DE102019213076A1 - Regelvorrichtung für einen Gleichspannungskonverter, Gleichspannungskonverter und Verfahren zur Regelung eines Gleichspannungskonverters - Google Patents

Regelvorrichtung für einen Gleichspannungskonverter, Gleichspannungskonverter und Verfahren zur Regelung eines Gleichspannungskonverters Download PDF

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Abstract

Die vorliegende Erfindung schafft eine Regelung eines Gleichspannungskonverters mit mehreren Gleichspannungswandler-Modulen. Hierzu wird für alle Gleichspannungswandler-Module eine zentrale Regelgröße für ein spannungsgesteuertes Regeln des Gleichspannungskonverters generiert. Darüber hinaus kann für jedes Gleichspannungswandler-Modul zusätzlich eine strombasierte Regelgröße generiert werden. Durch die Kombination der spannungsbasierten Regelgröße und der strombasierten Regelgröße kann die Ausgangsleistung, insbesondere der Ausgangsstrom jedes Gleichspannungswandler-Moduls individuell angepasst werden. Auf diese Weise kann eine Überlastung der Gleichspannungswandler-Module vermieden werden.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine Regelvorrichtung für einen Gleichspannungskonverter, insbesondere einen Gleichspannungskonverter mit mehreren Gleichspannungswandler-Modulen, einen Gleichspannungskonverter mit einer solchen Regelvorrichtung sowie ein Verfahren zur Regelung eines Gleichspannungskonverters.
  • Stand der Technik
  • Die Druckschrift DE 10 2016 219 740 A1 offenbart einen Gleichspannungskonverter mit mehreren parallel geschalteten Gleichspannungswandler-Modulen. Hierbei ist für alle Gleichspannungswandler-Module ein gemeinsamer Spannungsregler vorgesehen. Darüber hinaus ist für jedes Gleichspannungswandler-Modul eine separate Stromregelung vorgesehen.
  • Gleichspannungswandler sind dazu vorgesehen, eine Eingangsgleichspannung in eine Ausgangsgleichspannung zu konvertieren, wobei die Spannungshöhe der Eingangsgleichspannung von der Spannungshöhe der Ausgangsgleichspannung verschieden sein kann. Die maximale Ausgangsleistung eines Gleichspannungskonverters ist entsprechend der Dimensionierung der verwendeten Bauelemente limitiert. Zur Erhöhung der Ausgangsleistung können gegebenenfalls mehrere Gleichspannungswandler-Module parallel geschaltet werden.
  • Offenbarung der Erfindung
  • Die vorliegende Erfindung offenbart eine Regelvorrichtung für einen Gleichspannungskonverter, einen Gleichspannungskonverter sowie ein Verfahren zur Regelung eines Gleichspannungskonverters mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche. Weitere vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche.
  • Demgemäß ist vorgesehen:
  • Eine Regelvorrichtung für einen Gleichspannungskonverter mit mehreren Gleichspannungswandler-Modulen. Die Regelvorrichtung umfasst eine Vorsteuereinrichtung und mehrere Stromregler. Insbesondere ist jedem Gleichspannungswandler-Modul des Gleichspannungskonverters ein separater Stromregler zugeordnet. Die Vorsteuereinrichtung ist dazu ausgelegt, eine erste Regelgröße zu generieren. Insbesondere kann die Vorsteuereinrichtung die erste Regelgröße unter Verwendung eines Sollwerts für die Ausgangsspannung des Gleichspannungskonverters und einem ermittelten Wert der Eingangsspannung des Gleichspannungskonverters generieren. Die mehreren Stromregler sind jeweils dazu ausgelegt, eine individuelle zweite Regelgröße für das jeweils zugeordnete Gleichspannungswandler-Modul zu generieren. Jeder Stromregler ist jeweils dazu ausgelegt, die jeweilige Regelgröße unter Verwendung eines ermittelten Werts für den Strom in dem jeweils zugeordneten Gleichspannungswandler-Modul und einem vorbestimmten maximalen Strom für das jeweilige Gleichspannungswandler-Modul zu ermitteln. Die Regelvorrichtung für den Gleichspannungskonverter ist weiterhin dazu ausgelegt, an dem Gleichspannungswandler-Modul jeweils eine Kombination der ersten Regelgröße und der zweiten Regelgröße für das jeweils zugeordnete Gleichspannungswandler-Modul bereitzustellen.
  • Weiterhin ist vorgesehen:
  • Ein Gleichspannungskonverter mit mehreren Gleichspannungswandler-Modulen und einer erfindungsgemäßen Regelvorrichtung für den Gleichspannungskonverter. Jedes der Gleichspannungswandler-Module ist dazu ausgelegt, eine Eingangsgleichspannung in eine Ausgangsgleichspannung zu konvertieren. Ferner ist für jedes Gleichspannungswandler-Modul in dem Gleichspannungskonverter ein separater Stromregler in der Regelvorrichtung vorgesehen.
