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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Regelvorrichtung für einen Gleichspannungswandler, einen Gleichspannungswandler mit einer solchen Regelung sowie ein Verfahren zur Regelung eines Gleichspannungswandlers.
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Stand der Technik
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Gleichspannungswandler werden für zahlreiche Anwendungsgebiete eingesetzt. Beispielsweise können Gleichspannungswandler eingesetzt werden, um elektrische Energie von einem Hochvoltnetz eines Elektrofahrzeugs in ein Niedervoltnetz des Elektrofahrzeugs zu übertragen. Zwischen einer Eingangsseite und einer Ausgangsseite des Gleichspannungswandlers kann beispielsweise ein Transformator vorgesehen sein, um die Eingangsseite von der Ausgangsseite galvanisch zu entkoppeln. Darüber hinaus existieren verschiedene Regelverfahren, um die elektrische Spannung auf der Ausgangsseite des Gleichspannungswandlers einzustellen und zu regeln.
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Die Druckschrift
DE 10 2016 219 740 A1 beschreibt eine Regelung für einen Gleichspannungskonverter mit mehreren parallelgeschalteten Gleichspannungswandlermodulen. Dabei wird eine erste Regelgröße gemeinsam für alle Gleichspannungswandlermodule ermittelt und eine weitere Regelgröße wird individuell für jedes Gleichspannungswandlermodul bestimmt. Die einzelnen Gleichspannungswandlermodule werden daraufhin unter Verwendung einer Kombination der gemeinsamen Regelgröße und der individuellen Regelgröße angesteuert.
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Offenbarung der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung offenbart eine Regelvorrichtung für einen Gleichspannungswandler, einen Gleichspannungswandler sowie ein Verfahren zur Regelung eines Gleichspannungswandlers mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche. Weitere Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche.
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Demgemäß ist vorgesehen:
- Eine Regelvorrichtung für einen Gleichspannungswandler mit einem Spannungsregler und einer Vorsteuereinrichtung. Der Spannungsregler ist dazu ausgelegt, eine erste Regelgröße zu generieren. Die erste Regelgröße wird insbesondere unter Verwendung eines Sollwerts für die Ausgangsspannung des Gleichspannungswandlers und einem ermittelten Wert der Ausgangsspannung des Gleichspannungswandlers bestimmt. Die Vorsteuereinrichtung ist dazu ausgelegt, eine zweite Regelgröße zu generieren. Die zweite Regelgröße wird insbesondere unter Verwendung des Sollwerts für die Ausgangsspannung des Gleichspannungswandlers, einem ermittelten Wert der Eingangsspannung des Gleichspannungswandlers und einem ermittelten Wert eines elektrischen Stroms in dem Gleichspannungswandler ermittelt. Dabei ist die Vorsteuereinrichtung dazu ausgelegt, eine Regeldynamik für das Generieren der zweiten Regelgröße in Abhängigkeit des ermittelten Werts für den elektrischen Strom in dem Gleichspannungswandler anzupassen. Die Regelvorrichtung ist ferner dazu ausgelegt, mit einem Gleichspannungswandler gekoppelt zu werden und an dem Gleichspannungswandler eine Kombination der ersten Regelgröße und der zweiten Regelgröße bereitzustellen.
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Weiterhin ist vorgesehen:
- Ein Gleichspannungswandler mit mindestens einem Gleichspannungswandlermodul und einer erfindungsgemäßen Regelvorrichtung. Das Gleichspannungswandlermodul ist insbesondere dazu ausgelegt, eine Eingangsgleichspannung in eine Ausgangsgleichspannung zu konvertieren. Dabei kann das Gleichspannungswandlermodul die Konvertierung der Gleichspannung unter Verwendung der von der Regelvorrichtung bereitgestellten Kombination aus erster Regelgröße und zweiter Regelgröße ausführen.
