DE102015116772A1

DE102015116772A1 - Lasttreiberschaltung mit Lastmodellparameterschätzung

Info

Publication number: DE102015116772A1
Application number: DE102015116772.7A
Authority: DE
Inventors: Manuel Harrant; Jerome Kirscher; Thomas Nirmaier; Georg Pelz
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 2014-10-16
Filing date: 2015-10-02
Publication date: 2016-04-21
Also published as: US9859739B2; US20160109868A1

Abstract

Es wird eine Lasttreiberschaltung zum Ansteuern einer elektrischen oder elektronischen Last beschrieben. Gemäß einem Beispiel umfasst die Schaltung eine Leistungsversorgungsschaltung, die im Betrieb mit der Last gekoppelt und dazu ausgebildet ist, nach Maßgabe von zumindest einem Steuersignal einen Laststrom zur Verfügung zu stellen, der im Betrieb durch die Last fließt. Eine Messschaltung ist mit der Leistungsversorgungsschaltung oder der Last gekoppelt und dazu ausgebildet, während des Betriebs der Last, zumindest einen Betriebsparameter der Last zu messen. Eine Signalverarbeitungsschaltung empfängt den zumindest einen von der Messschaltung gemessenen Betriebsparameter und ist dazu ausgebildet, basierend auf dem zumindest einen Betriebsparameter und einem parametrischen Modell, welches die Last charakterisiert, einen oder mehrere Modellparameter des parametrischen Modells zu schätzen.

Description

Ausführungsbeispiele der vorliegenden Beschreibung betreffen Treiberschaltungen zum Ansteuern elektrischer Lasten, wie zum Beispiel elektrische Motoren, Glühbirnen und andere Beleuchtungsvorrichtungen, Zündkerzen, Airbag-Zündpillen, zu ladende Batterien und verschiedene andere elektrische (inklusive elektronische, elektromechanische und elektrochemische) Vorrichtungen.
Heutzutage werden sogenannte ”smarte” Leistungsvorrichtungen (smart power devices) in zunehmendem Maße verwendet. Eine smarte Leistungsvorrichtung, die in manchen Anwendungen auch als ”intelligenter Leistungsschalter” (intelligent power switch, IPS) oder ”intelligentes Leistungsmodul” (intelligent power module, IPM) bezeichnet wird, umfasst üblicherweise Leistungselektronik zum Steuern der Stromversorgung einer elektrischen oder elektronischen Last, sowie zusätzliche Schaltungsanordnungen, welche dazu verwendet werden, den Betrieb der Last zu überwachen und/oder zu steuern, was auch den Schutz der Last gegen Überlast- oder Übertemperatur-Bedingungen umfassen kann. Alle diese Vorrichtungen (smarte Leistungsvorrichtungen, IPM, IPS und ähnliche) werden dazu verwendet, zumindest eine elektrische Last anzusteuern; solche Vorrichtungen werden allgemein als Lasttreiber oder Lasttreiberschaltungen bezeichnet. In diesem Zusammenhang umfasst der Begriff „elektrische Last” jegliche Vorrichtung, welche zum Betrieb Leistung (Spannung und Strom) benötigt, inklusive elektromechanische Vorrichtungen (wie zum Beispiel Elektromotoren), elektrochemische Vorrichtungen (wie zum Beispiel Batterien), sowie ohmsche, induktive oder kapazitive Lasten (oder eine Kombination dieser).
Wie erwähnt, können Lasttreiberschaltungen Schaltungsanordnungen zum Steuern der Stromversorgung (Laststrom und Betriebsspannung) umfassen, die einer Last zur Verfügung gestellt wird. In einem einfachen Beispiel umfasst eine derartige Schaltungsanordnung zum Steuern der Leistungsversorgung einen einzelnen Transistor, wie zum Beispiel einen MOSFET. Jedoch können auch komplexere Schaltungsanordnungen verwendet werden, wie zum Beispiel Transistor-Halbbrücken oder Transistor-H-Brücken. Des Weiteren kann eine Lasttreiberschaltung auch eine Messschaltung beinhalten, welche dazu verwendet werden kann, einen oder mehrere Betriebsparameter der Last zu messen, wie zum Beispiel Laststrom, Maximallaststrom, durchschnittlichen Laststrom, Schaltfrequenz, Betriebsspannung, Temperatur, oder einen beliebigen anderen gesuchten Betriebsparameter der Last oder der Treiberschaltung selbst. Die Lasttreiberschaltung kann auch eine Steuerschaltung beinhalten, welche beispielsweise dazu ausgebildet sein kann, allgemeine Steuerungsfunktionen durchzuführen, wie zum Beispiel eine Drehzahlsteuerung/-regelung für den Fall, dass die Last ein Elektromotor ist, oder die Steuerung/Regelung eines Batterieladeprozesses (zum Beispiel einer Lithium-Ionen-Batteriezelle eines Elektrofahrzeugs oder eines Hybridfahrzeugs). In manchen Applikationen umfassen diese Steuerfunktionen Schutzfunktionen wie zum Beispiel Uberspannungs- oder Übertemperaturschutz oder andere sicherheitsrelevante Funktionen. In dem erwähnten Beispiel, in dem die Last eine wieder aufladbare Batterie ist, sind diese Steuerfunktionen typischerweise in einem sogenannten Batteriemanagementsystem inkludiert.