  • Schließlich ist vorgesehen:
  • Ein Verfahren zur Regelung eines Gleichspannungskonverters mit mehreren Gleichspannungswandler-Modulen. Das Verfahren umfasst einen Schritt zum Erzeugen einer ersten Regelgröße unter Verwendung eines Sollwerts für die Ausgangsspannung des Gleichspannungskonverters und einem ermittelten Wert der Eingangsspannung des Gleichspannungskonverters. Weiterhin umfasst das Verfahren einen Schritt zum Erzeugen mehrerer individueller zweiter Regelgrößen, wobei für jedes Gleichspannungswandler-Modul des Gleichspannungskonverters eine separate zweite Regelgröße generiert wird. Die jeweilige zweite Regelgröße wird insbesondere unter Verwendung eines ermittelten Werts für den Strom des jeweils zugeordneten Gleichspannungswandler-Moduls und einem vorbestimmten maximalen Strom für das jeweilige Gleichspannungswandler-Modul erzeugt. Schließlich umfasst das Verfahren einen Schritt zum Kombinieren der ersten Regelgröße und der zweiten Regelgröße für das jeweils zugeordnete Gleichspannungswandler-Modul und zum Bereitstellen der jeweils kombinierten Regelgröße an dem entsprechenden Gleichspannungswandler-Modul.
  • Vorteile der Erfindung
  • Der vorliegenden Erfindung liegt Erkenntnis zugrunde, dass ein Gleichspannungskonverter in der Regel nur eine begrenzte maximale Ausgangsleistung bereitstellen kann. Werden in einem Gleichspannungskonverter mehrere einzelne Gleichspannungswandler-Module parallelgeschaltet, so ist in diesem Fall die Ausgangsleistung jedes einzelnen Gleichspannungswandler-Moduls begrenzt. Eine Überlastung des Gleichspannungskonverters, insbesondere eines Gleichspannungswandler-Moduls kann zu einer Beschädigung des entsprechenden Gleichspannungswandler-Moduls führen.
  • Es ist daher eine Idee der vorliegenden Erfindung, dieser Erkenntnis Rechnung zu tragen und den maximalen Ausgangsstrom der einzelnen Gleichspannungswandler-Module in einem Gleichspannungswandler mit mehreren Gleichspannungswandler-Modulen zu begrenzen. Auf diese Weise kann auch bei einem hohen Leistungsbedarf an der Ausgangsseite des Gleichspannungskonverters die Leistungsabgabe des Gleichspannungskonverters, insbesondere jedes einzelnen Gleichspannungswandler-Moduls eines Gleichspannungskonverters mit mehreren parallelgeschalteten Gleichspannungswandler-Modulen auf ein zulässiges Maß begrenzt werden. Auf diese Weise können Beschädigungen der einzelnen Gleichspannungswandler-Module durch Überlastung vermieden werden.
  • Hierzu ist es vorgesehen, einerseits die Ausgangsspannung des Gleichspannungskonverters mit mehreren parallelgeschalteten Gleichspannungswandler-Modulen zentral durch einen gemeinsamen Vorsteuereinrichtung zu steuern. Darüber hinaus ist zur Leistungsbegrenzung der einzelnen Gleichspannungswandler-Module für jedes Gleichspannungswandler-Modul des Gleichspannungskonverters ein separater Stromregler vorgesehen. Mittels der individuellen Stromregler für die mehreren Gleichspannungswandler-Module eines Gleichspannungskonverters kann die Leistungsabgabe durch Begrenzen des maximalen Ausgangsstroms der jeweiligen Gleichspannungswandler-Module individuell angepasst werden. Hierbei wird durch die Regelgröße der Stromregler die erzeugte Regelgrößen der Vorsteuereinrichtung für das jeweiligen Gleichspannungswandler-Modul reduziert.
  • Auf diese Weise ist es möglich, dass die zentrale Vorsteuereinrichtung zunächst eine erste Steuergröße generiert. Auf Grundlage dieser ersten Steuergröße können die einzelnen Gleichspannungswandler-Module derart angesteuert werden, dass an den Ausgängen der jeweiligen Gleichspannungswandler-Module eine zu erzielende Soll-Spannung bereitgestellt wird. Würde hierbei aufgrund der Konfiguration am Ausgang des Gleichspannungskonverters bei der gewünschten Soll-Spannung jedoch ein Leistungsbedarf entstehen, der zu einem unzulässig hohen Ausgangsstrom an einem Gleichspannungswandler-Modul des Gleichspannungskonverters führen würde, so kann durch die Regelung mittels des jeweils zugeordneten Stromreglers des entsprechenden Gleichspannungswandler-Moduls die erste Regelgröße von der zentralen Vorsteuereinrichtung durch die individuelle zweite Regelgröße von dem Stromregler überlagert werden. Auf diese Weise wird die Ausgangsleistung des jeweiligen Gleichspannungswandler-Moduls derart begrenzt, dass ein maximaler Ausgangsstrom an dem jeweiligen Gleichspannungswandler-Modul nicht überschritten wird.
  • Diese Leistungs- bzw. Strombegrenzung der einzelnen Gleichspannungswandler-Module kann am Beispiel eines Kondensators am Ausgang des Gleichspannungskonverters verdeutlicht werden. Würde der Gleichspannungswandler mit den mehreren Gleichspannungswandler-Modulen zu Beginn des Aufladevorgangs eines Kondensators die notwendige Regelgröße für das Erreichen der Ausgangsspannung bereitstellen, so würde sich zu Beginn dieses Aufladevorgangs ein sehr hoher Ladestrom für den Kondensator einstellen. Dieser hohe Ladestrom könnte eines oder mehrere der Gleichspannungswandler-Module überlasten. Daher wird durch eine geeignete Initialisierung der jeweiligen Stromregler für die einzelnen Gleichspannungswandler-Module die Steuergröße für die Vorsteuereinrichtung überlagert, um den maximalen Ausgangsstrom der einzelnen Gleichspannungswandler-Module auf einen maximalen Stromwert zu begrenzen. Hierbei wird sich während des Aufladevorgangs zunächst am Ausgang des Gleichspannungskonverters eine niedrigere Ausgangsspannung ergeben. Im weiteren Verlauf des Ladevorgangs steigt die Spannung am Ausgang des Gleichspannungskonverters und somit über dem Kondensator an, während der Kondensator mit den maximalen Strömen der einzelnen Gleichspannungswandler-Module geladen wird. Nähert sich die elektrische Spannung über den Kondensator dem Zielwert an, so sinken dabei die Ladeströme. In diesem Verlauf wird die Begrenzung der elektrischen Ströme in den Gleichspannungswandler-Modulen durch die jeweiligen Stromregler aufgehoben. Mit anderen Worten, die zweiten Regelgrößen der Stromregler für die Gleichspannungswandler-Module gehen gegen Null, und an den Gleichspannungswandler-Modulen liegt die erste Regelgröße von der Vorsteuereinrichtung ohne weitere Überlagerung der zweiten Regelgrößen zur Strombegrenzung an.
