DE102020210573A1

DE102020210573A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Ermittlung eines Parameters, wobei der Parameter eine Spannung oder einen Strom in einer Schaltungsanordnung charakterisiert.

Info

Publication number: DE102020210573A1
Application number: DE102020210573.1A
Authority: DE
Inventors: Markus Michels; Dennis Bura; Michael Jiptner
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2020-08-20
Filing date: 2020-08-20
Publication date: 2022-02-24
Also published as: WO2022037942A1; CN115868106A; US20230296653A1; EP4200963A1

Abstract

Verfahren (100) zur Ermittlung eines Parameters (I_avg, I_N, I_P, V_c), wobei der Parameter (I_avg, I_N, I_P, V_c) einen Strom oder eine Spannung in einer Schaltungsanordnung (200) charakterisiert. Die Schaltungsanordnung (200) umfasst eine Induktivität (L), durch die ein alternierender Drosselstrom (I_L) fließt. Das Verfahren umfasst die Schritte: Ermitteln (120) mindestens einer Zeitdauer (TN1) zwischen zwei Nulldurchgängen (N_-, N_+) des Drosselstromes (I_L) oder einer Zeitdauer (TNE1) zwischen einem Nulldurchgang (N_-, N_+) und einem Eckpunkt (E_-, E_+) des Drosselstromes (I_L); Ermitteln (130) des Parameters (I_avg, I_N, I_P, V_c) in Abhängigkeit der ermittelten Zeitdauer (TN1, TNE1).

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Ermittlung eines Parameters, wobei der Parameter einen Strom oder eine Spannung in einer Schaltungsanordnung charakterisiert. Ferner betrifft die Erfindung einen Spannungsschätzer, einen Antriebsstrang mit einer entsprechenden Vorrichtung und ein Fahrzeug mit einem Antriebsstrang sowie ein Computerprogramm und ein maschinenlesbares Speichermedium.
Stand der Technik
Schaltungsanordnungen für aktive Spannungswandler für den Einsatz in Fahrzeugen sind aus dem Stand der Technik bekannt. Es werden hohe Anforderungen an die Leistungsdichte und den Wirkungsgrad der Spannungswandler gestellt. Um die Baugröße der passiven Bauelemente zu minimieren, insbesondere die Induktivitäten, Drosseln oder Transformatoren, werden die Spannungswandler mit hohen Schaltfrequenzen im Bereich einiger 100 kHz betrieben. Um gleichzeitig eine hohe Effizienz sicherzustellen, werden die in den aktiven Spannungswandlern eingesetzten Schaltelemente oder Leistungshalbleiter weich eingeschaltet, was auch „zero voltage switching“ (ZVS) genannt wird. Die Regelung solcher Systeme unter gleichzeitiger Sicherstellung des ZVS stellt eine große technische Herausforderung dar. Häufig wird eine solche Regelung mittels einer Detektion des Nulldurchgangs des Stroms, auch Zero Current Detection (ZCD) genannt, realisiert, wie beispielsweise in der Druckschrift CH 701856 A2 offenbart. Diese Regelungen bieten bezüglich ihrer Dynamik und Stabilität viele Vorteile.
Besonders im Hinblick auf die stetig größer werdenden Schaltfrequenzen in der Leistungselektronik und den damit verbundenen kurzen Periodendauern ergeben sich jedoch auch entscheidende Nachteile des klassischen ZCD-Verfahrens: Das unmittelbare Reagieren auf einen ermittelten oder detektierten Nulldurchgang des Stroms stellt sehr hohe Anforderungen an die Steuerungseinheit des Leistungselektronischen Systems (z.B. Mikrokontroller oder ASIC). Dies kommt daher, dass unmittelbar, das heißt noch innerhalb derselben Schaltperiode, auf den Nulldurchgang des Stroms reagiert werden muss, beispielsweise muss bei derartigen Verfahren nach dem Nulldurchgang die verbleibende Einschaltzeit (vgl. 3, S2on+) des eingeschalteten Schalters ermittelt werden. Dabei müssen mehrere Rechenoperationen und Registerzugriffe durchgeführt werden, die nicht länger als einen kleinen Teil der Periode der Schaltfrequenz der Leistungselektronik dauern dürfen. Erschwerend kommt hinzu, dass für eine Plausibilisierung und Fehlerkorrektur des ZCD-Signals keine Zeit bleibt. Darüber hinaus bieten viele Mikrokontroller keine Möglichkeit eines unmittelbaren, äußeren Eingriffs in das PWM-Modul. Des Weiteren ist im klassischen ZCD-Verfahren die Schaltfrequenz üblicherweise nicht kontrollierbar. Das klassische Verfahren stellt auch keine Regelung im eigentlichen Sinn dar, sondern ist eine Steuerung.
