DE102017118606A1 - Leistungsumwandlung für Niederspannungsbus in elektrifiziertem Fahrzeug - Google Patents

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Michael J. Hand III
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Abstract

Ein Hochspannungsbatteriepack eines elektrifizierten Fahrzeugs weist in Reihe verbundene Batterieeinheiten oder Zellen auf, die kombiniert werden, um die Hochspannung bereitzustellen. Um einen Niederspannungsbus (z. B. für Niederspannungszubehör oder zum Laden einer Niederspannungsbatterie) in einer ausgeglichenen Weise mit Strom zu versorgen, weisen eine Vielzahl von DC/DC-Wandlern jeweils einen Eingang auf, der mit einer jeweiligen Batterieeinheit gekoppelt ist, und die Wandler weisen jeweilige Ausgänge auf, die parallel mit einem Niederspannungsbus gekoppelt sind. Eine erste Regelkreissteuerung empfängt eine Ist-Busspannung. Die erste Steuerung erzeugt einen Zielstrom als Reaktion auf die Busspannung, der ausgelegt ist, um die Ist-Busspannung auf eine Zielspannung zu regulieren, die geringer als die Hochspannung ist. Eine zweite Steuerung verteilt den Zielstrom in eine Vielzahl von zugeteilten Strombefehlen für jeweilige Wandler gemäß den jeweiligen Ladezuständen der Batterieeinheiten, die mit den Wandlern verbunden sind.

Description

  • HINTERGRUND DER ERFINDUNG
  • Die vorliegende Erfindung betrifft im Allgemeinen Stromsysteme für elektrische Fahrzeuge, und genauer Verfahren und eine Vorrichtung zum Steuern von DC/DC-Wandlern, um eine hohe Spannung von einem Batteriepack in eine niedrigere Spannung zur Verwendung bei einem Niederspannungsbus in einem elektrischen Fahrzeug umzuwandeln.
  • Elektrifizierte Fahrzeuge, wie etwa Batterieelektrofahrzeuge und Hybridelektrofahrzeuge, nutzen üblicherweise einen Hochspannungsenergiebus, der von einer DC-Leistungsquelle angetrieben wird, die einen Speicher und/oder Umwandlungsvorrichtungen, wie einen Mehrfachzellen-Batteriepack beinhalten kann. Der Batteriepack kann eine Vielzahl von Batteriezellen aufweisen, die in Reihe verbunden sind, um die notwendige Leistung und/oder Spannungspegel bereitzustellen. Die Batteriezellen erfordern eine Echtzeitüberwachung, um Effizienz und Leistung zu maximieren sowie um einen Ladezustand (SOC - state-of-charge) einer Batterie zu bestimmen, um einen verbleibenden Fahrbereich unter Batteriestrom vorherzusagen. Gebräuchliche Batterietypen wie Lithiumionen (Li-Ion) verwenden eine große Anzahl von einzelnen Batteriezellen, die zusammen gestapelt werden (in Reihe und/oder parallel verbunden) und Gruppen von Zellen können hierarchisch in Gruppen verbunden sein, wodurch die Gruppen anstatt die einzelnen Zellen überwacht werden. Wie hierin verwendet, bezieht sich Batterieeinheit auf eine einzelne Zelle oder eine Gruppe von Zellen, die zusammen behandelt werden.
  • Zusätzlich zu den Hochspannungskomponenten, die mit den Fahrantriebsmotoren in dem elektrifizierten Fahrzeug in Zusammenhang stehen, enthält das Fahrzeug auch elektrische Komponenten und Zubehör mit niedrigerer Spannung (z. B. Steuermodule, Beleuchtung, Kommunikation und Entertainmentgeräte) sowie eine Batterie mit niedrigerer Spannung zum Unterstützen der Komponenten mit niedrigerer Spannung. Um Leistung von dem Haupt-Hochspannungsbatteriepack zu den Niederspannungskomponenten zuzuführen und/oder um die Niederspannungsbatterie aufzuladen, wurde bisher ein DC/DC-Wandler verwendet, um die Hochspannung in eine geeignete niedrigere Spannung abwärts zu wandeln, um einen Niederspannungsleistungsbus anzutreiben.