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Schließlich ist vorgesehen:
- Ein Verfahren zur Regelung eines Gleichspannungswandlers. Das Verfahren umfasst einen Schritt zum Erzeugen einer ersten Regelgröße. Die erste Regelgröße wird insbesondere unter Verwendung eines Sollwerts für die Ausgangsspannung des Gleichspannungswandlers und einem ermittelten Wert für die Ausgangsspannung des Gleichspannungswandlers ermittelt. Weiterhin umfasst das Verfahren einen Schritt zum Erzeugen einer zweiten Regelgröße.
- Die zweite Regelgröße wird insbesondere unter Verwendung des Sollwerts für die Ausgangsspannung des Gleichspannungswandlers, einem ermittelten Wert der Eingangsspannung des Gleichspannungswandlers und einem ermittelten Wert eines elektrischen Stroms in dem Gleichspannungswandler ermittelt.
- Schließlich umfasst das Verfahren einen Schritt zum Bereitstellen einer Kombination der ersten Regelgröße und der zweiten Regelgröße an dem Gleichspannungswandler. Hierbei kann eine Regeldynamik für das Bestimmen der zweiten Regelgröße in Abhängigkeit des ermittelten Werts für den elektrischen Stroms in den Gleichspannungswandler angepasst werden.
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Vorteile der Erfindung
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass an einem Ausgang eines Gleichspannungswandlers zahlreiche elektrische Störungen auftreten können. Diese elektrischen Störungen können beispielsweise von auf der Ausgangsseite des Gleichspannungswandlers angeschlossenen Verbrauchern verursacht werden. Darüber hinaus sind auch weitere Störquellen möglich, die auf der Ausgangsseite des Gleichspannungswandlers für Störungen, beispielsweise einen Stromrippel oder ähnliches verantwortlich sein können. Zum Beispiel kann in einem Niedervoltnetz eines Elektrofahrzeugs ein Ladegerät angeschlossen werden, um eine in dem Niedervoltnetz des Elektrofahrzeugs vorhandene Batterie, beispielsweise eine 12 Volt-Batterie, aufzuladen. Hierbei kann es zu hochfrequenten Störungen und/oder signifikanten Spannungsschwankungen kommen. Derartige Störungen können das Betriebsverhalten von Verbrauchern beeinflussen, welche an ein Gleichspannungsnetz auf der Ausgangsseite des Gleichspannungswandlers angeschlossen sind.
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Auf der Eingangsseite des Gleichspannungswandlers können hierbei Stromrippel, die auf der Ausgangsseite auftreten, aufgrund von großen Kapazitäten an der Eingangsseite nicht oder zumindest nur schwer detektiert werden. Daher ist es eine Idee der vorliegenden Erfindung, dieser Erkenntnis Rechnung zu tragen und eine Regelung für einen Gleichspannungswandler bereitzustellen, welche möglichen Störungen, insbesondere Stromrippeln auf der Ausgangsseite eines Gleichspannungswandlers entgegentreten kann.
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Hierzu ist es erfindungsgemäß vorgesehen, bei der Regelung des Gleichspannungswandlers die Regeldynamik in Abhängigkeit eines elektrischen Stroms durch den Gleichspannungswandler anzupassen. Insbesondere sind hierzu zwei separate Regelelemente vorgesehen. Ein Spannungsregler kann dabei unabhängig von dem elektrischen Strom durch den Gleichspannungswandler eine erste Regelgröße erzeugen. Darüber hinaus kann, beispielsweise mittels einer Vorsteuereinrichtung, eine zweite Regelgröße generiert werden, welche den elektrischen Strom durch den Gleichspannungswandler berücksichtigt. Um dabei auftretenden Stromrippeln auf der Ausgangsseite des Gleichspannungswandlers entgegenzuwirken, kann die Regeldynamik des zweiten Regelelements, beispielsweise der Vorsteuereinrichtung, in Abhängigkeit des elektrischen Stroms durch den Gleichspannungswandler dynamisch angepasst werden. Hierdurch können auftretende Stromrippel auf der Ausgangsseite des Gleichspannungswandlers zuverlässig abgeschwächt werden. Die Regeldynamik der Vorsteuereinrichtung kann hierbei insbesondere die Abhängigkeit der zu bestimmenden zweiten Regelgröße von der Eingangsspannung und/oder der zu erzielenden Sollspannung spezifizieren.
