DE102015117169A1

DE102015117169A1 - Elektrisches energiewandlungssystem

Info

Publication number: DE102015117169A1
Application number: DE102015117169.4A
Authority: DE
Inventors: Shohei Sunahara; Hidetsugu Hamada; Akihiko Ide; Masatoshi SHINOHARA
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2014-10-10
Filing date: 2015-10-08
Publication date: 2016-04-14
Also published as: US20160105126A1; CN105515374A; US10097093B2; JP6107783B2; CN105515374B; JP2016082612A

Abstract

Ein elektrisches Energiewandlungssystem umfasst: eine erste Batterie; eine zweite Batterie; einen elektrischen Energiewandler, der eine Vielzahl von Schaltelementen umfasst und konfiguriert ist zum bidirektionalen Aufwärtswandeln oder Abwärtswandeln von elektrischer Energie zwischen einer Ausgangsleitung und jeder der ersten und der zweiten Batterie gemäß PWM-Signalen; und eine Steuereinheit, die konfiguriert ist zum Steuern einer ersten und einer zweiten Aufwärtswandlungs- und Abwärtswandlungsschaltung durch Erzeugung von ersten und zweiten PWM-Signalen. Die erste und die zweite Aufwärtswandlungs- und Abwärtswandlungsschaltung sind zwischen einer jeweiligen der ersten und der zweiten Batterie und der Ausgangsleitung eingerichtet. Das erste und das zweite PWM-Signal sind Signale zur Steuerung eines Aufwärtswandlungs- und Abwärtswandlungsbetriebs von einer jeweiligen der ersten und der zweiten Aufwärtswandlungs- und Abwärtswandlungsschaltung. Die Steuereinheit ist konfiguriert, wenn Einschaltperioden von beiden des ersten und des zweiten PWM-Signals miteinander gekoppelt werden, eine Überlappungsphasenverschiebung auszuführen, die die Einschaltperioden des ersten und des zweiten PWM-Signals teilweise überlappt.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
1. Gebiet der Erfindung
Die Erfindung bezieht sich auf ein elektrisches Energiewandlungssystem, das im Stande ist, elektrische Energie mit zwei Gleichstromenergieversorgungen parallel aufwärts zu wandeln oder abwärts zu wandeln.
2. Beschreibung der verwandten Technik
In einem Hybridfahrzeug oder einem Elektrofahrzeug, das eine drehende elektrische Maschine als Antriebsquelle verwendet, wird die drehende elektrische Maschine durch Wechselstromenergie angetrieben, die durch einen Wechselrichter aus der Gleichstromenergie einer Batterie gewandelt wird. Zusätzlich ist zwischen der Batterie und dem Wechselrichter ein Aufwärts-/Abwärtswandler bereitgestellt. Der Aufwärts-/Abwärtswandler setzt bzw. transformiert eine Batteriespannung herauf oder setzt bzw. transformiert eine durch die drehende elektrische Maschine regenerierte elektrische Energie herunter.
Ein elektrischer Energiewandler bzw. Stromrichter ist zum Beispiel in der japanischen Patentanmeldungsoffenlegungsschrift Nr. 2013-013234 ( JP 2013-013234 A ) als ein solcher beschrieben, der die Funktion des Aufwärts-/Abwärtswandlers erweitert. Der elektrische Energiewandler bzw. Stromrichter umfasst vier Schaltelemente und ist mit zwei Batterien verbunden. Der elektrische Energiewandler bzw. Stromrichter ist im Stande, zusätzlich zu der Aufwärts-/Abwärtswandlungsfunktion, die zwei Batterien zwischen einer Reihenschaltung und einer Parallelschaltung umzuschalten.
Der vorstehend beschriebene elektrische Energiewandler bzw. Stromrichter wandelt elektrische Energie mit den zwei Batterien zu der Zeit der Parallelschaltung gleichzeitig herauf oder herunter (Parallelmodus). Ein Aufwärts-/Abwärtswandlungsbetrieb wird über ein PWM-Signal gesteuert, dass ein Tastverhältnis bzw. eine relative Einschaltdauer für jede von Aufwärts-/Abwärtswandlungsschaltungen bezeichnet. Der in der JP 2013-013234 A beschriebene elektrische Energiewandler bzw. Stromrichter weist eine derartige Schaltungskonfiguration auf, dass Schaltelemente zwischen den zwei Aufwärts-/Abwärtswandlungsschaltungen geteilt werden, wodurch jedes der Schaltelemente gemäß der logischen Addition von PWM-Signalen von beiden arbeitet.
Durch Nutzung der vorgenannten Betriebseigenschaften der Schaltelemente werden die Phasen der PWM-Signale in der JP 2013-013234 A gegeneinander verschoben, um einen Verlust zu reduzieren, der in den Schaltelementen auftritt. Das heißt, dass eine Flankenabgleichphasenverschiebung durchgeführt wird, wie es in 17C gezeigt ist. Die Flankenabgleichphasenverschiebung dient dazu, eine oder beide der Phasen der PWM-Signale PWM1, PWM2 derart zu verschieben, dass die fallende Flanke einer EIN-Periode des PWM-Signals PWM1 in Übereinstimmung mit der ansteigenden Flanke einer EIN-Periode des PWM-Signals PWM2 gebracht (mit dieser verbunden bzw. gekoppelt) wird. Dadurch wird die Schalthäufigkeit im Vergleich zu dem in 17A gezeigten PWM-Signal reduziert (was durch die gestrichelten Linien angedeutet ist), mit dem Ergebnis, dass ein Schaltverlust reduziert wird. Da die Überlappung (der schraffierte Bereich) der EIN-Perioden der PWM-Signale PWM1, PWM2, wie sie in 17B gezeigt ist, verschwindet, wird ein Stationär- bzw. Dauer-/Ruheverlust (Überlappungsverlust) aufgrund eines aus der Überlappung resultierenden Stromanstiegs behoben.
Wenn die Flankenabgleichphasenverschiebung durchgeführt wird, wie es in 18 oben gezeigt ist, führt ein bloßes Verschieben von nur der Anstiegszeit eines Trägersignals dazu, dass die EIN-Periode von PWM2 in die dritte Steuerperiode hineinragt, wie es durch die Schraffierung in PWM2-2 angedeutet ist, weshalb die EIN-Periode von PWM2 in der zweiten Periode kürzer wird als ein erforderlicher Wert. Um eine derartige verkürzte EIN-Periode in einer Phasenverschiebungsperiode zu kompensieren, wird im Stand der Technik ein Hilfsträger mit einer Periode eingefügt, die dem Betrag einer Phasenverschiebung entspricht, wie es in 18 unten gezeigt ist. Durch Einfügung des Hilfsträgers entsteht in PWM2 in der zweiten Periode eine durch einen Hilfspuls bereitgestellte EIN-Periode, mit dem Ergebnis, dass die vorstehend beschriebene verkürzte EIN-Periode kompensiert wird.
Im Übrigen trennt bzw. entfernt (verzögert) sich die ansteigende Flanke der EIN-Periode des PWM-Signals PWM2 von (gegenüber) der fallenden Flanke der EIN-Periode des PWM-Signals PWM1, wie in dem Fall der PWM-Signale PWM1-3, PWM2-3, die in 19 gezeigt sind, in einer Periode nach der Flankenabgleichphasenverschiebung, wenn die EIN-Periode des PWM-Signals kurz wird, wie in dem Fall der PWM-Signale PWM1-3, PWM2-3, die in 19 gezeigt sind.
Wenn die Phasenverschiebung erneut durchgeführt wird, wie es bei Hilfspuls 2 in 20 gezeigt ist, tritt in dem PWM-Signal ein Hilfspuls basierend auf dem Hilfsträger auf, wie er durch die gestrichelten Linien in 20 eingekreist ist, weshalb ein Schaltverlust aufgrund des Hilfspulses auftritt. Das heißt, dass als Folge der Durchführung der Phasenverschiebung ein Schaltverlust aufgrund des Hilfspulses auftritt.
In dem Fall, dass sich die EIN-Periode des PWM-Signals über mehrere Perioden hinweg ändert, zum Beispiel in dem Fall, dass die EIN-Periode des PWM-Signals sukzessive reduziert bzw. verkürzt wird, tritt ein Schaltverlust aufgrund eines Hilfspulses häufig auf, wenn die Phasenverschiebung durch Einfügung eines Hilfsträgers jedes Mal dann durchgeführt wird, wenn die EIN-Periode reduziert bzw. verkürzt wird. Als Folge hiervon wird eine Reduzierung des Verlusts durch Verbindung bzw. Kopplung der EIN-Perioden der PWM-Signale PWM1, PWM2 durch eine Erhöhung des Verlusts aufgrund eines Hilfspulses aufgehoben, und bestehen Bedenken dahingehend, dass die Wirkung einer Reduzierung des Verlusts, die den ursprünglichen Zweck der Phasenverschiebung darstellt, nicht ausreichend erzielt wird.
KURZFASSUNG DER ERFINDUNG
Die Erfindung stellt ein elektrisches Energiewandlungssystem bereit, das im Stande ist, elektrische Energie mit zwei Gleichstromenergieversorgungen parallel aufwärts zu wandeln oder abwärts zu wandeln, und das im Stande ist, einen Verlust aufgrund einer Phasenverschiebung zu reduzieren.
Ein Aspekt der Erfindung bezieht sich auf ein elektrisches Energiewandlungssystem. Das elektrische Energiewandlungssystem umfasst: eine erste Batterie; eine zweite Batterie; einen elektrischen Energiewandler, der eine Vielzahl von Schaltelementen umfasst, wobei der elektrische Energiewandler konfiguriert ist zum bidirektionalen Aufwärtswandeln oder Abwärtswandeln von elektrischer Energie zwischen einer Ausgangsleitung und jeder der ersten und der zweiten Batterie durch Ein- oder Ausschalten der Vielzahl von Schaltelementen gemäß PWM-Signalen; und eine Steuereinheit, die konfiguriert ist zum Steuern einer ersten Aufwärtswandlungs- und Abwärtswandlungsschaltung und einer zweiten Aufwärtswandlungs- und Abwärtswandlungsschaltung durch Erzeugung eines ersten PWM-Signals und eines zweiten PWM-Signals, wobei die erste Aufwärtswandlungs- und Abwärtswandlungsschaltung zwischen der ersten Batterie und der Ausgangsleitung eingerichtet ist, das erste PWM-Signal ein Signal zur Steuerung eines Aufwärtswandlungs- und Abwärtswandlungsbetriebs der ersten Aufwärtswandlungs- und Abwärtswandlungsschaltung ist, die zweite Aufwärtswandlungs- und Abwärtswandlungsschaltung zwischen der zweiten Batterie und der Ausgangsleitung eingerichtet ist, das zweite PWM-Signal ein Signal zur Steuerung eines Aufwärtswandlungs- und Abwärtswandlungsbetriebs der zweiten Aufwärtswandlungs- und Abwärtswandlungsschaltung ist, und die Steuereinheit konfiguriert ist, zu der Zeit einer gegenseitigen Kopplung von Einschaltperioden von beiden des ersten und des zweiten PWM-Signals durch Verschiebung einer Phase von zumindest einem des ersten und des zweiten PWM-Signals eine Überlappungsphasenverschiebung, die die Einschaltperioden des ersten und des zweiten PWM-Signals teilweise überlappt, durch Heraufsetzen von einem der PWM-Signale, bevor das andere der PWM-Signale fällt, ausfzuühren.