  • Gemäß einer Ausführungsform umfasst die Regelvorrichtung einen Spannungsregler. Der Spannungsregler kann dazu ausgelegt sein, eine dritte Regelgröße unter Verwendung eines Sollwerts für die Ausgangsspannung des Gleichspannungskonverters und einem ermittelten Wert der Ausgangsspannung des Gleichspannungskonverters zu generieren. Auf diese Weise kann für die Regelung des Gleichspannungskonverters auch die aktuelle Ausgangsspannung mit berücksichtigt werden.
  • Gemäß einer Ausführungsform umfasst der Spannungsregler einen Zweipunkt-Regler. Beispielsweise kann es sich beim Spannungsregler um einen I-Regler, also um einen Regler mit einem rein integrativen Regelverhalten ohne P-Anteil o. ä. handeln. Der Spannungsregler kann beispielsweise in zwei Arbeitspunkten betrieben werden. In einem ersten Arbeitspunkt kann der Spannungsregler eine dritte Regelgröße ausgeben, die dazu geeignet ist, einen Stromfluss in den Gleichspannungswandler-Modulen zu veranlassen,falls die Ausgangsspannung des Gleichspannungskonverters einen vorgegebenen ersten Schwellwert unterschreitet. In einem zweiten Arbeitspunkt kann der Spannungsregler eine dritte Regelgröße auszugeben, die dazu geeignet ist, einen Stromfluss in den Gleichspannungswandler-Modulen zu deaktivieren, falls die Ausgangsspannung des Gleichspannungskonverters einen vorgegebenen zweiten Schwellwert überschreitet. Hierzu kann beispielsweise der Wert der dritte Regelgröße soweit abgesenkt werden, dass daraufhin die Gleichspannungswandler-Module keinen elektrischen Strom ausgeben. Insbesondere kann der Spannungsregler in dem ersten Arbeitspunkt betrieben werden, falls bzw. solange die Ausgangsspannung des Gleichspannungskonverters unterhalb einem vorgegebenen Schwellwert liegt. D. h., die von dem Spannungsregler ausgegebene dritte Regelgröße veranlasst in den Gleichspannungswandler-Modulen solange einen Stromfluss, bis am Ausgang des Gleichspannungskonverters der vorgegebene Schwellwert erreicht ist. Überschreitet die Ausgangsspannung des Gleichspannungskonverters den vorgegebenen Schwellwert, so kann der Spannungsregler in den zweiten Arbeitspunkt wechseln. Daraufhin wird die dritte Regelgröße des Spannungsreglers soweit abgesenkt, dass sie in den Gleichspannungswandler-Modulen keinen Stromfluss hervorruft. Sinkt im weiteren Verlauf die Spannung am Ausgang des Gleichspannungskonverters unter einen weiteren Schwellwert, so kann der Spannungsregler daraufhin wieder in den ersten Arbeitspunkt übergehen. Der weitere Schwellwert liegt dabei um eine Hysterese oder ein Offset unterhalb des zuvor angeführten vorgegebenen Schwellwerts. Hierdurch kann auf einfache Weise eine annähernd konstante Spannung am Ausgang des Gleichspannungskonverters aufrechterhalten werden.
  • Gemäß einer Ausführungsform sind die einzelnen Stromregler für die jeweils zugeordneten Gleichspannungswandler-Module jeweils dazu ausgelegt, einen Ausgangsstrom der zugeordneten Gleichspannungswandler-Module auf einen vorbestimmten maximalen Strom zu begrenzen. Auf diese Weise kann eine Überlastung der jeweiligen Gleichspannungswandler-Module verhindert werden. Insbesondere bei gleicher oder gleichartiger Ausführung der Gleichspannungswandler-Module können die Stromregler den Ausgangsstrom der Gleichspannungswandler-Module auf einen gemeinsamen maximalen Strom begrenzen. Alternativ ist es auch möglich, verschiedene oder verschiedenartig ausgeführte Gleichspannungswandler-Module in dem Gleichspannungskonverter einzusetzen. In diesem Fall können die einzelnen Stromregler jeweils einen individuellen maximalen Ausgangsstrom für die Begrenzung des maximalen Stroms in dem jeweiligen Gleichspannungswandler-Modul verwenden.
  • Gemäß einer Ausführungsform des Gleichspannungskonverters kann der Gleichspannungskonverter dazu ausgelegt sein, an einem Ausgang des Gleichspannungskonverters mit einem Kondensator gekoppelt zu werden. Insbesondere kann der Gleichspannungskonverter beispielsweise mit einem Zwischenkreiskondensator eines elektrischen Stromrichters, beispielsweise eines Wechselrichters, gekoppelt werden.