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Durch die stromabhängige Anpassung der Regeldynamik für die Regelung eines Stromreglers ist es möglich, Stromrippel und weitere Störungen auf der Ausgangsseite des Gleichspannungswandlers signifikant zu minimieren. Hierdurch können Funktionsstörungen und Beschädigungen von Baugruppen, insbesondere von elektrischen Baugruppen, die an ein Stromnetz am Ausgang des Gleichspannungswandlers angeschlossen sind, vermieden werden.
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Gemäß einer Ausführungsform ist die Vorsteuereinrichtung dazu ausgelegt, eine Regelgröße unter Verwendung des Sollwerts der Ausgangsspannung des Gleichspannungswandlers und dem ermittelten Wert der Eingangsspannung des Gleichspannungswandlers zu generieren. Weiterhin kann diese generierte Regelgröße mit einem vorgegebenen Faktor multipliziert werden. Hierbei kann der vorgegebene Faktor in Abhängigkeit von dem ermittelten Wert des elektrischen Stroms in dem Gleichspannungswandler angepasst werden. Beispielsweise kann eine Beziehung zwischen dem elektrischen Strom in dem Gleichspannungswandler und dem vorgegebenen Faktor definiert werden. Hierdurch kann während des Betriebs des Gleichspannungswandlers kontinuierlich ein geeigneter Faktor unter Verwendung der vorgegebenen Funktion berechnet werden und der so berechnete Faktor zur Bestimmung der zweiten Regelgröße genutzt werden. Darüber hinaus sind auch beliebige andere Verfahren zur Ermittlung des Faktors in Abhängigkeit von dem elektrischen Strom in dem Gleichspannungswandler möglich. Beispielsweise können Werte für den Faktor auch in Form einer Lookup-Tabelle oder ähnlichem vorab berechnet und abgespeichert werden.
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Gemäß einer Ausführungsform ist die Vorsteuereinrichtung dazu ausgelegt, die Regeldynamik für das Generieren der zweiten Regelgröße zu verringern, wenn der ermittelte Wert für den elektrischen Strom in dem Gleichspannungswandler ansteigt. Entsprechend kann die Vorsteuereinrichtung dazu ausgelegt sein, die Regeldynamik für das Generieren der zweiten Regelgröße anzuheben, wenn der ermittelte Wert für den elektrischen Strom in dem Gleichspannungswandler sinkt. Auf diese Weise kann mit steigendem elektrischen Strom in dem Gleichspannungswandler die Regeldynamik verringert werden, um auf diese Weise möglichen Störungen und insbesondere einem Stromrippel auf der Ausgangsseite des Gleichspannungswandlers entgegenzuwirken. So kann beispielsweise mit steigenden Strömen durch den Gleichspannungswandler Abhängigkeit der zweiten Regelgröße von Eingangsspannung und/oder Sollspannung abgeschwächt werden.
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Gemäß einer Ausführungsform ist die Vorsteuereinrichtung dazu ausgelegt, die zweite Regelgröße unter Verwendung eines Übersetzungsverhältnisses eines Transformators in dem Gleichspannungswandler zu generieren. Auf diese Weise kann bei einem bekannten Übersetzungsverhältnis in dem Gleichspannungswandler aus einer Eingangsspannung an dem Gleichspannungswandler auf eine zu erwartende Ausgangsspannung geschlossen werden und dieser Zusammenhang mit in den Regelprozess einbezogen werden.