Daher besteht ein Bedarf nach Regelungsverfahren für aktive Spannungswandler, bei denen keine Notwendigkeit besteht, unmittelbar auf einen Nulldurchgang des Stromes zu reagieren.
Offenbarung der Erfindung
Es wird ein Verfahren zur Ermittlung eines Parameters bereitgestellt, wobei der Parameter einen Strom oder eine Spannung in einer Schaltungsanordnung charakterisiert. Die Schaltungsanordnung umfasst eine Induktivität, wobei ein alternierender Drosselstrom durch die Induktivität fließt. Das Verfahren umfasst die Schritte: Ermitteln mindestens einer Zeitdauer zwischen zwei Nulldurchgängen des Drosselstromes oder einer Zeitdauer zwischen einem Nulldurchgang und einem Eckpunkt des Drosselstromes; Ermitteln des Parameters in Abhängigkeit der ermittelten Zeitdauer.
Es wird ein Verfahren bereitgestellt, bei dem ein Parameter ermittelt wird, wobei der Parameter einen Strom oder eine Spannung in einer Schaltungsanordnung charakterisiert. Die Schaltungsanordnung umfasst eine Induktivität. Die Induktivität ist bevorzugt Drossel oder eine Primär- oder Sekundärwicklung eines Transformators, welcher bevorzugt in einem Gleichspannungswandler oder in einem Ladegerät, bevorzugt zur galvanischen Trennung des Ein- und Ausgangs, eingesetzt wird. Die Induktivität wird von einem alternierenden Drosselstrom durchflossen. Alternierend bedeutet, dass der Drosselstrom abwechselnd negative und positive Werte annimmt. Damit der Drosselstrom alterniert wird die Induktivität an einem ersten Anschluss der Induktivität abwechselnd mit einem ersten Potential, bevorzugt positiven Potential und einem zweiten Potential, bevorzugt negativen Potential, verbunden. Resultierend ergibt sich ein Drosselstrom durch die Induktivität, welcher abwechselnd linear ansteigt, bis zu einem positiven Maximum, und anschließend linear abfällt bis zu einem negativen Minimum und so weiter. Der Zeitpunkt, zu dem der Drosselstrom das positive Maximum erreicht, wird im Folgenden positiver Eckpunkt genannt. Der Zeitpunkt, zu dem der Drosselstrom das negative Minimum erreicht, wird im Folgenden negativer Eckpunkt genannt. Der Wechsel von dem linear ansteigend zu linear abfallend, oder umgekehrt, erfolgt beim Wechsel der einseitigen Verbindung der Induktivität von dem ersten Potential zu dem zweiten Potential, oder umgekehrt. Während des Abfallens des Drosselstroms von dem positiven Maximum zu dem negativen Minimum wechselt bei einem sogenannten, bevorzugt ersten, Nulldurchgang des Drosselstroms das Vorzeichen des Drosselstroms von positiv auf negativ. Während des Ansteigens des Drosselstroms von dem negativen Minimum zu dem positiven Maximum wechselt bei einem, bevorzugt zweiten, Nulldurchgang des Drosselstroms das Vorzeichen des Drosselstroms von negativ auf positiv. Bevorzugt erfolgt das Verbinden des ersten Anschlusses der Induktivität mit dem ersten Potential und dem zweiten Potential mittels einer Halbbrücke mit zwei Schaltelementen, wobei ein erstes Schaltelement einerseits mit dem ersten Potential verbunden ist und andererseits mit einem Mittelabgriff der Halbbrücke verbunden ist und ein zweites Schaltelement einerseits mit dem zweiten Potential verbunden ist und andererseits mit dem Mittelabgriff der Halbbrücke verbunden ist, wobei die Induktivität einseitig mit dem ersten Anschluss mit dem Mittelabgriff verbunden ist. Hierzu wird bevorzugt abwechselnd jeweils ein Schaltelement eingeschaltet während das andere ausgeschaltet wird. Somit entspricht auch der Zeitpunkt des Ansteuerns mindestens eines der Schaltelemente jeweils einem der Zeitpunkte, zu dem der Drosselstrom entweder das positive Maximum oder das negative Minimum erreicht. Bevorzugt ist die Induktivität mit einem zweiten Anschluss mit einem dritten Potential verbunden. Damit das erste und das zweite Potential unterschiedlich ist, liegt bevorzugt eine Eingangsspannung zwischen zweien Potentialen des ersten, zweiten oder dritten