  • Gemäß einer Ausführungsform ist die Regeleinrichtung dazu ausgelegt, die Stromregler zu deaktivieren, wenn am Ausgang des Gleichspannungskonverters eine vorbestimmte Ausgangsspannung erreicht ist.
  • 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.
  • Figurenliste
  • Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung werden nachfolgend anhand der Figuren erläutert. Dabei zeigen:
    • 1: eine schematische Darstellung eines Prinzipschaltbilds eines Gleichspannungskonverters mit einer Regelvorrichtung gemäß einer Ausführungsform;
    • 2: eine schematische Darstellung einer Schaltungsanordnung mit einem Gleichspannungskonverter gemäß einer Ausführungsform; und
    • 3: ein Flussdiagramm, wie es einem Verfahren zur Regelung eines Gleichspannungskonverters gemäß einer Ausführungsform zugrunde liegt.
  • Ausführungsformen der Erfindung
  • 1 zeigt eine schematische Darstellung eines Prinzipschaltbilds eines Gleichspannungskonverters 10 mit einer Regelvorrichtung 11 gemäß einer Ausführungsform. Der Gleichspannungskonverter 10 umfasst mehrere Gleichspannungswandler-Module 4-i. Obwohl in dem dargestellten Ausführungsbeispiel lediglich zwei Gleichspannungswandler-Module 4-1 und 4-2 dargestellt sind, kann der Gleichspannungskonverter 10 eine beliebige Anzahl von Gleichspannungswandler-Modulen 4-i umfassen. Jedes Gleichspannungswandler-Modul 4-i kann eingangsseitig mit einer Gleichspannung gespeist werden. Die Gleichspannungswandler-Module 4-i konvertieren die eingangsseitig bereitgestellte Gleichspannung in eine weitere Gleichspannung und stellen die konvertierte Gleichspannung am Ausgang bereit. Hierbei sollten alle Gleichspannungswandler-Module 4-i ausgangsseitig eine Gleichspannung in gleicher Höhe bereitstellen.
  • Die Ausgangsspannung der Gleichspannungswandler-Module 4-i wird gemäß einer Regelgröße geregelt. Hierzu kann an jedem Gleichspannungswandler-Modul 4-i eine individuelle Regelgröße bereitgestellt werden. Die Regelgrößen werden mittels einer Regelvorrichtung 11 generiert. Im Nachfolgenden wird der Aufbau und das Funktionsprinzip dieser Regelvorrichtung 11 näher erläutert.
  • Die Regelvorrichtung 11 umfasst einen zentralen Vorsteuereinrichtung 1. Darüber hinaus umfasst die Regelvorrichtung 11 für jedes Gleichspannungswandler-Modul 4-i einen korrespondierenden Stromregler 2-i. Optional kann die Regelvorrichtung 11 darüber hinaus eine zentrale Spannungsregler 3 umfassen. Entsprechend erfolgt die Regelung der Gleichspannungswandler-Module 4-i auf Grundlage einer zentralen ersten Regelgröße R1 von der Vorsteuereinrichtung 1, gegebenenfalls in Kombination mit einer weiteren Regelgröße R3 von dem zentralen Spannungsregler 3, sowie jeweils individuellen Regelgrößen R2-i der Stromregler 2-i. Nachfolgend wird dieses Regelkonzept näher erläutert.
  • An der Vorsteuereinrichtung 1 kann neben dem Sollwert U_Soll für die Ausgangsspannung des Gleichspannungskonverters 10 eine Größe U_In bereitgestellt werden, welche zu einer Eingangsspannung des Gleichspannungskonverters 10 korrespondiert. Mit anderen Worten, die Größe U_Inentspricht einem Spannungswert an den Eingängen der Gleichspannungswandler-Module 4-i. Gegebenenfalls können an der Vorsteuereinrichtung 1 noch weitere Größen, wie beispielsweise die Werte der Ein- oder Ausgangsströme der Gleichspannungswandler-Module 4-i oder ähnliches bereitgestellt werden. Auf Grundlage der Eingangswerte der Vorsteuereinrichtung 1 ermittelt die Vorsteuereinrichtung 1 die erste Regelgröße R1.
  • An dem zentralen Spannungsregler 3 wird eine Größe U_Soll für einen Sollwert der Ausgangsspannung des Gleichspannungskonverters 10 bereitgestellt. Darüber hinaus empfängt der Spannungsregler 3 eine Größe U_Ist, welche zu der aktuellen Ausgangsspannung des Gleichspannungskonverters 10 korrespondiert. Auf Grundlage dieser beiden Größen U_Soll und U_Ist generiert der Spannungsregler 3 eine weitere Regelgröße R3.
  • Die erste Regelgröße R1 und die weitere Regelgröße R3 können beispielsweise mittels eines Summiergliedes A1 zu einer gemeinsamen Regelgröße kombiniert werden.
