DE102020129136A1 - Method and system for reducing the runtime-relevant complexity of a real-time control of a modular multilevel converter - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Reduzierung laufzeitrelevanter Komplexität eines Steuerungsalgorithmus einer Wechselstrombatterie, bei dem die Wechselstrombatterie einen Zentralkontroller mit einem Scheduler und mindestens einen Strang mit einer Mehrzahl an Batteriemodulen umfasst, bei dem durch den in einen Realzeit- und einen Offline-Teil aufgeteilten Scheduler ein jeweiliger Gesamtschaltzustand (140) der Mehrzahl an Batteriemodulen zu jedem Schalttakt vorgegeben wird, bei dem im Realzeit-Teil zu jedem Schalttakt auf eine Schaltzustandstabelle, welche alle Gesamtschaltzustände zusammen mit einem jeweilig durch eine Kostenfunktion für eine Umsetzung des jeweiligen Gesamtschaltzustandes zugeordneten Wert enthält, zugegriffen wird und daraus der jeweilige Gesamtschaltzustand mit dem kleinsten Wert der Kostenfunktion gebildet wird, wobei im Offline-Teil durch einen Memoisierungsalgorithmus in kontinuierlicher Abfolge die Kostenfunktion zu allen Gesamtschaltzuständen des mindestens einen Stranges berechnet wird, indem ein jeweiliger Strang des mindestens einen Stranges mit einer Mehrzahl an Batteriemodulen als in kleinere Substrangabschnitte mit einem jeweiligen Subschaltzustand (110, 120, 130) aufgeteilt betrachtet wird, die Kostenfunktion zu allen Subschaltzuständen berechnet wird, die jeweiligen Subschaltzustände zusammen mit dem jeweiligen Wert der Kostenfunktion in einem Verzeichnis abgelegt werden, und der Wert der Kostenfunktion des jeweiligen Gesamtschaltzustandes aus den Werten der Kostenfunktion zu Subschaltzuständen von den den jeweiligen Strang des mindestens einen Stranges bildenden Substrangabschnitten zusammengesetzt wird. Ferner wird eine dem Verfahren entsprechende Schaltung beansprucht.The invention relates to a method for reducing runtime-relevant complexity of a control algorithm of an AC battery, in which the AC battery comprises a central controller with a scheduler and at least one line with a plurality of battery modules, in which the scheduler is divided into a real-time and an offline part respective overall switching state (140) of the plurality of battery modules is specified for each switching cycle, in which in the real-time part for each switching cycle a switching state table, which contains all overall switching states together with a value assigned by a cost function for a conversion of the respective overall switching state, is accessed and from this the respective overall switching state with the smallest value of the cost function is formed, the cost function for all overall switching states of the least ns of a string is calculated by considering a respective string of the at least one string with a plurality of battery modules as divided into smaller sub-string sections with a respective sub-switching state (110, 120, 130), the cost function is calculated for all sub-switching states, the respective sub-switching states together are stored in a directory with the respective value of the cost function, and the value of the cost function of the respective overall switching state is composed of the values of the cost function for sub-switching states of the sub-strand sections forming the respective strand of the at least one strand. A circuit corresponding to the method is also claimed.
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Reduzierung laufzeitrelevanter Komplexität in einer Berechnung von Schaltstellungen bei einer Echtzeitsteuerung eines modularen Multilevelkonverters. Ferner wird ein System beansprucht, auf dem das Verfahren umgesetzt wird.The present invention relates to a reduction in runtime-relevant complexity in a calculation of switching positions in real-time control of a modular multilevel converter. A system is also claimed on which the method is implemented.
Um aus einer Gleichspannung eine Wechselspannung vorbestimmter Frequenz zu erhalten, werden Ein- und Ausgangsspannungen in einer herkömmlichen Leistungselektronik mit wenigen Leistungsschaltern zwischen wenigen Niveaus, meist zwei bis drei, geschaltet, wobei man dann im zeitlichen Mittel einen gewünschten Wert erhält. Im Gegensatz dazu arbeiten moderne Multilevelkonverter nach einem Schema, die Wechselspannung durch eine dynamische wechselbare Konfiguration von über eine Vielzahl elektronischer Schalter verschalteten Energiespeichern, wie bspw. Kondensatoren oder Energiezellen, zu erzeugen. Dabei kommen wesentlich mehr elektronische Schalter, bspw. Leistungshalbleiterschalter, als bei der herkömmlichen Leistungselektronik zum Einsatz, woraus eine Vielzahl von realisierbaren Gesamtschaltzuständen und damit verbundenen Ausgangsspannungen des Multilevelkonverters in sehr feinen Abstufungen bzw. Leveln gebildet werden kann. Gleichzeitig existiert eine hohe Zahl an Freiheitsgraden, mit verschiedenen Gesamtschaltzuständen ein gleiches Spannungslevel zu realisieren, wobei eine Steuerung des Multilevelkonverters allen Schaltern zu jeder Zeit einen eindeutigen Schaltzustand zuweisen muss.In order to obtain an AC voltage of a predetermined frequency from a DC voltage, input and output voltages are switched between a few levels, usually two to three, in conventional power electronics with a few power switches, with a desired value then being obtained on average over time. In contrast to this, modern multilevel converters work according to a scheme that generates the alternating voltage through a dynamically changeable configuration of energy storage devices, such as capacitors or energy cells, connected via a large number of electronic switches. Considerably more electronic switches, e.g. power semiconductor switches, are used here than in conventional power electronics, from which a large number of realizable overall switching states and associated output voltages of the multilevel converter can be formed in very fine gradations or levels. At the same time, there is a large number of degrees of freedom for realizing the same voltage level with different overall switching states, with a controller of the multilevel converter having to allocate a clear switching state to all switches at all times.