  • Auch wenn es möglich wäre, einen kleinen Abschnitt des Batteriepacks anzuzapfen, um die niedrigere Spannung zu erlangen, wäre die resultierende unausgeglichene Leistungsabgabe von dem Batteriepack unerwünscht. Andererseits erfordert die Verwendung eines einzelnen DC/DC-Wandlers, der direkt über die volle Hochspannung des Batteriepacks angetrieben wird, Hochspannungskomponenten in dem Wandler, was zu hohen Kosten führt. Um die notwendige Spannungsumwandlung zu erlangen und die elektrische Last zwischen der Vielzahl von Batteriezellen auszugleichen, wurde eine Reihe von DC/DC-Wandlern verwendet, bei der der Eingang jedes Wandlers mit einer anderen Batteriezelle (oder Einheit von Zellen) verbunden ist und die Wandlerausgänge parallel verbunden sind, wie zum Beispiel im U.S.-Patent 8,115,446 von Piccar u. a. gezeigt, dessen Offenbarung hiermit mittels Verweis aufgenommen wird.
  • Eine typische Batteriezelle in dem Batteriepack kann ungefähr 4 V erzeugen. Eine Ziel- oder Sollwertspannung für den Niederspannungsbus kann zum Beispiel bei ungefähr 14 V liegen. Wenn jeder DC/DC-Wandler eine Zelle abdeckt, dann wird er gesteuert, um die Spannung von 4 V auf 14 V zu erhöhen. Wenn jeder Wandler sechs Zellen in Reihe abdeckt, dann wird er gesteuert, um die 24 V über seinen Eingang auf die gewünschten 14 V zu verringern.
  • Die US-Patentanmeldung mit Veröffentlichungsnummer 2015/0214757A1 von Zane u. a. offenbart eine Vielzahl von DC/DC-Überbrückungswandlern, bei denen die Ausgänge ebenfalls parallel verbunden sind, wobei der Betrieb jedes Wandlers gemäß einem Batteriezustand für seine jeweilige Batterieeinheit individuell eingestellt wird, um somit die Divergenzrate des Batteriezustands von einem Referenzzustand zu verringern. Somit sind die Ladezustände für die Batterieeinheiten einheitlicher, was die Gesamtleistung des Batteriepacks verbessert. Jedoch ist eine Nebenwirkung des unabhängigen Variierens der Leistung von jedem DC/DC-Wandler, dass die gemeinsame Ausgangsspannung, die von der parallelen Verbindung der Wandler stammt, möglicherweise nicht konstant bei dem gewünschten Wert oder Wertebereich bleibt.
  • KURZDARSTELLUNG DER ERFINDUNG
  • In einem Aspekt der Erfindung umfasst eine elektrifizierte Fahrzeugvorrichtung einen Batteriepack mit in Reihe verbundenen Batterieeinheiten, die eine Hauptspannung bereitstellen. Eine Vielzahl von DC/DC-Wandler weisen jeweils einen Eingang, der mit einer jeweiligen Batterieeinheit gekoppelt ist, auf, und die DC/DC-Wandler weisen jeweilige Ausgänge, die parallel mit einem Niederspannungsbus gekoppelt sind, auf. Eine erste Steuerung empfängt Signale, die einen Ist-Busstrom anzeigen. Die erste Steuerung erzeugt einen Zielstrom als Reaktion auf den Ist-Busstrom, der ausgelegt ist, um die Ist-Busspannung auf eine Zielspannung zu regulieren. Eine zweite Steuerung verteilt den Zielstrom in eine Vielzahl von zugeteilten Strombefehlen für jeweilige DC/DC-Wandler gemäß den jeweiligen Ladezuständen der Batterieeinheiten, die mit den DC/DC-Wandlern verbunden sind.
  • KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • 1 ist ein Blockdiagramm einer Ausführungsform eines Stromsystems gemäß der Erfindung.
  • 2A und 2B sind Kurven, die den Gesamteingangsstrom bzw. die Ausgangsspannung des DC/DC-Wandlers über mehrere Antriebszyklen eines Fahrzeugs im Stand der Technik zeigen.
  • 3 ist ein Blockdiagramm, das eine erste Ausführungsform der Erfindung zum Steuern der DC-Leistungswandler zeigt.
  • 4 ist ein Blockdiagramm, das eine alternative Ausführungsform der Erfindung zeigt.
  • 5A und 5B sind Kurven, die einen Gesamtzielstrom und eine gemeinsame Ausgangsspannung der Wandler für eine Ausführungsform der Erfindung zeigen.
  • AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
  • Der Begriff "elektrifiziertes Fahrzeug", wie er hierin verwendet wird, beinhaltet Fahrzeuge mit einem Elektromotor für den Fahrzeugantrieb, wie etwa Batterieelektrofahrzeuge (BEV), Hybridelektrofahrzeuge (HEV) und Plug-in-Hybridelektrofahrzeuge (PHEV). Ein BEV beinhaltet einen Elektromotor, wobei die Energiequelle für den Motor eine Batterie ist, die durch ein externes Stromnetz wiederaufladbar ist. In einem BEV liefert eine Batterie oder eine andere DC-Quelle Energie für den Fahrzeugantrieb. Ein HEV beinhaltet einen Verbrennungsmotor und einen Elektromotor, wobei die Energiequelle für den Verbrennungsmotor Kraftstoff ist und die Energiequelle für den Elektromotor eine DC-Speichereinheit, wie eine Batterie, ist. In einem HEV ist der Verbrennungsmotor die Hauptenergiequelle für den Fahrzeugantrieb, wobei die Batterie zusätzliche Energie für den Fahrzeugantrieb bereitstellt (z. B. puffert die Batterie Kraftstoffenergie und gewinnt kinematische Energie in elektrischer Form). Ein PHEV ist wie ein HEV, aber das PHEV kann eine Batterie mit größerer Kapazität aufweisen, die durch ein externes Stromnetz wiederaufladbar ist. In einem PHEV kann die Batterie die Hauptquelle der Energie für den Fahrzeugantrieb sein, bis die Batterie auf ein niedriges Energieniveau entleert ist; ab diesem Zeitpunkt arbeitet das PHEV wie ein HEV für den Fahrzeugantrieb.
  • Ein typisches Batteriesystem kann einen Hauptbatteriepack und mindestens ein Batterieenergiesteuermodul (BECM - battery energy controller module) zum Überwachen sowohl einzelner Zellen als auch des Batteriepacks als Ganzes beinhalten. Es kann typischerweise ein Haupt-BECM vorhanden sein, mit Satellitenmodulen für zusätzliche Erfassung und Verarbeitung. Ein Ausgang des Batteriepacks ist über einen Hochspannungsbus mit einem Wechselrichter verbunden, der den Gleichstrom (DC), der von dem Batteriepack zugeführt wird, in Wechselstrom (AC) zum Betreiben eines Fahrmotors gemäß Befehlen von zum Beispiel einem Getriebesteuermodul (TCM - transmission control module) umwandelt. Das BECM überwacht zusammen mit verschiedenen Sensoren, die mit dem Batteriepack in Zusammenhang stehen, zum Beispiel die Zellenspannungen, Ströme, Temperaturen und den Ladezustand. Die überwachten Parameter können verwendet werden, um verschiedene Aspekte des Stromsystems zu steuern.
  • Bezugnehmend auf 1 beinhaltet ein Stromsystem 10 für eine Kraftfahrzeug 11 einen Batteriepack 12 mit einer Vielzahl von Hochspannungsbatterieeinheiten 13, die in Reihe verbunden ist, um eine Hauptausgangsspannung von Hunderten Volt zu erzeugen. Jede Batterieeinheit 13 kann eine oder mehrere Zellen (z. B. Lithiumzellen) beinhalten. Die Hauptausgangsspannung wird zwischen einem positiven Hochspannungsbus 14 und einem negativen Hochspannungsbus 15 angelegt, zur Verwendung durch Hochspannungslasten 16 (z. B. einen Wechselrichter und einen Fahrmotor). Eine Vielzahl von DC/DC-Wandlern 20 weist jeweils einen Eingang auf, der über eine entsprechende der Batterieeinheiten 13 gekoppelt ist. Die Ausgänge der Wandler 20 sind alle parallel zwischen einem positiven Niederspannungsbus 21 und einem negativen Niederspannungsbus 22 verbunden, um eine Niederspannungsbatterie (z. B. eine Bleisäurebatterie) 23 zu laden, und zur Verwendung durch Niederenergielasten 24.