Die Performance der erwähnten Steuerfunktionen können von vorrichtungsspezifischen Parametern der Last abhängen, wie zum Beispiel Schwellenwerte zur Strombegrenzung, Widerstand des Ankerstromkreises im Falle eines Elektromotors, der Innenwiderstand einer zu ladenden Batterie, etc. Diese vorrichtungsspezifischen Parameter der Last sind jedoch a priori unbekannt und folglich ist die smarte Leistungsvorrichtung, welche die Lasttreiberschaltung umfasst, üblicherweise für eine breite Palette unterschiedlicher Produkte ausgelegt, welche mit Hilfe der smarten Leistungsvorrichtung betrieben werden können. Des Weiteren können einige vorrichtungsspezifische Parameter der Last sich mit der Zeit aufgrund von Alterungseffekten ändern. Folglich ist eine Optimierung im Bezug auf den Betrieb einer bestimmten, als Last verwendeten elektrischen Vorrichtung nicht ohne weiteres machbar.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die Ansteuerung der Last zu verbessern, auch wenn manche Lastparameter a priori unbekannt sind. Diese Aufgabe wird durch die Lasttreiberschaltung gemäß Anspruch 1, das zugehörige Verfahren gemäß Anspruch 12, sowie durch die Batteriemanagementschaltung gemäß Anspruch 22 gelöst. Unterschiedliche Ausführungsbeispiele und Weiterentwicklungen sind durch die abhängigen Ansprüche abgedeckt.
Es wird eine Lasttreiberschaltung zum Ansteuern einer elektrischen oder elektronischen Last beschrieben. Gemäß einem Beispiel umfasst die Schaltung eine Leistungsversorgungsschaltung, die im Betrieb mit der Last gekoppelt und dazu ausgebildet ist, nach Maßgabe von zumindest einem Steuersignal einen Laststrom zur Verfügung zu stellen, der im Betrieb durch die Last fließt. Eine Messschaltung ist mit der Leistungsversorgungsschaltung oder der Last gekoppelt und dazu ausgebildet, während des Betriebs der Last, zumindest einen Betriebsparameter der Last zu messen. Eine Signalverarbeitungsschaltung empfängt den zumindest einen von der Messschaltung gemessenen Betriebsparameter und ist dazu ausgebildet, basierend auf dem zumindest einen Betriebsparameter und einem parametrischen Modell, welches die Last charakterisiert, einen oder mehrere Modellparameter des parametrischen Modells zu schätzen.
Des Weiteren wird ein Verfahren zum Steuern einer Last beschrieben. Gemäß einem Beispiel umfasst das Verfahren das Bereitstellen eines Laststroms, welcher nach Maßgabe von zumindest einem Steuersignal durch die Last fließt, sowie das Messen von zumindest einem Betriebsparameter der Last während des Betriebs der Last. Das Verfahren umfasst des Weiteren das Schätzen eines oder mehrerer Modellparameter eines parametrischen Modells basierend auf dem zumindest einen Betriebsparameter und dem Modell.
Des Weiteren wird eine Batteriemanagementschaltung zum Steuern des Lade- oder Entladeprozesses einer Batterie beschrieben. Gemäß einem Beispiel umfasst die Batteriemanagementschaltung eine Leistungsversorgungsschaltung, welche im Betrieb mit der zumindest einen Batteriezelle gekoppelt und dazu ausgebildet ist, der Batterie einen Laststrom zur Verfügung zu stellen, um die zumindest eine Batteriezelle zu laden oder zu entladen. Die Batteriemanagementschaltung umfasst des Weiteren eine Messschaltung, die mit der Leistungsversorgungsschaltung oder mit der zumindest einen Batteriezelle gekoppelt und dazu ausgebildet ist, während des Ladens oder Entladens der Last zumindest einen Betriebsparameter der zumindest einen Batteriezelle zu messen. Eine Signalverarbeitungsschaltung empfängt den zumindest einen von der Messschaltung gemessenen Betriebsparameter und ist dazu ausgebildet, basierend auf dem zumindest einen Betriebsparameter und einem parametrischen Modell, welches die zumindest eine Batteriezelle repräsentiert, einen oder mehrere Modellparameter des Modells zu schätzen.
Fachleute werden beim Lesen der folgenden detaillierten Beschreibung und beim Betrachten der beigefügten Figuren weitere Eigenschaften und Vorteile erkennen.
Die Techniken und Vorrichtungen dieser Beschreibung kann man im Hinblick auf die folgende Beschreibung und die Zeichnungen besser verstehen. Die in den Figuren dargestellten Komponenten sind nicht notwendigerweise maßstabsgetreu, vielmehr wird Wert darauf gelegt, die dieser Beschreibung zugrunde liegenden Prinzipien zu illustrieren. Des Weiteren bezeichnen gleiche Bezugszeichen in den Figuren korrespondierende Teile. Zu den Zeichnungen:
1 stellt ein Blockdiagramm eines mit einer Last verbundenen Lasttreibers gemäß einem Beispiel der vorliegenden Beschreibung dar;
2 stellt ein Blockdiagramm eines mit einer Last verbundenen Lasttreibers gemäß einem weiteren Beispiel der vorliegenden Beschreibung dar;
3 illustriert einen Schaltplan einer Treiberschaltung gemäß einem anderen Beispiel der vorliegenden Beschreibung, wobei die Last ein Elektromotor ist;
4 ist ein Flussdiagramm eines exemplarischen Verfahrens, welches von den Ausführungsbeispielen gemäß 1, 2 oder 3 durchgeführt werden kann; und
5 ist ein Flussdiagramm eines weiteren exemplarischen Verfahrens, welches von den Ausführungsbeispielen gemäß 1, 2 oder 3 durchgeführt werden kann.