Grundsätzlich lässt sich eine jeweilige Bauart eines Multilevelkonverters anhand eines Einzelmoduls, welches in Mehrzahl für einen jeweiligen Strang pro Phase aneinandergereiht wird, definieren, bspw. dargestellt in der Druckschrift
Einfache Steueralgorithmen des MMSPCs versuchen, die Komplexität so weit wie möglich zu reduzieren, um eine Echtzeitsteuerung zu gewährleisten, sparen dabei aber Optimierungskriterien für Schaltungsvorgaben, wie bspw. Ausgangsspannung, Ladungsausgleich, Temperaturmanagement oder Verluste im System, weitgehend aus. Hingegen können optimierende Steueralgorithmen verschiedene Optimierungskriterien berücksichtigen, was bspw. in Stefan M. Goetz; Zhongxi Li; Xinyu Liang; Chengduo Zhang; Srdjan M. Lukic; Angel V. Peterchev, „Control of Modular Multilevel Converter With Parallel Connectivity - Application to Battery Systems“, IEEE Transactions on Power Electronics, vol. 32, no. 11, pp. 8381-8392, beschrieben wird. Dabei entspricht eine Zahl der Optimierungskriterien einer Komplexität des optimierenden Steueralgorithmus, was sich im Rechenaufwand bemerkbar macht und damit laufzeitrelevant ist. Mit immer höherer Komplexität verliert daher der Steueralgorithmus eine Fähigkeit zur Echtzeitsteuerung.Simple control algorithms of the MMSPC try to reduce the complexity as much as possible in order to ensure real-time control, but largely omit optimization criteria for circuit specifications such as output voltage, charge balancing, temperature management or losses in the system. On the other hand, optimizing control algorithms can take various optimization criteria into account, which is described, for example, in Stefan M. Goetz; Zhongxi Li; Xinyu Liang; Chengduo Zhang; Srdjan M. Lukic; Angel V. Peterchev, "Control of Modular Multilevel Converter With Parallel Connectivity - Application to Battery Systems", IEEE Transactions on Power Electronics, vol. 32, no. 11, pp. 8381-8392. In this case, a number of the optimization criteria corresponds to a complexity of the optimizing control algorithm, which is noticeable in the computing effort and is therefore relevant to the runtime. Therefore, as complexity increases, the control algorithm loses real-time control capability.
Einen Kompromiss zwischen einfachen Steueralgorithmen und optimierenden Steueralgorithmen stellen neuerdings vorgeschlagene Hybridalgorithmen dar. Hybridalgorithmen separieren den Rechenaufwand für Schaltungsvorgaben einerseits in einen relativ langsamen optimierenden Offline-Teil, welcher eine gründliche Durchforstung aller möglichen Gesamtschaltzustände vornimmt, diese anhand einer Kostenfunktion bewertet und dann damit eine Schalttabelle aktualisiert, andererseits in einen Echtzeitteil, welcher lediglich auf die Schalttabelle zugreift, um einen Gesamtschaltzustand zu ermitteln.Recently proposed hybrid algorithms represent a compromise between simple control algorithms and optimizing control algorithms. On the one hand, hybrid algorithms separate the computing effort for switching specifications into a relatively slow optimizing offline part, which carries out a thorough trawl through all possible overall switching states, evaluates them using a cost function and then updates a switching table with it , on the other hand in a real-time part, which only accesses the switching table in order to determine an overall switching state.
So ist aus Zhongxi Li; Ricardo Lizana; Angel V. Peterchev; Stefan M. Goetz, „Predictive control of modular multilevel series/parallel converter for battery systems“ in 2017 IEEE Energy Conversion Congress and Exposition (ECCE); Conference Paper; 2017, ein mehrstufiges prädiktives Steuerungsverfahren für MMSPCs bekannt. Anstatt Schaltsignale benutzt das Steuerungsverfahren Transistorströme als Grundvariablen. Damit wird der Multilevelkonverter auf ein lineares zeitinvariantes System abgebildet, dessen zugehörige Kostenfunktion eine lineare quadratische Form aufweist. Hierdurch können mehrere Schritte im Voraus berechnet werden.So is from Zhongxi Li; Ricardo Lizana; Angel V Peterchev; Stefan M. Goetz, "Predictive control of modular multilevel series/parallel converter for battery systems" in 2017 IEEE Energy Conversion Congress and Exposition (ECCE); conference papers; 2017, a multi-level predictive control method for MMSPCs is known. Instead of switching signals, the control method uses transistor currents as basic variables. The multilevel converter is thus mapped to a linear time-invariant system whose associated cost function has a linear quadratic form. This allows several steps to be calculated in advance.