  • Wie bereits oben angeführt, umfasst die Regelvorrichtung 11 für jedes Gleichspannungswandler-Modul 4-i einen individuellen Stromregler 2-i. An jedem Stromregler 2-i wird eine Größe I_Ist-i bereitgestellt, welche zu einem Strom des korrespondierenden Gleichspannungswandler-Moduls 4-i korrespondiert. Beispielsweise kann die Größe I_Ist-i einem Ausgangsstrom aus dem jeweiligen Gleichspannungswandler-Modul 4-i entsprechen. Alternativ ist es auch möglich, einen Eingangsstrom in das Gleichspannungswandler-Modul 4-i zu erfassen und eine entsprechende Größe an dem jeweiligen Stromregler 2-i bereitzustellen. Ebenso können grundsätzlich auch andere Größen an dem jeweiligen Stromregler 2-i bereitgestellt werden, welche zu einem elektrischen Strom in oder aus dem jeweiligen Gleichspannungswandler-Modul 4-i korrespondiert. Darüber hinaus kann an den Stromreglern 2-i eine Sollgröße, insbesondere ein maximal zulässiger Strom I_max-i bereitgestellt werden. Der jeweilige Stromregler 2-i generiert aus den Größen I_Ist-i für den elektrischen Strom in dem jeweiligen Gleichspannungswandler-Modul 4-i und dem Sollwert I_max-i eine zweite Regelgröße R2-i. Diese Regelgröße R2-i kann mit der ersten Regelgröße R1 aus Vorsteuereinrichtung und gegebenenfalls der weiteren Regelgröße R3 aus dem Spannungsregler kombiniert werden. Beispielsweise können die Regelgrößen R1, R3 mit den jeweiligen zweiten Regelgrößen R2-i in jeweils einem weiteren Summierglied A2-i kombiniert werden. Die Kombination der Regelgrößen kann daraufhin dem jeweiligen Gleichspannungswandler 4-i bereitgestellt werden.
  • Auf diese Weise ist es möglich, dass mittels der zweiten Regelgröße R2-i von den jeweiligen Stromreglern 2-i die erste Regelgröße R1 bzw. die Kombination aus erster Regelgröße R1 und weiterer Regelgröße R3 durch die zweite Regelgröße R2-i von dem Stromregler 2-i übersteuert wird. Hierdurch kann der maximale Strom in dem jeweiligen Gleichspannungswandler-Modul 4-i bzw. aus dem jeweiligen Gleichspannungswandler-Modul 4-i heraus begrenzt werden.
  • Liegt der elektrische Strom in dem jeweiligen Gleichspannungswandler-Modul 4-i bzw. ist der elektrische Strom aus dem Gleichspannungswandler-Modul 4-i unterhalb des maximalen Stroms I_max-i, so geht die jeweilige zweite Regelgröße R2-i gegen Null. In diesem Fall erfolgt keine Beeinflussung der ersten Regelgröße R1 bzw. der Kombination aus erster Regelgröße R1 und weiterer Regelgröße R3 durch die jeweilige zweite Regelgröße R2-i. Die Regelung in der Ausgangsspannung U erfolgt daher lediglich durch die erste Regelgröße R1 der Vorsteuereinrichtung 1, gegebenenfalls in Kombination mit der weiteren Regelgröße R3 ses Spannungsreglers 3, sofern elektrischer Strom des jeweiligen Gleichspannungswandler-Moduls 4-i unterhalb des maximalen Stroms I_max liegt.
  • Bei dem Spannungsregler 3 kann es sich beispielsweise um einen Zweipunkt-Regler handeln. Insbesondere kann es sich beim Spannungsregler 3 um einen I-Regler, also um einen Regler mit einem rein integrativen Regelverhalten ohne P-Anteil o. ä. handeln. Der Spannungsregler 3 kann beispielsweise in zwei Arbeitspunkten betrieben werden. In einem ersten Arbeitspunkt kann der Spannungsregler 3 eine Regelgröße R3 ausgeben, die dazu geeignet ist, einen Stromfluss in den Gleichspannungswandler-Modulen 4-i zu veranlassen. In einem zweiten Arbeitspunkt kann der Spannungsregler 3 eine Regelgröße R3 auszugeben, die dazu geeignet ist, einen Stromfluss in den Gleichspannungswandler-Modulen 4-i zu deaktivieren. Hierzu kann beispielsweise der Wert der ersten Regelgröße R3 soweit abgesenkt werden, dass daraufhin die Gleichspannungswandler-Module 4-i keinen elektrischen Strom ausgeben. Insbesondere kann der Spannungsregler 3 in dem ersten Arbeitspunkt betrieben werden, falls bzw. solange die Ausgangsspannung des Gleichspannungskonverters 10 unterhalb einem vorgegebenen Schwellwert liegt. D. h., die von dem Spannungsregler 3 ausgegebene Regelgröße R3 veranlasst in den Gleichspannungswandler-Modulen 4-i solange einen Stromfluss, bis am Ausgang des Gleichspannungskonverters 10 der vorgegebenen Schwellwert erreicht ist. Überschreitet die Ausgangsspannung des Gleichspannungskonverters 10 den vorgegebenen Schwellwert, so kann der Spannungsregler 3 in den zweiten Arbeitspunkt wechseln. Daraufhin wird die weitere Regelgröße R3 des Spannungsreglers 3 soweit abgesenkt, dass sie in den Gleichspannungswandler-Modulen 4-i keinen Stromfluss hervorruft. Sinkt im weiteren Verlauf die Spannung am Ausgang des Gleichspannungskonverters 10 unter einen weiteren Schwellwert, so kann der Spannungsregler 3 daraufhin wieder in den ersten Arbeitspunkt übergehen. Der weitere Schwellwert liegt dabei um eine Hysterese oder ein Offset unterhalb des zuvor angeführten vorgegebenen Schwellwerts. Hierdurch kann auf einfache Weise eine annähernd konstante Spannung am Ausgang des Gleichspannungskonverters 10 aufrechterhalten werden.
