DE102019123998A1

DE102019123998A1 - Verfahren zum Betreiben einer Schaltungsanordnung zum Umrichten eines Stroms und Schaltungsanordnung

Info

Publication number: DE102019123998A1
Application number: DE102019123998.2A
Authority: DE
Inventors: Mathias Krößer
Original assignee: SYSTEMATEC GmbH
Current assignee: SYSTEMATEC GmbH
Priority date: 2019-09-06
Filing date: 2019-09-06
Publication date: 2021-03-11

Abstract

Eine mehrphasige Schaltungsanordnung 1, 100 zum Umrichten einer Spannung wird so betrieben, dass Einschaltzeitpunkte für die Schaltnetze der einzelnen Phasen 5, 6 so verschoben werden, dass ein komplementärer Verlauf eingestellt werden kann.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Schaltungsanordnung zum Umrichten einer Spannung sowie eine Schaltungsanordnung, die zur Durchführung dieses Verfahrens eingerichtet ist. Insbesondere ist dieses Verfahren zur Verwendung in einer Umrichterschaltung beispielsweise zum Einsatz in einer Leistungselektronik für Kraftfahrzeuganwendungen geeignet.
In Schaltungsanordnungen zum Umrichten von Strömen und Spannungen werden Dioden und elektronische Schalter (IGBT, MOSFET) zur Erhöhung bzw. Erniedrigung der verwendeten Betriebsspannungen sowie LC- Schwingkreise zur Übermittlung der Ladung in Schaltnetzen angeordnet. Zur Erhöhung des Leistungsdurchsatzes werden mehrere solche Schaltnetze in sogenannten Phasen parallel betrieben. In diesen einzelnen Schaltnetzen wird die zeitliche Abfolge von Aufladevorgang und Entladevorgang von Kondensatoren und/oder Spulen z.B. über elektronische Schalter gesteuert.
Diese Schalter werden von einer zentralen Steuerungseinrichtung angesteuert. Durch den periodisch angesteuerten Vorgang des Aufladens und Entladens von Kondensatoren und/oder Spulen entsteht im jeweiligen Schwingkreis ein wellenförmiger Stromverlauf auf der Ausgangsseite des Schaltnetzes, der gut mit einem sinusförmigen Verlauf korreliert.
Die Schwingkreise sind elementare Bestandteile einer resonanten Umrichtertopologie und ermöglichen, stromlos zu schalten. In dieser Topologie werden die elektronischen Schalter zur Aktivierung der einzelnen Schwingkreise von der Steuereinrichtung periodisch angesteuert. Um Kurzschlüsse zu vermeiden, werden zwischen den Zeiten, in denen Schwingkreise aktiviert sind, Totzeiten eingefügt, bevor ein anderer Schwingkreis aktiviert wird.
Die den Schwingkreis bildenden Elemente bewirken eine Zwischenspeicherung der Ladung im Kondensator und eine Begrenzung des Stroms zum Aufladen oder Entladen des Kondensators mittels der Spule. Andererseits bestimmen diese Elemente die Resonanzfrequenz des aus Kondensator und Spule gebildeten Schwingkreises. So entsteht im Schwingkreis beim Auf- bzw. Entladen der einzelnen Kondensatoren ein Stromverlauf, der mit einer im wesentlichen sinusförmigen Halbwelle beschrieben werden kann.
Die Dauer der oben beschriebenen periodischen Aktivierung einzelner Schwingkreise muss also mindestens der Dauer einer Halbwelle im sinusförmigen Stromverlauf des Schwingkreises entsprechen. Die Dauer, in der die Schwingkreise nicht aktiviert sind, ist für jeden Schwingkreis um die zweifache Totzeit höher als die Dauer, für die dieser Schwingkreis aktiviert ist.
Die hier vorliegende Ladungspumpe besteht aus einem Eingangskondensator, einem Ausgangskondensator und einem Schwingkreis. Diese Komponenten sind über ein Schaltnetz verbunden, so dass Energie aus dem Eingangskondensator in den Schwingkreiskondensator geladen werden kann und dass nach dem Umschalten diese Energie in den Ausgangskondensator entladen werden kann.
Wegen der Bauteiltoleranzen teilen sich die Ströme unterschiedlich auf die Schwingkreise auf. Einerseits führen die unterschiedlichen Werte für Induktivität L der Spule und für Kapazität C des Kondensators zu unterschiedlichen Resonanzfrequenzen der Schwingkreise in den jeweiligen Schaltnetzen und somit zu einer unterschiedlichen Zeitdauer der Halbwelle. Für den eingangsseitigen Kondensator fließt andererseits immer diejenige Ladung zu bzw. ab, die der Kapazität und der angelegten Spannung entspricht. Das führt bei gleicher Ladung und unterschiedlicher Zeitdauer zu unterschiedlicher Strombelastung der einzelnen Schaltnetze und dadurch auch zu höherer Welligkeit der Ausgangsspannung.
Die in der DE 10 2016 217 040 A1 beschriebene Hochleistungs-Ladungspumpe realisiert eine Schaltungsanordnung für einen Umrichter.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein verbessertes Verfahren zum Betreiben einer solchen Schaltungsanordnung zu schaffen sowie eine zur Durchführung dieses Verfahrens geeignete Schaltungsanordnung bereitzustellen.
Demgemäß wird ein Verfahren zum Betreiben einer Schaltungsanordnung zum Umrichten eines Eingangsstromes und/oder einer Eingangsspannung mit mindestens zwei steuerbaren Schaltnetzen vorgeschlagen. Dabei wird anhand mindestens eines Messwerts einer Ausgangsgröße der Schaltungsanordnung und/oder der Schaltnetze ein Steuersignal für eines der steuerbaren Schaltnetze verändert.
Ferner wird eine Schaltungsanordnung zum Umrichten eines Eingangsstromes und/oder einer Eingangsspannung vorgeschlagen, welche umfasst:

mindestens zwei steuerbare Schaltnetze und
eine Steuereinrichtung, welche mindestens einen Sensoreingang für ein Messwertsignal für eine Ausgangsgröße der Schaltungsanordnung und/oder der Schaltnetze und mindestens einen Steuerausgang für ein Steuersignal umfasst.