Auch in der Druckschrift
Eine Bandbreite solcher Hybridalgorithmen ist von dem Rechenaufwand des optimierenden Offline-Teils abhängig. Eine hierdurch bedingte eher sporadische Aktualisierung der Schalttabelle kann zwar auf Dauer für einen geregelten Ladungsausgleich ausreichend sein, verursacht aber kurzfristig immer wieder eine Überlastung einzelner Module. Zudem steigt der Rechenaufwand bei gleicher Komplexität mit einer Anzahl der Module exponentiell an.A range of such hybrid algorithms depends on the computing effort of the optimizing offline part. A rather sporadic update of the switching table caused by this can be sufficient for a controlled charge equalization in the long run, but causes an overload of individual modules again and again in the short term. In addition, the computing effort increases exponentially with the number of modules for the same complexity.
Vor diesem Hintergrund ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Ermittlung optimierter Gesamtschaltzustände modularer Multilevelkonverter vorzustellen, bei dem eine Überlastung einzelner Module durch verspätete Aktualisierung der Schalttabelle vermieden wird. Damit verbunden soll der laufzeitrelevante Rechenaufwand des optimierenden Offline-Teils zur Bereitstellung nach Optimierungskriterien bewerteter Schaltstellungen verringert werden. Ferner soll ein System bereitgestellt werden, mit dem das Verfahren umgesetzt werden kann.Against this background, it is an object of the present invention to present a method for determining optimized overall switching states of modular multilevel converters, in which an overloading of individual modules due to belated updating of the switching table is avoided. In connection with this, the runtime-relevant computing effort of the optimizing offline part for the provision of switching positions evaluated according to optimization criteria should be reduced. Furthermore, a system is to be provided with which the method can be implemented.
Zur Lösung der voranstehend genannten Aufgabe wird ein Verfahren zur Reduzierung laufzeitrelevanter Komplexität eines Steuerungsalgorithmus einer Wechselstrombatterie vorgeschlagen, bei dem die Wechselstrombatterie einen Zentralkontroller mit einem Scheduler und mindestens einen Strang mit einer Mehrzahl an Batteriemodulen umfasst. Ein jeweiliges Batteriemodul der Mehrzahl an Batteriemodulen weist mindestens einen Energiespeicher und eine Mehrzahl an Leistungshalbleiterschaltern, welche das jeweilige Batteriemodul seriell oder parallel oder in Bypass zu einem anderen Batteriemodul verschalten, auf. Durch den Zentralkontroller wird dem Scheduler eine Phasenspannung vorgegeben, welche an einem Ausgang der Wechselstrombatterie zu einem gewünschten Phasenstrom führt. Zur Realisierung der Phasenspannung wird durch den Scheduler ein jeweiliger Gesamtschaltzustand der Mehrzahl an Batteriemodulen zu jedem Schalttakt vorgegeben, wobei der Scheduler in einen Realzeit-Teil und einen Offline-Teil aufgeteilt wird. Im Realzeit-Teil wird zu jedem Schalttakt auf eine Schaltzustandstabelle, welche alle Gesamtschaltzustände des mindestens einen Stranges zusammen mit einem jeweilig durch eine Kostenfunktion für eine Umsetzung des jeweiligen Gesamtschaltzustandes zugeordneten Wert enthält, zugegriffen und daraus für den mindestens einen Strang der jeweilige Gesamtschaltzustand mit einem kleinsten Wert der Kostenfunktion gebildet. Der Gesamtschaltzustand mit dem kleinsten Wert der Kostenfunktion entspricht einer optimalen Wahl von Schaltzuständen in dem mindestens einem Strang gemäß von Kriterien zu einem jeweiligen Zustand der jeweiligen Batteriemodule, welche der Kostenfunktion zu Grunde liegen. Im Offline-Teil wird durch einen Memoisierungsalgorithmus in kontinuierlicher Abfolge die Kostenfunktion zu allen Gesamtschaltzuständen des mindestens einen Stranges berechnet, indem ein jeweiliger Strang des mindestens einen Stranges mit einer Mehrzahl an Batteriemodulen als in kleinere Substrangabschnitte mit einem jeweiligen Subschaltzustand aufgeteilt betrachtet wird, die Kostenfunktion zu allen Subschaltzuständen berechnet wird, die jeweiligen Subschaltzustände zusammen mit dem jeweiligen Wert der Kostenfunktion in einem Verzeichnis abgelegt werden, und der Wert der Kostenfunktion des jeweiligen Gesamtschaltzustandes aus den Werten der Kostenfunktion zu Subschaltzuständen von den den jeweiligen Strang des mindestens einen Stranges bildenden Substrangabschnitten zusammengesetzt wird.A method for reducing the complexity of a control algorithm of an AC battery that is relevant to the runtime is proposed in order to solve the above-mentioned task, in which the AC battery comprises a central controller with a scheduler and at least one line with a plurality of battery modules. A respective battery module of the plurality of battery modules has at least one energy store and a plurality of power semiconductor switches, which connect the respective battery module in series or in parallel or in bypass to another battery module. A phase voltage is specified for the scheduler by the central controller, which leads to a desired phase current at an output of the AC battery. To realize the phase voltage, the scheduler specifies a respective overall switching state of the plurality of battery modules for each switching cycle, with the scheduler being divided into a real-time part and an offline part. In the real-time part, a switching state table is accessed for each switching cycle, which contains all the overall switching states of the at least one line together with a value assigned by a cost function for converting the respective overall switching state, and from this the respective overall switching state with a smallest one is calculated for the at least one line Value of the cost function formed. The overall switching state with the smallest value of the cost function corresponds to an optimal choice of switching states in the at least one line according to criteria for a respective state of the respective battery modules, which form the basis of the cost function. In the offline part, the cost function for all overall switching states of the at least one string is calculated in a continuous sequence using a memoization algorithm by considering a respective string of the at least one string with a plurality of battery modules as divided into smaller substring sections with a respective subswitching state, the cost function to all sub-switching states are calculated, the respective sub-switching states are stored in a directory together with the respective value of the cost function, and the value of the cost function of the respective overall switching state is composed of the values of the cost function for sub-switching states of the sub-strand sections forming the respective strand of the at least one strand.