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Gemäß einer Ausführungsform ist die Vorsteuereinrichtung dazu ausgelegt, die zweite Regelgröße in Abhängigkeit eines aktiven Betriebsmodus des Gleichspannungswandlers anzupassen. Insbesondere kann die Berechnung der zweiten Regelgröße in einem Hochsetzsteller-Modus oder Boost-Modus anders ausgeführt werden als in einem Tiefsetzsteller oder Buck-Modus.
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In einer Ausführungsform des Gleichspannungswandlers umfasst der Gleichspannungswandler mehrere Gleichspannungskonvertermodule. In diesem Fall kann es möglich sein, neben einer gemeinsamen Berechnung der ersten und zweiten Regelgröße für jedes Modul des Gleichspannungswandlers eine individuelle Stromregelung vorzusehen.
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Die obigen Ausgestaltungen und Weiterbildungen lassen sich, soweit sinnvoll, beliebig miteinander kombinieren. Weitere Ausgestaltungen, Weiterbildungen und Implementierungen der Erfindung umfassen auch nicht explizit genannte Kombinationen von zuvor oder im Folgenden bezüglich den Ausführungsbeispielen beschriebenen Merkmalen der Erfindung. Insbesondere wird der Fachmann dabei auch Einzelaspekte als Verbesserungen oder Ergänzungen zu den jeweiligen Grundformen der Erfindung hinzufügen.
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Figurenliste
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Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend anhand der Figuren erläutert. Dabei zeigen:
- 1: eine schematische Darstellung eines Blockschaubildes für eine Regelvorrichtung eines Gleichspannungswandlers gemäß einer Ausführungsform;
- 2: eine schematische Darstellung eines Blockschaltbildes einer Vorsteuereinrichtung für eine Regelvorrichtung gemäß einer Ausführungsform; und
- 3: ein Flussdiagramm, wie es einem Verfahren zur Regelung eines Gleichspannungswandlers zugrunde liegt.
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Ausführungsformen der Erfindung
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1 zeigt eine schematische Darstellung eines Blockschaltbilds eines Gleichspannungswandlers mit einer Regelvorrichtung gemäß einer Ausführungsform. Der Gleichspannungswandler umfasst eines oder mehrere Gleichspannungswandlermodule 4, welche eine Eingangsgleichspannung in eine Ausgangsgleichspannung konvertieren. das Gleichspannungswandlermodul 4 kann dabei beispielsweise einen Transformator (nicht explizit dargestellt) umfassen. Dies ermöglicht zum Beispiel eine galvanische Trennung zwischen Eingangsanschluss und Ausgangsanschluss. Der Transformator kann dabei ein Übersetzungsverhältnis N zwischen Primärseite und Sekundärseite aufweisen. Beispielsweise kann ein solcher Gleichspannungswandler elektrische Energie von einem Hochvoltnetz eines Elektrofahrzeugs in ein Niedervoltbordnetz des Elektrofahrzeugs übertragen. Aber auch beliebige andere Anwendungsfälle für einen unidirektionalen oder bidirektionalen Gleichspannungswandler sind grundsätzlich möglich.
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Wie in 1 zu erkennen ist, wird das Gleichspannungswandlermodul 4 unter Verwendung einer Regelgröße R geregelt. Die Regelgröße R wird aus den beiden Regelgrößen R1 und R2 gebildet. Hierzu können die beiden Regelgrößen R1 und R2 zum Beispiel einem Summierglied 3 zugeführt werden, welche als Regelgröße R eine Kombination der ersten Regelgröße R1 und der zweiten Regelgröße R2 erzeugt und dem Gleichspannungswandlermodul 4 zuführt.