Dabei ist die Steuereinrichtung eingerichtet, in Abhängigkeit von dem Messwertsignal mindestens ein Steuersignal zur Ansteuerung mindestens eines der steuerbaren Schaltnetze zu erzeugen.
Insofern wird ein Verfahren zum Betreiben einer Schaltungsanordnung zum Umrichten einer Spannung und eine dafür geeignete Schaltungsanordnung beschrieben. Das Verfahren kann als ein Computerprogramm umgesetzt werden, das eine Steuereinrichtung in der Schaltungsanordnung entsprechend funktionalisiert.
In dieser Schaltungsanordnung werden Ladungspumpen in Schaltnetzen aus Dioden, Schwingkreisen und Schaltern betrieben, um das gewünschte Spannungsverhältnis zwischen Ausgangsspannung und Eingangsspannung zu erreichen. Um höhere Leistungen zu verwirklichen, werden mehrere Schaltnetze parallel betrieben. Man kann dabei von einem mehrphasigen Betrieb dieser Schaltungsanordnung sprechen.
Wenn beispielsweise zwei Schaltnetze vorhanden sind, werden beispielsweise von einer zentralen Steuerungseinrichtung die periodisch betriebenen Schalter der zweiten Phase relativ zur ersten Phase um 180° versetzt angesteuert. Bei drei Phasen beträgt der relative Versatz dann 120° etc. Bei einer geraden Zahl von Schaltnetzen können je zwei Schaltnetze paarweise zusammengefasst werden, so dass sich die Welligkeiten am Ausgang gegenseitig kompensieren. Ein solches Vorgehen wird als komplementäre Ansteuerung der einzelnen Phasen bezeichnet.
Bei mehreren Schaltnetzen werden die Schalter in den Schaltnetzen von einer zentralen Steuerungseinrichtung beispielsweise so betrieben, dass die Welligkeit am gemeinsamen Ausgang der Schaltnetze und somit für die ganze Schaltungsanordnung minimiert wird.
In einer solchen Schaltungsanordnung zum Umrichten eines Eingangsstromes bzw. einer Eingangsspannung mit mindestens zwei steuerbaren Schaltnetzen wird anhand eines Messwerts einer Ausgangsgröße ein Steuersignal für eines der steuerbaren Schaltnetze verändert.
Als Ausgangsgröße dient in Ausführungsformen der jeweilige Strom in einem der Schwingkreise, die innerhalb des Schaltnetzes gebildet werden. Insbesondere Maximalwerte oder Minimalwerte, also Extrema im oben beschriebenen sinusförmigen Stromverlauf werden hier erfasst und für die Steuerung des Schaltnetzes verwendet.
In Ausführungsformen dient die Ausgangsspannung des Schaltnetzes bzw. der ganzen Schaltungsanordnung als Ausgangsgröße. Insbesondere dient der Wechselspannungsanteil, also die Welligkeit der Ausgangsspannung zur Steuerung.
Die Veränderung des Steuersignals erfolgt in Ausführungsformen mit Hilfe mindestens eines der folgenden Schritte:

es wird mindestens ein Messwert einer Ausgangsgröße der Schaltungsanordnung bzw. der Schaltnetze ermittelt;
es wird mindestens ein Ansteuerzeitpunkt, welcher durch das Steuersignal festgelegt wird, zur Ansteuerung zumindest eines der Schaltnetze derart verschoben, dass ein später erneut ermittelter Messwert kleiner als ein vorgegebener Wert wird.