Damit führt eine jeweilige Kombination von den jeweiligen im Verzeichnis abgelegten Subschaltzuständen zu einem jeweiligen Wert der Kostenfunktion des jeweiligen Gesamtschaltzustandes. Betrachtet man alle Gesamtschaltzustände in einem von diesen Gesamtschaltzuständen aufgespannten Vektorraum, so entspricht die Berechnung der Kostenfunktion einer Transformation eines Elementes dieses Vektorraumes in einen Raum der Zustandskosten. In dieser Betrachtungsweise findet der Memoisierungsalgorithmus des erfindungsgemäßen Verfahrens eine Basis im Vektorraum der Gesamtschaltzustände und transformiert diese Basis in den Raum der Zustandskosten. Entsprechend kann durch einfaches Kombinieren der transformierten Basis der Zustandskosten-Raum aufgespannt werden.A respective combination of the respective sub-switching states stored in the directory thus leads to a respective value of the cost function of the respective overall switching state. If one considers all overall switching states in a vector space spanned by these overall switching states, then the calculation of the cost function corresponds to a transformation of an element of this vector space into a space of state costs. In this way of looking at it, the memoization algorithm of the method according to the invention finds a basis in the vector space of the total switching states and transforms this basis into the space of the state costs. Accordingly, by simply combining the transformed basis, the state cost space can be spanned.
Der Scheduler stellt die Phasenspannung auf dem mindestens einen Strang bzw. der mindestens einen Phase ein, der Phasenstrom stellt sich dann entsprechend einer angeschlossenen Last ein. Auf einer höheren Steuerungsebene (Software im Mikrokontroller) findet eigentlich eine Stromregelung mit der jeweiligen Phasenspannung als Stellgröße statt. Mittels Scheduling wird der Schaltzustand der jeweiligen Batteriemodule gesteuert und dadurch direkt die jeweilige Phasenspannung geregelt, aber nur indirekt der Phasenstrom geregelt.The scheduler sets the phase voltage on the at least one strand or the at least one phase, and the phase current is then set according to a connected load. At a higher control level (software in the microcontroller), current control actually takes place with the respective phase voltage as the manipulated variable. The switching state of the respective battery modules is controlled by means of scheduling and the respective phase voltage is thereby directly regulated, but the phase current is only indirectly regulated.
In einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die Kostenfunktion mit einem Kriterium aus folgender Liste gebildet: Temperatur des jeweiligen Batteriemoduls, Ripple jeweiliger Batteriemodulströme.In one embodiment of the method according to the invention, the cost function is formed using a criterion from the following list: temperature of the respective battery module, ripple of respective battery module currents.
In einer anderen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die Kostenfunktion als eine Summe über jeweilige Batteriemodulströme ik, welche durch eine jeweilige Abweichung Δqk = (SoCk - SOCAV) eines jeweiligen Batteriemodulladezustands SoCk gegenüber einem gemittelten Batterieladezustand SOCAV gewichtet werden, gebildet. Für einen Beispielfall mit sechs Batteriemodulen (N=6) in einem jeweiligen Strang des mindestens einen Stranges lautet die Kostenfunktion SBsp:
In einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird durch jeweilig miteinander parallel verschaltete Batteriemodule ein jeweiliger Substrangabschnitt gebildet. Dabei fließt durch alle Substrangabschnitte des jeweiligen Stranges des mindestens einen Stranges der gleiche Phasenstrom, da die Substrangabschnitte innerhalb des jeweiligen Stranges in Reihe miteinander verbunden sind. Während also der jeweilige durch den jeweiligen Strang fließende Phasenstrom durch alle seriell miteinander verbundenen jeweiligen Substrangabschnitte fließt, teilt er sich innerhalb der jeweiligen Substrangabschnitte auf die jeweilig von diesen umfassten Batteriemodule auf.In a further embodiment of the method according to the invention, a respective substring section is formed by battery modules connected in parallel with one another. In this case, the same phase current flows through all sub-strand sections of the respective strand of the at least one strand, since the sub-strand sections are connected to one another in series within the respective strand. Thus, while the respective phase current flowing through the respective string flows through all the respective substring sections connected to one another in series, it is distributed within the respective substring sections to the battery modules respectively comprised by them.