  • Eine typische Konfiguration für DC/DC-Leistungswandler 20 kann eine Eingangs-Wechselrichterbrücke, eine Resonanzschaltung (z. B. einen Transformator) und einen Ausgangs-Gleichrichter beinhalten. Wie im Stand der Technik bekannt, können MOSFETs oder andere Schaltvorrichtungen in dem Wechselrichter gemäß einem variablen Lastzyklus und/oder einer Frequenz geschaltet werden, um eine Ausgangsspannung oder einen Ausgangsstrom, der vom Gleichrichter ausgegeben wird, zu regulieren. Somit ist eine Steuerung 25 mit jedem Wandler 20 gekoppelt, um einen gewünschten Betrieb jedes Wandlers zu befehlen. Eine Vielzahl von Sensorfeldern 26, 27 und 28 ist mit der Steuerung 25 verbunden, um Parametermessungen bereitzustellen, die notwendig sind, um der Steuerung 25 zu ermöglichen, die Wandler 20 richtig zu regulieren. Ein Sensorfeld 26 kann aus mindestens einem BECM zum Überwachen von Ladezustand, Spannung und Strom für einzelne Zellen oder Batterieeinheiten und für den Batteriepack als Ganzes bestehen. Das Sensorfeld 27 ist ein optionales Element, das den Eingangsstrom, der zu jedem der Wandler 20 fließt, überwacht.
  • Das Sensorfeld 28 überwacht die Busspannung (und optional den Busstrom) am Niederspannungsbus 21/22. Unter Verwendung des Ist-Busstroms kann die Steuerung 25 eine verbesserte Regulierung der Wandler 20 bereitstellen, so dass unerwünschte Spannungsschwankungen am Niederspannungsbus vermieden werden. Solche Schwankungen sind ein Nachteil des in 2A und 2B gezeigten Standes der Technik, die Beispieldaten während mehrerer Fahrzyklen (d. h. Straßentests) eines Fahrzeugs veranschaulichen, wobei der kombinierte Ausgangsstrom der Wandler in 2A gezeigt ist und eine resultierende Busspannung in 2B gezeigt ist. Da der Stand der Technik eine vorbestimmte Stromzuteilung für jeden DC/DC-Wandler verwendet und die von jedem Wandler gelieferte Stromzuteilung gemäß einer Differenz zwischen einem Ladezustand der jeweiligen Batterie und einem Ziel-Ladezustand einstellt, kann der kombinierte Ausgangsstrom der Wandler willkürlich variieren, wie durch die Stromkurven 29–32 während aufeinanderfolgender Fahrzyklen gezeigt ist. Durch die Veränderlichkeit des Stroms erfährt auch eine Spannung am Niederspannungsbus eine deutliche Veränderlichkeit um eine gewünschte Zielspannung von 15 V, wie durch die Kurven 33–36 gezeigt ist.
  • Die gemeinsame Ausgangsspannung von den parallelen DC/DC-Leistungswandlern ist eine Funktion des Durchschnitts der einzelnen Wandlereingangsspannungen, der Summe der Ausgangsspannungen und der Summe der Eingangsströme. Da die Ausgangsströme und die Eingangsspannungen nicht steuerbar sind, ist die einzige Möglichkeit zum Steuern der gemeinsamen Ausgangsspannung durch Regulieren der Summe der Eingangsströme gegeben. Somit setzt die vorliegende Erfindung eine Steuerstrategie ein, die ermöglicht, dass ein System von mehreren DC/DC-Wandlern, deren Ausgänge parallel verbunden sind, gesteuert wird, um eine Ziel-Ausgangsspannung durch direktes Berücksichtigen der Eingangsströme zu erreichen. Die zusätzliche Steuerungsstrategie arbeitet unabhängig von der Art und Weise, in der der Gesamtstrom zwischen den Wandlern verteilt wird. Mit anderen Worten kann das Regulieren der Gesamtsumme der Ströme aus einem von der Strategie, die die Ladungszustände der einzelnen Batterieeinheiten ausgleicht, getrennten Regelkreis bestehen. Der gesamte Eingangsstrom wird dann zwischen den Wandlern gemäß einem eigenen Verteilungsverfahren (wie das in der US-Veröffentlichung 2015/0214757A1 von Zane u. a. vorgeschlagene Verfahren) verteilt.