In der folgenden detaillierten Beschreibung wird auf die beigefügten Zeichnungen Bezug genommen. Die Zeichnungen bilden einen Teil der Beschreibung und zeigen anhand von Illustrationen bestimmte Ausführungsbeispiele, in denen die Techniken oder Vorrichtungen dieser Beschreibung zum Einsatz kommen können. Es versteht sich, dass die Merkmale der verschiedenen hier beschriebenen Ausführungsbeispiele miteinander kombiniert werden können, sofern im Einzelnen nichts anderes angemerkt wird.
1 ist ein Schaltplan, welcher eine Lasttreiberschaltung 1 gemäß einem Beispiel dieser Beschreibung darstellt. Im Allgemeinen umfasst die Lasttreiberschaltung 1 als Leistungsversorgungsschaltung einen schaltenden Schaltkreis 10 (switching circuit), der mit einer Last 50 gekoppelt werden kann. Die schaltende Schaltung 10 ist dazu ausgebildet, die Last 50 mit elektrischer Leistung zu versorgen und nach Maßgabe von zumindest einem Steuersignal G₁, G₂, etc., einen Laststrom i_L(t), der während des Betriebs der Last 50 durch die Last fließt, ein und aus zu schalten. Die an die Last angelegte Spannung wird als Betriebsspannung u_L(t) bezeichnet. Sowohl der Laststrom i_L(t) als auch die Betriebsspannung u_L(t) können zeitabhängig sein (Zeit t). Die Lasttreiberschaltung 1 umfasst des Weiteren eine Messschaltung 15 (in 1 nicht dargestellt), welche mit der schaltenden Schaltung 10 oder der Last 50 (oder beiden) verbunden ist. Die Messschaltung 15 ist dazu ausgebildet, während des Betriebs zumindest einen Betriebsparameter S₁, S₂, etc. der Last zu messen. Beispiele für einen Betriebsparameter sind unter anderem der Laststrom i_L, die Betriebsspannung u_L, die Drehgeschwindigkeit (wenn die Last ein Elektromotor ist), Spannung oder Stromgradienten, etc. Im Allgemeinen repräsentiert der Betriebsparameter (repräsentieren die Betriebsparameter) den Betriebszustand der Last 50. Die Lasttreiberschaltung umfasst des Weiteren eine Signalprozessorschaltung 20, welche den (die) gemessenen Betriebsparameter S₁, S₂, etc., empfängt und welche dazu ausgebildet ist, einen oder mehrere Modellparameter M₁, M₂, etc., zu schätzen, welche ein parametrisches Modell, das die Last repräsentiert, charakterisieren. Die Schätzung wird von der Signalverarbeitungseinheit 20 basierend auf dem gemessenen Betriebsparameter (den gemessenen Betriebsparametern) S₁, S₂, etc. und dem parametrischen Modell durchgeführt.
Die schaltende Schaltung 10 kann einen oder mehrere Halbleiterschalter aufweisen. In einem einfachen Beispiel kann die schaltende Schaltung 10 einen einzigen Transistor aufweisen. Eine Freilaufdiode kann auch inkludiert sein. In komplexeren Beispielen kann die schaltende Schaltung eine Transistor-Halbbrücke aufweisen. Insbesondere für das Ansteuern von Elektromotoren kann die schaltende Schaltung 10 eine Transistor-H-Brücke aufweisen. In vielen Applikationen können die Transistoren als MOS-Transistoren (MOSFETs oder IGBTs) implementiert sein. Jedoch können auch andere Typen von Transistoren verwendet werden. Des Weiteren kann die schaltende Schaltung eine komplexere Schaltungsanordnung sein, z. B. ein sogenanntes System-on-a-Chip (SOC) oder ein System-in-Package (SIP), das ein digitales Interface (zum Beispiel ein serielles Peripherie-Interface, serial peripheral interface, SPI oder ähnliches) enthalten kann, beispielsweise ein Zündpillentreiber zur Verwendung für die Airbagauslösung oder ein Schaltwandler.
In einem einfachen Beispiel kann die Messschaltung 15 aus einem einzigen Messwiderstand (siehe auch 3) zum Messen des Laststroms gebildet sein. Jedoch können komplexere Schaltungen für die Strommessung verwendet werden, wie zum Beispiel sogenannte Sense-Transistoren, welche parallel zu den Lasttransistoren, die den Laststrom schalten, geschaltet sind.
Das parametrische Modell kann ein dynamisches System repräsentieren, insbesondere (als Approximation) ein lineares zeitinvariantes (linear time-invariant, LTI) System. Jedoch ist die vorliegende Beschreibung nicht auf zeitinvariante Systeme limitiert. In einem Fall, in dem die Last 50 sich beispielsweise im Wesentlichen wie eine Spule verhält, kann das parametrische Modell eine Differentialgleichung erster Ordnung sein, das heißt:
Im Allgemeinen kann Gleichung 1 angeschrieben werden als: S₁ = M₁·S₃ + M₂·S₂, (2) wobei im erwähnten Fall (Last verhält sich wie eine Spule) die Betriebsparameter die Betriebsspannung u_L (Betriebsparameter S₁ in Gleichung 2), der Laststrom i_L (Betriebsparameter S₂ in Gleichung 2) und der Gradient (die Ableitung) des Laststroms i_L sind. Diese Betriebsparameter S₁, S₂, S₃, repräsentieren den Zustand des dynamischen Systems (repräsentiert durch das parametrische Modell). In dem vorliegenden Beispiel sind die Induktivität L der Last 50 und ein Serienwiderstand R_S der Induktivität die Modellparameter (Modellparameter M₁ beziehungsweise Modellparameter M₂ in Gleichung 2). Diese Modellparameter M₁, M₂ charakterisieren das parametrische Modell und folglich das dynamische System selbst.