Bei dem vorgenannten Aspekt kann ein Phasenverschiebungsbetrag für die Überlappungsphasenverschiebung in Entsprechung zu Fluktuationsvorhersagen der Einschaltperioden eingestellt werden, und kann die Steuereinheit konfiguriert sein, wenn eine Gesamtperiode der Einschaltperiode des ersten und des zweiten PWM-Signals basierend auf den Fluktuationsvorhersagen einmal in jeder Periode kurz wird, den Phasenverschiebungsbetrag derart einzustellen, dass ein Fallen von einem des ersten und des zweiten PWM-Signals in einer vorbestimmten Periode mit einem Ansteigen des anderen des ersten und des zweiten PWM-Signals in der vorbestimmten Periode zusammenfällt.
Bei dem vorgenannten Aspekt kann die Steuereinheit konfiguriert sein zum (i) Durchführen der Fluktuationsvorhersagen der Einschaltperiode von einer Ausführungsperiode der Phasenverschiebung bis zu der vorbestimmten Periode, und (ii) Ausführen der Überlappenphasenverschiebung, wenn als Ergebnis eines Vergleichs zwischen einem ersten Verlust und einem zweiten Verlust der erste Verlust kleiner ist als der zweite Verlust. Der erste Verlust kann einen Verlust umfassen, der in den Schaltelementen in einer Periode von der Ausführungsperiode bis zu der vorbestimmten Periode auftritt, wenn die Überlappungsverschiebung ausgeführt wird. Der zweite Verlust kann einen Verlust umfassen, der in den Schaltelementen in der Periode von der Ausführungsperiode bis zu der vorbestimmten Periode auftritt, wenn eine Flankenabgleichphasenverschiebung ausgeführt wird. Die Flankenabgleichphasenverschiebung kann eine Phasenverschiebung sein, durch die, wenn ein Fallen des einen der PWM-Signale und ein Ansteigen des anderen der PWM-Signale nicht miteinander zusammenfallen, das Fallen und das Ansteigen miteinander in Übereinstimmung gebracht werden.
Gemäß dem vorgenannten Aspekt der Erfindung ist es möglich, eine Phasenverschiebung auszuführen, die einen Energie- bzw. Leitungsverlust im Vergleich zu einer existierenden Phasenverschiebung reduziert.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Merkmale, Vorteile und technische sowie gewerbliche Bedeutung von beispielhaften Ausführungsbeispielen der Erfindung werden nachstehend unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben, in denen gleiche Bezugszeichen gleiche Elemente bezeichnen, und für die gilt:
1 ist eine Konfigurationsdarstellung eines elektrischen Systems eines Fahrzeugs, an dem ein elektrisches Energiewandlungssystem gemäß einem Ausführungsbeispiel installiert ist;
2A und 2B sind Darstellungen, die die Konfiguration eines elektrischen Energiewandlers gemäß dem Ausführungsbeispiel veranschaulichen;
3 ist eine Darstellung, die den Betrieb (CNV1- und CNV2-Aufladung) des elektrischen Energiewandlers gemäß dem Ausführungsbeispiel veranschaulicht;
4 ist eine Darstellung, die den Betrieb (CNV1- und CNV2-Entladung) des elektrischen Energiewandlers gemäß dem Ausführungsbeispiel veranschaulicht;
5 ist eine Darstellung, die den Betrieb (CNV1-Aufladung, CNV2-Entladung) des elektrischen Energiewandlers gemäß dem Ausführungsbeispiel veranschaulicht;
6 ist eine Darstellung, die den Betrieb (CNV1-Entladung, CNV2-Aufladung) des elektrischen Energiewandlers gemäß dem Ausführungsbeispiel veranschaulicht;
7 ist eine Darstellung, die eine Regelung veranschaulicht, die durch eine CNV-Steuereinheit ausgeführt wird;
8 ist eine Darstellung, die eine Flankenabgleichphasenverschiebung veranschaulicht;
9 ist eine Darstellung, die eine Überlappungsphasenverschiebung veranschaulicht;
10 ist eine Darstellung, die die Überlappungsphasenverschiebung veranschaulicht;
11 ist eine Darstellung, die Signalverlaufsformen zu der Zeit einer Ausführung der Flankenabgleichphasenverschiebung und Signalverlaufsformen zu der Zeit einer Ausführung einer Überlappungsphasenverschiebung veranschaulicht;
12 ist eine Darstellung, die eine Schätzung eines Verlusts zu der Zeit einer Ausführung der Flankenabgleichphasenverschiebung veranschaulicht;
13 ist eine Darstellung, die eine Schätzung eines Verlusts zu der Zeit einer Ausführung der Überlappungsphasenverschiebung veranschaulicht;
14 ist ein Ablaufdiagramm zu der Zeit, zu der die Phasenverschiebung durch die CNV-Steuereinheit ausgeführt wird;
15 ist eine Darstellung, die die Konfiguration eines elektrischen Energiewandlers gemäß einem alternativen Ausführungsbeispiel zu dem vorstehenden Ausführungsbeispiel veranschaulicht;
16 ist eine Darstellung, die die Konfiguration eines elektrischen Energiewandlers gemäß einem weiteren alternativen Ausführungsbeispiel zu dem vorgenannten Ausführungsbeispiel veranschaulicht;
17A bis 17C sind Darstellungen, die die Grundzüge einer Phasenverschiebung veranschaulichen;
18 ist eine Darstellung, die eine Phasenverschiebung durch Einfügung eines Hilfsträgers veranschaulicht;
19 ist eine Darstellung, die Änderungen der Signalverlaufsformen von PWM-Signalen zu der Zeit veranschaulicht, wenn ein Befehlssignalverlauf geändert wird; und
20 ist eine Darstellung, die eine Flankenabgleichphasenverschiebung zu der Zeit veranschaulicht, zu der ein Befehlssignalverlauf geändert wird.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG VON AUSFÜHRUNGSBEISPIELEN
Nachstehend werden hierin Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben. 1 veranschaulicht eine Konfigurationsdarstellung eines elektrischen Systems eines Fahrzeugs, das ein elektrisches Energiewandlungssystem 10 gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel umfasst. Die gestrichelten Linien mit abwechselnden langen und kurzen Strichen in 1 stellen Signalleitungen dar. In 1 ist zum einfachen Verständnis ein Teil von Komponenten, die nicht mit einer elektrischen Energiewandlung in Zusammenhang stehen, in der Zeichnung nicht gezeigt.
Gesamtkonfiguration
Das elektrische Energiewandlungssystem 10 umfasst eine erste Batterie B1, eine zweite Batterie B2, einen elektrischen Energiewandler bzw. Stromrichter 11 (Wandler bzw. Konverter) und eine CNV-Steuereinheit 13, die den elektrischen Energiewandler bzw. Stromrichter 11 steuert. Das elektrische Energiewandlungssystem 10 ist an einem Fahrzeug wie etwa einem Hybridfahrzeug und einem Elektrofahrzeug installiert. Abgesehen von dem elektrischen Energiewandlungssystem 10 sind an dem Fahrzeug ein Wechselrichter 18, eine drehende elektrische Maschine 20 und eine Steuereinheit 22 installiert.
Wie es in 1 gezeigt ist, ist jede der ersten Batterie B1 und der zweiten Batterie B2 separat mit dem elektrischen Energiewandler bzw. Stromrichter 11 verbunden. Der elektrische Energiewandler bzw. Stromrichter 11 setzt bzw. transformiert Gleichspannungen VB1, VB2 von der ersten Batterie B1 und der zweiten Batterie B2 herauf und gibt die heraufgesetzten bzw. -transformierten Gleichspannungen VB1, VB2 an den Wechselrichter 18 aus.
Der Wechselrichter 18 ist ein dreiphasiger Wechselrichter und mit der drehenden elektrischen Maschine 20 verbunden. Der Wechselrichter 18 wandelt Gleichstromenergie, die durch den elektrischen Energiewandler bzw. Stromrichter 11 aufwärtsgewandelt ist, in dreiphasige Wechselstromenergie und gibt die dreiphasige Wechselstromenergie an die drehende elektrische Maschine 20 aus. Dadurch wird die drehende elektrische Maschine 20 zur Drehung angetrieben. Die Antriebskraft der drehenden elektrischen Maschine 20 wird an (nicht gezeigte) Antriebsräder übertragen.
Während eines Bremsens des Fahrzeugs wird ein regeneratives Bremsen durch die drehende elektrische Maschine 20 durchgeführt. Regenerierte elektrische Energie, die zu dieser Zeit gewonnen wird, wird durch den Wechselrichter 18 von Wechselstromenergie in Gleichstromenergie gewandelt, die Gleichstromenergie wird durch den elektrischen Energiewandler bzw. Stromrichter 11 abwärtsgewandelt, und die abwärtsgewandelte Gleichstromenergie wird an die erste Batterie B1 und die zweite Batterie B2 zugeführt.
Die CNV-Steuereinheit 13 steuert einen Aufwärts-/Abwärtswandlungsbetrieb (einen Betrieb einer elektrischen Energiewandlung) und einen Reihe-Parallel-Umschaltbetrieb über den elektrischen Energiewandler bzw. Stromrichter 11 durch Steuerung der EIN-/AUS-Zustände von Schaltelementen S1 bis S4 des elektrischen Energiewandlers bzw. Stromrichters 11. Die Steuereinheit 22 steuert eine DC-AC-Wandlung oder eine AC-DC-Wandlung durch Steuerung der EIN/AUS-Zustände von (nicht gezeigten) Schaltelementen des Wechselrichters 18. Durch eine Steuerung über den elektrischen Energiewandler bzw. Stromrichter 11 und den Wechselrichter 18 steuern die CNV-Steuereinheit 13 und die Steuereinheit 22 den Antrieb der drehenden elektrischen Maschine 20.
Einzelheiten von Komponenten
Jede der ersten Batterie B1 und der zweiten Batterie B2 ist eine Gleichstromenergieversorgung bzw. -quelle, die durch eine Sekundärbatterie bzw. einen Akkumulator ausgebildet ist, und ist zum Beispiel ein Lithiumionenakkumulator oder ein Nickelmetallhydridakkumulator. Zumindest eine der ersten Batterie B1 und der zweiten Batterie B2 kann anstelle einer Sekundärbatterie bzw. eines Akkumulators ein elektrisches Speicherelement wie etwa ein elektrischer Doppelschichtkondensator sein.
Der Wechselrichter 18 wandelt Gleichstromenergie, die durch den elektrischen Energiewandler bzw. Stromrichter 11 aufwärtsgewandelt ist, in dreiphasige Wechselstromenergie und wandelt auch regenerierte elektrische Energie (dreiphasige Wechselstromenergie), die durch die drehende elektrische Maschine regeneriert wird, in Gleichstromenergie durch Ein- oder Ausschalten der (nicht gezeigten) Schaltelemente.
Der elektrische Energiewandler bzw. Stromrichter 11 setzt bzw. transformiert Spannung herauf oder herunter (wandelt elektrische Energie) zwischen der drehenden elektrischen Maschine 20 (Last) und jeder der ersten Batterie B1 und der zweiten Batterie B2 und schaltet auch eine Verbindung der ersten Batterie B1 und der zweiten Batterie B2 mit der drehenden elektrischen Maschine 20 zwischen einer Reihenschaltung und einer Parallelschaltung durch Ein- oder Ausschalten der Schaltelemente S1 bis S4 um.