In Ausführungsformen geschieht dies, indem ein Zeitpunkt zum Einschalten bzw. Ausschalten des jeweiligen Schaltnetzes verschoben wird. Wenn dies so geschieht, dass die Verläufe der Ströme in paarweise entgegengesetzt betriebenen Phasen einerseits zeitlich möglichst parallel zueinander, andererseits aber mit entgegengesetzten Vorzeichen verlaufen, wird die Schwankung auf der Ausgangsseite der Schaltungsanordnung reduziert. Man kann dann von einer komplementären Ansteuerung der Phasen sprechen.
In Ausführungsformen wird die Ansteuerung so vorgenommen, dass die Einschaltung einer zweiten Phase nicht nur mit einem festen zeitlichen Versatz erfolgt, sondern dass der Einschaltzeitpunkt so gewählt wird, dass die Differenz der Ströme zwischen einer ersten und einer zweiten Phase möglichst gering wird. Wenn der Strom der zweiten Phase insgesamt geringer ausfällt als der Strom in der ersten Phase, z.B. aufgrund von Fertigungstoleranzen der in den jeweiligen Phasen verwendeten Bauteile oder aufgrund thermischer Einflüsse, die durch die Anordnung der Bauteile der einzelnen Phasen auf der Platine, im Gehäuse o.ä. entstehen, dann wird der Ansteuerzeitpunkt zum Einschalten der zweiten Phase verzögert. Dies erfolgt in Ausführungsformen dadurch, dass als Messgröße ein Extremwert, ein Effektivwert eines Stroms oder ein Wert des gleichgerichteten Stroms verwendet werden. Vorzugsweise wird der Spitzenwert des Stromes verwendet, da dieser einfach ermittelt werden kann.
In Ausführungsformen wird der Ansteuerzeitpunkt so verändert, dass eine Differenz zweier in oder an den steuerbaren Schaltnetzen ermittelter Ströme unter einen vorgegebenen Wert gesenkt wird und/oder die Welligkeit der Ausgangsspannung der Schaltungsanordnung unter einen vorgegebenen Wert gesenkt wird.
Die Messung und nachfolgende Veränderung des Steuersignals wird in Ausführungsformen bei der Inbetriebnahme der Schaltungsanordnung, zu vorgegebenen Betriebszeitpunkten bzw. nach einer bestimmten Betriebsdauer der Schaltungsanordnung durchgeführt. So wird bei der Auslieferung eine optimale Einstellung der neuen Schaltungsanordnung erzielt. Werden Messung und nachfolgende Veränderung des Steuersignals später wiederholt, wird dadurch Alterungseffekten von Bauelementen begegnet.
Denkbar ist auch eine Bestimmung von Ansteuerzeitpunkten vor der eigentlichen Inbetriebnahme der Schaltungsanordnung und ein Abspeichern in einer Speichereinrichtung. Die Justage der Ansteuerzeitpunkte kann insofern Teil eines Herstellungsverfahrens für eine entsprechende Schaltungsanordnung mit einer Speichereinrichtung sein. Auf eine Implementierung der Steuereinrichtung zur Durchführung des Verfahrens kann dann verzichtet werden, weil die Steuereinrichtung im Betrieb lediglich auf die gespeicherten Werte der Ansteuerzeitpunkte zugreift.
Im Ausführungsformen werden die steuerbaren Schaltnetze in Abhängigkeit von dem einen oder mehreren Messwerten so angesteuert, dass Extremwerte eines Spannungs- und/oder Stromverlaufs von an den beiden Schaltnetzen abgreifbaren Spannungs- und/oder Stromsignalen innerhalb eines vorgegebenen Zeitintervalls vorliegen. Bevorzugt werden hierfür Extremwerte, also Spitzenwerte von Spannungs- und/oder Stromwerten erfasst und als Eingangsgröße für die Steuerung verwendet.
In Ausführungsformen wird jedem steuerbaren Schaltnetz eine Stromphase zugeordnet, welche in Abhängigkeit von dem jeweiligen Steuersignal phasenverschoben den Eingangsstrom und/oder die Eingangsspannung der Schaltungsanordnung wandelt, und wobei eine Stromphasenlage während des Betriebs der Schaltungsanordnung mit Hilfe der Steuersignale, insbesondere kontinuierlich, so geregelt wird, dass die Differenz der gewandelten Ströme für die einzelnen Stromphasen kleiner als ein vorgegebener Wert ist. Mit dieser Ausführungsform wird sichergestellt, dass die Schwankungen im Ausgangsstrom unter einen vorgegebenen Wert gesenkt werden. Im laufenden Betrieb wird damit ständig sichergestellt, dass die Schaltungsanordnung optimal betrieben wird. Einflussgrößen wie die aktuelle Betriebstemperatur oder Alterung können kompensiert werden.
In Ausführungsformen wird ein durch das jeweilige Steuersignal festgelegter Ansteuerzeitpunkt für die Schaltnetze in einem Bereich geregelt, in dem die Differenz der Spannungen bzw. der Ströme einen Wert annimmt, der unter einem vorgegebenen Wert, vorzugsweise nahe Null liegt. In dieser Weise werden beim Betrieb zweier Phasen die wellenförmigen Verläufe der Ströme in den jeweiligen Phasen so geregelt, dass die beiden Ströme zueinander komplementär verlaufen und sich die Schwingungen der Ströme in den einzelnen Phasen gegenseitig so kompensieren, dass sie insgesamt minimiert werden.
In Ausführungsformen sind die steuerbaren Schaltnetze (5, 6) als Ladungspumpen eingerichtet, insbesondere zum Umwandeln von Eingangsspannungen von 200 - 600 V auf Ausgangsspannungen von 400 - 1200 V. Beispielsweise wird eine Spannungswandlung um den Faktor 2 vorgenommen.
Es wird ferner eine Schaltungsanordnung zum Umrichten eines Eingangsstromes und/oder einer Eingangsspannung mit mindestens zwei steuerbaren Schaltnetzen, einer Speichereinrichtung zum Bereitstellen von gespeicherten Ansteuerzeitpunkten, welche mit Hilfe eines zuvor oder im Folgenden beschriebenen Verfahrens bestimmt sind, und mit einer Steuereinrichtung vorgeschlagen. Die Steuereinrichtung ist mit der Speichereinrichtung kommunikativ verbunden und hat mindestens einen Steuerausgang für ein Steuersignal. Die Steuereinrichtung ist ferner eingerichtet, in Abhängigkeit von den gespeicherten Ansteuerzeitpunkten mindestens ein Steuersignal zur Ansteuerung mindestens eines der steuerbaren Schaltnetze zu erzeugen.
Insofern können die Ansteuerzeitpunkte in einem Schritt vor der Auslieferung der Schaltungsanordnung bestimmt werden und abgespeichert werden. Man kann dazu eine Speichereinrichtung als Konfigurationsspeichereinrichtung vorsehen, in die die ermittelten Ansteuerzeitpunkte als Konfigurationsdaten eingeschrieben werden bzw. sind. Die Konfigurationsdaten können während des Betriebs der Schaltungsanordnung zum Umrichten aktualisiert werden.
In einer Ausführungsform werden die Schaltungsanordnung, das Verfahren zum Betreiben der Schaltungsanordnung und das das Verfahren realisierende Computerprogramm in einem elektrisch betriebenen Kraftfahrzeug eingesetzt, dessen Batterien an einer für eine geringere Spannung ausgelegten Ladesäule aufgeladen werden. Insofern wird eine Schaltungsanordnung im Batteriemanagementsystem eines elektrisch betriebenen Kraftfahrzeugs vorgeschlagen.
In einer Ausführungsform werden die Schaltungsanordnung, das Verfahren zum Betreiben der Schaltungsanordnung und das das Verfahren realisierende Computerprogramm in einer Ladesäule für eine Batterie eines Kraftfahrzeugs eingesetzt. Insofern wird eine Ladeeinrichtung, insbesondere eine Ladesäule, für Kraftfahrzeuge mit einer solchen Schaltungsanordnung vorgeschlagen. In Ausführungsformen wird ferner ein Kraftfahrzeug, insbesondere ein Elektrofahrzeug, vorgeschlagen, das ein Batteriemanagementsystem oder eine zuvor oder im Folgenden beschriebene Schaltungsanordnung zum Umrichten eines Ladestroms umfasst.
Die beschriebene Schaltungsanordnung, das Batteriemanagementsystem und/oder das Verfahren sind insbesondere eingerichtet Ladeleistungen von 20 KW bis 400 KW, in Ausführungsformen 40 KW bis 100 KW bereitzustellen.
Es wird weiterhin ein Computerprogrammprodukt vorgeschlagen, welches auf einer programmsteuerbaren Einrichtung, beispielsweise der vorgenannten Steuereinrichtung, die Durchführung des oben oder im Folgenden erläuterten Verfahrens zum Betreiben der Umrichterschaltung veranlasst.
Ein Computerprogrammprodukt, wie z.B. ein Computerprogramm-Mittel, kann beispielsweise als Speichermedium, wie z.B. Speicherkarte, USB-Stick, CD-ROM, DVD, oder auch in Form einer herunterladbaren Datei von einem Server in einem Netzwerk bereitgestellt oder geliefert werden. Dies kann zum Beispiel in einem drahtlosen Kommunikationsnetzwerk durch die Übertragung einer entsprechenden Datei mit dem Computerprogrammprodukt oder dem Computerprogramm-Mittel erfolgen.
Weitere mögliche Implementierungen der Erfindung umfassen auch nicht explizit genannte Kombinationen von zuvor oder im Folgenden bezüglich der Ausführungsbeispiele beschriebenen Merkmale oder Ausführungsformen. Dabei wird der Fachmann auch Einzelaspekte als Verbesserungen oder Ergänzungen zu der jeweiligen Grundform der Erfindung hinzufügen.
Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche sowie des im Folgenden beschriebenen Ausführungsbeispiels der Erfindung. Im Weiteren wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die beigelegten Figuren näher erläutert.
Dabei zeigt:

1: eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels für eine Schaltungsanordnung zum Umrichten.
2: eine schematische Darstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels für eine Schaltungsanordnung zum Umrichten.
3: eine schematische Darstellung des Zeitverlaufs von Messgrößen in der Schaltungsanordnung nach 1.
4: eine schematische Darstellung weiterer Zeitverläufe von Messgrößen in der Schaltungsanordnung nach 1.
5: ein Flussdiagramm mit einer Ausführungsform eines Betriebsverfahrens für die Vorrichtung nach 2.
6: zwei Anordnungen, in denen a) eine Schaltungsanordnung zum Umrichten in einem Batteriemanagementsystem eines KFZ eingesetzt ist bzw. b) eine Schaltungsanordnung zum Umrichten in einer Ladesäule für ein KFZ eingesetzt ist.

In der 1 ist eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels für eine Schaltungsanordnung zum Umrichten bzw. eine Umrichtereinrichtung oder eine Umrichterschaltung angegeben.
Die in 1 dargestellte Umrichterschaltung 1 umfasst zwei parallel geschaltete Schaltnetze 5, 6. Diese Schaltnetze 5, 6 bewirken die Umsetzung einer Eingangsspannung U_in, welche an Eingangsanschlüssen 12, 13 eingekoppelt sind, in eine Ausgangsspannung Uout, welche an Ausgangsanschlüssen 14, 15 abgreifbar ist. Zur Erhöhung der mit der Umrichterschaltung 1 erzielbaren Leistung werden mehrere Schaltnetze 5, 6 verwendet. Im Beispiel der 1 sind es zwei dieser Schaltnetze 5, 6. Jedes Schaltnetz 5, 6 hat Eingänge 16, 17, 18, 19 für die Eingangsspannung, die auch an den Anschlüssen 12, 13 der Umrichterschaltung anliegt, und Ausgänge 22, 23, 24, 25, die mit den Ausgangsanschlüssen der Umrichterschaltung 14, 15 verbunden sind. Weiter verfügen die Schaltnetze 5, 6 über Eingänge 30, 31, an die von einer auch als Controller bezeichneten Steuereinrichtung 10 erste und zweite Steuer- bzw. Schaltsignale Ph1 und Ph2 zugeführt werden. Dazu hat die Steuereinrichtung 10 einen jeweiligen ersten Steuerausgang 26 für das erste Steuersignal Ph1 und einen zweiten Steuerausgang 27 für das zweite Steuersignal Ph2.
Es kann sich bei den Schaltnetzen 5, 6 um die mit verschiedenen phasenverschobenen als Taktsignale implementierten Steuersignale Ph1, Ph2 beaufschlagten Teile einer Ladungspumpe handeln.
Es ist denkbar, die Schaltnetze 5, 6 gemäß den 1, 2, 3, 4, 5 ,6 ,7 oder 8 der DE 10 2016 217 040 A1 auszuführen. Auf die Offenbarung der DE 10 2016 217 040 A1 wird insofern vollinhaltlich Bezug genommen („incorporation by reference“).
Diese phasenverschobenen Taktsignale Ph1, Ph2 werden z.B. von einem nicht dargestellten Oszillator in der Steuereinrichtung 10 bereitgestellt, oder können als periodische Umschaltimpulse gebildet werden. Diese phasenverschobenen Taktsignale Ph1, Ph2 sind so ausgeführt, dass die jeweilige Phasenlage eine komplementäre Ansteuerung der einzelnen Schaltnetze 5, 6 bewirkt. Die Bedeutung des Begriffs der komplementären Ansteuerung wird im Folgenden in Zusammenhang mit 4 genauer erläutert. Wie in der Einleitung beschrieben, werden durch gegenphasigen Betrieb die Schwankungen der Ausgangsströme und Ausgangsspannungen durch die periodischen Auf- und Entladevorgänge reduziert.
Der Steuereinrichtung 10 werden an Messsignaleingängen 28, 29 durch in den Schaltnetzen 5, 6 angeordnete Shunt-Widerstände 3, 4, deren Signalanschlüsse mit 32 und 33 bezeichnet sind, Messwerte I1, I2 für die Ströme im jeweiligen Schaltnetz 5, 6 zugeführt, mit denen die Steuereinrichtung 10 insbesondere die Extremwerte der sinusförmig verlaufenden Ströme erfassen kann. Anstelle der angedeuteten Strommessung mit einem Shunt-Widerstand kann alternativ oder zusätzlich ein Hallsensor oder ein Stromtrafo zur Strommessung eingesetzt werden.
In 2 ist eine weitere Ausführungsform 100 der Umrichterschaltung detaillierter gezeigt. Gleiche Bezugszeichen wie in 1 bezeichnen gleiche Elemente. Es sind zusätzlich in den Schaltnetzen 5, 6 zugehörige Resonanzkreise 7 und 8 dargestellt. In diesen Resonanzkreisen 7 und 8 sind auch die Shunt-Widerstände 3 und 4 angeordnet. Alternativ zu diesen Shunt-Widerständen oder ergänzend dazu wird der Steuereinrichtung 10 der aktuelle Wert der Ausgangsspannung Uout über die Anschlüsse 9 zugeführt. In einer bevorzugten Ausführungsform erfasst die Steuereinrichtung 10 über diese Anschlüsse 9 nur den Wechselspannungsanteil der Ausgangsspannung Uout, also die auch als Ripple bezeichnete Welligkeit. Weiter enthält die Schaltungsanordnung 100 zwei DC-Link-Kondensatoren 2 und 11.
Beim dargestellten Betrieb, in dem die Ansteuerung der Schaltnetze 5, 6 mit mehreren parallelen Phasen vorgenommen wird, kann sich der Phasenstrom 11, I2 aufgrund von Bauteiltoleranzen unterschiedlich auf die einzelnen Phasen aufteilen.
Die unterschiedliche Aufteilung dieser Ströme I1, I2 verursacht eine entsprechende Erwärmung und unter Umständen sogar die Sättigung einer Drossel und damit die Zerstörung der Schaltungsanordnung. Eine solche unterschiedliche Aufteilung der Ströme wird bisher durch Überdimensionierung der verwendeten Bauteile beherrscht. Es muss dennoch mit hohen Ausfallraten während der Produktion gerechnet werden.