Da der Typ der Last (induktive Last, kapazitive Last, resistive Last, induktiv-resistive Last, Glühbirne, Elektromotor, etc.), welche mit der Lasttreiberschaltung verbunden ist, a priori bekannt ist, kann ein geeignetes parametrisches Modell, das die Last mit hinreichender Genauigkeit repräsentiert, vorselektiert werden. Im Falle einer Glühbirne, die eine resistive, temperaturabhängige Last ist, kann das parametrische Modell im Allgemeinen angeschrieben werden als: R₀ = f(u_L, i_MAX), R_NOM = f(u_L, i_L) (3), wobei der Modellparameter R₀ der anfängliche (niedrige) Widerstand der Glühbirne bei Umgebungs-(Raum-)Temperatur ist. Der Strom i_MAX repräsentiert den Spitzenstrom (Maximalstrom) zu dem Moment, zu dem die Glühbirne eingeschaltet wird, und i_L und u_L repräsentieren den Laststrom während des Betriebs (nach der Einschaltphase), sowie die Betriebsspannung. Der Modellparameter R_NOM ist der (höhere) stationäre Widerstand während des Betriebs, wenn die Glühbirne heiß und auf ihrer Betriebstemperatur ist. In diesem Beispiel sind i_L, u_L und i_MAX gemessene Betriebsparameter, wohingegen R₀ und R_NOM zu schätzende Modellparameter sind. Im Falle einer kapazitiven Last (Kapazität C) kann das parametrische Modell angeschrieben werden als: C = f(u_L, ∫i_Ldt), (4) wobei die Betriebsspannung u_L und der integrierte Laststrom i_L Betriebsparameter sind und C ein Modellparameter ist. Im Falle einer induktiven Last (Induktivität L ohne Serienwiderstand) kann das parametrische Modell angeschrieben werden als:
wobei die Betriebsspannung u_L und der Gradient di_L/dt des Laststroms i_L Betriebsparameter sind und L ein Modellparameter ist. Kombinationen der Modelle gemäß Gleichungen 3 bis 5 können verwendet werden. Abhängig von dem tatsächlichen System können komplexere parametrische Modelle verwendet werden, um die Last zu repräsentieren. Die Modellparameter M₁, M₂, etc. können in einem internen Speicher der Signalprozessorschaltung 20 gespeichert werden. Alternativ oder zusätzlich kann ein externer Speicher 16 dazu verwendet werden, um einen oder mehrere parametrische Modelle und zugeordnete Modellparameterwerte zu speichern. Eine Anzahl von parametrischen Modellen können in dem Speicher 16 gespeichert werden, wobei jedes in dem Speicher gespeicherte parametrische Modell einer bestimmten Klasse von Lasten (Elektromotore, Glühbirnen, Batteriezellen, induktive Lasten, etc.) zugeordnet ist. Beim Einschalten (Start-up) der Lasttreiberschaltung kann eines der gespeicherten parametrischen Modelle ausgewählt werden, welches die angeschlossene Last geeignet modelliert. Während des Betriebs wird das ausgewählte parametrische Modell zur Schätzung der jeweiligen Modellparameter verwendet.
Das oben erwähnte Steuersignal (die oben erwähnten Steuersignale) G₁, G₂, etc. kann (können) von einer Steuerschaltung 11 bereitgestellt werden, welche den Schaltbetrieb der schaltenden Schaltung 10 steuert. 2 zeigt eine Steuerschaltung 10, welche ein Eingangssignal S_IN (zum Beispiel von einer externen Steuerung) empfängt, und ein oder mehrere Steuersignale G₁, G₂, etc. für die schaltende Schaltung 10 bereitstellt. Die Steuersignale G₁, G₂, etc. werden in Reaktion auf das Eingangssignal S_IN erzeugt. Des Weiteren können die Steuersignale G₁, G₂, etc. von zumindest einem Steuerparameter P₁, P₂ abhängen. Ein Steuerparameter wird (neben dem Eingangssignal) bei der Erzeugung der Steuersignale G₁, G₂, etc., die der schaltenden Schaltung 10 zugeführt werden, verwendet. In einem Beispiel repräsentiert ein Steuerparameter P₁ einen maximalen Laststromwert, zur Bereitstellung einer Strombegrenzung.
In einem einfachen Beispiel, in dem die schaltende Schaltung 10 nur einen MOS-Transistor aufweist, kann ein einziges Steuersignal G₁ ausreichen, um eine Gateelektrode des MOS-Transistors zu laden und zu entladen, um diesen ein- und auszuschalten. In diesem Fall kann das Steuersignal G₁ ein Gatestrom oder eine Gatespannung sein, die dem Transistor zugeführt wird. Im Falle einer komplexeren schaltenden Schaltung, können mehrere Steuersignale notwendig sein. Die in 2 gezeigte schaltende Schaltung 10 und die Messschaltung 15 sind identisch zu dem vorherigen Beispiel aus 1. Wie oben erwähnt kann die schaltende Schaltung 10 eine digitale Kommunikationsschnittstelle aufweisen, um Steuerkommandos zu empfangen, welche in den Steuersignalen codiert sind. Beispiele für so eine digitale Kommunikationsschnittstelle sind das Serial-Peripheral-Interface (SPI), MicroSecond Channel (MSC), hC Bus Interface, Universal-Serial-Bus (USB) oder ähnliches. In diesen Fällen ist das Steuersignal (sind die Steuersignale) G₁, G₂, etc. digitale Signale entsprechend dem von der Kommunikationsschnittstelle benutzten Kommunikationsstandard.