  • Die Steuerung 25 besteht vorzugsweise aus einer Feedback-Steuerung, um ein gesamtes Eingangsstromziel auf Grundlage einer Zielspannung (d. h. eine Sollwertspannung für den Niederspannungsbus) und der gemessenen gemeinsamen Ausgangsspannung von den DC/DC-Wandlern festzulegen. Die Steuerung 25 kann statisch (d. h. sich nur auf die aktuelle Werte der Signale verlassen) oder dynamisch (d. h. sich auf aktuelle und frühere Wert verlassen) sein. Die Steuerung 25 kann eine reine Feedback-Steuerung sein (die sich nur auf den Fehler zwischen der Sollwertspannung und der gemessenen Ausgangsspannung verlässt) sein oder sie kann auch von einem Feedforward-Term Gebrauch machen, der aus anderen gemessenen oder geschätzten Werten berechnet wird.
  • 3 zeigt eine bevorzugte Ausführungsform der Steuerung 25, die einen Gesamtstromregulierungsblock 40 und einen Stromverteilungsblock 41 umfasst. Der Stromregulierungsblock 40 dient als eine Außenregelkreissteuerung, die einen Spannungssollwert (z. B. eine Zielspannung von 15 V für den Niederspannungsbus) und gemessene Parameterwerte, einschließlich einer Ist-Busausgangsspannung und eines Ist-Busausgangsstroms, empfängt. Der Stromregulierungsblock 40 empfängt außerdem einen gemessenen Wert für die durchschnittliche Eingangsspannung in die Wandler (d. h. die durchschnittliche Ausgangsspannung von den jeweiligen Batterieeinheiten zur Stromversorgung der Wandler). Die durchschnittliche Batterieeinheitsspannung kann zum Beispiel von dem BECM-System erlangt werden. Der Stromregulierungsblock 40 ist vorzugsweise mit einer Nachschlagtabelle 42 verbunden, die verschiedene Steuerwerte gemäß der Regulierungsstrategie, die eingesetzt wird, speichert.
  • Der Stromverteilungsblock 41 dient als ein Regelkreis, der den Ziel-Gesamtstrom von dem Stromregulierungsblock 40 empfängt und den Zielstrom in eine Vielzahl von zugeteilten Strombefehlen für jeweilige DC/DC-Wandler 20 gemäß (z. B. anteilsmäßig) jeweiligen Ladezuständen (oder der Zellenspannung) der Batterieeinheiten, die mit den DC/DC-Wandlern verbunden sind, verteilt. Die Ladezustände (SOC) werden von einem SOC-Block 43 erlangt, der zum Beispiel aus dem BECM-System bestehen kann. Das Ziel-Gesamtstromsignal ist ein Skalarwert, der zu verteilen ist. Um eine Überlastung der Verdrahtung und andere Probleme zu vermeiden, ist der Ziel-Gesamtstrom durch den Regulierungsblock 40 auf einen vorbestimmten Maximalwert begrenzt. Das verteilte (d. h. zugeteilte) Stromsignal ist ein Vektor von Strombefehlen, der zu den verschiedenen Leistungswandlern gesendet wird.
  • In einer Ausführungsform kann die Steuerung 25 eine Proportional-Integral-Differential(PID)-Steuerung sein, wobei ein beliebiger der P-, I- oder D-Terme der Steuerung auf 0 gesetzt sein kann. In einer solchen Architektur wird der regulierte Ausgang durch den Fehler zwischen der Sollwert-Spannung (d. h. dem Ziel) und der gemessenen Spannung angesteuert, auch wenn der Differentialterm alternativ nur durch die gemessene Spannung angesteuert werden könnte.