  • Nachfolgend wird das Verhalten des Spannungsreglers nochmals detailliert erläutert. Der Spannungsregler 3 kann beispielsweise nur dann aktiv sein, wenn nicht alle Stromregler 2-i der Gleichspannungswandler-Module 4-i gleichzeitig aktiv sind. Wie zuvor bereits ausgeführt kann der Spannungsregler 3 einen reinen I-Anteil aufweisen, (also keine P, PI oder Anteile). Der I-Anteil kann insbesondere in Maximalwert und Minimalwert begrenzt sein. Der Spannungsregler 3 kann negative oder positive Werte annehmen. Der Spannungsregler 3 kann um den Betrag des Werts der ersten Regelgröße R1 der Vorsteuereinrichtung 1 negativ werden. Liegt beispielsweise der Wert R1 der Vorsteuereinrichtung 1 bei 0,7 (70%), so kann die weitere Regelgröße R3 nicht kleiner als (-0,7) werden. Der maximale Wert der weiteren Regelgröße R3 des Spannungsreglers 3 kann beispielsweise das maximale Tastverhältnis abzüglich des Tastverhältnisses der Vorsteuereinrichtung 1 annehmen. Liegt beispielsweise das maximale Tastverhältnis bei 0.93 (93%), und die erste Regelgröße R1 der Vorsteuereinrichtung 1 liegt bei = 0,7 (70%) ergibt sich als Maximalwert der weiteren Regelgröße R3 des Spannungsreglers 2: 0,93-0,7 = 0,23 (23%)).
  • Solange der Spannungsregler 1 in seinem ersten Arbeitspunkt betrieben wird, integriert er die Regelabweichung (Sollspannung - Istspannung) und multipliziert dieses Ergebnis mit einem Faktor. Nachdem die Ausgangsspannung einen Schwellwert überschreitet, wechselt der Spannungsregler 3 in den zweiten Arbeitspunkt. Daraufhin gibt der Spannungsregler 3 eine weitere Regelgröße R3 aus, welche sich aus der negativen ersten Regelgröße R1 der Vorsteuereinrichtung 1 multipliziert mit einem weiteren Faktor ergibt. Liegt beispielsweise die erste Regelgröße R1 bei 0,7 und zu ergibt sich mit dem weiteren Faktor = 0,9 eine Regelgröße von -0,7*0.9 = -0,63. Eine negative Regelgröße bedeutet hierbei, dass das gesamt Tastverhältnis so gering wird, dass kein Strom fließen kann und damit die Spannung am Ausgang gleichbleibt.
  • Wenn die Spannung am Ausgang unterhalb einen weiteren Schwellwert (zum Beispiel erster Schwellwert minus Hysterese) abfällt, dann kann der Spannungsregler 3 erneut in den ersten Arbeitsgang wechseln und damit kann wieder Strom aus den Spannungswandler-Modulen 4-i heraus fließen. Diese Weise kann die Spannung am Ausgang des Gleichspannungswandlers 10 stabilisiert werden.
  • 2 zeigt eine schematische Darstellung einer Schaltungsanordnung mit einem Gleichspannungskonverter 10 gemäß einer Ausführungsform. Der Gleichspannungskonverter 10 entspricht dabei weitestgehend der zuvor beschriebenen Ausführungsform, so dass im Nachfolgenden auch alle zuvor gemachten Ausführungen gelten.
  • Wie in 2 zu erkennen ist, können die Gleichspannungswandler-Module 4-i des Gleichspannungskonverters 10 beispielsweise von einer Gleichspannungsquelle 20, wie zum Beispiel einer Batterie gespeist werden. Beispielsweise kann es sich bei der Batterie 20 um eine Batterie in einem Niedervoltnetz eines Fahrzeugs, insbesondere eines Elektro- oder Hybridfahrzeugs, handeln. Ausgangsseitig kann der Gleichspannungskonverter 10 beispielsweise mit einem Kondensator 30 verbunden sein. Bei dem Kondensator 30 kann es sich beispielsweise um einen Zwischenkreiskondensator eines Stromrichters handeln. Beispielsweise kann es sich bei dem Stromrichter mit dem Zwischenkreiskondensator 30 um einen Stromrichter für einen elektrischen Antrieb eines Elektro- oder Hybridfahrzeugs handeln. Der Zwischenkreiskondensator 30 kann zum Beispiel über einen geeigneten Trennschalter 31 mit den Ausgangsanschlüssen der Gleichspannungswandler-Module 4-i gekoppelt sein. Auf diese Weise kann ein entladener Kondensator 30 über den Gleichspannungskonverter 10 von der Gleichspannungsquelle 20 auf eine vorgegebene Spannung aufgeladen werden. Würden die Gleichspannungswandler-Module 4-i gemäß der ersten Regelgröße R1 von dem Vorsteuereinrichtung 1 derart angesteuert werden, dass sofort zu Beginn des Aufladevorgangs an den Ausgängen der Gleichspannungswandler-Module 4-i die zu erzielende Soll-Spannung U_Soll anliegen würde, so würden die Gleichspannungswandler-Module 4-i mit sehr hohen elektrischen Strömen belastet werden. Um eine unverhältnismäßig hohe Belastung der Gleichspannungswandler-Module 4-i zu Beginn des Ladevorgangs zu vermeiden, können die jeweiligen Stromregler 2-i die erste Regelgröße R1 bzw. die Kombination aus erster Regelgröße R1 und weiterer Regelgröße R3 mittels der zweiten Regelgrößen R2-i beeinflussen. Auf diese Weise kann jedes Gleichspannungswandler-Modul 4-i derart angesteuert werden, dass zunächst die Ausgangsleistung aus den Gleichspannungswandler-Modulen 4-i derart begrenzt wird, dass ein maximal zulässiger Strom I_max-i nicht überschritten wird. Nähert sich die elektrische Spannung über dem Kondensator 30 im Verlauf des Ladevorgangs der zu erzielenden Soll-Spannung U_Soll an, so sinkt dabei während des Ladevorgangs der Ladestrom in dem Kondensator 30. Nachdem der Ladestrom von einem Gleichspannungswandler-Modul 4-i in den Kondensator 30 unter den maximalen Strom I_max-i fällt, nähert sich die zweite Regelgröße R2-i des jeweiligen Stromreglers 2-i dem Wert Null, so dass keine weitere Beeinflussung der Regelgröße durch die jeweilige zweite Regelgröße R2-i erfolgt. Gegebenenfalls kann daraufhin der jeweilige Stromregler 2-i deaktiviert werden. Nachdem der Kondensator auf die vorgegebene Sollspannung U_Soll aufgeladen wurde, kann durch den Gleichspanungskonverter 10 eine Erhaltungsladung bereitgestellt werden. Hierzu kann die Begrenzung des Ausgangsstroms durch die Stromregler 2-i entfallen.