Jedes der Schaltelemente S1 bis S4 des elektrischen Energiewandlers bzw. Stromrichters 11 ist zum Beispiel ein Transistorelement wir etwa ein IGBT. Wie es nachstehend beschrieben wird, wird jedes der Schaltelemente S1 bis S4 gemäß der logischen Addition von PWM1 und PWM2 ein- oder ausgeschaltet. PWM1 ist ein erstes PWM-Signal. PWM2 ist ein zweites PWM-Signal. Die Schaltelemente S1 bis S4 sind miteinander in Reihe geschaltet, sodass die Richtung von einer Hochspannungsleitung 26 zu einer Referenzleitung 28 eine Vorwärts- bzw. Durchlassrichtung darstellt. Die Hochspannungsleitung 26 ist eine Ausgangsleitung des elektrischen Energiewandlers bzw. Stromrichters 11. Zusätzlich sind Dioden D1 bis D4 antiparallel zu den jeweiligen Schaltelementen S1 bis S4 geschaltet.
Der elektrische Energiewandler bzw. Stromrichter 11 umfasst einen ersten Induktor (bzw. eine erste Spule) L1 und einen ersten Kondensator C1. Der erste Induktor L1 ist in Reihe mit der ersten Batterie B1 geschaltet. Der erste Kondensator C1 ist parallel zu der ersten Batterie B1 geschaltet. Der elektrische Energiewandler bzw. Stromrichter 11 umfasst einen zweiten Induktor (bzw. eine zweite Spule) L2 und einen zweiten Kondensator C2. Der zweite Induktor L2 ist in Reihe mit der zweiten Batterie B2 geschaltet. Der zweite Kondensator C2 ist parallel zu der zweiten Batterie B2 geschaltet.
Die erste Batterie B1 ist zwischen einem Verbindungspunkt (Knoten) 40 und der Referenzleitung 28 verbunden. Der Verbindungspunkt (Knoten) 40 ist, ausgehend von der Seite der Hochspannungsleitung 26, zwischen dem zweiten Schaltelement S2 und dem dritten Schaltelement S3 bereitgestellt. Zusätzlich ist die zweite Batterie B2 zwischen einem Verbindungspunkt 42 und einem Verbindungspunkt 44 verbunden. Der Verbindungspunkt 42 ist, ausgehend von der Seite der Hochspannungsleitung 26, zwischen dem ersten Schaltelement S1 und dem zweiten Schaltelement S2 bereitgestellt. Der Verbindungspunkt 44 ist, ausgehend von der Seite der Hochspannungsleitung 26, zwischen dem dritten Schaltelement S3 und dem vierten Schaltelement S4 bereitgestellt.
Der elektrische Energiewandler bzw. Stromrichter 11 ist im Stande, eine Verbindung der ersten Batterie B1 und der zweiten Batterie B2 mit der drehenden elektrischen Maschine 20 (Last) zwischen einer Reihenschaltung und einer Parallelschaltung umzuschalten, wie es vorstehend beschrieben ist. In der Parallelschaltung, wie es in 2A gezeigt ist, ist eine erste Aufwärts-/Abwärtswandlungsschaltung CNV1 zwischen der ersten Batterie B1 und der Hochspannungsleitung 26 (Ausgangsleitung) eingerichtet, und ist eine zweite Aufwärts-/Abwärtswandlungsschaltung CNV2 zwischen der zweiten Batterie B2 und der Hochspannungsleitung 26 eingerichtet.
Die erste Aufwärts-/Abwärtswandlungsschaltung CNV1 umfasst die erste Batterie B1, den ersten Induktor L1 und den ersten Kondensator C1. Die zweite Aufwärts-/Abwärtswandlungsschaltung CNV2 ist parallel zu der ersten Aufwärts-/Abwärtswandlungsschaltung CNV1 bereitgestellt und umfasst die zweite Batterie B2, den zweiten Induktor L2 und den zweiten Kondensator C2. Die Schaltelemente S1 bis S4 werden ein- oder ausgeschaltet, um zwischen einer Speicherung und einer Entladung von elektrischer Ladung des ersten und des zweiten Induktors L1, L2 umzuschalten.
Auf diese Art und Weise weisen die erste Aufwärts-/Abwärtswandlungsschaltung CNV1 und die zweite Aufwärts-/Abwärtswandlungsschaltung CNV2 eine derartige Schaltungskonfiguration auf, dass die Schaltelemente S1 bis S4 und die Dioden D1 bis D4 geteilt bzw. gemeinsam genutzt werden. Die Funktionen der Elemente unterscheiden sich jedoch teilweise zwischen der ersten Aufwärts-/Abwärtswandlungsschaltung CNV1 und der zweiten Aufwärts-/Abwärtswandlungsschaltung CNV2. Im Speziellen sind die Funktionen der Schaltelemente S1 bis S4 und der Dioden D1 bis D4 als "Arme" zwischen der ersten Aufwärts-/Abwärtswandlungsschaltung CNV1 und der zweiten Aufwärts-/Abwärtswandlungsschaltung CNV2 unterschiedlich. Der Arm bezeichnet eine Kombination von jedem Schaltelement und einer entsprechenden Diode, die antiparallel zu dem Schaltelement geschaltet ist.
2B zeigt das Schaltbild eines existierenden Aufwärts-/Abwärtswandlers. Bei diesem Wandler sind zwei Arme in einen "oberen Arm" und einen "unteren Arm" aufgeteilt. Herkömmlich bezeichnet der untere Arm einen Arm, der eine Schleifenschaltung mit einer Batterie und einem Induktor (bzw. einer Spule) einrichtet. Der obere Arm bezeichnet einen Arm, der eine Schaltung einrichtet, die sowohl eine Batterie als auch einen Induktor (bzw. eine Spule) mit einer Last verbindet.
Die Schaltelemente des oberen Arms und des unteren Arms werden komplementär ein- oder ausgeschaltet. Das heißt, wenn das Schaltelement des unteren Arms in dem EIN-Zustand ist, ist das Schaltelement des oberen Arms in dem AUS-Zustand. Umgekehrt, wenn das Schaltelement des oberen Arms in dem EIN-Zustand ist, ist das Schaltelement des unteren Arms in dem AUS-Zustand. In Anbetracht von PWM-Signalen zum Ein- oder Ausschalten der Schaltelemente ist, wenn das an das Schaltelement des oberen Arms zugeführte PWM-Signal PWM ist, das an das Schaltelement des unteren Arms zugeführte PWM-Signal /PWM, das ein invertiertes Signal darstellt.
Nachstehend wird hierin ein Setzen des Schaltelements des oberen Arms in den EIN-Zustand als "oberer Arm EIN" bezeichnet, und wird ein Setzen des Schaltelements des unteren Arms in den EIN-Zustand als "unterer Arm EIN" bezeichnet.
Mit Blick auf die vorstehend beschriebenen Funktionen des oberen Arms und des unteren Arms sind, aus Sicht der ersten Aufwärts-/Abwärtswandlungsschaltung CNV1, der Arm mit dem Schaltelement S1 (S1-Arm) und der Arm mit dem Schaltelement S2 (S2-Arm) obere Arme, und sind der Arm mit dem Schaltelement S3 (S3-Arm) und der Arm mit dem Schaltelement S4 (S4-Arm) untere Arme. Andererseits, aus Sicht der zweiten Aufwärts-/Abwärtswandlungsschaltung CNV2 des elektrischen Energiewandlers bzw. Stromrichters 11, sind der S1-Arm und der S4-Arm obere Arme, und sind der S2-Arm und der S3-Arm untere Arme.
Erneut Bezug nehmend auf 1 führt die Steuereinheit 22, wie es nachstehend beschrieben wird, verschiedene Betriebssteuerungen über das Fahrzeug aus, einschließlich einer Spannungswandlung und einer Umschaltung einer Energieversorgungsverschaltung über den elektrischen Energiewandler bzw. Stromrichter 11 oder den Wechselrichter 18. Die Steuereinheit 22 kann ein als elektronische Steuereinheit (ECU) bezeichneter Computer sein. Die Steuereinheit 22 umfasst zum Beispiel eine CPU, die eine arithmetische Schaltung darstellt, eine Speichereinheit wie etwa einen Speicher und eine Geräte- und Sensorschnittstelle, die über einen internen Bus miteinander verbunden sind.
Die Speichereinheit der Steuereinheit 22 speichert ein Steuerprogramm für die Schaltelemente S1 bis S4, ein Programm für eine (nachstehend beschriebene) Phasenverschiebung, ein Verlustkennfeld der Schaltelemente S1 bis S4 und ein Verschiebungsbetragskennfeld.
Die Steuereinheit 22 empfängt Signale von verschiedenen Sensoren über die Geräte- und Sensorschnittstelle. Im Speziellen empfängt die Steuereinheit 22 Detektionswerte von Batteriespannungssensoren 46A, 46B und Batteriestromsensoren 48A, 48B als die Signale, die mit der ersten Batterie B1 und der zweiten Batterie B1 in Zusammenhang stehen. Die Batteriespannungssensoren 46A, 46B messen Batteriespannungswerte VB1, VB2. Die Batteriestromsensoren 48A, 48B messen Batteriestromwerte I1, I2. Die Steuereinheit 22 empfängt einen Detektionswert von einem Ausgangsspannungssensor 50 als das Signal, das mit der Ausgangsspannung des elektrischen Energiewandlers bzw. Stromrichters 11 in Zusammenhang steht. Der Ausgangsspannungssensor 50 ist parallel zu einem Glättungskondensator CH geschaltet und misst eine Potentialdifferenz VH (Ausgangsspannung) zwischen der Hochspannungsleitung 26 und der Referenzleitung 28.
Die Steuereinheit 22 empfängt einen aktuellen Drehwinkel der drehenden elektrischen Maschine 20 und ein Detektionssignal von dreiphasigen Wechselströmen von einem Drehmelder 52 und Stromsensoren 54A, 54B als die Signale, die mit der drehenden elektrischen Maschine 20 in Zusammenhang stehen. Die Steuereinheit 22 empfängt Detektionssignale von Pedalabsenkungsbeträgen von einem Fahrpedal-Absenkungsbetragsensor und einem Bremspedal-Absenkungsbetragsensor (die nicht gezeigt sind) als weitere Fahrzeuginformation.
Die Steuereinheit 22 umfasst die CNV-Steuereinheit 13 als Teil der Steuereinheit 22. Die Steuereinheit 22 und die CNV-Steuereinheit 13 können in einem einzigen Computer eingebunden sein. Wenn ein Teil von Ressourcen wie etwa die CPU und der Speicher der CNV-Steuereinheit 13 zugewiesen sind, ist die CNV-Steuereinheit 13 im Stande, unabhängig von der Steuereinheit 22 zu arbeiten.
Die Steuereinheit 22 und die CNV-Steuereinheit 13 können durch separate Computer ausgebildet sein.