  • In einer anderen Ausführungsform macht der Stromregulierungsblock 40 in der Steuerung 25 Gebrauch von einer Feedforward-Steuerregel auf Grundlage einer Beharrungszustandscharakterisierung der Eingangs-Ausgangs-Leistungsumwandlungsgleichung für den Gesamtwandler. Eine übliche Darstellung der Leistungsbilanz ist durch Vin·Iin·η = Vout·Iout gegeben, wobei η der Umwandlungswirkungsgrad ist. Der Umwandlungswirkungsgrad eines Wandlers kann von den Eingangs- und Ausgangsspannungen oder anderen Parametern abhängen. Die Eingangsspannung Vin ist ein Durchschnitt der einzelnen Spannungen, die von jeder jeweiligen Batterieeinheit zu ihrem jeweiligen DC/DC-Wandler zugeführt wird. Der Eingangsstrom Iin ist die Summe aller einzelner Eingangsströme und der Ausgangsstrom Iout ist die Summe aller einzelner Ausgangsströme. Der bevorzugte Ausdruck für die Feedforward-Regel ist:
    Figure DE102017118606A1_0002
    wobei Iin der Zielstrom ist, der von den DC/DC-Wandlern in Kombination aufzunehmen ist, vdes die gewünschte Zielspannung für den Niederspannungsbus ist, Iout der Ist-Busstrom ist, vin ein Durchschnitt der Spannungen ist, die von den Batterieeinheiten geliefert werden, und η der Umwandlungswirkungsgrad ist. Wenn einer oder mehrere der erforderlichen Werte nicht messbar ist/sind, kann er durch einen geschätzten Wert oder eine repräsentative Konstante (von denen jeder/jede zum Beispiel in der LUT 42 gespeichert sein könnte) ersetzt werden. Der Feedforward-Term kann auch Änderungen in anderen Parametern berücksichtigen. Der Umwandlungswirkungsgrad η kann ein konstanter Wert sein, der in den Regulator eingebaut ist, erlangt auf Grundlage dynamischer Bedingungen von der LUT 42 oder berechnet unter Verwendung einer adaptiven Online-Regression. Zusätzlich könnte der Umwandlungswirkungsgrad durch eine mathematische Funktion erlangt werden, wobei η = f (Vin, T, I, ...).
  • Zusätzlich zu den reinen Feedback- oder Feedforward-Steuerstrategien kann eine Kombination von Feedback- und Feedforward-Steuervariablen verwendet werden. Zum Beispiel kann eine Feedback-Steuervariable von einer PID-Steuerung zu einer Feedforward-Steuervariablen, die unter Verwendung der oben beschriebenen Feedforward-Regel erlangt wurde, hinzugefügt werden.
  • Um die Hardwarekomponenten vor Veränderungen bei Strom oder Spannung, die nicht erkennbar sind oder innerhalb von Sicherheitsgrenzen liegen, zu schützen, kann die Steuerung 25 eine Ausgangssättigung und/oder eine Anstiegsratenbegrenzung verwenden. Wenn die Steuerung 25 eine Feedforward-Steuerung ist, die eine integrale Steuerung verwendet, dann kann außerdem eine Anti-Windup-Funktion beinhaltet sein, um Überschwingen aufgrund von Startbedingungen oder Sättigungen zu beseitigen. Steuerungsverstärkungen (z. B. in einer PID-Implementierung) können abhängig von der Größe des Fehlers oder der Größenordnung anderer Parameter (wie etwa Sollwertspannung oder eine gemessene Hochspannung über alle Batterieeinheiten) variieren.
  • 4 zeigt eine alternative Ausführungsform der Erfindung, die einen verteilten Steueransatz verwendet. Ein Haupt-„Außenregelkreis“-Modul 45 kann einen Außenregelkreis-Strombestimmungsblock 46 (der eine Funktion aufweisen kann, die identisch zu Block 40 in 3 ist) und einen Stromverteilungsblock 47 beinhalten. Der Außenregelkreisblock 46 bestimmt den Ziel-Gesamtstrom, der erforderlich ist, um die Ausgangsspannung aufrechtzuerhalten, und dann bestimmt Block 47 eine Stromverteilung zwischen den jeweiligen DC/DC-Wandlern auf Grundlage eines verbleibenden Ladezustands jeder jeweiligen Batterieeinheit (z. B. durch Zuweisen von Stromwerten, so dass Energie von den Batterieeinheiten in einer Weise entnommen wird, die das Gleichgewicht des Ladezustands wiederherstellt, d. h. ausgleicht) in der gleichen oder einer ähnlichen Weise wie Block 41 in 3. Jeder der resultierenden n zugeteilten Strombefehlswerte wird zu einem jeweiligen Innensteuerungsblock 48 gesendet, wobei jeder Innensteuerungsblock 48 als ein lokaler Steuerknoten in einem jeweiligen Stromkreismodul mit einem jeweiligen der Wandler 20 vorliegt. Die Innensteuerungsblöcke 48 nutzen die Strombefehlswerte, zusammen mit der Feedback-Steuerung an der Ausgangsspannung, um einen endgültigen Strom, der zu erzeugen ist, zu bestimmen. Ein verteiltes Steuerungssystem ist genauer in der ebenfalls anhängigen U.S.-Anmeldung mit der Seriennummer (15/238,003) beschrieben, die gleichzeitig mit dieser Anmeldung eingereicht wurde, mit dem Titel "Electrified Vehicle DC Power Conversion with Distributed Control", die hiermit durch Verweis in ihrer Gesamtheit hierin aufgenommen wird.