Es ist üblich, durch Änderung der Verhältnisse in der PWM den Strom in den einzelnen Phasen zu verändern. In der in der DE 10 2016 217 040 A1 gezeigten Ladungspumpe ist eine solche Änderung über die PWM-Ansteuerung jedoch nicht möglich, da für den hier angestrebten Prozess immer eine Sinus-Halbwelle abgewartet werden muss. Dies ist dadurch begründet, dass der Strom immer gleich Null sein muss, bevor eine Umschaltung zu einer anderen Phase erfolgen kann,
Dieses in der DE 10 2016 217 040 A1 beschriebene Verhalten ist in 3 dargestellt. Das in 3 a) gezeigte Ansteuersignal Ph1 bleibt so lange aktiv, bis der Strom I1 (s. 3 c)) im Schaltnetz 5 den Kondensator aufgeladen hat. Erst nach einer gewissen, mit Delta bezeichneten Pause (Totzeit) wird das in 3 b) dargestellte Steuersignal Ph2 aktiv geschaltet.
Dabei bezieht sich die Totzeit auf die Halbbrücke einer Ladungspumpe (einer Phase). Dieser Zustand erstreckt sich über den Entladevorgang im Schaltnetz 6. Entsprechend durchläuft der Strom I2 (s. 3 d)) während dieser Ansteuerzeit ebenfalls eine Halbwelle. Es ist deutlich erkennbar, dass zum Ende der Ansteuerzeit des Signals Ph2 der Strom I2 schon gleich null ist, während in der anderen Phase noch ein Strom I1 fließt.
In 4 wurden die Darstellungen aus 3 wiederholt. Verändert wurde der Verlauf des Steuersignals Ph2 in 4 b). Bisher folgte auf das Steuersignal einer Phase vor dem Ansteuern der nächsten Phase eine kleine, mit Delta bezeichnete Pause. Diese Totzeit Delta dient hier dazu, einen Halbbrückenkurzschluss zu vermeiden. Durch die vorgeschlagene Ansteuerung wird die Phasenlage zur Ansteuerung der einzelnen Phasen verändert. In der vorliegenden Darstellung auf der Zeitachse erscheint diese Verschiebung der Phasenlage als Verschiebung der jeweiligen Halbwellen um den Betrag Phi. Die Phasenlage Phi wurde verändert. Herkömmlich werden die Phasen gleichmäßig verteilt (bei zwei Phasen also 180°). Jetzt wird diese gleichmäßige Verteilung um den Phasenwinkel Phi verändert. Dieser Betrag Phi ist im gezeigten Beispiel positiv, da die Halbwelle im Stromverlauf I2 kürzer ist als die Halbwelle im Stromverlauf I1. Dies ist dadurch bedingt, dass die Resonanzfrequenz des Schwingkreises in der zweiten Phase höher ist als die Frequenz des Schwingkreises in der ersten Phase. Die Frequenz der Ansteuerung beider Phasen bleibt identisch. Dies ist daran ersichtlich, dass in 4 b) sowohl der Einschaltvorgang als auch der Ausschaltvorgang für das zweite Schaltnetz zu einer späteren Zeit verschoben sind. Das Ergebnis dieser Phasenverschiebung der Ansteuerung der zweiten Phase wird dann im Vergleich der 4 c) und d) mit den 3 c) und d) ersichtlich. Hier ist erkennbar, dass durch die Verschiebung um Phi die Extremwerte der Ströme der beiden Phasen zum gleichen Zeitpunkt erreicht werden. Im anderen, nicht gezeigten Fall, wenn die Halbwelle im Stromverlauf I2 länger wäre als die Halbwelle im Stromverlauf I1, wäre Phi negativ.
Eine solche komplementäre Ansteuerung ist insbesondere so vorzunehmen, dass die Einschaltung einer zweiten Phase nicht nur wie im Stand der Technik mit einem festen zeitlichen Versatz erfolgt, sondern dass der Einschaltzeitpunkt so gewählt wird, dass die Differenz der Ströme zwischen erster und zweiter Phase möglichst gering wird. Wenn der Strom der zweiten Phase insgesamt geringer ausfällt als der Strom in der ersten Phase, z.B. aufgrund von Fertigungstoleranzen der in den jeweiligen Phasen verwendeten Bauteile oder aufgrund thermischer Einflüsse, die durch die Anordnung der Bauteile der einzelnen Phasen auf der Platine, im Gehäuse o.ä. entstehen, dann wird für jede Halbwelle der Ansteuerzeitpunkt zum Einschalten der zweiten Phase um Phi verzögert, so dass der zeitliche Verlauf einer Halbwelle möglichst parallel zum Verlauf der Halbwelle der ersten Phase erfolgt.
Weiter ist es möglich, mit der Strommessung an den Shunt-Widerständen 3, 4 Extremwerte der Ströme zu erfassen, die beim Auf- bzw. Entladen der Kondensatoren in den Schwingkreisen auftreten. Die Regelung der Ansteuerzeitpunkte in der Steuereinrichtung kann dann vorteilhaft so erfolgen, dass die Stromspitzen, also Extremwerte im zeitlichen Verlauf der Ströme auf eine möglichst kleine, vorzugsweise minimale oder verschwindende Differenz geregelt werden. Die verwendeten Bauelemente können somit für geringere Maximalströme dimensioniert werden.
So kann durch Veränderung der Verschiebung Phi die Schwankung der Ausgangsspannung bzw. des Ausgangsstroms unter einen vorgegebenen Wert eingestellt werden. Phi ist dabei so zu wählen, dass die Nulldurchgänge der Ströme bzw. Spannungen in den einzelnen Phasen sowohl beim Einschalten der einzelnen Phasen als auch beim Ausschalten der einzelnen Phasen innerhalb eines möglichst gering zu wählenden Zeitintervalls stattfinden. Alternativ und/oder ergänzend kann Phi so gewählt werden, dass Extremwerte wie Stromspitzen für die einzelnen Phasen innerhalb eines möglichst gering zu wählenden Zeitintervalls, bevorzugt gleichzeitig stattfinden.