Die CPU der CNV-Steuereinheit 13 fungiert als eine Einrichtung zum Steuern des elektrischen Energiewandlers bzw. Stromrichters 11 durch Ausführung des Steuerprogramms der Schaltelemente S1 bis S4, des Programms der Phasenverschiebung oder dergleichen, die in der Speichereinheit des Computers gespeichert sind. Im Speziellen erzeugt die CNV-Steuereinheit 13 ein erstes PWM-Signal PWM1 und ein zweites PWM-Signal PWM2, und gibt sie das erste PWM-Signal PWM1 und das zweite PWM-Signal PWM2 an die Schaltelemente S1 bis S4 aus. Das erste PWM-Signal PWM1 entspricht einem Tastverhältnis bzw. einer relativen Einschaltdauer, das bzw. die Speicherungs-/Entladungsperioden einer elektrischen Ladung des ersten Induktors L1 der ersten Aufwärts-/Abwärtswandlungsschaltung CNV1 festlegt. Das zweite PWM-Signal PWM2 entspricht einem Tastverhältnis bzw. einer relativen Einschaltdauer, das bzw. die Speicherungs-/Entladungsperioden einer elektrischen Ladung des zweiten Induktors L2 der zweiten Aufwärts-/Abwärtswandlungsschaltung CNV2 festlegt. Das heißt, dass die CNV-Steuereinheit 13 die EIN/AUS-Betriebe der Schaltelemente S1 bis S4 über die PWM-Signale PWM1, PWM2 steuert. Zusätzlich steuert die CNV-Steuereinheit 13 die erste Aufwärts-/Abwärtswandlungsschaltung CNV1 und die zweite Aufwärts-/Abwärtswandlungsschaltung CNV2 durch eine Steuerung über die Schaltelemente S1 bis S4.
Betrieb von elektrischem Energiewandler
Der detaillierte Betrieb des elektrischen Energiewandlers bzw. Stromrichters 11 ist bereits aus der vorstehend beschriebenen JP 2013-013234 A oder dergleichen bekannt, weshalb nur ein Parallel-Aufwärts-/Abwärtswandlungsmodus, der mit einer (nachstehend beschriebenen) Phasenverschiebung in Zusammenhang steht, beschrieben wird. Zusätzlich wird, was den Parallel-Aufwärts-/Abwärtswandlungsmodus betrifft, aufgrund der Dualität zwischen einem Aufwärtswandlungsmodus und einem Abwärtswandlungsmodus, nur ein Parallel-Aufwärtswandlungsmodus beschrieben und die Beschreibung eines Parallel-Abwärtswandlungsmodus ausgelassen.
In dem Aufwärtswandlungsmodus werden hauptsächlich zwei Modi, nämlich ein Aufladungsmodus und ein Entladungsmodus, durch die Schaltelemente S1 bis S4 gegeneinander gewechselt. In dem Aufladungsmodus wird elektrische Ladung in dem Induktor (bzw. der Spule) gespeichert. In dem Entladungsmodus wird gespeicherte elektrische Ladung an eine Last entladen. In dem Parallel-Aufwärtswandlungsmodus werden der Aufladungsmodus und der Entladungsmodus in jeder der ersten Aufwärts-/Abwärtswandlungsschaltung CNV1 und der zweiten Aufwärts-/Abwärtswandlungsschaltung CNV2 unabhängig voneinander ausgeführt. Das heißt, dass in dem Aufwärtswandlungsmodus die zwei Typen von Betriebsmodi durch die zwei Typen von Schaltungen gewechselt werden, wodurch insgesamt vier Typen von Betriebszuständen betrachtet werden. Nachstehend werden diese Betriebszustände hierin unter Bezugnahme auf 3 bis 6 beschrieben.
3 zeigt eine Darstellung zu der Zeit, zu der beide der ersten und der zweiten Aufwärts-/Abwärtswandlungsschaltung CNV1, CNV2 in dem Aufladungsmodus sind. In Anbetracht des Betriebs des existierenden Aufwärts-/Abwärtswandlers, der in 2 links oben gezeigt ist, werden in dem Aufladungsmodus der obere Arm AUS und der untere Arm EIN eingestellt, wodurch in dem elektrischen Energiewandler bzw. Stromrichter 11, der in 3 gezeigt ist, die Schaltelemente S2 bis S4 der S2- bis S4-Arme, die die unteren Arme von zumindest einer der ersten Aufwärts-/Abwärtswandlungsschaltung CNV1 und der zweiten Aufwärts-/Abwärtswandlungsschaltung CNV 2 sind, in dem EIN-Zustand sind. Das Schaltelement S1 des S1-Arms, der der obere Arm von beiden der ersten und der zweiten Aufwärts-/Abwärtswandlungsschaltung CNV1, CNV2 ist, ist in dem AUS-Zustand.
Stromkomponenten, die jeweils durch die Schaltelemente S1 bis S4 gemäß der Zeichnung fließen, sind in 3 links oben gezeigt. Das Schaltelement S1 ist in dem AUS-Zustand. Der Strom I2 von der zweiten Batterie B2 fließt durch das Schaltelement S2. Der Strom I1 von der ersten Batterie B1 und der Strom I2 von der zweiten Batterie B2 fließen durch das Schaltelement S3. Der Strom I1 von der ersten Batterie B1 fließt durch das Schaltelement S4.
4 zeigt eine Darstellung zu der Zeit, zu der beide der ersten und der zweiten Aufwärts-/Abwärtswandlungsschaltung CNV1, CNV2 in dem Entladungsmodus sind. In dem Entladungsmodus sind der obere Arm EIN und der untere Arm AUS eingestellt, wodurch das Schaltelement S1 des S1-Arms, der der obere Arm von beiden der ersten und der zweiten Aufwärts-/Abwärtswandlungsschaltung CNV1, CNV2 ist, in dem EIN-Zustand ist. Die Schaltelemente S2 bis S4 der S2- bis S4-Arme, die die unteren Arme von zumindest einer der ersten Aufwärts-/Abwärtswandlungsschaltung CNV1 und der zweiten Aufwärts-/Abwärtswandlungsschaltung CNV2 sind, sind in dem AUS-Zustand.
Zu dieser Zeit, wenn einer des S3-Arms und des S4-Arms, die die unteren Arme der ersten Aufwärts-/Abwärtswandlungsschaltung CNV1 sind, in den AUS-Zustand gesetzt wird, wird die Schleifenschaltung unterbrochen, die die erste Batterie B1 mit dem ersten Induktor L1 verbindet, wodurch der Modus in den Entladungsmodus gewechselt wird. In ähnlicher Weise, wenn einer des S2-Arms und des S3-Arms, die die unteren Arme der zweiten Aufwärts-/Abwärtswandlungsschaltung CNV2 sind, in den AUS-Zustand gesetzt wird, wird der Modus in den Entladungsmodus gewechselt.
Das heißt, dass in dem in 4 gezeigten Entladungs- und Entladungsmodus nur einer des S3-Arms und des S4-Arms der ersten Aufwärts-/Abwärtswandlungsschaltung CNV1 in dem AUS-Zustand sein muss und nur einer des S2-Arms und des S3-Arms der zweiten Aufwärts-/Abwärtswandlungsschaltung CNV2 in dem AUS-Zustand sein muss. Mit anderen Worten ist der Entladungs- und Entladungsmodus eingestellt, wenn eines der Schaltelemente S2, S3 und eines der Schaltelemente S3, S4 in dem AUS-Zustand sind.
Stromkomponenten, die jeweils durch die Schaltelemente S1 bis S4 gemäß der Figur fließen, sind in 4 links oben gezeigt. Wie es in 4 gezeigt ist, fließt in dem Entladungsmodus in einem Aufwärtswandlungsprozess nahezu kein Strom durch die Schaltelemente S1 bis S4 (≈ 0), aber fließt Strom durch die Dioden D1 bis D4. Aus diesem Grund fließt kein Strom durch das Schaltelement S1, und fließt kein Strom durch die Schaltelemente S2 bis S4 oder sind die Schaltelemente S2 bis S4 in den AUS-Zustand eingestellt.
5 zeigt eine Darstellung zu der Zeit, zu der die erste Aufwärts-/Abwärtswandlungsschaltung CNV1 in dem Aufladungsmodus ist und die zweite Aufwärts-/Abwärtswandlungsschaltung CNV2 in dem Entladungsmodus ist. In der ersten Aufwärts-/Abwärtswandlungsschaltung CNV1 sind der obere Arm AUS und der untere Arm EIN (S1 AUS, S2 AUS, S3 EIN, S4 EIN) eingestellt, und in der zweiten Aufwärts-/Abwärtswandlungsschaltung CNV2 sind der obere Arm EIN und der untere Arm AUS (S1 EIN, S2 AUS, S3 AUS, S4 EIN) eingestellt. Gemäß dem Prinzip der Überlagerung, durch Berechnung der logischen Addition beider Schaltungen, sind die EIN/AUS-Zustände der Schaltelemente gleich S1 EIN, S2 AUS, S3 EIN, S4 EIN.
Stromkomponenten, die jeweils durch die Schaltelemente S1 bis S4 gemäß der Zeichnung fließen, sind in 5 links oben gezeigt. Wie es in 5 gezeigt ist, fließt nahezu kein Strom durch das Schaltelement S1. Das Schaltelement S2 ist in dem AUS-Zustand. Der Strom I1 von der ersten Batterie B1 fließt durch die Schaltelemente S3, S4.
6 stellt eine Umkehrung von 5 dar, das heißt, dass 6 eine Darstellung zu der Zeit zeigt, wenn die erste Aufwärts-/Abwärtswandlungsschaltung CNV1 in dem Entladungsmodus ist und die zweite Aufwärts-/Abwärtswandlungsschaltung CNV2 in dem Aufladungsmodus ist. In der ersten Aufwärts-/Abwärtswandlungsschaltung CNV1 sind der obere Arm EIN und der untere Arm AUS (S1 EIN, S2 EIN, S3 AUS, S4 AUS) eingestellt, und in der zweiten Aufwärts-/Abwärtswandlungsschaltung CNV2 sind der obere Arm AUS und der untere Arm EIN (S1 AUS, S2 EIN, S3 EIN, S4 AUS) eingestellt. Gemäß dem Prinzip der Überlagerung, durch Berechnung der logischen Addition beider Schaltungen, sind die EIN/AUS-Zustände der Schaltelemente gleich S1 EIN, S2 EIN, S3 EIN, S4 AUS.
Stromkomponenten, die jeweils durch die Schaltelemente S1 bis S4 gemäß der Zeichnung fließen, sind in 6 links oben gezeigt. Wie es in 6 gezeigt ist, fließt nahezu kein Strom durch das Schaltelement S1. Der Strom I2 von der zweiten Batterie B2 fließt durch die Schaltelemente S2, S3. Das Schaltelement S4 ist in dem AUS-Zustand.
Regelung von Steuereinheit
Wie es vorstehend beschrieben ist, steuert die CNV-Steuereinheit 13 die EIN/AUS-Betriebe der Schaltelemente S1 bis S4 durch die PWM-Signale PWM1, PWM2. Es wird nun eine Erzeugung der PWM-Signale PWM1, PWM2 beschrieben. Die CNV-Steuerung 13 führt eine Regelung zum Erhalten einer Differenz zwischen der gemessenen Ausgangsspannung VH des elektrischen Energiewandlers bzw. Stromrichters 11 und einem Sollwert VH* der Ausgangsspannung und Reduzieren der Differenz aus. Wenn eine Rückkopplungsverstärkung in der Steuerung übermäßig ist, tritt eine Schwankung („hunting“) dahingehend auf, dass ein bestimmungsgemäßer Parameter (Ausgangsspannung VH) oszilliert, wodurch die Ausgangsspannung VH über mehrere Perioden hinweg allmählich nahe an den Sollwert VH* gebracht wird.