Potentials an. Die Eingangsspannung ist bevorzugt eine Wechselspannung oder eine Gleichspannung. Bevorzugt ist die Frequenz der Eingangsspannung sehr viel kleiner, bevorzugt mindestens eine Größenordnung geringer, als die Frequenz des alternierenden Drosselstroms. Bevorzugt ergibt sich sodann eine annähernd konstante Spannung während einer Periode des alternierenden Drosselstroms. Mittels einem Schritt des Verfahrens wird mindestens eine Zeitdauer zwischen zwei Nulldurchgängen des Drosselstromes, bevorzugt zwischen einem ersten und einem darauffolgenden zweiten Nulldurchgang des Drosselstroms, ermittelt. Somit wird bevorzugt die Zeitdauer zwischen einem ersten Nulldurchgang des Drosselstroms ermittelt, bei dem das Vorzeichen von positiv auf negativ wechselt und einem unmittelbar darauffolgenden zweiten Nulldurchgang des Drosselstroms ermittelt, bei dem das Vorzeichen von negativ auf positiv wechselt ermittelt oder umgekehrt. Oder es wird eine Zeitdauer zwischen einem Nulldurchgang und einem Eckpunkt des Drosselstromes, bevorzugt zwischen einem zweiten Nulldurchgang und einem positiven Eckpunkt des Drosselstroms, ermittelt. Bei der Formulierung der Ermittlung der Zeitdauer zwischen zwei Nulldurchgängen oder einem Nulldurchgang und einem Eckpunkt wird ein Nulldurchgang als ein Zeitpunkt verstanden, zu dem das Vorzeichen des alternierenden Drosselstroms von positiv auf negativ oder umgekehrt wechselt. In einem weiteren Schritt des Verfahrens wird der Parameter in Abhängigkeit der ermittelten Zeitdauer ermittelt.
Vorteilhaft wird ein Verfahren bereitgestellt, welches es ermöglicht, in Abhängigkeit einer Zeitgröße, welche in Zusammenhang mit den Nulldurchgängen eines Drosselstroms ermittelt wird, einen Parameter zu ermitteln, wobei der Parameter einen Strom oder eine Spannung in einer Schaltungsanordnung charakterisiert. Hierzu wird kein Strom- oder Spannungssensor benötigt. Vorteilhaft wird stattdessen die Zeitdauer zwischen zwei Nulldurchgängen bzw. die Zeitdauer zwischen Eckpunkt und Nulldurchgang verwendet um bevorzugt Informationen wie einen Mittelwert oder Spitzenwerte des Drosselstroms oder einer Spannung innerhalb der Schaltungsanordnung zu ermitteln. Bevorzugt ist der zu ermittelnde Parameter der Strommittelwert des Drosselstroms, wobei der Strommittelwert bevorzugt dem Wert des Eingangsstroms der Schaltungsanordnung entspricht oder damit korreliert. Beide ZCD-Verfahren machen sich zu Nutze, dass der Mittelwert des (rippelbehafteten) Drosselstroms in L gleich dem Eingangsstrom I_avg ist.
Bevorzugt basierend auf diesen neu gewonnenen Parametern oder Messwerten wird eine Zustandsschätzung aufgebaut. Vorteilhaft kann bei diesem Verfahren eine oder mehrere ganze Perioden vergehen, bevor mittels des Zustandsschätzers reagiert wird. Daher kann bevorzugt eine Plausibilisierung und Fehlererkennung eines ZCD-Signals durchgeführt werden, was die Güte erhöht. Vorteilhaft kann ein günstigerer Mikrokontroller verwendet werden, da für die benötigten Rechenoperationen mehr Zeit zur Verfügung steht. Auf Basis der gewonnenen Informationen können bevorzugt weitere Regler, bevorzugt ein Spannungsregler, für mehrere Größen eingesetzt werden. Bevorzugt kann unabhängig vom Mittelwert des Drosselstroms auch eine Regelung für die Stromumkehrpunkte oder die Schaltfrequenz aufgebaut werden. Bevorzugt kann mithilfe dieses Verfahrens der zu regelnde Drosselstrom hochdynamisch (jede Schaltperiode) erfasst werden. Vorteilhaft kann der ansonsten nötige Stromsensor eingespart werden oder es kann ein günstigerer Sensor mit weniger Bandbreite eingesetzt werden. Vorteilhaft ergeben sich durch zusätzliche Zustandsschätzungen basierend auf den Nulldurchgangs-Zeiten Einsparungspotentiale für weitere Sensoren. Vorteilhaft wird bevorzugt der Parameter zur Regelung eines Spannungswandlers als Rückführgröße eines Regelkreises, bevorzugt eines Spannungsreglers, verwendet.