Die Signalprozessorschaltung 20 ist dazu ausgebildet, Modellparameter M₁, M₂, etc. eines parametrischen Modells, welches, wie oben unter Bezugnahme auf 1 diskutiert, die Last 50 charakterisiert, zu schätzen. Im vorliegenden Beispiel ist die Signalverarbeitungseinheit 20 weiter dazu ausgebildet, basierend auf dem geschätzten Modellparameter (den geschätzten Modellparametern) M₁, M₂, etc. einen aktualisierten Wert von zumindest einem der Steuerparameter P₁, P₂, etc. zu berechnen. Bezugnehmend auf das erwähnte Beispiel, gemäß dem ein Steuerparameter P₁ einen maximalen Laststromwert repräsentiert, kann der maximale Laststromwert, welcher als Schwellenwert für die Strombegrenzung verwendet wird, dynamisch angepasst werden, basierend auf den geschätzten Modellparametern M₁, M₂, etc., welche der Last, die tatsächlich mit der Lasttreiberschaltung 1 verbunden ist, zugeordnet sind.
Zusätzlich oder alternativ zu einem maximalen Laststromwert (Schwellenwert zur Strombegrenzung) können andere Steuerparameter P₁, P₂, etc. verwendet (und dynamisch angepasst) werden. Bei der Verwendung von Transistor-Halbbrücken oder H-Brücken kann eine Totzeit (blanking time) zwischen dem Ausschalten eines High-Side-Transistors und dem darauf folgenden Einschalten eines Low-Side-Transistors (oder vice versa), ein relevanter Steuerparameter sein. Das Anpassen der Totzeit, welche für den Betrieb einer Transistor-H-Brücke verwendet wird, ist ein Beispiel des Abstimmens der Performance einer smarten Leistungsvorrichtung (das heißt, der Lasttreiberschaltung) basierend auf geschätzten Modellparametern der von der smarten Leistungsvorrichtung angesteuerten Last. Eine schaltende Schaltung mit einer Transistor-H-Brücke ist in 3 dargestellt.
3 zeigt ein Beispiel, in dem die Last 50 ein Elektromotor (DC-Motor) ist. Im vorliegenden Beispiel beinhaltet die schaltende Schaltung 10 eine Transistor-H-Brücke, welche aus zwei Transistor-Halbbrücken zusammengesetzt ist. Jede Halbbrücke umfasst einen High-Side-Transistor und einen Low-Side-Transistor, die an einem Ausgangsknoten der Halbbrücke verbunden sind. Demnach hat die H-Brücke zwei Ausgangsknoten (einen in jeder Halbbrücke), die mit dem Elektromotor verbunden sind. Eine Messschaltung 15 ist mit der schaltenden Schaltung 10 (d. h. der H-Brücke) verbunden, um den Laststrom i_L, der durch den Elektromotor 50 fließt, zu messen. Im vorliegenden Beispiel ist die Messschaltung 15 ein einfacher Strommesswiderstand R_M, der zwischen die Low-Side-Transistoren der H-Brücke und Massepotential geschaltet ist. Der Spannungsabfall über dem Widerstand R_M ist proportional zu dem Laststrom L. In dem Beispiel aus 3 wird der Spannungsabfall über dem Widerstand R_M der Signalverarbeitungseinheit 20 als erster Betriebsparameter S₁ des Elektromotors 50 zugeführt. Es versteht sich, dass die Strommessschaltung 15 auf verschiedene unterschiedliche Weisen implementiert werden kann (z. B. mittels Paaren von Leistungstransistoren und Sense-Transistoren). Viele smarte Leistungsvorrichtungen beinhalten die schaltende Schaltung und die Messschaltung in einem einzigen Chip und stellen beispielsweise ein Laststrommesssignal an einem sogenannten Sense-Pin (oder Diagnosepin) der Vorrichtung bereit. Andere Betriebsparameter, wie zum Beispiel die Drehzahl des Elektromotors können auch gemessen werden.
Wie in dem vorigen Beispiel wird der Betrieb der schaltenden Schaltung 10 mittels einer Steuerschaltung 11 gesteuert. Demnach ist die Steuerschaltung dazu ausgebildet, Steuersignale G₁, G₂, G₃, G₄ als Reaktion auf ein Eingangssignal S_IN zur Steuerung des Betriebs der schaltenden Schaltung 10 zu erzeugen; im vorliegenden Beispiel sind die Steuersignale G₁, G₂, G₃, G₄ Gatesignale, welche den Gates der vier Transistoren in der H-Brücke zugeführt werden. Die Steuersignale G₁, G₂, G₃, G₄ können auch von einem oder mehreren Steuerparametern P₁ abhängen, welche von der Signalverarbeitungsschaltung 20 bereitgestellt werden können. Der Steuerparameter bestimmt (die Steuerparameter bestimmen) das Steuerverhalten (control behavior) der Steuerschaltung. Beispielsweise kann einer der Steuerparameter ein Stromschwellenwert sein, der einen maximalen Laststrom definiert. Mittels Verwendung dieses Schwellenwerts kann die Steuerschaltung eine Überstrombegrenzung oder eine Überstromabschaltung durchführen, für den Fall, dass der Laststrom den Schwellenwert übersteigt. Jedoch können auch andere Steuerparameter dazu verwendet werden, die Totzeit zwischen dem Ausschalten eines High-Side-Transistors und dem darauf folgenden Einschalten eines Low-Side-Transistors (oder umgekehrt) in einer der Halbbrücken, welche die H-Brücke bilden, zu bestimmen. Weitere Steuerparameter können die Zeitkonstante eines Reglers sein, der zur Implementierung einer Drehzahlregelung verwendet wird. Das Eingangssignal S_IN kann ein einfaches Binärsignal sein (um die Last ein- oder aus zu schalten). Jedoch kann als Eingangssignal S_IN auch ein aus mehreren Bits zusammengesetztes Digitalsignal oder ein Analogsignal verwendet werden, zum Beispiel, um einen Sollwert für einen in der Steuerschaltung enthaltenen Drehzahlregler zu definieren. In einer Batterieladeapplikation kann die Last 50 eine (zum Beispiel Lithium-Ionen) Batteriezelle sein, wobei zwei oder mehr Zellen in einem Batteriestapel (batterystack) kombiniert sein können. Wie erwähnt, kann der geschätzte Modellparameter M₁ der Innenwiderstand der Batteriezelle sein. Auf Basis dieses geschätzten Modellparameters (welcher geschätzt und regelmäßig aktualisiert werden kann) kann während des Ladens/Entladens der Zelle der Spannungsabfall über der Batteriezelle berechnet und von der Steuerschaltung 11 als Steuerparameter P₁ für die Steuerung des Lade-/Entladeprozesses verwendet werden.