Zum Beispiel, wenn die Steuereinheit 22 eine Anforderung zum Erhöhen eines Abtriebsdrehmoment zum Beispiel auf Grundlage einer Erhöhung des von einem Fahrpedalsensor empfangenen Pedalhubbetrags bestimmt, erhöht die Steuereinheit 22 den Sollwert VH* der Ausgangsspannung des elektrischen Energiewandlers bzw. Stromrichters 11. Die CNV-Steuereinheit 13 stellt Sollbefehlswerte für die erste Aufwärts-/Abwärtswandlungsschaltung CNV1 und die zweite Aufwärts-/Abwärtswandlungsschaltung CNV 2 auf Grundlage des erhöhten Sollwerts VH* ein, wie es durch die gestrichelte Linie in 7 angedeutet ist. 7 zeigt nur den Prozess der Erzeugung des PWM-Signals PWM1 für die erste Aufwärts-/Abwärtswandlungsschaltung CNV1.
Die CNV-Steuereinheit 13 stellt die Zunahmerate ein und bringt den Befehlssignalverlauf sukzessive auf den Sollwert, indem sie den Befehlssignalverlauf des PWM-Signals einmal in jeder Periode erhöht. Die Zunahmerate kann ein vorbestimmter oberer Grenzwert der Rückkopplungsverstärkung sein. Als Folge einer Erhöhung des Befehlswerts über mehrere Perioden hinweg wird eine (hierin nachstehend einfach als EIN-Periode bezeichnete) Einschaltperiode bzw. Betriebs-/Aktivitätsperiode des PWM-Signals PWM1 sukzessive reduziert.
Phasenverschiebung durch Steuereinheit – Flankenabgleichphasenverschiebung
Die CNV-Steuereinheit 13 führt eine Phasenverschiebung zum Koppeln der EIN-Perioden in der PWM-Signale PWM1, PWM2 aus, um einen Verlust zu reduzieren, der in den Schaltelementen S1 bis S4 auftritt. Der Verlust, der in den Schaltelementen auftritt, umfasst einen Schaltverlust und einen Überlappungsverlust. Der Schaltverlust tritt zu der Zeit eines Umschaltens der EIN/AUS-Zustände auf, wie es durch die gestrichelten Linien in 17A eingekreist ist. Der Überlappungsverlust tritt zu der Zeit auf, zu der die EIN-Zustände einander überlappen. In einem EIN-Verlust (Stationär- bzw. Dauer-/Ruheverlust) bezeichnet der Überlappungsverlust einen Verlust, der zu der Zeit auftritt, zu der die EIN-Perioden der PWM-Signale PWM1, PWM2 einander überlappen (zu der Zeit, zu der beide Ströme übereinander fließen), wie es durch die Schraffierung in 17B angedeutet ist.
Die Phasenverschiebung zum Reduzieren des vorstehend beschriebenen Verlusts wird zunächst ausgehend von einer Flankenabgleichphasenverschiebung beschrieben, die generell ausgeführt wird. In der Flankenabgleichphasenverschiebung wird die Phasenverschiebung ausgeführt, wenn die fallende Flanke (das Fallen) der EIN-Periode des PWM-Signals PWM1 und die ansteigende Flanke (das Ansteigen) der EIN-Periode des PWM-Signals PWM2 nicht miteinander übereinstimmen bzw. zusammenfallen, um diese Flanken in gegenseitige Übereinstimmung (Verbindung bzw. Kopplung) zu bringen.
Wie es vorstehend beschrieben ist, werden die EIN/AUS-Betriebe der Schaltelemente S1 bis S4 in dem Parallel-Aufwärts/Abwärtswandlungsmodus des elektrischen Energiewandlers bzw. Stromrichters 11 in Erwiderung auf die logische Addition des PWM-Signals PWM1 für die erste Aufwärts-/Abwärtswandlungsschaltung CNV1 und des PWM-Signals PWM2 für die zweite Aufwärts-/Abwärtswandlungsschaltung CNV2 gesteuert. Wenn die fallende Flanke des PWM-Signals PWM1 und die ansteigende Flanke des PWM-Signals PWM2 in Übereinstimmung miteinander gebracht sind, reduziert sich die Anzahl von Schaltvorgängen (die Anzahl von EIN/AUS-Schaltvorgängen), mit dem Ergebnis, dass es möglich ist, einen Schaltverlust zu reduzieren.
8 zeigt ein Beispiel der Flankenabgleichphasenverschiebung. Wie es in der Zeichnung gezeigt ist, fällt die ansteigende Flanke (das Ansteigen) eines verschobenen PWM-Signals PWM2' mit der fallenden Flanke (dem Fallen) des PWM-Signals PWM1 zusammen, wenn das PWM-Signal PWM2 um eine halbe EIN-Periode (Tastverhältnis 1)/2 des PWM-Signals PWM1 und eine halbe EIN-Periode (Tastverhältnis 2)/2 des PWM-Signals PWM2 verschoben wird. Wenn ein Phasenverschiebungsbetrag durch einen Winkel bezeichnet wird, wird ein Flankenabgleichphasenverschiebungsbetrag θsft durch den folgenden mathematischen Ausdruck (1) ausgedrückt. ( Tastverhältnis1 / 2 + Tastverhältnis2 / 2) × 360° = θ_sft (1)
Die CNV-Steuereinheit 13 verschiebt die Phase des PWM-Signals PWM2 durch Einfügung eines Hilfsträgers des Phasenverschiebungsbetrags θsft, der durch den mathematischen Ausdruck (1) erhalten wird, in den Trägersignalverlauf des PWM-Signals PWM2, wodurch die ansteigende Flanke des PWM-Signals PWM2 mit der fallenden Flanke des PWM-Signals PWM1 in Übereinstimmung gebracht wird.
Phasenverschiebung durch Steuereinheit – Überlappungsphasenverschiebung
Als Nächstes wird eine Überlappungsphasenverschiebung beschrieben. In dieser Phasenverschiebung wird zu der Zeit einer Kopplung der PWM-Signale PWM1, PWM2 die Phase von zumindest einem der PWM-Signale PWM1, PWM2 verschoben, indem das PWM-Signal PWM2 heraufgesetzt wird, bevor das PWM-Signal PWM1 fällt, das heißt, indem die ansteigende Flanke (das Ansteigen) des PWM-Signals PWM2 mit Bezug auf die fallende Flanke (das Fallen) des PWM-Signals PWM1 vorgerückt/-verschoben bzw. vorwärtsbewegt wird, sodass die EIN-Perioden der PWM-Signale PWM1, PWM2 einander teilweise überlappen.
9 zeigt ein Beispiel der Überlappenphasenverschiebung. In diesem Beispiel wird zum einfachen Verständnis, als ein Beispiel einer Änderung des Tastverhältnisses, die Rate des PWM-Signals PWM1 auf 1,0 (konstant) eingestellt und die Rate des PWM-Signals PWM2 auf 0,9 eingestellt. Die Raten werden über mehrere Perioden beibehalten, und die EIN-Periode des PWM-Signals PWM2 wird entsprechend einmal in jeder Periode reduziert.
Wenn die Flankenabgleichphasenverschiebung jedes Mal dann ausgeführt wird, wenn die EIN-Periode in einem solchen Fall reduziert wird, tritt ein Schaltverlust aufgrund eines Hilfspulses einmal in jeder Periode auf, wie es in 20 gezeigt ist, und bestehen Bedenken dahingehend, dass der Vorteil einer Reduzierung des Verlusts aufgrund der Phasenverschiebung verloren geht.
Die CNV-Steuereinheit 13 führt eine Steuerung durch Vorrücken/-verschieben bzw. Vorwärtsbewegen der ansteigenden Flanke des PWM-Signals PWM2 mit Bezug auf die fallende Flanke des PWM-Signals PWM1 aus, kurz gesagt durch Bereitstellung einer Überlappungsbreite, sodass, selbst wenn die EIN-Periode des PWM-Signals PWM2 in den folgenden Perioden reduziert wird, die ansteigende Flanke des PWM-Signals PWM2 sich nicht von (gegenüber) der fallenden Flanke des PWM-Signals PWM1 trennt bzw. entfernt (verzögert).
Ein Phasenverschiebungsbetrag für die Überlappungsphasenverschiebung wird in Entsprechung zu Fluktuations- bzw. Schwankungsvorhersagen in einer EIN-Periode eingestellt. Jede Fluktuations- bzw. Schwankungsvorhersage kann durchgeführt werden, indem Raten in der vorstehend beschriebenen Regelung erhalten werden. 9 zeigt ein Beispiel der Überlappungsphasenverschiebung. Anfänglich wird eine EIN-Periode (Tastverhältnis 2₀ × Rate 2^t) von PWM2_t nach einer Überlappungsperiode t (in 9 gilt t = 4) von einer aktuellen Periode PWM2₀ erhalten. Das PWM-Signal PWM2 wird um eine halbe EIN-Periode (Tastverhältnis 2₀ × Rate 2^t)/2 und eine halbe EIN-Periode (Tastverhältnis 1)/2 des PWM-Signals PWM1 verschoben. Im Speziellen wird der Phasenverschiebungsbetrag θsft durch den folgenden mathematischen Ausdruck (2) ausgedrückt.
Die CNV-Steuereinheit 13 wendet die Phasenverschiebung basierend auf dem Verschiebungsbetrag θsft auf PWM2₁ der nächsten Periode nach der aktuellen Periode an. Als Folge hiervon, wie es in 10 gezeigt ist, wird die ansteigende Flanke des PWM-Signals PWM2 zwischen den Perioden PWM2₁ bis PWM2₃ mit Bezug auf die fallende Flanke des PWM-Signals PWM1 vorgerückt/-verschoben bzw. vorwärtsbewegt, und reduziert sich der Vorrück-/Vorverschiebungs- bzw. Vorwärtsbewegungsbetrag (die Überlappungsbreite) einmal in jeder Periode. Zusätzlich fällt in einer Periode PWM2₄ die fallende Flanke des PWM-Signals PWM1 mit der ansteigenden Flanke des PWM-Signals PWM2 zusammen.
Auf diese Art und Weise wird durch Ausführung der Überlappungsphasenverschiebung eine Trennung bzw. Entfernung der ansteigenden Flanke des PWM-Signals PWM2 von der fallenden Flanke des PWM-Signals PWM1 selbst dann vermieden, wenn die EIN-Periode des PWM-Signals über mehrere Perioden hinweg sukzessive verkürzt wird. Daher reduziert sich die Häufigkeit einer Ausführung der Phasenverschiebung, wodurch es möglich ist, einen Anstieg des Schaltverlusts eines Hilfspulses entsprechend zu verhindern.
In der vorstehend beschriebenen Überlappungsphasenverschiebung kann eine bestimmungsgemäße Überlappungsperiode t beliebig eingestellt werden. Zum Beispiel kann eine Konstante (t = 5 oder dergleichen) eingestellt werden. Eine Periode, die zum Erhöhen der gemessenen Ausgangsspannung VH auf den Sollwert VH* erforderlich ist, kann als die Überlappungsperiode t eingestellt werden. Mit dieser Konfiguration wird eine Verzögerung (Trennung bzw. Entfernung) der ansteigenden Flanke des PWM-Signals PWM2 gegenüber (von) der fallenden Flanke des PWM-Signals PWM1 über die gesamte Periode hinweg vermieden, in der die gemessene Ausgangsspannung VH auf den Sollwert VH* erhöht wird, wodurch ein zusätzlicher Hilfspuls vermieden wird.