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Die erste Regelgröße R1 wird beispielsweise mittels eines Spannungsreglers 1 generiert. Hierzu kann der Spannungsregler 1 beispielsweise aus einem Vergleich einer vorgegebenen Sollspannung U_soll und der aktuellen Ausgangsspannung U_sek die erste Regelgröße R1 bestimmen. Beispielsweise kann hierzu der Spannungsregler 1 eine Differenz zwischen Sollspannung U_soll und aktueller Ausgangsspannung U_sek bilden.
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Die zweite Größe R2 wird mittels einer Vorsteuereinrichtung 2 gebildet. Insbesondere wird die zweite Regelgröße R2 unter Verwendung der Eingangsspannung U_prim am Eingang des Gleichspannungswandlers, der vorgegebenen Sollspannung U_soll sowie dem elektrischen Strom I_DC in dem Gleichspannungswandlermodul 4 gebildet. Hierzu kann der elektrische Strom zum Beispiel am Eingang des Gleichspannungswandlermoduls 4 gemessen werden.
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Die Vorsteuereinrichtung 2 kann hierbei die Regeldynamik für die Erzeugung zu der zweiten Regelgröße R2 in Abhängigkeit des elektrischen Stroms I_DC in dem Gleichspannungswandler anpassen. Beispielsweise kann mit steigendem elektrischen Strom I_DC in dem Gleichspannungswandler die Regeldynamik verringert werden. Auf diese Weise sind die Schwankungen der zweiten Regelgröße R2 bei höherem Strom I_DC in dem Gleichspannungswandler geringer, als bei relativ niedrigem Strom I_DC in dem Gleichspannungswandler. Beispielsweise kann die Regeldynamik in Abhängigkeit eines vorgegebenen Faktors angepasst werden. Dieser Faktor kann zum Beispiel basierend auf einer Funktion angepasst werden, die von dem elektrischen Strom I_DC in dem Gleichspannungswandler abhängt. Auf diese Weise kann der Faktor jederzeit mittels der vorgegebenen Funktion berechnet werden. Alternativ sind auch beliebige andere Schemata zur Bestimmung eines geeigneten Faktors möglich. Beispielsweise kann der Faktor auch in Form einer Lookup-Tabelle in Abhängigkeit von dem elektrischen Strom I_DC durch den Spannungswandler ermittelt werden.
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2 zeigt eine schematische Darstellung eines Blockschaubilds, welches eine mögliche Ausführungsform einer Vorsteuereinrichtung 2 exemplarisch beschreibt. Zunächst einmal kann zwischen einem Hochsetzstellerbetrieb (Boost-Betrieb) und einem Tiefsetzstellerbetrieb (Buck-Betrieb) unterschieden werden. Hierzu werden einer Vergleichseinrichtung 21 die elektrische Spannung auf der Ausgangsseite sowie das Produkt der elektrischen Spannung auf der Eingangsseite und dem Übersetzungsverhältnis eines Transformators in dem Gleichspannungswandler zugeführt. Ergibt sich bei diesem Vergleich, dass die zu erzielende Ausgangsspannung U_soll höher ist, als die Eingangsspannung U_prim multipliziert mit dem Übersetzungsverhältnis N des Transformators, so wird der Gleichspannungswandler im Hochsetzstellerbetrieb betrieben. Alternativ wird der Gleichspannungswandler im Tiefsetzstellerbetrieb betrieben, wenn die zu erzielende Ausgangsspannung U_soll kleiner ist als das Produkt der Eingangsspannung U_prim und dem Übersetzungsverhältnis N des Transformators. Das Ergebnis dieses Vergleichs von der Vergleichseinrichtung 21 wird hierzu dem Schaltelement 22 zugeführt. Das Schaltelement 22 kann entsprechend dem Ergebnis des Vergleichs zwischen der Regelgröße für den Hochsetzstellerbetrieb und der Regelgröße für den Tiefsetzstellerbetrieb auswählen.