  • Bei den Gleichspannungswandler-Modulen 4-i kann es sich um beliebige Gleichspannungswandler-Module handeln. Beispielsweise können die Gleichspannungswandler-Module 4-i als Hochsetzsteller oder Tiefsetzsteller ausgeführt sein. Darüber hinaus kann es sich bei den Gleichspannungswandler-Modulen 4-i auch um kombinierte Hoch-Tiefsetzsteller handeln. In diesem Fall kann für die Ansteuerung der jeweiligen Gleichspannungswandler-Module 4-i auch der jeweilige Betriebsmodus, das heißt Hochsetzstellermodus oder Tiefsetzstellermodus mit berücksichtigt werden. Insbesondere kann auch ein Übergang von einem Tiefsetzstellermodus in einen Hochsetzstellermodus (oder gegebenenfalls auch in umgekehrte Richtung) berücksichtigt werden.
  • Darüber hinaus können die Gleichspannungswandler-Module 4-i auch einen Transformator umfassen. In diesem Fall kann gegebenenfalls auch das Übersetzungsverhältnis des jeweiligen Transformators bei der Regelung, insbesondere bei der Generierung der jeweiligen Regelgröße mit berücksichtigt werden. Beispielsweise kann das Übersetzungsverhältnis des Transformators bei der Generierung der weiteren Regelgröße R3 in der Vorsteuereinrichtung mit berücksichtigt werden.
  • 3 zeigt eine schematische Darstellung eines Ablaufdiagramms, wie es einem Verfahren zur Regelung eines Gleichspannungskonverters 10 gemäß einer Ausführungsform zugrunde liegt. Bei dem Gleichspannungskonverter 10 kann es sich insbesondere um einen zuvor beschriebenen Gleichspannungskonverter 10 handeln. Entsprechend kann der zuvor beschriebene Gleichspannungskonverter 10 auch sämtliche Verfahrensschritte ausführen, welche nachfolgend beschrieben werden. Analog kann das nachfolgend beschriebene Verfahren auch sämtliche Schritte umfassen, welche zuvor im Zusammenhang mit dem Gleichspannungskonverter 10 beschrieben worden sind.
  • In einem Schritt S1 wird eine erste Regelgröße R1 erzeugt. Die erste Regelgröße R1 kann insbesondere unter Verwendung eines Soll-Werts U_Soll für die Ausgangsspannung U des Gleichspannungskonverters 10, sowie einem ermittelten Wert U_Inder Eingangsspannung U des Gleichspannungskonverters 10 erzeugt werden. In einem Schritt S2 können mehrere individuelle zweite Regelgrößen R2-i erzeugt werden. Insbesondere kann für jedes Gleichspannungswandler-Modul 4-i eine separate zweite Regelgröße R2-i erzeugt werden. Die zweite Regelgrößen R2-i können zu Beginn des Ladevorganges abhängig von dem ersten Regelgröße R1 z.B. durch Initialiserung des Stromreglers 2-i beinflusst werden. Die jeweiligen zweiten Regelgrößen R2-i können unter Verwendung eines ermittelten Wertes I_Ist-i für den Strom in dem jeweils zugeordneten Gleichspannungswandler-Modul 4-i und einem vorbestimmten maximalen Strom I_max-i für das jeweilige Gleichspannungswandler-Modul 4-i erzeugt werden. In einem Schritt S3 kann die erste Regelgröße R1 und die jeweilige zweite Regelgröße R2-i für das jeweils zugeordnete Gleichspannungswandler-Modul 4-i kombiniert werden. Die kombinierte Regelgröße kann daraufhin dem jeweiligen Gleichspannungswandler-Modul 4-i bereitgestellt werden.