In 9 ist zur einfachen Veranschaulichung die Rate des PWM-Signals PWM1 auf 1,0 (konstant) eingestellt; die Rate ist jedoch nicht auf diese Konfiguration beschränkt. Kurz gesagt kann in dem Fall, dass die Flankenabgleichphasenverschiebung mehrere Male ausgeführt werden muss, ein Vorteil in der Ausführung der Überlappungsphasenverschiebung anstelle der Flankenabgleichphasenverschiebung bestehen. Das heißt, wenn die EIN-Periode des PWM-Signals verkürzt wird und sich die ansteigende Flanke von einem der PWM-Signale gegenüber der fallenden Flanke des anderen selbst mit einer einmaligen Flankenabgleichphasenverschiebung verzögert, besteht ein Vorteil in der Ausführung der Überlappungsphasenverschiebung.
Der vorstehend beschriebene Fall kann auftreten, wenn die Gesamtperiode der Einschaltperioden der PWM-Signale PWM1, PWM2 basierend auf Fluktuations- bzw. Schwankungsvorhersagen einmal in jeder Periode kurz wird, das heißt, wenn die Durchschnittsrate der PWM-Signale PWM1, PWM2 kleiner wird als 1,0. Aus diesem Grund wird, wenn beide Raten der PWM-Signale PWM1, PWM2 durch Erweiterung des mathematischen Ausdrucks (2) berücksichtigt werden, der mathematische Ausdruck (3) als ein mathematischer Ausdruck zum Erhalten des Verschiebungsbetrags θsft_t der Überlappungsphasenverschiebung hergeleitet.
Die CNV-Steuereinheit 13 erhält den Verschiebungsbetrag θsft_t der Überlappungsphasenverschiebung auf Grundlage des mathematischen Ausdrucks (3). Wahlweise wird der Verschiebungsbetrag θsft_t nach Bedarf auf- bzw. abgerufen, indem ein Kennfeld konsultiert wird, das im Voraus als die Korrelation zwischen dem Verschiebungsbetrag θsft_t und den Tastverhältnissen Tastverhältnis1, Tastverhältnis2, den Raten Rate1, Rate2 und der Überlappungsperiode t erhalten wird.
In 7 und 9 sind Beispiele, in denen die EIN-Periode einmal in jeder Periode reduziert wird, als ein Beispiel gezeigt, in dem die EIN-Periode über mehrere Perioden hinweg sukzessive reduziert wird; das Beispiel, in dem die EIN-Periode über mehrere Perioden hinweg sukzessive reduziert wird, ist jedoch nicht auf dieses Beispiel beschränkt. Zum Beispiel kann die vorstehend beschriebene Überlappungsphasenverschiebung ebenso angewandt werden, wenn die EIN-Perioden einmal alle zwei Perioden sukzessive reduziert werden.
Außerdem sind in 7 und 9 Beispiele, in denen die EIN-Periode über mehrere Perioden hinweg sukzessive reduziert wird, als ein Beispiel einer Änderung des Tastverhältnisses gezeigt; die Überlappungsphasenverschiebung ist jedoch nicht auf diese Beispiele beschränkt. Zum Beispiel besteht ein Vorteil in der Ausführung der Überlappungsphasenverschiebung im Vergleich zu der Flankenabgleichphasenverschiebung, wenn in beliebigen mehreren Perioden mehrere Male die Periode auftritt, in der die Durchschnittsrate der PWM-Signale PWM1, PWM2 kleiner wird als 1,0.
In einem solchen Fall wird der Verschiebungsbetrag θsft_t durch Einstellung der Überlappungsperiode t auf die Periode erhalten, in der die Summe der EIN-Perioden der PWM-Signale PWM1, PWM2 am kürzesten ist. Mit dieser Konfiguration wird eine Verzögerung der ansteigenden Flanke von PWM2 gegenüber der fallenden Flanke von PWM1 in allen Perioden einschließlich der Überlappungsperiode t vermieden.
Bei dem vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiel wird nur PWM2 der Phasenverschiebung unterzogen; die Erfindung ist jedoch nicht auf diese Betriebsweise beschränkt. Zum Beispiel kann PWM1 anstelle von PWM2 der Phasenverschiebung unterzogen werden, oder kann der Verschiebungsbetrag θsft zwischen PWM1 und PWM2 verteilt werden. Zum Beispiel können sowohl PWM1 als auch PWM2 der Phasenverschiebung unterzogen werden, wobei der Verschiebungsbetrag von PWM1 auf –θsft/2 und der Verschiebungsbetrag von PWM2 auf θsft/2 eingestellt wird.
Vergleich zwischen Überlappungsphasenverschiebung und Flankenabgleichphasenverschiebung
11 veranschaulicht die Signalverlaufsformen der PWM-Signale PWM1, PWM2 zu der Zeit, zu der die Flankenabgleichphasenverschiebung ausgeführt wird, und die Signalverlaufsformen der PWM-Signale PWM1, PWM2 zu der Zeit, zu der die Überlappungsphasenverschiebung ausgeführt wird. In diesem Beispiel sind die Signalverlaufsformen von beiden Phasenverschiebungen bis zu der bestimmungsgemäßen Periode gezeigt, wobei die Überlappungsperiode t gleich 4 ist. In diesem Beispiel ist die Rate von PWM1 auf 1,0 eingestellt und ist die Rate von PWM2 auf 0,9 eingestellt.
Bezug nehmend auf die Flankenabgleichphasenverschiebung in 11 oben ist ein Hilfspuls zwischen PWM2₀ und PWM2₁ eingefügt, und sind die Flanken von PWM1 und PWM2₁ abgeglichen bzw. fluchtend. Die EIN-Periode von PWM2 wird jedoch sukzessive reduziert, weshalb sich die ansteigende Flanke von PWM2₂ gegenüber der fallenden Flanke von PWM1 verzögert. Ein Hilfspuls ist erneut zwischen PWM2₂ und PWM2₃ eingefügt, und die Flanken von PWM1 und PWM2 sind abgeglichen bzw. fluchtend.
Andererseits, Bezug nehmend auf die Überlappungsphasenverschiebung in 11 unten, ist ein Hilfspuls zwischen PWM2₀ und PWM2₁ eingefügt, und sind die Flanken derart abgeglichen bzw. fluchtend, dass die EIN-Perioden von PWM1 und PWM2₁ einander teilweise überlappen. Daraufhin wird die Kopplungsbeziehung zwischen PWM1 und PWM2 bis PWM2₄ beibehalten, während die Überlappungsbreite schmaler wird.
Auf diese Art und Weise ist es durch Ausführung der Überlappungsphasenverschiebung möglich, die Häufigkeit des Auftretens eines Hilfspulses im Vergleich zu dem Fall zu reduzieren, in dem die Flankenabgleichphasenverschiebung ausgeführt wird. Als Ergebnis ist es möglich, auch einen aus einem Hilfspuls resultierenden Schaltverlust zu reduzieren.
Auswahl von Phasenverschiebungsverfahren basierend auf Verlustschätzung
In der Überlappungsphasenverschiebung wird die ansteigende Flanke des PWM-Signals PWM2 mit Bezug auf die fallende Flanke des PWM-Signals PWM1 vorgerückt/-verschoben bzw. vorwärtsbewegt, wodurch eine Überlappung zwischen den EIN-Perioden der PWM-Signale PWM1, PWM2 auftritt. Während der Überlappungsperiode erhöht sich ein Überlappungsverlust, der durch die Schraffierung in 17B gezeigt ist. Zusätzlich, wie es in 11 gezeigt ist, gibt es in der Überlappungsphasenverschiebung einen Fall, in dem der Hilfspuls von dem PWM-Signal PWM1 getrennt bzw. entfernt ist und als Folge dessen ein Schaltverlust auftritt, da die EIN-Periode des Hilfspulses kürzer ist als die EIN-Periode des Hilfspulses der Flankenabgleichphasenverschiebung. Durch Vergleich eines Verlusts, der als Folge der Überlappungsphasenverschiebung auftritt, mit einem Verlust, der als Folge der Flankenabgleichphasenverschiebung auftritt, kann eine Phasenverschiebung ausgewählt werden, die weniger Verlust erzeugt.
Die CNV-Steuerung 13 führt Fluktuations- bzw. Schwankungsvorhersagen der EIN-Perioden von einer Ausführungsperiode der Phasenverschiebung bis zu einer vorbestimmten Periode durch und schätzt einen Energie- bzw. Leistungsverlust, der in den Schaltelementen S1 bis S4 in der Periode von der Ausführungsperiode bis zu der vorbestimmten Periode in dem Fall auftritt, dass die Überlappungsphasenverschiebung ausgeführt wird. Parallel dazu schätzt die CNV-Steuereinheit 13 einen Energie- bzw. Leistungsverlust, der in den Schaltelementen S1 bis S4 in der Periode von der Ausführungsperiode bis zu der vorbestimmten Periode in dem Fall auftritt, dass die Flankenabgleichphasenverschiebung ausgeführt wird. Zusätzlich wird durch gegenseitigen Vergleich der Verluste die Phasenverschiebung ausgeführt, die weniger Energie- bzw. Leistungsverlust erzeugt.
Ein Energieverlust aufgrund der Flankenabgleichphasenverschiebung und ein Energieverlust aufgrund der Überlappungsphasenverschiebung können durch Simulation oder dergleichen geschätzt werden. 12 und 13 veranschaulichen Zeitdiagramme zur Schätzung von Energieverlusten zu der Zeit, zu der die jeweiligen Phasenverschiebungen ausgeführt werden, die in 11 gezeigt sind. Zur Zweckdienlichkeit der Zeichnung sind die Zeitdiagramme von PWM2₀ bis PWM2₁ ausgeschnitten und gezeigt.
Ausgehend vom oberen Ende des Zeitdiagramms von 12 bezeichnen /PWM1, /PWM2 jeweils die invertierten Signale von PWM1, PWM2. Die Fluktuationen bzw. Schwankungen in diesen Signalen werden vorhergesagt, indem die vorstehend beschriebenen Raten erhalten werden. S1-PWM bis S4-PWM bezeichnen jeweils die PWM-Signale, die an die Schaltelemente S1 bis S4 übertragen werden. Zusätzlich zu den EIN/AUS-Zuständen der Schaltelemente S1 bis S4 sind Stromkomponenten in dem Ein-Zustand rechts von S1-PWM bis S4-PWM gezeigt.
Beschriftungen wie etwa (/1 + 2) bezeichnen überlagerte Signale der PWM-Signale PWM1, PWM2, die an die jeweiligen Schaltelemente übertragen werden. Zum Beispiel werden in dem Fall von (/1 + 2) die PWM-Signale /PWM1 und PWM2 überlagert. Zusätzlich bezeichnet ein Betriebsmodus unten den Aufladungs-/Entladungsmodus von jeder der ersten Aufwärts-/Abwärtswandlungsschaltung CNV1 und der zweiten Aufwärts-/Abwärtswandlungsschaltung CNV2 zu einer jeweiligen Zeit. C1, C2 bezeichnen die erste und die zweite Aufwärts-/Abwärtswandlungsschaltung CNV1, CNV2, das Suffix_C bezeichnet den Aufladungsmodus, und das Suffix_D bezeichnet den Entladungsmodus.
Aus den Signalverlaufsformen von PWM1, /PWM1, PWM2, /PWM2 werden die EIN/AUS-Zustände der Schaltelemente S1 bis S4 erhalten. Zusätzlich werden durch Eingrenzen darauf, welche der in 3 bis 6 gezeigten Betriebsmodi den EIN/AUS-Mustern der Schaltelemente S1 bis S4 entsprechen, Stromkomponenten erhalten, die jeweils durch die Schaltelemente S1 bis S4 fließen.