Wenn die Schaltungsanordnung wie im Zusammenhang mit der 4 gezeigt betrieben wird, können die Phasenströme gleichmäßig auf die einzelnen Phasen verteilt werden. Dadurch werden alle Phasen gleichmäßig belastet. Es kommt nicht vor, dass eine einzelne Phase mit einem besonders hohen Strom belastet wird. Die Welligkeit (Ripple) der Ausgangsspannung sinkt, weil die Ströme gleichmäßig auf die einzelnen Phasen verteilt sind. Die Bauelemente in den Schaltnetzen für die einzelnen Phasen können so für einen geringeren Strom ausgelegt werden. Der Filter für die Ausgangsspannung kann kleiner und kostengünstiger werden.
Die Ermittlung und Einstellung der Zeitdauer der Verschiebung Phi geschieht nach dem in 5 dargestellten Verfahren. Das Verfahren beginnt mit dem Schritt S1. Im Schritt S2 erfasst die Steuereinrichtung 10 die Ströme der Shunt-Widerstände 3 und 4. Bevorzugt ist hierbei eine Erfassung der Stromspitzen. Alternativ oder ergänzend erfasst die Steuereinrichtung 10 über die Anschlüsse 9 den Istwert der Ausgangsspannung U_out bzw. den Ripple auf dieser Ausgangsspannung. Im Schritt S3 wird die Abweichung des so gewonnenen Messwerts zur letzten gespeicherten Messung ermittelt. Wenn diese Abweichung zur letzten gespeicherten Messung kleiner ist als ein vorgegebener Wert, endet das Verfahren im Schritt S8. Andernfalls muss der Betrag der Verschiebung Phi verändert werden. Dies geschieht im Schritt S4. Im Schritt S5 wird wie im Schritt S2 erneut gemessen. Im Schritt S6 erfolgt die Ermittlung des Vorzeichens der Änderung des Messwertes, die sich durch die im Schritt S4 vorgenommene Änderung der Verschiebung Phi ergeben hat. Wenn dieses Vorzeichen gleich ist wie das Vorzeichen, das im Schritt S3 oder nach der letzten Durchführung des Schrittes S5 ermittelt wurde, kehrt das Verfahren zum Schritt S3 zurück, um erneut die Abweichung zur letzten gespeicherten Messung zu ermitteln. Wenn sich die Vorzeichen unterscheiden, wird für die ggf. nächste Durchführung des Schritts S4 das Vorzeichen für die Änderung der Verschiebung Phi geändert, bevor das Verfahren zum Schritt S3 zurückkehrt.
Dieses anhand der 5 beschriebene Verfahren ist in einem Computerprogramm verwirklicht, dass z.B. in der als Microcontroller ausgeführten Steuereinrichtung 10 zur Anwendung kommt.
Als Sensorsignal kann der Spitzenstrom an den Shunt-Widerständen 3, 4 verwendet werden. Denkbar ist aber auch der Einsatz eines Hallsensors oder anderer Messmittel zur Stromerfassung. Bei dem Verfahren kann auch der Wechselspannungsanteil der Ausgangsspannung als Sensorsignal verwendet werden. Die Ströme sind insbesondere dann günstig verteilt, wenn die Ausgangswelligkeit am geringsten wird.
Das in 5 dargestellte Verfahren kann einmalig durchgeführt werden, also bei der Erstinbetriebnahme der Schaltungsanordnung 100, um Fertigungstoleranzen auszugleichen. Eine Wiederholung dieses Verfahrens kann nach einer vorbestimmten Betriebsdauer durchgeführt werden, um Alterungseinflüsse zu kompensieren. Darüber hinaus kann das Verfahren auch ständig während des Betriebs in einer Regelschleife durchgeführt werden, um jegliche äußeren oder inneren Drifteinflüsse auszugleichen. Ein äußerer Drifteinfluss kann z.B. die Temperatur sein, bei der die Schaltungsanordnung (oder einzelne Schaltnetze an verschiedenen Stellen innerhalb des Gehäuses, in das die Schaltungsanordnung eingebaut ist) betrieben wird.
Die Schaltungsanordnung eignet sich ebenso für Schaltungen zur Spannungsteilung (Buck Converter) wie für Schaltungen zur Spannungserhöhung (Boost Converter). Sie ist insbesondere für die Spannungserhöhung, z.B. als Spannungsverdoppler in KFZ geeignet, um Fahrzeuge mit einem für 800 V ausgelegten Batteriesystem an Ladesäulen mit 400 V Ausgangsspannung zu laden. Alternativ ist der Einsatz dieser Schaltungsanordnung in für diese beiden Spannungen ausgelegten KFZ-Ladesäulen von Vorteil.
Dies ist in 6 dargestellt. 6 a) zeigt hierbei ein KFZ 21 mit einem für eine Betriebsspannung von 800 V ausgelegten Batteriesystem mit einem Batteriesatz 220 und einem Batteriemanagementsystem (BMS) 210. Die Schaltung 100 ist in das Batteriemanagementsystem 210 integriert und wird aktiviert, wenn vom BMS erkannt wird, dass die im Augenblick angeschlossene Ladesäule 20 für eine Betriebsspannung von 400 V ausgelegt ist. Auf diese Weise können Elektroautos mit einer Batteriespannung von 800 V an einer Ladesäule für 400 V geladen werden.
In der in 6 a) dargestellten Ausführungsform kann das in Zusammenhang mit 5 beschriebene Verfahren einmalig durchgeführt werden, also bei der Herstellung des Batteriemanagementsystems für KFZ. Um Alterungseffekte in den Bauelementen der Schaltungsanordnung zu berücksichtigen, kann die Durchführung des Verfahrens z.B. bei einer Fahrzeugwartung wiederholt werden. Weiter kann das Verfahren auch in dem Batteriemanagementsystem 210 mittels der Schaltungsanordnung 100 ständig durchgeführt werden, also beim Laden des KFZ ebenso wie beim Betrieb des KFZ.
6 b) zeigt die Schaltungsanordnung 100 in einer Ladesäule 20. Ein KFZ 21 wurde zum Aufladen mit dieser Säule 20 verbunden.
In bevorzugten Anwendungen dieser Schaltungsanordnung dient sie zum Umwandeln von Eingangsspannungen von 200 - 600 V auf Ausgangsspannungen von 400 - 1200 V, also insbesondere für die Umrichtung zwischen auf 400 V ausgelegten Systemen und solchen, die auf 800 V ausgelegt sind.
Bezugszeichenliste

