die repositionierten Pulsflanken der Schaltsignale P₁ bis P_n keine unbeabsichtigte Schaltüberlappung hervorrufen.
4 (unter weiterem Bezug auf 3) zeigt schematisch das Grundprinzip des Betriebs des Schaltüberlappungsvermeidungssystems 70. Der PWM-Block 76 kann eine beliebige Anzahl von Schaltsignalen P₁ bis P_n über eine Zeit t erzeugen, welche anschließend den Gate-Ansteuerungen der Schaltvorrichtungen 62 zugeführt werden können, um verschiedene Schaltereignisse vorzuschreiben. Der SODB 78 lokalisiert Pulsflanken 82 (d.h. ansteigende Flanken oder abfallende Flanken) in Zusammenhang mit jedem Schaltsignal P₁ bis P_n und schätzt, ob es eine Wahrscheinlichkeit gibt, dass eine Schaltüberlappung 84 zwischen zwei oder mehr der Schaltsignale P₁ bis P_n auftritt. Die Schaltüberlappung 84 kann auftreten, wenn eine Pulsflanke 82 von einem der Schaltsignale P₁ bis P_n gleichzeitig mit einer anderen Pulsflanke 82 von einem anderen Schaltsignal P₁ bis P_n auftritt. Dies ist in der Graphik (a) von 4 dargestellt.
Die Schaltüberlappungsinformationen können vom SODB 78 zum SPERB 80 übermittelt werden. Falls es eine Möglichkeit einer oder mehrerer Schaltüberlappungen 84 gibt, ist der SPERB 80 dafür ausgelegt, eines oder mehrere der Schaltsignale P₁ bis P_n neu einzustellen, um die Schaltüberlappung zu beseitigen. Dies ist in der Graphik (b) von 4 dargestellt. Gemäß einer Ausführungsform kann der SPERB 80 die Schaltsignale P₁ bis P_n durch Vorziehen oder Verzögern der Pulsflanke (Pulsflanken) 82 in Zusammenhang mit einem oder mehreren der Schaltsignale P₁ bis P_n neu einstellen, um neu eingestellte Schaltsignale P₁’ bis P_n’ zu erzeugen. Pulsflanken 82a und 82b des neu eingestellten Schaltsignals Pn’ sind Beispiele verzögerter Signale, und eine Pulsflanke 82c des neu eingestellten Schaltsignals P2’ ist ein Beispiel eines Signals, das vorgezogen wurde, weil eine Möglichkeit einer Schaltüberlappung besteht. Die neu eingestellten Signale P₁’ bis P_n’ vermeiden eine Schaltüberlappung, die zu Überspannungsereignissen führen kann.
Gemäß einer anderen Ausführungsform kann, falls durch das Schaltüberlappungsvermeidungssystem 70 festgestellt wird, dass eine bestimmte Schaltüberlappung 84 kein Risiko eines Überspannungsereignisses darstellt, die Schaltüberlappung 84 ignoriert werden (siehe beispielsweise eine Schaltüberlappung 84a in Zusammenhang mit dem unveränderten Schaltsignal P₁’ und P_n’). Falls beispielsweise die Gleichspannungsbusspannung selbst dann niedrig genug ist, wenn die überlappten Spannungsspitzen berücksichtigt werden, kann das Schaltüberlappungsereignis ignoriert werden, weil es in einem solchen Fall keine Bedenken gibt, dass eine Überspannung die Nennspannung der Leistungsvorrichtung überschreitet. Ein anderer nicht einschränkender Fall, bei dem eine Schaltüberlappung 84 ignoriert werden kann, tritt auf, wenn die Überlappung zwischen einem Schaltereignis, das endet, und einem Schaltereignis, das beginnt, auftritt. Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann eine beliebige Kombination eines Vorziehens, Verzögerns oder Nichtänderns der Position der Pulsflanken 82 verwendet werden, um die Schaltsignale P₁ bis P_n neu einzustellen.
Die 5 und 6 beschreiben unter fortgesetztem Bezug auf die 1–4 in weiteren Einzelheiten ein Verfahren zum Steuern des Leistungsversorgungssystems 60 unter Verwendung des vorstehend beschriebenen Schaltüberlappungsvermeidungssystems 70. Unter Bezug zunächst auf 5 sei bemerkt, dass der Haupttakt 74 einen Strom von Pulsen 88 (Graphik (a) von 5) erzeugt und einen Zähler C_m ansteuert (Graphik (b) von 5), der Teil des PWM-Blocks 76 sein kann. Der Zähler C_m inkrementiert bei jedem Takttick T_c des Haupttakts 74, um eine Zeitreferenz für das Schaltüberlappungsvermeidungssystem 70 bereitzustellen. Mit anderen Worten zählt der Zähler C_m den Strom der vom Haupttakt 74 erzeugten Pulse 88.
Gemäß einer Ausführungsform wird angenommen, dass der PWM-Block 76 ein zentral ausgerichtetes asymmetrisches Modulationssignal (Schaltsignal) erzeugt. Innerhalb des Schutzumfangs dieser Offenbarung sind jedoch auch andere PWM-Implementationen vorgesehen.
5(c) zeigt, wie ein PWM-Schaltpuls für einen bestimmten Zweig (d.h. einen der Zweige 66a, 66b, 66c, 66d, 66e, 66f und 66g aus 2) im PWM-Block 76 in 3 erzeugt wird. Jede Routine wird bei jeder Spitze und jedem Tal des dreieckigen PWM-Trägers auf der Grundlage der Annahme des zentral ausgerichteten asymmetrischen PWM-Schemas ausgelöst. Der PWM-Träger wird mit einem Aufwärts-Abwärts-Zähler erzeugt, der ein Teil des durch den Haupttakt 74 angesteuerten PWM-Blocks 76 ist. Gemäß einer Ausführungsform wird ein spezifischer Halbträgerzyklus verwendet, welcher in 5(c) als R1 spezifiziert ist. Zu Beginn des Halbträgerzyklus wird das Einschaltverhältnis (oder gleichwertig das PWM-Modulationssignal) aktualisiert. Der Einschaltverhältniswert ist das Ergebnis eines Stroms, eines Drehmoments oder einer vorgegebenen Steuerstrategie. Das PWM-Modulationssignal wird mit dem PWM-Träger verglichen, und der Schaltmoment für diesen bestimmten Trägerhalbzyklus wird bestimmt. Diese Routine wird Zyklus für Zyklus wiederholt, und ein PWM-Pulszug wird erzeugt, wie in 5(d) dargestellt ist. Dieser Puls kann als einer von P₁, P₂, ..., P_n in 2 und 3 interpretiert werden.
Dieselbe Routine wird auf alle Zweige 66 des Leistungsversorgungssystems 60 aus 2 angewendet. Gemäß einer Ausführungsform berechnet der SODB 78 den nächsten aufkommenden Schaltzeitpunkt auf der Grundlage des aktualisierten Einschaltverhältniswerts und der Halbträgerzyklusperiode folgendermaßen: T_C1 = D₁·T_p1 (1) wobei