Die linke Seite des Blatts (die linke Seite der gestrichelten Linie mit abwechselnden langen und kurzen Strichen) von 12 zeigt die Signalverlaufsformen, bevor die Flankenabgleichphasenverschiebung ausgeführt wird, und die rechte Seite des Blatts zeigt die Signalverlaufsformen, nachdem die Flankenabgleichphasenverschiebung ausgeführt ist. In den Signalverlaufsformen von S1-PWM bis S4-PWM bezeichnen die Pfeile, dass ein Schaltverlust auftritt. Die Schraffierung bezeichnet, dass ein Überlappungsverlust aufgrund einer Überlagerung von Strömen I1 bis I2 auftritt.
Bezug nehmend auf die Signalverlaufsformen von S1-PWM bis S4-PWM nach der Flankenabgleichphasenverschiebung beträgt die Anzahl von Schaltverlusten zehn und beträgt die Anzahl von Überlappungsverlusten aufgrund von Stromüberlagerung (I1 + I2) 0. Außerdem sind unter den zehn Schaltverlusten vier Schaltverluste durch den Zustand verursacht, dass ein durch das Schaltelement fließender Strom (Kollektorstrom) zu der Zeit eines EIN/AUS-Schaltens Null ist, und sechs Schaltverluste durch den Zustand verursacht, dass ein durch das Schaltelement fließender Strom I1 oder I2 ist. Da jeder Schaltverlust proportional zu einem Kollektorstrom ist, können die Erstgenanten als Energieverlust ignoriert werden. Daher beträgt die Anzahl von Schaltverlusten sechs, die als Energieverlust gezählt werden, wobei der Kollektorstrom I1 oder I2 zu der Zeit eines EIN/AUS-Schaltens fließt.
13 veranschaulicht ein Zeitdiagramm zur Schätzung eines Energieverlusts zu der Zeit, zu der die Überlappungsphasenverschiebung ausgeführt wird. Die Symbole und Beschriftungen, die in dem Zeitdiagramm gezeigt sind, sind ähnlich zu denjenigen von 12, weshalb die Beschreibung von diesen ausgelassen wird.
Die Signalverlaufsformen, nachdem die Überlappungsphasenverschiebung ausgeführt ist, sind auf der rechten Seite des Blatts (der rechten Seite der gestrichelten Linie mit abwechselnden langen und kurzen Strichen) gezeigt. Wenn Verluste zu dieser Zeit gezählt werden, beträgt die Anzahl von Schaltverlusten sechs, die durch die Tatsache verursacht werden, dass der Kollektorstrom I1 oder I2 zu der Zeit eines EIN/AUS-Schaltens fließt, und beträgt die Anzahl von Überlappungsverlusten aufgrund von Stromüberlagerung (I1 + I2) eins.
12 und 13 zeigen die Signalverlaufsformen von nur einer Periode, in der die Phasenverschiebung ausgeführt wird. Ein Energieverlust wird durch Ausdehnung der Signalverlaufsformen von einer Periode auf die Überlappungsperiode t sowohl für die Flankenabgleichphasenverschiebung als auch die Überlappungsphasenverschiebung erhalten. Mit dieser Konfiguration ist es möglich, einen Gesamtverlust von einer Phasenverschiebungsausführungsperiode (der ersten Periode in 11) über die Überlappungsperiode t (vier Perioden) hinweg zu der Zeit zu schätzen, zu der die Überlappungsphasenverschiebung oder die Flankenabgleichphasenverschiebung ausgeführt wird. Es ist möglich, die Phasenverschiebung auszuwählen, die weniger Energieverlust erzeugt, indem das Schätzergebnis genutzt wird.
Eine derartige Simulation kann durch die CNV-Steuerung 13 nach Bedarf ausgeführt werden; eine Zeit, die einer arithmetischen Verarbeitung zugewiesen werden darf/kann, ist jedoch begrenzt (zum Beispiel eine Steuerperiode), weshalb das Ergebnis der vorstehend beschriebenen Simulation bezüglich der Betriebe der Schaltelemente S1 bis S4 in der Speichereinheit der Steuereinheit 22 als ein Verlustkennfeld im Voraus gespeichert werden kann und nach Bedarf auf- bzw. abgerufen werden kann.
Wenn das Verlustkennfeld im Voraus gespeichert wird, kann nicht nur ein Vergleich der Anzahl von Energieverlusten, sondern auch eine durch eine Berechnung höherer Ebene vorgenommene Schätzung durchgeführt werden. Das heißt, dass ein geschätzter Verlustbetrag, der die Dauer von Stroms I1+I2 für einen Überlappungsverlust, die Verlusteigenschaften (EIN-/AUS-Schaltverlust) von jedem Schaltelement für einen Schaltverlust und dergleichen einbezieht, erhalten und verglichen werden kann.
Ablauf von Phasenverschiebung
14 zeigt ein Ablaufdiagramm der vorstehend beschriebenen Steuerung. Anfangs wird als ein Auslöser zum Starten der Phasenverschiebung eine Sollausgangsspannung VH* an die Steuereinheit 22 übertragen und die Sollausgangsspannung VH* aktualisiert. Die CNV-Steuereinheit 13 berechnet ein Soll-Tastverhältnis1* und ein Soll-Tastverhältnis2*, die Sollwerte der EIN-Perioden der PWM-Signale PWM1, PWM2 darstellen, auf Grundlage der Sollausgangsspannung VH* (S10).
Danach erhält die CNV-Steuereinheit 13 die Raten Rate1, Rate2 der PWM-Signale PWM1, PWM2 (S12). Wie es vorstehend beschrieben ist, wird ein oberer Grenzwert der Rückkopplungsverstärkung oder ein Wert, der kleiner oder gleich dem oberen Grenzwert ist, als die Raten eingestellt.
Danach vergleicht die CNV-Steuereinheit 13 den Verlust der Flankenabgleichphasenverschiebung mit dem Verlust der Überlappungsphasenverschiebung. Die CNV-Steuereinheit 13 berechnet den Phasenverschiebungsbetrag θsft₀ von den EIN-Perioden (Einschaltperioden bzw. Betriebs-/Aktivitätsperioden) Tastverhältnis1₀, Tastverhälntis2₀ der aktuellen Periode auf Grundlage des mathematischen Ausdrucks (1) (S14). Wahlweise wird der Flankenabgleichphasenverschiebungsbetrag θsft₀ aus dem Verschiebungsbetragskennfeld auf- bzw. abgerufen, das die Korrelation zwischen Tastverhältnis1₀ und Tastverhältnis2₀ und dem Flankenabgleichphasenverschiebungsbetrag θsft₀ definiert.
Zusätzlich schätzt die CNV-Steuereinheit 13 einen Verlust zu der Zeit, zu der die Flankenabgleichphasenverschiebung ausgeführt wird, durch Verwendung des Phasenverschiebungsbetrags θsft₀, indem sie das Verlustkennfeld konsultiert (S16).
Die CNV-Steuereinheit 13 schätzt einen Energieverlust aufgrund der Überlappungsphasenverschiebung parallel zu einer Schätzung eines Energieverlusts aufgrund der Flankenabgleichphasenverschiebung. Die CNV-Steuereinheit 13 berechnet den Überlappungsphasenverschiebungsbetrag θsft_t von den EIN-Perioden Tastverhältnis1₀, Tastverhältnis2₀ der aktuellen Periode, den Raten Rate1, Rate2 und der Überlappungsperiode t auf Grundlage des mathematischen Ausdrucks (3) (S18). Wahlweise wird der Flankenabgleichphasenverschiebungsbetrag θsft_t von dem Verschiebungsbetragskennfeld auf- bzw. abgerufen, das die Korrelation zwischen dem Flankenabgleichphasenverschiebungsbetrag θsft_t und Tastverhältnis1₀, Tastverhältnis2₀, Rate1, Rate2 und Überlappungsperiode t definiert.
Zusätzlich schätzt die CNV-Steuereinheit 13 einen Verlust zu der Zeit, zu der die Überlappungsphasenverschiebung ausgeführt wird, durch Verwendung des Phasenverschiebungsbetrags θsft_t, indem sie das Verlustkennfeld konsultiert (S20).
Die CNV-Steuereinheit 13 vergleicht einen geschätzten Verlustbetrag P0 basierend auf der Flankenabgleichverschiebung mit einem geschätzten Verlustbetrag Pt basierend auf der Überlappungsphasenverschiebung (S22). Wenn der geschätzte Verlustbetrag Pt kleiner ist als der geschätzte Verlustbetrag P0, führt die CNV-Steuereinheit 13 die Überlappungsphasenverschiebung aus, das heißt, dass die CNV-Steuereinheit 13 ein Kombinations- bzw. Gesamt-/Mischsignal (logisches Additionssignal) der PWM-Signale PWM1, PWM2 basierend auf der Überlappungsphasenverschiebung an die Schaltelemente S1 bis S4 ausgibt (S24). Wenn der geschätzte Verlustbetrag Pt größer oder gleich dem geschätzten Verlustbetrag P0 ist, führt die CNV-Steuereinheit 13 die Flankenabgleichphasenverschiebung aus (S26).
Wenn die Flankenabgleichphasenverschiebung ausgewählt wird, führt die CNV-Steuereinheit 13 die Flankenabgleichphasenverschiebung jedes Mal dann, wenn detektiert wird, dass die fallende Flanke des PWM-Signals PWM1 und die ansteigende Flanke des PWM-Signals PWM2 nicht miteinander zusammenfallen, in einer Periode aus, bis die Einschaltperioden der PWM-Signale PWM1, PWM2 jeweils Solleinschaltperioden Tastverhältnis1*, Tastverhältnis2* erreichen.
Erstes alternatives Ausführungsbeispiel von elektrischem Energiewandler Bei dem vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiel ist ein sogenannter Reihe-Parallel-Wandler, der die vier Schaltelemente umfasst und im Stande ist, zwischen einer Reihenschaltung und einer Parallelschaltung umzuschalten, als der elektrische Energiewandler bzw. Stromrichter 11 beschrieben; der elektrische Energiewandler bzw. Stromrichter ist jedoch nicht auf diese Konfiguration beschränkt. Kurzum ist die Erfindung anwendbar, solange ein elektrischer Energiewandler bzw. Stromrichter, der zwei Aufwärts-/Abwärtswandlungsschaltungen umfasst, die parallel zueinander betrieben werden, mit einer solchen Schaltungskonfiguration, dass Schaltelemente gemäß der logischen Addition von PWM-Signalen von diesen Aufwärts-/Abwärtswandlungsschaltungen ein- oder ausgeschaltet werden, verwendet wird.
15 zeigt ein alternatives Ausführungsbeispiel des elektrischen Energiewandlers bzw. Stromrichters 11. Der elektrische Energiewandler bzw. Stromrichter 11 umfasst drei in Reihe geschaltete Arme von der Hochspannungsleitung 26 zu der Referenzleitung 28.
Zusätzlich ist die erste Batterie B1 zwischen dem Verbindungspunkt 40 und der Referenzleitung 28 verbunden. Der Verbindungspunkt 40 ist, ausgehend von der Seite der Hochspannungsleitung 26, zwischen dem zweiten Arm und dem dritten Arm bereitgestellt. Zusätzlich ist der erste Induktor L1 in Reihe mit der ersten Batterie B1 bereitgestellt, und ist der erste Kondensator C1 parallel zu der ersten Batterie B1 bereitgestellt.