1: Umrichterschaltung / Schaltungsanordnung zum Umrichten
2: DC-Link Kondensator Eingang
3, 4: Shunt-Widerstand
5, 6: Schaltnetz
7, 8: Resonanzkreis
9: Eingangsanschlüsse der Steuereinrichtung für die Ausgangsspannung
10: Steuereinrichtung (Controller)
11: DC-Link Kondensator Ausgang
12, 13: Eingangsanschlüsse der Umrichterschaltung
14, 15: Ausgangsanschlüsse der Umrichterschaltung
16, 17: Eingangsanschlüsse des Schaltnetzes 5
18, 19: Eingangsanschlüsse des Schaltnetzes 6
20: Ladesäule
21: KFZ
22, 23: Ausgangsanschlüsse des Schaltnetzes 5
24, 25: Ausgangsanschlüsse des Schaltnetzes 6
26, 27: Ausgangsanschlüsse der Steuereinrichtung zu den Schaltnetzen 5 und 6
28, 29: Eingangsanschlüsse der Steuereinrichtung von den Schaltnetzen 5 und 6
30, 31: Eingangsanschlüsse der Schaltnetze 5, 6 für Signale der Steuereinrichtung
32, 33: Ausgangsanschlüsse der Schaltnetze 5, 6 für Signale zur Steuereinrichtung
100: weitere Ausführungsform der Schaltungsanordnung
210: Batteriemanagementsystem BMS
220: Batteriesatz