Wie erwähnt ist die Signalverarbeitungseinheit 20 dazu ausgebildet, die gemessenen Betriebsparameter S₁, S₂, etc. der Last zu verarbeiten, um einen oder mehrere geschätzte Modellparameter M₁, M₂, etc. zu erhalten, welche die tatsächlich mit der Lasttreiberschaltung betriebene Last charakterisieren. Beispiele, wie Modellparameter während des Betriebs der Last berechnet werden können, sind in den 4 und 5 dargestellt. Bezug nehmend auf 5, startet der Betrieb der Last (Schritt 300) nach Maßgabe des Eingangssignals S_IN und der zuvor gespeicherten nominellen Steuerparametern P₁ (siehe 2). Während des Betriebs der Last werden die Betriebsparameter S₁, S₂, S₃, etc. zu einem oder mehreren Zeitpunkten gemessen (Schritt 301). In Anbetracht eines bestimmten parametrischen Modells, mit dem das Verhalten der Last mit ausreichender Genauigkeit beschrieben werden kann, können die Modellparameter aus den gemessenen Betriebsparametern S₁, S₂, S₃, etc. berechnet werden (Schritt 302). Als Ergebnis erhält man die Modellparameter des parametrischen Modells, so dass diese das tatsächliche Verhalten der Last 50 repräsentieren. In der Folge können die geschätzten Modellparameter für verschiedene Zwecke verwendet werden (Schritt 305). In einem einfachen Beispiel werden die Modellparameter beobachtet, um Veränderungen der elektrischen Eigenschaften der von den Modellparametern repräsentierten Last 50 zu detektieren. Eine signifikante Änderung eines Modellparameters kann ein Indikator für einen Fehler in der Last sein. In einem komplexeren Beispiel können aktualisierte Werte für zumindest einen Steuerparameter P₁, P₂, etc. aus den Modellparametern abgeleitet werden. Die aktualisierten Werte werden der Steuerschaltung 11 zugeführt, welche dann ihr Steuer-/Regelverhalten durch Aktualisierung der Steuerparameter P₁, P₂, etc., adaptiert.
5 illustriert ein Beispiel der Modellparameterschätzung detaillierter. Wie im vorherigen Beispiel wird der Betrieb der Last nach Maßgabe des Eingangssignals S_IN und den zuvor gespeicherten nominellen Steuerparametern P₁ (siehe 2) gestartet (Schritt 400). Während des Betriebs der Last werden zu einem oder mehreren Zeitpunkten Betriebsparameter S₁, S₂, S₃, etc. gemessen (Schritt 401). Angesichts eines bestimmten parametrischen Modells, mit dem das Verhalten der Last mit hinreichender Genauigkeit beschrieben werden kann, können einige der Betriebsparameter mittels des parametrischen Modells und den anfänglichen (nominellen) Werten der Modellparameter simuliert werden (Schritt 402). Darauf folgend werden die simulierten (d. h. von der Signalprozessorschaltung basierend auf dem parametrischen Modell der Last und den aktuellen Modellparametern berechneten) Betriebsparameter (zum Beispiel der simulierte Laststrom) mit dem korrespondierenden gemessenen Betriebsparameter (zum Beispiel dem gemessenen Laststrom) verglichen und Abweichungen zwischen den simulierten und den gemessenen Werten werden bestimmt (Schritt 403). Wenn die gemessenen und simulierten Werte mit hinreichender Genauigkeit übereinstimmen, wird die Konvergenz der Modellparameter detektiert (Schritt 404), und die aktuellen Modellparameter können für die weitere Verarbeitung wie oben erwähnt verwendet werden (Schritt 405). Wenn die gemessenen und die simulierten Werte nicht mit hinreichender Genauigkeit übereinstimmen, werden die Modellparameter adaptiert (Schritt 406) und eine neue Simulation (Schritt 402) wird mit den adaptierten Modellparametern ausgelöst. Diese Schleife (Simulation, Bestimmen von simulierten und gemessenen Werten, und Anpassen der Modellparameter) wird wiederholt bis die Modellparameter auf ihren wahren Wert konvergieren und die simulierten und gemessenen Werte übereinstimmen.