Innerhalb eines jeweiligen Stranges wird ein jeweiliger Substrangabschnitt mit einer gleichen Last beaufschlagt, wobei im jeweiligen Strang die jeweilige Last dem jeweiligen Phasenstrom entspricht. Jeder Substrangabschnitt mit parallel verschalteten Batteriemodulen trägt den gesamten Anteil des jeweiligen Phasenstroms und verteilt diesen dann auf seine parallel verschalteten Batteriemodule.Within a respective string, a respective sub-string section is subjected to the same load, with the respective load corresponding to the respective phase current in the respective string. Each substring section with battery modules connected in parallel carries the entire proportion of the respective phase current and then distributes this to its battery modules connected in parallel.
In einer weiter fortgesetzten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird eine Verteilung des sich auf jeweilig miteinander parallel verschaltete Batteriemodule aufteilenden Phasenstroms in dem jeweiligen Substrangabschnitt durch jeweilige Verteilungskoeffizienten beschrieben.In a further developed embodiment of the method according to the invention, a distribution of the phase current divided among battery modules that are respectively connected in parallel with one another in the respective substring section is described by respective distribution coefficients.
Die Verteilung des sich in einem jeweiligen Substrangabschnitt auf die jeweilig miteinander parallel verschalteten Batteriemodule verteilenden Phasenstroms ist jeweilig völlig unabhängig von Batteriemodulen anderer Substrangabschnitte bzw. unabhängig von jeweiligen Verteilungen des jeweiligen Phasenstroms in anderen Substrangabschnitten des jeweiligen Stranges des mindestens einen Stranges, da durch alle Substrangabschnitte des jeweiligen Stranges des mindestens einen Stranges der gleiche jeweilige Phasenstrom fließt. Aus der Unabhängigkeit folgt, dass die Verteilung des jeweiligen Phasenstroms nicht auf Ebene des jeweiligen Stranges des mindestens einen Stranges zu behandeln ist, sondern dass die jeweilige Verteilung für jeden Substrangabschnitt einzeln gebildet werden kann. Dies wird erfindungsgemäß durch Einführung von Verteilungskoeffizienten für den jeweiligen Substrangabschnitt erreicht, wobei die Verteilungskoeffizienten den jeweiligen durch das jeweilige Batteriemodul der parallel verschalteten Batteriemodule fließenden Anteil des Phasenstroms beschreiben.The distribution of the phase current distributed in a respective sub-string section to the battery modules connected in parallel with each other is completely independent of battery modules of other sub-string sections or independent of the respective distributions of the respective phase current in other sub-string sections of the respective string of the at least one string, since all sub-string sections of the respective strand of the at least one strand of the same respective phase current flows. The independence means that the distribution of the respective phase current does not have to be dealt with at the level of the respective branch of the at least one branch, but that the respective distribution can be formed individually for each sub-strand section. According to the invention, this is achieved by introducing distribution coefficients for the respective substring section, the distribution coefficients describing the respective proportion of the phase current flowing through the respective battery module of the battery modules connected in parallel.
Das erfindungsgemäße Verfahren nützt damit vorteilhaft aus, dass zur Berechnung der Kostenfunktion der jeweilige Gesamtschaltzustand in voneinander unabhängige Subschaltzustände zerlegt werden kann. Eine Zahl möglicher Subschaltzustände ist dabei wesentlich kleiner als eine Zahl möglicher Gesamtschaltzustände.The method according to the invention thus makes advantageous use of the fact that, in order to calculate the cost function, the respective overall switching state can be broken down into mutually independent sub-switching states. A number of possible sub-switching states is significantly smaller than a number of possible overall switching states.
Seien in dem voranstehenden Beispiel mit sechs Batteriemodulen bspw. das dritte, vierte und fünfte Batteriemodul zu einem Substrangabschnitt parallel verschaltet, so kann eine Kostenfunktion S3-5 für diesen Substrangabschnitt mit jeweiligen Verteilungskoeffizienten dk geschrieben werden als:
Die Verteilungskoeffizienten dk sind rein skalare Größen mit einem Wertebereich zwischen null und eins. Ein Wert dk =0 würde bedeuten, dass das k-te Batteriemodul umgangen wird, während bei einem Wert dk =1 durch das k-te Batteriemodul der volle Anteil des Phasenstroms im jeweiligen Strang fließt. Innerhalb des jeweiligen Substrangabschnitts summieren sich die Verteilungskoeffizienten zu eins (d3+d4+d5=1 im voranstehenden Beispiel), was dem Umstand entspricht, dass der volle jeweilige Phasenstrom durch den betrachteten Substrangabschnitt fließt. Eine funktionale Beschreibung eines Verteilungskoeffizienten ist durch mehrere Parameter, wie bspw. jeweilige Batteriemodulspannung, Innenwiderstand eines jeweiligen Batteriemoduls, oder ein Verhältnis zwischen Innenwiderstand und Modulverbindungswiderstand, bestimmt.The distribution coefficients d k are purely scalar quantities with a value range between zero and one. A value d k =0 would mean that the kth battery module is bypassed, while a value d k =1 flows through the kth battery module through the full portion of the phase current in the respective string. Within the respective sub-string section, the distribution coefficients add up to one (d 3 +d 4 +d 5 =1 in the example above), which corresponds to the fact that the full respective phase current flows through the sub-string section under consideration. A functional description of a distribution coefficient is determined by a number of parameters, such as the respective battery module voltage, the internal resistance of a respective battery module, or a ratio between the internal resistance and the module connection resistance.