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Darüber hinaus umfasst die Vorsteuereinrichtung 2 eine Einrichtung 20 zur Anpassung der Regeldynamik in der Vorsteuereinrichtung 2. Wie in 2 zu erkennen ist, kann die Regeldynamik der Vorsteuereinrichtung 2 in Abhängigkeit des elektrischen Stroms I_DC in dem Gleichspannungswandlermodul angepasst werden. Hierzu kann der ermittelte elektrische Strom I_DC mit einem Multiplikator M gewichtet werden. Das Produkt aus Multiplikator M und elektrischem Strom I_DC des Gleichspannungswandlermoduls 4 kann daraufhin mit in den Regelprozess einbezogen werden. Beispielsweise kann dieses Produkt gemeinsam mit der Eingangsspannung U_prim, die gegebenenfalls mit dem Übersetzungsverhältnis N des Transformators multipliziert wurde, für die Ermittlung der Regelgröße im Hochsetzstellerbetrieb und/oder Tiefsetzstellerbetrieb verwendet werden.
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Der Multiplikator M kann von verschiedenen Rahmenbedingungen oder Zustandsgrößen abhängig gewählt werden. Beispielsweise kann der Multiplikator M in Abhängigkeit von verschiedenen Betriebsmodi des Gleichspannungswandlermoduls 4, der Eingangs- oder Ausgangsspannung des Gleichspannungswandlermoduls oder auch anderen Faktoren abhängig gewählt werden.
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3 zeigt eine schematische Darstellung eines Ablaufdiagramms, wie es einem Verfahren zur Regelung eines Gleichspannungswandlers gemäß einer Ausführungsform zugrunde liegt. In Schritt S1 wird eine erste Regelgröße R1 erzeugt. Die erste Regelgröße R1 kann unter Verwendung eines Sollwerts U_soll für die Ausgangsspannung des Gleichspannungswandlers und einem ermittelten Wert U_sek der Ausgangsspannung des Gleichspannungswandlers ermittelt werden. In Schritt S2 wird eine zweite Regelgröße R2 erzeugt. Die zweite Regelgröße R2 kann unter Verwendung des Sollwerts U_soll für die Ausgangsspannung des Gleichspannungswandlers, einem ermittelten Wert U_prim der Eingangsspannung des Gleichspannungswandlers und einem ermittelten Wert E_DC eines elektrischen Stroms in dem Gleichspannungswandler ermittelt werden. Die erste Regelgröße R1 und die zweite Regelgröße R2 können kombiniert werden und in Schritt S3 kann der Gleichspannungswandler unter Verwendung der Kombination der ersten Regelgröße R1 und der zweiten Regelgröße R2 angesteuert werden.
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Zur Ermittlung der zweiten Regelgröße R2 kann die Regeldynamik in Abhängigkeit des ermittelten Werts für den elektrischen Strom I_DC in dem Gleichspannungswandler angepasst werden.
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Darüber hinaus kann das Verfahren auch alle Schritte ausführen, wie sie zuvor im Zusammenhang mit der Regelung des Gleichspannungswandlers beschrieben worden sind.
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Zusammenfassend betrifft die vorliegende Erfindung eine erweiterte Regelung für einen Gleichspannungswandler. Hierzu wird bei der Ermittlung einer Regelgröße für die Regelung des Gleichspannungswandlers die Regeldynamik in Abhängigkeit eines elektrischen Stroms durch den Gleichspannungswandler angepasst. Insbesondere ist es möglich, die Regelgröße aus einer Kombination einer ersten Regelgröße von einem Spannungsregler und einer zweiten Regelgröße von einer Vorsteuerung zu ermitteln. Hierbei kann insbesondere die Regeldynamik der Vorsteuereinrichtung in Abhängigkeit des elektrischen Stroms durch den Gleichspannungswandler angepasst werden. Durch die stromabhängige Anpassung der Regeldynamik ist es möglich, gegebenenfalls auftretende Stromrippel auf der Ausgangsseite zu minimieren.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102016219740 A1 [0003]