Obwohl verschiedene beispielhafte Ausführungsformen dieser Beschreibung hier offenbart wurden, wird es für den Fachmann ersichtlich sein, dass verschiede Änderungen und Modifikationen vorgenommen werden können, um einige der Vorteile dieser Erfindungsmeldung zu erzielen, ohne den Geist und die Reichweite dieser Erfindungsmeldung zu verlassen. Es wird für den verhältnismäßig sachkundigen Fachmann offensichtlich sein, dass Komponenten durch andere, die dieselben Funktionen erfüllen, adäquat ersetzt werden können. Es soll erwähnt werden, dass Merkmale, die mit Bezug auf eine bestimme Figur beschrieben wurden, mit Merkmalen anderer Figuren kombiniert werden können, auch in Fällen wo diese Möglichkeit nicht explizit erwähnt wird. Weiter können die Methoden dieser Beschreibung entweder durch vollständige Software-Implementierungen erreicht werden, unter Verwendung geeigneter Prozessorinstruktionen, oder durch hybride Implementierungen, die eine Kombination von Hardware-Logik und Software-Logik verwenden, um dieselben Ergebnisse zu erzielen. Solche Modifikationen an der Erfindung sollen durch die angehängten Ansprüche geschützt werden.
Räumliche Begriffe, wie „unter”, „unterhalb”, „untere”, „über”, „obere” und dergleichen werden verwendet, um die Position eines Elements relativ zu einem zweiten Element einfach zu beschreiben. Diese Begriffe sollen verschiedene Ausrichtungen der Vorrichtung, die sich von den in den Figuren gezeigten Ausrichtungen unterschieden, zusätzlich umfassen. Weiter werden Begriffe wie „erste”, „zweite” und dergleichen verwendet, um verschieden Elemente, Bereiche, Teile, usw. zu beschreiben und sollen nicht einschränkend verstanden werden. Gleiche Begriffe beziehen sich auf gleiche Elemente in der gesamten Beschreibung.
Wie hier verwendet sind die Begriffe „mit”, „umfassen”, „einschließen”, „aufweisen” und dergleichen nicht restriktive Begriffe (open ended terms), sondern weisen auf das Vorhandensein genannter Elemente oder Merkmale hin, ohne jedoch weitere Elemente und Merkmale auszuschließen. Die Artikel „eine”, „der” und dergleichen sollen sowohl die Einzahl als auch die Mehrzahl einschließen, sofern der Kontext nicht deutlich anderes besagt.
Angesichts das oben erwähnte Spektrum der Variationen und Anwendungen, soll klargestellt werden, dass die Reichweite der hier beschriebenen Erfindungen weder durch die vorangegangene Beschreibung noch durch die begleitenden Figuren eingeschränkt werden soll. Die Reichweite der hier beschriebenen Erfindungen wird nur durch die folgenden Ansprüche und ihre rechlichen Äquivalente begrenzt.

Claims

Eine Lasttreiberschaltung zum Ansteuern einer Last, die aufweist: Eine Leistungsversorgungsschaltung, die im Betrieb mit der Last gekoppelt und dazu ausgebildet ist, im Betrieb nach Maßgabe zumindest eines Steuersignals einen Laststrom bereit zu stellen, der durch die Last fließt; eine Messschaltung, die mit der Leistungsversorgungsschaltung oder Last gekoppelt und dazu ausgebildet ist, während des Betriebs der Last zumindest einen Betriebsparameter der Last zu messen; und eine Signalverarbeitungsschaltung, welche den zumindest einen, von der Messschaltung gemessenen Betriebsparameter empfängt und dazu ausgebildet ist, basierend auf dem zumindest einen Betriebsparameter und einem parametrischen Modell, welches die Last charakterisiert, einen oder mehrere Modellparameter des Modells zu schätzen.
Die Lasttreiberschaltung gemäß Anspruch 1, wobei die Leistungsversorgungsschaltung eine schaltende Schaltung aufweist, die dazu ausgebildet ist, den Laststrom, der im Betrieb durch die Last fließt, nach Maßgabe des zumindest einen Steuersignals ein und aus zu schalten.
Die Lasttreiberschaltung gemäß Anspruch 1 oder 2, die weiter aufweist: eine Steuerschaltung, die mit der Leistungsversorgungsschaltung gekoppelt und dazu ausgebildet ist, als Reaktion auf zumindest ein Eingangssignal und einen oder mehrere Steuerparameter das zumindest eine Steuersignal bereit zu stellen.
Die Lasttreiberschaltung gemäß Anspruch 3, wobei die Signalverarbeitungsschaltung weiter dazu ausgebildet ist, basierend auf dem (den) geschätzten Modellparameter(n) einen aktuellen Wert von zumindest einem der Steuerparameter zu berechnen.
Die Lasttreiberschaltung gemäß Anspruch 4, wobei der (die) Steuerparameter einen Strombegrenzungswert umfasst (umfassen).
Die Lasttreiberschaltung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die schaltende Schaltung und die Signalprozessorschaltung in einem einzigen Halbleiterchip oder einem einzigen Chipgehäuse integriert sind.
Die Lasttreiberschaltung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei der zumindest eine Betriebsparameter der Last zumindest einen Laststrom umfasst, welcher der Last über die Leistungsversorgungsschaltung zugeführt wird, oder eine Betriebsspannung, die mittels der Leistungsversorgungsschaltung an die Last angelegt wird, oder beides.
Die Lasttreiberschaltung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die Signalverarbeitungsschaltung einen Speicher zum Speichern einer Anzahl von parametrischen Modellen umfasst oder mit einem solchen gekoppelt ist, wobei jedes parametrische Modell einer bestimmten Klasse von Lasten zugeordnet ist.