In einer noch weiter fortgesetzten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird bei Batteriemodulen des jeweiligen Strangabschnittes, welche einen vollständigen Ladungsausgleich aufweisen, der Phasenstrom auf die jeweilig miteinander parallel verschalteten Batteriemodule gleichmäßig aufgeteilt. Dadurch nehmen die jeweiligen Verteilungskoeffizienten des jeweiligen Substrangabschnittes einen gleichen konstanten Wert an, wobei der Wert invers proportional zur Zahl der Batteriemodule des jeweiligen Substrangabschnittes ist. Im voranstehenden Beispiel bedeutet dies dk = Iphase/N, so dass sich die Kostenfunktion s3-5 für den Substrangabschnitt des Beispiels reduzieren lässt auf (N=3):
Die Kostenfunktion SBsp für einen jeweiligen Gesamtschaltzustand ergibt sich dann aus der Summe der Werte der Kostenfunktionen der den jeweiligen Gesamtschaltzustand bildenden Substrangabschnitte. Seien im voranstehenden Beispiel mit dem ersten und dem zweiten Batteriemodul ein Substrangabschnitt mit Kostenfunktion s1-2 und dem sechsten Batteriemodul ein Substrangabschnitt mit Kostenfunktion s6-6 gebildet, so ergibt sich die Kostenfunktion SBsp zu:
Die Unabhängigkeit der Substrangabschnitte bildet den entscheidenden Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens, die laufzeitrelevante Komplexität des Steuerungsalgorithmus zu reduzieren. Dadurch ist es vorteilhaft möglich, alle parallelen Verschaltungsmöglichkeiten der Substrangabschnitte zusammen mit ihrem Wert der zugehörigen Kostenfunktion in einem Verzeichnis aufzuführen, wobei deren Zahl vorteilhaft kleiner ist, als eine Anzahl aller Verschaltungsmöglichkeiten eines jeweiligen Stranges des mindestens einen Stranges. Ein beliebig oft durchführbarer Zugriff auf in dem Verzeichnis bereits berechnete Werte schafft einen wesentlichen Zeitvorteil des erfindungsgemäßen Memoisierungsalgorithmus.The independence of the substring sections forms the decisive advantage of the method according to the invention, namely reducing the complexity of the control algorithm that is relevant to runtime. This advantageously makes it possible to list all parallel connection options of the sub-string sections together with their value of the associated cost function in a list, the number of which is advantageously smaller than a number of all connection options of a respective string of the at least one string. Access to values already calculated in the directory, which can be carried out as often as required, creates a significant time advantage for the memoization algorithm according to the invention.
Eine Komplexität T des Steuerungsalgorithmus beschreibt eine Rechenzeit bzw. einen Rechenaufwand für eine Ausführung des Steuerungsalgorithmus. Die Rechenzeit ist hierbei proportional zu einer Anzahl an Rechenoperationen zur Berechnung der Kostenfunktion. Bei einer naiven Betrachtung eines nicht aufgeteilten Stranges ist die Komplexität TStrang proportional zu einer Anzahl an Termen bei der Berechnung der Kostenfunktion, welche einer Zahl N an Batteriemodulen im Strang entspricht, und der Zahl an möglichen Schaltzuständen:
Damit wächst die Komplexität TStrang eines nicht aufgeteilten Stranges in etwa exponentiell an.The complexity T strand of an undivided strand thus grows approximately exponentially.
Demgegenüber zeigt die Komplexität Tmem für den Memoisierungsalgorithmus des erfindungsgemäßen Verfahrens vorteilhaft ein lediglich kubisches Anwachsen mit einer Anzahl N an Batteriemodulen innerhalb eines jeweiligen Stranges des mindestens einen Stranges der Wechselstrombatterie:
Da der Memoisierungsalgorithmus alle Substrangabschnitte mit parallel verschalteten Batteriemodulen zusammen mit ihrem jeweiligen Wert der Kostenfunktion auflistet, ist der Rechenaufwand proportional zu der Anzahl an möglichen Substrangabschnitten und eine Anzahl an Termen bei der Berechnung der Kostenfunktion für den jeweiligen Substrangabschnitt, wobei die Anzahl an Termen der Zahl an Batteriemodulen im Substrangabschnitt entspricht.Since the memoization algorithm lists all substring sections with battery modules connected in parallel together with their respective value of the cost function, the computational effort is proportional to the number of possible substring sections and a number of terms when calculating the costs function for the respective substring section, with the number of terms corresponding to the number of battery modules in the substring section.