In einer anderen Ausgestaltung der Erfindung bezieht sich das Verfahren auf die Ermittlung eines Parameters, wobei der Parameter eine Spannung zwischen einem ersten Potential und einem zweiten Potential in der Schaltungsanordnung charakterisiert. Die Schaltungsanordnung umfasst eine Halbbrücke mit einem ersten Schaltelement und einem zweiten Schaltelement. Das erste Schaltelement ist einerseits mit einem ersten Potential verbunden und ist andererseits mit einem Mittelabgriff der Halbbrücke verbunden. Das zweite Schaltelement ist einerseits mit einem zweiten Potential verbunden und andererseits mit dem Mittelabgriff der Halbbrücke. Die Induktivität ist mit einem ersten Anschluss mit dem Mittelabgriff verbunden und mit einem zweiten Anschluss mit einem dritten Potential verbunden. Zwischen dem ersten Potential und dem dritten Potential liegt eine Eingangsspannung an. Das Verfahren umfasst die Schritte: Abwechselndes Ansteuern, oder Ein und Ausschalten, des ersten und des zweiten Schaltelementes mit einem vorgebbaren Tastgrad, sodass sich der alternierende Drosselstrom durch die Induktivität ergibt; Ermitteln einer ersten Zeitdauer zwischen einem ersten Nulldurchgang des Stroms und dem Ansteuern mindestens eines der Schaltelemente und Ermitteln einer zweiten Zeitdauer zwischen dem Ansteuern des mindestens einen Schaltelementes und einem zweiten Nulldurchgang des Stroms, Ermitteln des Parameters in Abhängigkeit der Eingangsspannung, der ersten Zeitdauer und der zweiten Zeitdauer.
Vorteilhaft wird ein Verfahren für eine Schaltungsanordnung bereitgestellt, die es ermöglicht, in Abhängigkeit einer Zeitgröße, welche in Zusammenhang mit den Nulldurchgängen des Drosselstroms ermittelt wird, einen Parameter zu ermitteln, wobei der Parameter eine in der Schaltungsanordnung anliegende Spannung charakterisiert.
In einer anderen Ausgestaltung ist ein erster Kondensator mit dem ersten und dem zweiten Potential verbunden und der zu ermittelnde Parameter ein Spannungsmittelwert der Spannung, die am ersten Kondensator anliegt.
Es wird ein Verfahren bereitgestellt bei dem die Schaltungsanordnung weiter einen ersten Kondensator umfasst, der zwischen das erste und das zweite Potential geschaltet ist. Vorteilhaft wird als Parameter ein Spannungsmittelwert der Spannung ermittelt, die an dem ersten Kondensator anliegt.
In einer anderen Ausgestaltung der Erfindung umfasst das Ermitteln der ersten Zeitdauer und der zweiten Zeitdauer das Ermitteln eines ersten Zeitpunktes eines ersten Nulldurchgangs des Drosselstroms und das Ermitteln eines zweiten Zeitpunktes eines Ansteuervorgangs mindestens eines der Schaltelemente und das Ermitteln eines dritten Zeitpunktes eines zweiten Nulldurchgangs des Drosselstroms. Bevorzugt umfasst das Ermitteln der ersten Zeitdauer und der zweiten Zeitdauer das Ermitteln des ersten Zeitpunktes, bei dem das Vorzeichen des Drosselstroms von negativ auf positiv wechselt, das anschließende Ermitteln eines zweiten Zeitpunktes, bei dem mindestens eines der Schaltelemente angesteuert wird, und das anschließende Ermitteln eines dritten Zeitpunktes, bei dem das Vorzeichen des Drosselstroms von positiv auf negativ wechselt, oder jeweils umgekehrt.
Bevorzugt erfolgt das Ermitteln der Zeitpunkte der Nulldurchgänge mittels eines Sensors, welcher den Nulldurchgang erfasst, bevorzugt mittels eines Stromsensors oder mittels eines induktiv gewonnenen Signals.
Vorteilhaft wird ein Verfahren zur Ermittlung des ersten, zweiten und dritten Zeitpunktes bereitgestellt.