T_p1: = n·T_c ist,
n: ein ganzzahliger Wert der Anzahl der Zyklen entsprechend dem halben PWM-Trägerzyklus ist und
T_c: die Haupttaktperiode ist.

Gemäß einer anderen Ausführungsform kann der SODB 78 den nächsten Schaltzeitpunkt durch Bezugnahme auf den Zählerwert T_C1 des entsprechenden Haupttakts 74 berechnen. Der SODB 78 vergleicht die Schaltzeitpunkte auf der Grundlage der durch den Zähler C_m des Haupttakts 74 bereitgestellten Zeitbasis und erkennt die Möglichkeit einer Schaltüberlappung zwischen zwei oder mehr Zweigen 66.
Falls eine Schaltüberlappung erkannt wird, kann die Routine R₁ eine Pulsflankenrepositionierungsroutine zum Neueinstellen eines oder mehrerer Schaltsignale aufrufen. Diese Routine wird im SPERB 80 ausgeführt.
Der SPERB 80 kann das Repositionieren einer oder mehrerer Pulsflanken der in Konflikt geratenen Schaltsignale bewirken, während er versucht, die Wellenform der Schaltsignale zu bewahren. Die Pulsflanke (die Pulsflanken) kann (können) abgesehen vom Gesamteinfluss, den diese Änderungen auf die Form der Schaltsignale haben können, entweder vorgezogen oder verzögert werden. Alternativ könnte eine Pulsflankenüberlappung ignoriert werden, wenn von der Steuereinrichtung 72 festgestellt wird, dass an der Schaltvorrichtung 62 kein Risiko eines Überspannungsereignisses auftritt. Es sei bemerkt, dass Überspannungsereignisse unter niedrigen Lastströmen oder niedrigen Gleichspannungsbusspannungen im Allgemeinen nicht auftreten.
Gemäß einer in 6 dargestellten Ausführungsform verwendet der SPERB 80 ein Prioritätssystem 100, um auszuwählen, welches Schaltsignal (welche Schaltsignale) neu eingestellt werden sollte (sollten). Ein Prioritätswert PPR₁ bis PPR_n kann jedem Schaltsignal P₁ bis P_n zugewiesen werden. Gemäß einer Ausführungsform wird dem Prioritätswert PPR₁ die höchste Priorität gegeben, während jedem folgenden Prioritätswert PPR₂ bis PPR_n eine niedrigere Priorität als dem vorhergehenden Prioritätswert gegeben wird. Die Schaltsignale P mit der niedrigsten Priorität in der Art des Signals P_n in diesem Beispiel werden am wahrscheinlichsten repositioniert, während die Signale höchster Priorität (d.h. P₁ in diesem Beispiel) unverändert bleiben. Die Priorität der Signale kann berechnet und zugewiesen werden, um den geringsten Verzerrungsbetrag für die Ausgangsstromwellenform der Schaltsignale P₁ bis P_n zu erreichen. Der SPERB 80 könnte programmiert werden, um das Prioritätssystem 100 für die Verwendung beim Rekonstruieren der Schaltsignale P₁ bis P_n ansprechend auf eine Schaltüberlappung zu speichern, dynamisch zu schätzen/zu berechnen oder auf andere Weise darauf zuzugreifen.
Gemäß einer Ausführungsform können die folgenden Informationen zum Berechnen und Zuweisen der Prioritätswerte PPR₁ bis PPR_n verwendet werden:

1. Stromsensormesswerte,
2. die Kenntnis der Modulationsstrategie,
3. Busschienengeometrie und
4. Kanalausbreitungseigenschaften.

Natürlich können auch andere Informationen verwendet werden, um das Prioritätssystem 100 festzulegen.
Wenngleich die verschiedenen nicht einschränkenden Ausführungsformen als spezifische Komponenten oder Schritte aufweisend erläutert werden, sind die Ausführungsformen dieser Offenbarung nicht auf diese speziellen Kombinationen beschränkt. Es ist möglich, einige der Komponenten oder Merkmale von beliebigen der nicht einschränkenden Ausführungsformen in Kombination mit Merkmalen oder Komponenten von beliebigen der anderen nicht einschränkenden Ausführungsformen zu verwenden.
Es sei bemerkt, dass gleiche Bezugszahlen in den verschiedenen Zeichnungsbestandteilen entsprechende oder ähnliche Elemente identifizieren. Es sei bemerkt, dass andere Anordnungen von den Lehren dieser Offenbarung profitieren könnten, wenngleich in diesen als Beispiel dienenden Ausführungsformen eine bestimmte Komponentenanordnung offenbart und erläutert wird.
Die vorstehende Beschreibung sollte als erläuternd und nicht als einschränkend ausgelegt werden. Durchschnittsfachleute werden verstehen, dass innerhalb des Schutzumfangs dieser Offenbarung bestimmte Modifikationen vorgenommen werden könnten. Aus diesen Gründen sollten die folgenden Ansprüche studiert werden, um den wahren Schutzumfang und Inhalt dieser Offenbarung zu bestimmen.

Claims

Verfahren, welches folgenden Schritt umfasst: Steuern eines Leistungsversorgungssystems, um ein Überspannungsereignis über eine oder mehrere Schaltvorrichtungen des Leistungsversorgungssystems zu vermeiden, wobei der Steuerschritt auf Schaltüberlappungsinformationen beruht, welche Befehle entweder zum Vorziehen oder zum Verzögern eines Schaltsignals in Zusammenhang mit wenigstens einer der Schaltvorrichtungen aufweisen.
Verfahren nach Anspruch 1, welches folgenden Schritt aufweist: Nichtmodifizieren des Schaltsignals, falls kein Risiko eines Überspannungsereignisses vorhanden ist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Schritt des Vorziehens oder Verzögerns des Schaltsignals das Vorziehen oder Verzögern einer oder mehrerer Pulsflanken des Schaltsignals aufweist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Schaltüberlappungsinformationen eine Schätzung einer Wahrscheinlichkeit aufweisen, dass eine Schaltüberlappung zwischen zwei oder mehr Schaltsignalen auftritt.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Steuerschritt Folgendes aufweist: Vorziehen einer ersten Pulsflanke des Schaltsignals und Verzögern einer zweiten Pulsflanke des Schaltsignals.
Verfahren, welches folgenden Schritt umfasst: Steuern eines Leistungsversorgungssystems eines Fahrzeugs zum Vermeiden eines Überspannungsereignisses über eine oder mehrere Schaltvorrichtungen des Leistungsversorgungssystems durch Neueinstellen eines Schaltsignals in Reaktion auf eine Schaltüberlappung zwischen zwei oder mehr der Schaltvorrichtungen.
Verfahren nach Anspruch 6, wobei das Überspannungsereignis eine Spannungsspitze aufweist, welche eine Nennspannung der einen oder mehreren Schaltvorrichtungen überschreitet.
Verfahren nach Anspruch 6, wobei das Neueinstellen des Schaltsignals Folgendes aufweist: Vorziehen einer Pulsflanke des Schaltsignals oder Verzögern der Pulsflanke des Schaltsignals.
Verfahren nach Anspruch 6, welches das Ignorieren der Schaltüberlappung umfasst, falls kein Risiko des Überspannungsereignisses vorhanden ist.
Verfahren nach Anspruch 6, wobei der Steuerschritt Folgendes aufweist: Vorziehen einer ersten Pulsflanke des Schaltsignals und Verzögern einer zweiten Pulsflanke des Schaltsignals.