  • 5A und 5B stellen die verbesserte Spannungssteuerung dar, die bei Verwendung der vorliegenden Erfindung erlangt wird. 5A zeigt eine Ziel-Gesamtstromkurve 50, die während eines Fahrzeugtestzyklus erzeugt wird. In dem simulierten Test ist eine kalte 12 V-Batterie am Niederspannungsbus vorhanden, da eine kalte Batterie aufgrund ihres hohen internen Widerstandes schwieriger zu steuern ist. Die Kurve 50 zeigt, dass der Gesamtstrom, der notwendig ist, um die Ausgangsspannung zu regulieren, gemäß Bedingungen, wie Leistungsentnahme am Niederspannungsbus oder anderen Faktoren, variiert. Der befohlene Gesamtstrom erzeugt die gewünschte Busspannung entlang einer Kurve 51, die einen sehr niedrigen RMS-Fehler von dem Sollwert von 15 V aufweist. Ferner wird ein Zellenausgleich weiterhin auf Grundlage der Verteilung eines größeren Anteils des zugeteilten Stroms zu einem Wandler, der von einer Batterieeinheit angetrieben wird, die einen proportional höheren Ladezustand verarbeitet, erzielt.
  • Im Betrieb können die Außenregelkreissteuerung und die Innenregelkreissteuerung der vorliegenden Erfindung ein Verfahren zum Umwandeln einer Hauptspannung von in Reihe verbundenen Batterieeinheiten in entweder eine höhere oder eine niedrigere Spannung für einen Bus über parallele Leistungswandler, die jeweils von einer jeweiligen Batterieeinheit mit Strom versorgt werden, gemäß den folgenden Schritten durchführen. Eine Busspannung wird gemessen. Ein kumulierter Strom wird bestimmt, der die Busspannung auf ein Ziel reguliert. Der kumulierte Strom wird gemäß jeweiligen Ladezuständen der Batterieeinheiten zwischen den Wandlern zugeteilt.
  • In einer Ausführungsform kann der Bestimmungsschritt aus dem Minimieren eines Fehlers zwischen der Busspannung und dem Ziel unter Verwendung einer proportional-integral-derivativ(PID)-Steuerung bestehen. Die PID-Steuerung kann eine integrale Steuerung mit Anti-Windup beinhalten. Weiterhin kann die PID-Steuerung eine Vielzahl von Steuerungsverstärkungen beinhalten, und der Bestimmungsschritt kann ferner Einstellen der Steuerungsverstärkungen gemäß einer Größenordnung des Fehlers umfassen (z. B. Erhöhen der Verstärkungen für große Fehler).
  • In einer weiteren Ausführungsform kann der Bestimmungsschritt aus dem Verwenden einer Feedforward-Steuerung bestehen, um den kumulierten Strom gemäß einem Umwandlungswirkungsgrad der Leistungswandler zu bestimmen. Der Umwandlungswirkungsgrad kann adaptiv bestimmt werden oder kann unter Verwendung einer Nachschlagtabelle bestimmt werden. Durch Verwenden des Umwandlungswirkungsgrads als ein Feedforward-Term kann der Zielstrom gemäß einer Formel bestimmt werden:
    Figure DE102017118606A1_0003
    wobei Iin der Zielstrom ist, der von den DC/DC-Wandlern in Kombination aufzunehmen ist, vdes die gewünschte Zielspannung ist, Iout der Ist-Busstrom ist, vin ein Durchschnitt der Spannungen ist, die von den Batterieeinheiten geliefert werden, und η der Umwandlungswirkungsgrad ist.