Durch das nur noch kubische Anwachsen der Komplexität und damit des Rechenaufwandes kann mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens vorteilhaft eine Realzeitsteuerung auch größerer Stränge an Batteriemodulen stattfinden, während hier die naive Herangehensweise am Rechenaufwand scheitert. Auch ermöglicht das erfindungsgemäße Verfahren weitergehende Untersuchungen zu vorzuschlagenden Gesamtschaltzuständen auf Grundlage von Vorausberechnungen verschiedener Schaltverläufe. Solches „prediction base scheduling“ ist besonders zeitkritisch, da sich mit jedem Schalttakt Systemparameter (bspw. Ladezustand) ändern und damit auch eine Berechnungsgrundlage für die Kostenfunktion ständig neu entsteht.Due to the only cubic increase in complexity and thus the computational effort, the method according to the invention can advantageously also be used to control larger strings of battery modules in real time, while the naive approach here fails due to the computational effort. The method according to the invention also enables further investigations into proposed overall switching states on the basis of precalculations of various switching profiles. Such "prediction base scheduling" is particularly time-critical, since system parameters (e.g. state of charge) change with each switching cycle and thus a calculation basis for the cost function is constantly created.
In einer fortgesetzt weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird eine Gesamtheit aller möglichen Subschaltzustände auf eine Untermenge realisierbarer Parallelverschaltungen von Batteriemodulen beschränkt.In a continued further embodiment of the method according to the invention, a total of all possible sub-switching states is restricted to a subset of battery modules that can be connected in parallel.
In einer fortgesetzt noch weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird der Memoisierungsalgorithums kaskadierend auf mehreren Ebenen eingesetzt, indem mindestens aus einem Verzeichnis von Werten der Kostenfunktion zu einer einzelnen Verschaltung des jeweiligen Batteriemoduls die Werte der Kostenfunktion zu jeweiligen Subschaltzuständen zusammengesetzt werden.In a continued yet further embodiment of the method according to the invention, the memoization algorithm is used cascadingly on several levels, in that the values of the cost function for the respective sub-switching states are assembled from at least one list of values of the cost function for an individual interconnection of the respective battery module.
Ferner wird ein System zur Reduzierung laufzeitrelevanter Komplexität eines Steuerungsalgorithmus einer Wechselstrombatterie beansprucht, bei dem das System eine Wechselstrombatterie umfasst, wobei die Wechselstrombatterie einen Zentralkontroller mit einem Scheduler und mindestens einen Strang mit einer Mehrzahl an Batteriemodulen aufweist. Ein jeweiliges Batteriemodul der Mehrzahl an Batteriemodulen weist mindestens einen Energiespeicher und eine Mehrzahl an Leistungshalbleiterschaltern, welche das jeweilige Batteriemodul seriell oder parallel oder in Bypass zu einem anderen Batteriemodul verschalten, auf. Der Zentralkontroller ist dazu konfiguriert, dem Scheduler eine Phasenspannung, welche an einem Ausgang der Wechselstrombatterie zu einem gewünschten Phasenstrom führt, vorzugeben. Der Scheduler ist dazu konfiguriert, zur Realisierung der Phasenspannung zu jedem Schalttakt einen jeweiligen Gesamtschaltzustand der Mehrzahl an Batteriemodulen vorzugeben, wobei der Scheduler in einen Realzeit-Teil und einen Offline-Teil aufgeteilt ist. Der Realzeit-Teil ist dazu konfiguriert, zu jedem Schalttakt auf eine Schaltzustandstabelle, welche alle Gesamtschaltzustände zusammen mit einem jeweilig durch eine Kostenfunktion für eine Umsetzung des jeweiligen Gesamtschaltzustandes zugeordneten Wert enthält, zuzugreifen und daraus für den mindestens einen Strang den jeweiligen Gesamtschaltzustand mit dem kleinsten Wert der Kostenfunktion zu bilden. Der Offline-Teil ist dazu konfiguriert, durch einen Memoisierungsalgorithmus in kontinuierlicher Abfolge die Kostenfunktion zu allen Gesamtschaltzuständen des mindestens einen Stranges zu berechnen, wobei der Memoisierungsalgorithmus dazu konfiguriert ist, einen jeweiligen Strang des mindestens einen Stranges mit einer Mehrzahl an Batteriemodulen als in kleinere Substrangabschnitte mit einem jeweiligen Subschaltzustand aufgeteilt zu betrachten, die Kostenfunktion zu allen Subschaltzuständen zu berechnen, die jeweiligen Subschaltzustände zusammen mit dem jeweiligen Wert der Kostenfunktion in einem Verzeichnis abzulegen, und den Wert der Kostenfunktion des jeweiligen Gesamtschaltzustandes aus den Werten der Kostenfunktion zu Subschaltzuständen von den den jeweiligen Strang des mindestens einen Stranges bildenden Substrangabschnitten zusammenzusetzen.Furthermore, a system for reducing runtime-relevant complexity of a control algorithm of an AC battery is claimed, in which the system comprises an AC battery, the AC battery having a central controller with a scheduler and at least one string with a plurality of battery modules. A respective battery module of the plurality of battery modules has at least one energy store and a plurality of power semiconductor switches, which connect the respective battery module in series or in parallel or in bypass to another battery module. The central controller is configured to provide the scheduler with a phase voltage that results in a desired phase current at an output of the AC battery. In order to implement the phase voltage, the scheduler is configured to specify a respective overall switching state of the plurality of battery modules for each switching cycle, with the scheduler being divided into a real-time part and an offline part. The real-time part is configured to access a switching state table for each switching cycle, which contains all the overall switching states together with a value assigned by a cost function for a conversion of the respective overall switching state, and from this, for the at least one phase, the respective overall switching state with the smallest value to form the cost function. The offline part is configured to use a memoization algorithm to calculate the cost function for all overall switching states of the at least one string in a continuous sequence, with the memoization algorithm being configured to divide a respective string of the at least one string with a plurality of battery modules into smaller substring sections a respective sub-switching state, to calculate the cost function for all sub-switching states, to store the respective sub-switching states together with the respective value of the cost function in a directory, and the value of the cost function of the respective overall switching state from the values of the cost function for sub-switching states of the respective branch of the substrand sections forming at least one strand.
In einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Systems ist die Kostenfunktion mit einem Kriterium aus folgender Liste gebildet: Summe über jeweilige Batteriemodulströme, welche mit einer jeweiligen Abweichung eines jeweiligen Batteriemodulladezustands gegenüber einem gemittelten Batterieladezustand gewichtet sind, Temperatur des jeweiligen Batteriemoduls, Ripple jeweiliger Batteriemodulströme.In one embodiment of the system according to the invention, the cost function is formed with a criterion from the following list: sum over respective battery module currents, which are weighted with a respective deviation of a respective battery module state of charge compared to an average battery state of charge, temperature of the respective battery module, ripple of respective battery module currents.
In einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Systems ist durch jeweilig miteinander parallel verschaltete Batteriemodule ein jeweiliger Substrangabschnitt gebildet. Durch alle Substrangabschnitte des jeweiligen Stranges des mindestens einen Stranges fließt der gleiche Phasenstrom.In a further refinement of the system according to the invention, a respective substring section is formed by battery modules which are respectively connected in parallel with one another. The same phase current flows through all sub-strand sections of the respective strand of the at least one strand.
In einer weiter fortgesetzten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Systems beschreiben jeweilige Verteilungskoeffizienten eine Verteilung des sich auf jeweilig miteinander parallel verschaltete Batteriemodule aufteilenden Phasenstroms in dem jeweiligen Substrangabschnitt.In a further refinement of the system according to the invention, the respective distribution coefficients describe a distribution of the phase current in the respective substring section, which is distributed among battery modules that are respectively connected in parallel with one another.
In einer noch weiter fortgesetzten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Systems ist bei Batteriemodulen des jeweiligen Substrangabschnittes, welche einen vollständigen Ladungsausgleich aufweisen, der Phasenstrom auf die jeweilig miteinander parallel verschalteten Batteriemodule gleichmäßig aufgeteilt. Dadurch nehmen die jeweiligen Verteilungskoeffizienten des jeweiligen Substrangabschnittes einen gleichen konstanten Wert an, wobei der Wert invers proportional zur Zahl der Batteriemodule des jeweiligen Substrangabschnittes ist.In an even further developed embodiment of the system according to the invention, in the case of battery modules of the respective substring section which have complete charge equalization, the phase current is evenly divided between the respective battery modules which are connected in parallel with one another. As a result, the respective distribution coefficients of the respective substring section assume the same constant value, the value being inversely proportional to the number of battery modules of the respective substring section.
In einer fortgesetzt weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Systems ist der Scheduler zusätzlich dazu konfiguriert, den Memoisierungsalgorithums kaskadierend auf mehreren Ebenen einzusetzen, indem mindestens aus einem Verzeichnis von Werten der Kostenfunktion zu einer einzelnen Verschaltung des jeweiligen Batteriemoduls die Werte der Kostenfunktion zu jeweiligen Subschaltzuständen zusammengesetzt werden.In a continued further embodiment of the system according to the invention, the scheduler is additionally configured to use the memoization algorithm in a cascading manner on several levels by assembling the values of the cost function for the respective sub-switching states from at least one directory of values of the cost function for an individual interconnection of the respective battery module.
Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der beiliegenden Zeichnung.Further advantages and refinements of the invention result from the description and the attached drawing.
Es versteht sich, dass die voranstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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1 zeigt schematisch ein erstes Verschaltungsbeispiel in einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens. -
2 zeigt schematisch ein zweites Verschaltungsbeispiel in einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens.
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1 shows schematically a first interconnection example in an embodiment of the method according to the invention. -
2 shows schematically a second interconnection example in a further embodiment of the method according to the invention.
In
Erfindungsgemäß kann die Kostenfunktion in Gl. (7) als Summe von jeweiligen Kostenfunktionen der Substrangabschnitte dargestellt werden:
In
Die Kostenfunktion für den dritten Substrangabschnitt mit dem dritten Subschaltzustand 130 in
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturPatent Literature Cited
- DE 102015112512 A1 [0003]DE 102015112512 A1 [0003]
- DE 102018125728 [0007]DE 102018125728 [0007]
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