Die Lasttreiberschaltung gemäß Anspruch 8, wobei die Signalverarbeitungsschaltung ein Auswahlsignal zur Auswahl eines der gespeicherten parametrischen Modelle empfängt, und wobei die Schätzung eines oder mehrerer Modellparameter auf einem ausgewählten parametrischen Modell basiert.
Die Lasttreiberschaltung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei die Last ein Elektromotor ist, und wobei der zumindest eine Betriebsparameter der Last zumindest eines der Folgenden umfasst: einen Laststrom, der über die Leistungsversorgungsschaltung der Last zugeführt ist, einen Gradienten des Laststroms, eine Drehzahl des Elektromotors und eine Winkelbeschleunigung des Elektromotors.
Die Lasttreiberschaltung gemäß Anspruch 10, wobei die Modellparameter zumindest eines der Folgenden umfassen: einen Ankerwiderstand des Elektromotors, eine Induktivität der Akterschaltung des Elektromotors, die Drehzahlkonstante des Elektromotors, die Dämpfungskonstante des Elektromotors und das Trägheitsmoment des Ankers des Elektromotors.
Ein Verfahren zum Ansteuern einer Last, das Verfahren weist auf: Bereitstellen eines Laststroms, der durch die Last fließt, nach Maßgabe zumindest eines Steuersignals; Messen von zumindest einem Betriebsparameter der Last während des Betriebs der Last; und Schätzen von zumindest einem Modellparameters des Modells basierend auf dem zumindest einen Betriebsparameter und einem parametrischen Modell, welches die Last charakterisiert,.
Das Verfahren gemäß Anspruch 12, wobei das Bereitstellen eines Laststroms, der durch die Last fließt, umfasst: Ein- und Ausschalten eines Laststroms, der durch die Last fließt, nach Maßgabe zumindest eines Steuersignals.
Das Verfahren gemäß Anspruch 12 oder 13, das weiter aufweist: Erzeugen des zumindest einen Steuersignals in Reaktion auf zumindest ein Eingangssignal und einen oder mehrere Steuerparameter.
Das Verfahren gemäß Anspruch 14, das weiter aufweist: Berechnen eines aktualisierten Wertes von zumindest einem der Steuerparameter basierend auf dem (den) geschätzten Modellparameter(n).
Das Verfahren gemäß Anspruch 15, wobei der (die) Steuerparameter einen Strombegrenzungswert umfasst (umfassen).
Das Verfahren gemäß einem der Ansprüche 12 bis 16, wobei der zumindest eine Betriebsparameter der Last zumindest einen der Last zugeführten Laststrom oder eine an die Last angelegte Betriebsspannung oder beides umfasst.
Das Verfahren gemäß einem der Ansprüche 12 bis 17, das weiter aufweist: Speichern einer Anzahl von parametrischen Modellen in einem Speicher, wobei jedes parametrische Modell einer bestimmten Klasse von Lasten zugeordnet ist.
Das Verfahren gemäß Anspruch 18, das weiter aufweist: Auswählen eines gespeicherten parametrischen Modells, Verwenden eines ausgewählten parametrischen Modells zur Schätzung eines oder mehrerer Modellparameter.
Das Verfahren gemäß einem der Ansprüche 12 bis 19, wobei die Last ein Elektromotor ist und wobei zumindest ein Betriebsparameter der Last zumindest eines der Folgenden umfasst: einen der Last zugeführten Laststrom, einen Gradienten des Laststroms, eine Drehzahl des Elektromotors und eines Winkelbeschleunigung des Elektromotors.
Das Verfahren gemäß Anspruch 20, wobei die Modellparameter zumindest eines der Folgenden aufweisen: einen Widerstand der Ankerschaltung des Elektromotors, eine Induktivität der Ankerschaltung des Elektromotors, die Drehzahlkonstante des Elektromotors, die Dämpfungskonstante des Elektromotors und das Trägheitsmoment des Ankers des Elektromotors.
Eine Batteriemanagementschaltung zum Steuern des Lade- oder Entladeprozesses einer Batterie, die Batteriemanagementschaltung umfasst: eine Leistungsversorgungsschaltung, die im Betrieb mit zumindest einer Batteriezelle gekoppelt und dazu ausgebildet ist, der Batterie einen Laststrom zur Verfügung zu stellen, um die zumindest eine Batteriezelle zu laden oder zu entladen; eine Messschaltung, die mit der Leistungsversorgungsschaltung oder der zumindest einen Batteriezelle gekoppelt und dazu ausgebildet ist, während des Ladens oder Entladens der Last zumindest einen Betriebsparameter der zumindest einen Batteriezelle zu messen; und eine Signalverarbeitungsschaltung, welche den zumindest einen von der Messschaltung gemessenen Betriebsparameter empfängt und dazu ausgebildet ist, basierend auf dem zumindest einen Betriebsparameter und einem parametrischen Modell, welches die zumindest eine Batteriezelle charakterisiert, einen oder mehrere Parameter des Modells zu schätzen.
Die Batteriemanagementschaltung gemäß Anspruch 22, die weiter aufweist: eine Steuerschaltung, die mit der Leistungsversorgungsschaltung gekoppelt und dazu ausgebildet ist, zumindest ein Steuersignal in Reaktion auf zumindest ein Eingangssignal und ein oder mehrere Steuerparameter bereitzustellen, wobei das zumindest eine Steuersignal der Leistungsversorgungsschaltung zugeführt wird und deren Betrieb steuert.
Die Batteriemanagementschaltung gemäß Anspruch 23, wobei die Signalverarbeitungsschaltung weiter dazu ausgebildet ist, basierend auf den geschätzten Modellparametern einen aktuellen Wert von zumindest einem der Steuerparameter zu berechnen.