  • 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
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Claims (15)

  1. Elektrische Fahrzeugvorrichtung, umfassend: einen Batteriepack, der in Reihe verbundene Batterieeinheiten umfasst, die eine Hauptspannung bereitstellen; eine Vielzahl von DC/DC-Wandlern, die jeweils einen Eingang aufweisen, der mit einer entsprechenden Batterieeinheit gekoppelt ist; einen Niederspannungsbus, wobei die DC/DC-Wandler jeweilige Ausgänge aufweisen, die parallel mit dem Niederenergiebus gekoppelt sind; eine erste Steuerung, die eine Ist-Busspannung empfängt, wobei die erste Steuerung einen Zielstrom als Reaktion auf die Ist-Busspannung erzeugt, der ausgelegt ist, um die Ist-Busspannung auf eine Zielspannung zu regulieren; und eine zweite Steuerung, die den Zielstrom in eine Vielzahl von zugeteilten Strombefehlen für jeweilige DC/DC-Wandler gemäß dem jeweiligen Ladezustand der Batterieeinheiten, die mit den DC/DC-Wandlern verbunden sind, verteilt.
  2. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die erste Steuerung aus einer Proportional-Integral-Differential-(PID)-Steuerung besteht, die auf einen Fehler zwischen der Ist-Busspannung und der Zielspannung reagiert.
  3. Vorrichtung nach Anspruch 2, wobei die PID-Steuerung eine Integralsteuerung mit Anti-Windup beinhaltet.
  4. Vorrichtung nach Anspruch 2, wobei die PID-Steuerung eine Vielzahl von Steuerungsverstärkungen beinhaltet, wobei die Steuerungsverstärkungen gemäß einer Größenordnung des Fehlers eingestellt werden.
  5. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die erste Steuerung aus einer Feedforward-Steuerung besteht, die auf einen Ist-Busstrom reagiert.
  6. Vorrichtung nach Anspruch 5, wobei die Feedforward-Steuerung den Zielstrom gemäß einem Umwandlungswirkungsgrad der DC/DC-Wandler bestimmt.
  7. Vorrichtung nach Anspruch 6, wobei der Umwandlungswirkungsgrad adaptiv bestimmt wird.
  8. Vorrichtung nach Anspruch 6, wobei der Umwandlungswirkungsgrad unter Verwendung einer Nachschlagtabelle bestimmt wird.
  9. Vorrichtung nach Anspruch 6, wobei der Zielstrom gemäß einer Formel bestimmt wird:
    Figure DE102017118606A1_0004
    wobei Iin der Zielstrom ist, der von den DC/DC-Wandlern in Kombination aufzunehmen ist, vdes die gewünschte Zielspannung ist, Iout der Ist-Busstrom ist, vin ein Durchschnitt der Spannungen ist, die von den Batterieeinheiten geliefert werden, und η der Umwandlungswirkungsgrad ist.
  10. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die erste Steuerung eine Änderungsrate jedes jeweiligen zugeteilten Strombefehls begrenzt.
  11. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die zweite Steuerung zwischen einer Vielzahl von Wandlermodulen und einem Hauptmodul verteilt ist, wobei das Hauptmodul ferner die erste Steuerung umfasst.
  12. Verfahren zum Umwandeln einer Hauptspannung von in Reihe verbundenen Batterieeinheiten in eine Zielspannung für einen Bus über parallele Leistungswandler, von denen jeder durch eine jeweilige Batterieeinheit mit Strom versorgt wird, umfassend die folgenden Schritte: Messen einer Busspannung; Bestimmen eines kumulierten Stroms unter Verwendung einer Feedforward-Steuerung, um den kumulierten Strom gemäß einem gemessenen Busstrom und einem Umwandlungswirkungsgrad der Leistungswandler zu bestimmen; Regulieren der Busspannung auf die Zielspannung durch Minimieren eines Fehlers zwischen der Busspannung und der Zielspannung unter Verwendung einer Proportional-Integral-Differential-(PID)-Steuerung mit Anti-Windup; und Zuteilen des kumulierten Stroms zwischen den Wandlern gemäß den jeweiligen Ladezuständen der Batterieeinheiten.
  13. Verfahren nach Anspruch 12, wobei die PID-Steuerung eine Vielzahl von Steuerungsverstärkungen beinhaltet und wobei der Bestimmungsschritt ferner Einstellen der Steuerungsverstärkungen gemäß einer Größenordnung des Fehlers umfasst.
  14. Verfahren nach Anspruch 12, wobei der Umwandlungswirkungsgrad adaptiv bestimmt wird.
  15. Verfahren nach Anspruch 12, wobei der Umwandlungswirkungsgrad unter Verwendung einer Nachschlagtabelle bestimmt wird.
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