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102016217040 A1 [0009, 0044, 0050, 0051]

Claims

Verfahren zum Betreiben einer Schaltungsanordnung (1, 100) zum Umrichten eines Eingangsstromes und/oder einer Eingangsspannung (U_in) mit mindestens zwei steuerbaren Schaltnetzen (5, 6), wobei anhand mindestens eines Messwerts (I1, 12, Uout) einer Ausgangsgröße der Schaltungsanordnung (1, 100) und/oder der Schaltnetze (5, 6) ein Steuersignal (Ph1, Ph2) für eines der steuerbaren Schaltnetze (5, 6) verändert wird.
Verfahren nach Anspruch 1, mit folgenden Schritten: Ermitteln des mindestens einen Messwerts (I1, 12, Uout) einer Ausgangsgröße der Schaltungsanordnung (1, 100) und/oder der Schaltnetze (5, 6); Verschieben mindestens eines Ansteuerzeitpunkts, welcher durch das Steuersignal (Ph1, Ph2) festgelegt wird, zur Ansteuerung zumindest eines der Schaltnetze (5, 6) derart, dass ein später erneut ermittelter Messwert (11, 12, Uout) kleiner als ein vorgegebener Wert wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei als Ausgangsgröße in oder an den steuerbaren Schaltnetzen (5, 6) abgreifbare Ströme (I1, 12) verwendet werden.
Verfahren nach Anspruch 2 und 3, wobei der Ansteuerzeitpunkt so verändert wird, dass eine Differenz zweier in oder an den steuerbaren Schaltnetzen (5, 6) ermittelter Ströme (I1, 12) unter einen vorgegebenen Wert gesenkt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1-4, wobei als Ausgangsgröße eine Ausgangsspannung (U_out) der Schaltungsanordnung (1) verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 5, wobei der Ansteuerzeitpunkt so verändert wird, dass die Welligkeit der Ausgangsspannung (U_out) der Schaltungsanordnung (1, 100) unter einen vorgegebenen Wert gesenkt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1-6, wobei das Verfahren bei der Inbetriebnahme der Schaltungsanordnung (1, 100), zu vorgegeben Betriebszeitpunkten, nach einer bestimmten Betriebsdauer der Schaltungsanordnung (1, 100) und/oder vor der Inbetriebnahme der Schaltungsanordnung (1, 100) zum Erfassen und Speichern von Ansteuerzeitpunkten durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1-7, wobei die steuerbaren Schaltnetze (5, 6) in Abhängigkeit von dem einen oder mehreren Messwerten (11, 12, Uout) so angesteuert werden, dass Extremwerte eines Spannungs- und/oder Stromverlaufs von an den Schaltnetzen (5, 6) abgreifbaren Spannungs- und/oder Stromsignalen innerhalb eines vorgegebenen Zeitintervalls, vorzugsweise zum selben Zeitpunkt, vorliegen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1-8, wobei jedem steuerbaren Schaltnetz (5, 6) eine Stromphase zugeordnet wird, welche in Abhängigkeit von dem jeweiligen Steuersignal (Ph1, Ph2) phasenverschoben den Eingangsstrom und/oder die Eingangsspannung der Schaltungsanordnung (1, 100) wandelt, und wobei eine Stromphasenlage während des Betriebs der Schaltungsanordnung (1, 100) mit Hilfe der Steuersignale (Ph1, Ph2), insbesondere kontinuierlich, so geregelt wird, dass die Differenz der gewandelten Ströme für die einzelnen Stromphasen kleiner als ein vorgegebener Wert ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1-9, wobei ein durch das jeweilige Steuersignal (Ph1, Ph2) festgelegter Ansteuerzeitpunkt für die Schaltnetze (5, 6) im Bereich eines Nulldurchgangs des Ausgangsstroms geregelt wird.
Schaltungsanordnung (1) zum Umrichten eines Eingangsstromes und/oder einer Eingangsspannung mit mindestens zwei steuerbaren Schaltnetzen (5, 6), einer Speichereinrichtung zum Bereitstellen von gespeicherten Ansteuerzeitpunkten, welche mit Hilfe eines Verfahren nach einem Ansprüche 2-10 bestimmt sind, und einer Steuereinrichtung (10), welche mit der Speichereinrichtung kommunikativ verbunden ist und mindestens einen Steuerausgang für ein Steuersignal (Ph1, Ph2) umfasst, wobei die Steuereinrichtung (10) eingerichtet ist, in Abhängigkeit von den gespeicherten Ansteuerzeitpunkten mindestens ein Steuersignal (Ph1, Ph2) zur Ansteuerung mindestens eines der steuerbaren Schaltnetze (5, 6) zu erzeugen.
Schaltungsanordnung (1) zum Umrichten eines Eingangsstromes und/oder einer Eingangsspannung mit mindestens zwei steuerbaren Schaltnetzen (5, 6) und einer Steuereinrichtung (10), welche mindestens einen Sensoreingang (28, 29, 9) für ein Messwertsignal (I1, 12, Uout) für eine Ausgangsgröße der Schaltungsanordnung (1, 100) und/oder der Schaltnetze (5, 6) und mindestens einen Steuerausgang für ein Steuersignal (Ph1, Ph2) umfasst, wobei die Steuereinrichtung (10) eingerichtet ist, in Abhängigkeit von dem Messwertsignal (I1, 12, Uout) mindestens ein Steuersignal (Ph1, Ph2) zur Ansteuerung mindestens eines der steuerbaren Schaltnetze (5, 6) zu erzeugen.
Schaltungsanordnung (1) nach Anspruch 12, wobei die Steuereinrichtung eingerichtet ist, ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1-10 durchzuführen.
Schaltungsanordnung (1) nach Anspruch 12 oder 13, wobei die steuerbaren Schaltnetze (5, 6) als Ladungspumpen eingerichtet sind, insbesondere zum Umwandeln von Eingangsspannungen im Bereich von 200 bis 600 V auf Ausgangsspannungen im Bereich von 400 bis 1200 V.
Batteriemanagementsystem (210) für einen Batteriesatz (220) eines Kraftfahrzeugs (21), mit einer Schaltungsanordnung (1, 100) nach einem der Ansprüche 11-14.