Die zweite Batterie B2 ist zwischen dem Verbindungspunkt 42 und der Referenzleitung 28 verbunden. Der Verbindungspunkt 42 ist, ausgehend von der Seite der Hochspannungsleitung 26, zwischen dem ersten Arm und dem zweiten Arm bereitgestellt. Zusätzlich ist der zweite Induktor L2 in Reihe mit der zweiten Batterie B2 bereitgestellt, und ist der zweite Kondensator C2 parallel zu der zweiten Batterie B2 bereitgestellt.
Die erste Aufwärts-/Abwärtswandlungsschaltung CNV1 ist zwischen der ersten Batterie B1 und der Hochspannungsleitung 26 (Ausgangsleitung) eingerichtet. Die zweite Aufwärts-/Abwärtswandlungsschaltung CNV2 ist zwischen der zweiten Batterie B2 und der Hochspannungsleitung 26 eingerichtet. Die erste Aufwärts-/Abwärtswandlungsschaltung CNV1 umfasst die erste Batterie B1, den ersten Induktor L1 und den ersten Kondensator C1. Die zweite Aufwärts-/Abwärtswandlungsschaltung CNV2 ist parallel zu der ersten Aufwärts-/Abwärtswandlungsschaltung CNV1 bereitgestellt und umfasst die zweite Batterie B2, den zweiten Induktor L2 und den zweiten Kondensator C2. Die Schaltelemente S1 bis S4 werden ein- oder ausgeschaltet, um zwischen einer Speicherung und einer Entladung von elektrischer Ladung des ersten und des zweiten Induktors L1, L2 umzuschalten.
Basierend auf der vorstehend beschriebenen Definition des oberen Arms und des unteren Arms ist, aus Sicht der ersten und der zweiten Aufwärts-/Abwärtswandlungsschaltung CNV1, CNV2, der Arm mit dem Schaltelement S1 und der Diode D1 (S1-Arm) ein oberer Arm. Der Arm mit dem Schaltelement S2 und der Diode D2 (S2-Arm) ist, aus Sicht der ersten Aufwärts-/Abwärtswandlungsschaltung CNV1, ein oberer Arm, und, aus Sicht der zweiten Aufwärts-/Abwärtswandlungsschaltung CNV2, ein unterer Arm. Zusätzlich ist der Arm mit dem Schaltelement S3 und der Diode D3 (S3-Arm), aus Sicht der ersten und der zweiten Aufwärts-/Abwärtswandlungsschaltung CNV1, CNV2, ein unterer Arm.
Das PWM-Signal PWM1 für die erste Aufwärts-/Abwärtswandlungsschaltung CNV1 (PWM1 und dessen invertiertes Signal /PWM1) und das PWM-Signal PWM2 für die zweite Aufwärts-/Abwärtswandlungsschaltung CNV2 (PWM2 und dessen invertiertes Signal /PWM2) sind den Schaltelementen S1 bis S3 auf Grundlage der vorstehend beschriebenen Verteilung von Funktionen des oberen und des unteren Arms zugeordnet. Die CNV-Steuereinheit 13 führt die vorstehend beschriebene Phasenverschiebung über die PWM-Signale PWM1, PWM2 aus.
Zweites alternatives Ausführungsbeispiel von elektrischem Energiewandler
16 zeigt ein weiteres alternatives Ausführungsbeispiel des elektrischen Energiewandlers bzw. Stromrichters 11. Der elektrische Energiewandler bzw. Stromrichter 11 umfasst, wie in dem Fall von 15, drei in Reihe geschaltete Arme von der Hochspannungsleitung 26 zu der Referenzleitung 28.
Der in 16 gezeigte elektrische Energiewandler bzw. Stromrichter 11 unterscheidet sich von dem in 15 gezeigtem elektrischen Energiewandler bzw. Stromrichter 11 in der Anordnung der ersten Aufwärts-/Abwärtswandlungsschaltung CNV1. Die erste Batterie B1, der erste Induktor L1 und der erste Kondensator C1 sind nämlich zwischen dem Verbindungspunkt 42 und dem Verbindungspunkt 40 verbunden. Der Verbindungspunkt 42 ist, ausgehend von der Seite der Hochspannungsleitung 26, zwischen dem ersten Arm und dem zweiten Arm bereitgestellt. Der Verbindungspunkt 40 ist, ausgehend von der Seite der Hochspannungsleitung 26, zwischen dem zweiten Arm und dem dritten Arm bereitgestellt.
Basierend auf der vorstehend beschriebenen Definition des oberen Arm und des unteren Arms ist der Arm mit dem Schaltelement S1 und der Diode D1 (S1-Arm), aus Sicht der ersten und der zweiten Aufwärts-/Abwärtswandlungsschaltung CNV1, CNV2, ein oberer Arm. Der Arm mit dem Schaltelement S2 und der Diode D2 (S2-Arm) ist, aus Sicht der ersten und der zweiten Aufwärts-/Abwärtswandlungsschaltung CNV1, CNV2, ein unterer Arm. Zusätzlich ist der Arm mit dem Schaltelement S3 und der Diode D3 (S3-Arm), aus Sicht der ersten Aufwärts-/Abwärtswandlungsschaltung CNV1, ein oberer Arm, und, aus Sicht der zweiten Aufwärts-/Abwärtswandlungsschaltung CNV2, ein unterer Arm.
Das PWM-Signal PWM1 für die erste Aufwärts-/Abwärtswandlungsschaltung CNV1 und das PWM-Signal PWM2 für die zweite Aufwärts-/Abwärtswandlungsschaltung CNV2 sind den Schaltelementen S1 bis S3 auf Grundlage der vorstehend beschriebenen Verteilung von Funktionen des oberen und des unteren Arms zugeordnet. Die CNV-Steuereinheit 13 führt die vorstehend beschriebene Phasenverschiebung über die PWM-Signale PWM1, PWM2 aus.
Ein elektrisches Energiewandlungssystem umfasst: eine erste Batterie; eine zweite Batterie; einen elektrischen Energiewandler, der eine Vielzahl von Schaltelementen umfasst und konfiguriert ist zum bidirektionalen Aufwärtswandeln oder Abwärtswandeln von elektrischer Energie zwischen einer Ausgangsleitung und jeder der ersten und der zweiten Batterie gemäß PWM-Signalen; und eine Steuereinheit, die konfiguriert ist zum Steuern einer ersten und einer zweiten Aufwärtswandlungs- und Abwärtswandlungsschaltung durch Erzeugung von ersten und zweiten PWM-Signalen. Die erste und die zweite Aufwärtswandlungs- und Abwärtswandlungsschaltung sind zwischen einer jeweiligen der ersten und der zweiten Batterie und der Ausgangsleitung eingerichtet. Das erste und das zweite PWM-Signal sind Signale zur Steuerung eines Aufwärtswandlungs- und Abwärtswandlungsbetriebs von einer jeweiligen der ersten und der zweiten Aufwärtswandlungs- und Abwärtswandlungsschaltung. Die Steuereinheit ist konfiguriert, wenn Einschaltperioden von beiden des ersten und des zweiten PWM-Signals miteinander gekoppelt werden, eine Überlappungsphasenverschiebung auszuführen, die die Einschaltperioden des ersten und des zweiten PWM-Signals teilweise überlappt.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

JP 2013-013234 A [0003, 0004, 0005, 0062]

Claims

Elektrisches Energiewandlungssystem, gekennzeichnet durch: eine erste Batterie (B1); eine zweite Batterie (B2); einen elektrischen Energiewandler (11), der eine Vielzahl von Schaltelementen (S1, S2, S3, S4) umfasst, wobei der elektrische Energiewandler konfiguriert ist zum bidirektionalen Aufwärtswandeln oder Abwärtswandeln von elektrischer Energie zwischen einer Ausgangsleitung und jeder der ersten oder der zweiten Batterie durch Ein- oder Ausschalten der Vielzahl von Schaltelementen gemäß PWM-Signalen; und eine Steuereinheit (22), die konfiguriert ist zum Steuern einer ersten Aufwärtswandlungs- und Abwärtswandlungsschaltung und einer zweiten Aufwärtswandlungs- und Abwärtswandlungsschaltung durch Erzeugung eines ersten PWM-Signals und eines zweiten PWM-Signals, wobei die erste Aufwärtswandlungs- und Abwärtswandlungsschaltung zwischen der ersten Batterie und der Ausgangsleitung eingerichtet ist, das erste PWM-Signal ein Signal zur Steuerung eines Aufwärtswandlungs- und Abwärtswandlungsbetriebs der ersten Aufwärtswandlungs- und Abwärtswandlungsschaltung ist, die zweite Aufwärtswandlungs- und Abwärtswandlungsschaltung zwischen der zweiten Batterie und der Ausgangsleitung eingerichtet ist, das zweite PWM-Signal ein Signal zur Steuerung eines Aufwärtswandlungs- und Abwärtswandlungsbetriebs der zweiten Aufwärtswandlungs- und Abwärtswandlungsschaltung ist, und die Steuereinheit konfiguriert ist, zu der Zeit einer gegenseitige Kopplung von Einschaltperioden von beiden des ersten und des zweiten PWM-Signals durch Verschiebung einer Phase von zumindest einem des ersten und des zweiten PWM-Signals eine Überlappungsphasenverschiebung, die die Einschaltperioden des ersten und des zweiten PWM-Signals teilweise überlappt, durch Heraufsetzen von einem der PWM-Signale, bevor das andere der PWM-Signale fällt, auszuführen.
Elektrisches Energiewandlungssystem gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Phasenverschiebungsbetrag für die Überlappungsphasenverschiebung in Entsprechung zu Fluktuationsvorhersagen der Einschaltperioden eingestellt wird, und die Steuereinheit konfiguriert ist, wenn eine Gesamtperiode der Einschaltperioden des ersten und des zweiten PWM-Signals basierend auf den Fluktuationsvorhersagen einmal in jeder Periode kurz wird, den Phasenverschiebungsbetrag derart einzustellen, dass ein Fallen von einem des ersten und des zweiten PWM-Signals in einer vorbestimmten Periode mit einem Ansteigen des anderen des ersten und des zweiten PWM-Signals in der vorbestimmten Periode zusammenfällt.
Elektrisches Energiewandlungssystem gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit konfiguriert ist zum (i) Durchführen der Fluktuationsvorhersagen der Einschaltperioden von einer Ausführungsperiode der Phasenverschiebung bis zu der vorbestimmten Periode, und (ii) Ausführen der Überlappungsphasenverschiebung, wenn als Ergebnis eines Vergleichs zwischen einem ersten Verlust und einem zweiten Verlust der erste Verlust kleiner ist als der zweite Verlust, wobei der erste Verlust einen Verlust umfasst, der in den Schaltelementen in einer Periode von der Ausführungsperiode bis zu der vorbestimmten Periode auftritt, wenn die Überlappungsphasenverschiebung ausgeführt wird, und der zweite Verlust einen Verlust umfasst, der in den Schaltelementen in der Periode von der Ausführungsperiode bis zu der vorbestimmten Periode auftritt, wenn eine Flankenabgleichphasenverschiebung ausgeführt wird, wobei die Flankenabgleichphasenverschiebung eine Phasenverschiebung ist, durch die, wenn ein Fallen des einen der PWM-Signale und ein Ansteigen des anderen der PWM-Signale nicht miteinander zusammenfallen, das Fallen und das Ansteigen miteinander in Übereinstimmung gebracht werden.