  • Zusammenfassend betrifft die vorliegende Erfindung die Regelung eines Gleichspannungskonverters mit mehreren Gleichspannungswandler-Modulen. Hierzu wird für alle Gleichspannungswandler-Module eine zentrale Regelgröße für ein spannungsgesteuertes Regeln des Gleichspannungskonverters generiert. Darüber hinaus kann für jedes Gleichspannungswandler-Modul zusätzlich eine strombasierte Regelgröße generiert werden. Durch die Kombination der spannungsbasierten Regelgröße und der strombasierten Regelgröße kann die Ausgangsleistung, insbesondere der Ausgangsstrom jedes Gleichspannungswandler-Moduls individuell angepasst werden. Auf diese Weise kann eine Überlastung der Gleichspannungswandler-Module vermieden werden.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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  • Zitierte Patentliteratur
    • DE 102016219740 A1 [0002]

Claims (8)

  1. Regelvorrichtung (11) für eine Gleichspannungskonverter (10) mit mehreren Gleichspannungswandler-Modulen (4-i), mit: einer Vorsteuereinrichtung (1), die dazu ausgelegt ist, eine erste Regelgröße (R1) unter Verwendung eines Sollwertes (U_Soll) für die Ausgangsspannung des Gleichspannungskonverters (10) und einem ermittelten Wert (U_ln) Eingangsspannung des Gleichspannungskonverters (10) zu generieren. mehreren Stromreglern (2-i), wobei jeweils einem Gleichspannungswandler-Modul (4-i) ein Stromregler (2-i) zugeordnet ist, wobei die Stromregler (2-i) jeweils dazu ausgelegt sind, eine individuelle zweite Regelgröße (R2-i) für das jeweils zugeordnete Gleichspannungswandler-Modul (4-i) zu generieren, und wobei die Stromregler (2-i) jeweils dazu ausgelegt sind, die jeweilige zweiter Regelgröße (R2-i) unter Verwendung eines ermittelten Wertes (I_Ist-i) für den Strom in dem jeweils zugeordneten Gleichspannungswandler-Modul (4-i) und einem vorbestimmten maximalen Strom (I_max-i) für das jeweilige Gleichspannungswandler-Modul (4-i) zu ermitteln;
  2. Regelvorrichtung (11) nach Anspruch 1 mit einem Spannungsregler (3), der dazu ausgelegt ist, eine dritte Regelgröße (R3) unter Verwendung eines Sollwerts (U_Soll) für die Ausgangsspannung des Gleichspannungskonverters (10) und einem ermittelten Wert (U_Ist) der Ausgangsspannung des Gleichspannungskonverters (10) zu generieren.
  3. Regelvorrichtung (11) nach Anspruch 2, wobei der Spannungsregler (3) einen Zweipunkt-Regler umfasst, der dazu ausgelegt ist, in einem ersten Arbeitspunkt eine dritte Regelgröße (R3) auszugeben, die dazu geeignet ist, einen Stromfluss in den Gleichspannungswandler-Modulen (4-i) zu veranlassen, falls der Wert (U_Ist) der Ausgangsspannung des Gleichspannungskonverters (10) einen vorgegebenen ersten Schwellwert unterschreitet, und in einem zweiten Arbeitspunkt eine dritte Regelgröße (R3) auszugeben, die dazu geeignet ist, einen Stromfluss in den Gleichspannungswandler-Modulen (4-i) zu deaktivieren, falls der Wert (U_Ist) der Ausgangsspannung des Gleichspannungskonverters (10) einen vorgegebenen zweiten Schwellwert überschreitet.
  4. Regelvorrichtung (11) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die mehreren Stromregler (2-i) jeweils dazu ausgelegt sind, einen Ausgangsstrom (I_Ist-i) der jeweils zugeordneten Gleichspannungswandler-Module (4-i) auf den vorbestimmten maximalen Strom (I_max-i) zu begrenzen.
  5. Regelvorrichtung (11) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Regelvorrichtung (11) dazu ausgelegt ist, die Stromregler (2-i) zu deaktivieren, wenn an dem Ausgang des Gleichspannungskonverters (10) eine vorbestimmte Ausgangsspannung (U_Ist) erreicht ist.
  6. Gleichspannungskonverter (10), mit: mehreren Gleichspannungswandler-Modulen (4-i), die jeweils dazu ausgelegt sind, eine Eingangsgleichspannung in eine Ausgangsgleichspannung zu konvertieren; und eine Regelvorrichtung (11) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei für jedes Gleichspannungswandler-Modul (4-i) in den Gleichspannungskonverter (10) ein separater Stromregler (2-i) in der Regelvorrichtung (11) vorgesehen ist.
  7. Gleichspannungskonverter (10) nach Anspruch 6, wobei der Gleichspannungskonverter (10) dazu ausgelegt ist, an einem Ausgang mit einem Kondensator (30), insbesondere einem Zwischenkreiskondensator, gekoppelt zu werden.
  8. Verfahren zur Regelung eines Gleichspannungskonverters (10) mit mehreren Gleichspannungswandler-Modulen (4-i), mit den Schritten: Erzeugen (S1) einer ersten Regelgröße (R1) unter Verwendung eines Sollwerts (U_Soll) für die Ausgangsspannung des Gleichspannungskonverters (10) und einem ermittelten Wert (U_In) der Eingangsspannung des Gleichspannungskonverters (10); Erzeugen (S2) mehrere individueller zweiter Regelgrößen (R2-i) für die mehreren Gleichspannungswandler-Module (4-i), wobei jede zweite Regelgröße (R2-i) unter Verwendung eines ermittelten Wertes (I_Ist-i) für den Strom in dem jeweils zugeordneten Gleichspannungswandler-Modul (4-i) und einem vorbestimmten maximalen Strom (I_max-i) für das jeweilige Gleichspannungswandler-Modul (4-i) erzeugt wird; und Kombinieren (S3) der ersten Regelgröße (R1) und der zweiten Regelgröße (R2-i) für das jeweils zugeordnete Gleichspannungswandler-Modul (4-i) und Bereitstellen der jeweiligen kombinierten Regelgrößen an den entsprechenden Gleichspannungswandler-Modulen (4-i).
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