In einer anderen Ausgestaltung der Erfindung wird mittels eines Zählers, bevorzugt eines Mikrocontrollers, die erste Zeitdauer zwischen dem ersten und dem zweiten Zeitpunkt und/ oder die zweite Zeitdauer zwischen dem zweiten und dem dritten Zeitpunkt ermittelt.
Eine mittels einfacher technischer Mittel zu realisierende Ermittlung einer Zeitdauer ist die Verwendung eines Zählers, bevorzugt eines Mikrocontrollers. Jeder Mikrocontroller verfügt über einen Zähler, der in äquidistanten Zeitabständen weiterzählt. Aus der Differenz der Zählerstände von dem zweiten zu dem ersten Zeitpunkt und/oder dem dritten zu dem zweiten Zeitpunkt lässt sich folglich die verstrichene Zeitdauer bestimmen.
Vorteilhaft wird ein Verfahren bereitgestellt zur Ermittlung der Zeitdauer zwischen den Zeitpunkten.
Ferner betrifft die Erfindung ein Computerprogramm, umfassend Befehle, die bei der Ausführung des Programms durch einen Computer diesen veranlassen, die beschriebenen Verfahren oder die Schritte des Verfahrens auszuführen.
Ferner betrifft die Erfindung ein computerlesbares Speichermedium, umfassend Befehle, die bei der Ausführung durch einen Computer diesen veranlassen, die beschriebenen Verfahren oder die Schritte des Verfahrens auszuführen.
Ferner betrifft die Erfindung einen Spannungsschätzer zur Ermittlung und Ausgabe einer geschätzten Spannung zwischen einem ersten Potential und einem zweiten Potential, wobei der Spannungsschätzer eine Logikeinheit und einen Schätzer umfasst, wobei die Logikeinheit dazu eingerichtet ist, ein Verfahren zur Ermittlung eines Parameters nach den Ansprüchen 1 bis 5 auszuführen, wobei der Schätzer dazu eingerichtet ist, in Abhängigkeit von Eingangsgrößen eine modellbasierte Spannung zwischen dem ersten Potential und dem zweiten Potential zu prädizieren, und die geschätzte Spannung in Abhängigkeit der prädizierten modellbasierten Spannung und dem ermittelten Parameter zu ermitteln und auszugeben.
Es wird ein Spannungsschätzer bereitgestellt, zur Ermittlung und Ausgabe einer geschätzten Spannung. Der Spannungsschätzer umfasst eine Logikeinheit zur Ermittlung eines Parameters gemäß der beschriebenen Verfahren. Weiter umfasst der Spannungsschätzer einen Schätzer, bevorzugt einen Zustandsschätzer, beispielsweise mittels einem Kalman-Filter oder einem Lüneberger-Beobachter, welcher auf einem, bevorzugt dynamischen, mathematischen Modells der verwendeten Schaltungsanordnung basiert. Mit Hilfe des mathematischen Modells wird in Abhängigkeit der Eingangsgrößen, bevorzugt der physikalischen Strecke, beispielsweise in Abhängigkeit bekannter Größen wie Eingangsspannung, duty cycle und/ oder der Zeitpunkt der Schalteingriffe, ein Modellzustand prädiziert, beispielsweise eine Spannung in der Schaltungsanordung zwischen einem ersten Potential und einem zweiten Potential. Dieser prädizierte Modellzustand ist die prädizierte modellbasierte Spannung. Der Schätzer ist weiter dazu eingerichtet, diese prädizierte modellbasierte Spannung in Abhängigkeit des mittels der beschriebenen Verfahren ermittelten Parameters anzupassen oder zu korrigieren, beispielsweise mittels einer Gewichtung. Das Ergebnis dieser Anpassung ist die vom Spannungsschätzer ermittelte geschätzte Spannung, welche vom Spannungsschätzer bevorzugt ausgegeben wird.
Vorteilhaft wird ein Spannungsschätzer bereitgestellt, der einen mittels einer Zeitdauer zwischen Nulldurchgängen ermittelten Parameter als Korrekturgröße berücksichtigt. Vorteilhaft wird eine geschätzte Spannung mit erhöhter Güte bereitgestellt. Bevorzugt wird ein erweitertes Verfahren zur Ermittlung der geschätzten Spannung bereitgestellt mit einem Zustandsschätzer, der ein dynamisches Modell beinhaltet, welches das Verhalten der zu schätzenden Spannung abbildet und außerdem eine Korrektur der durch das Modell errechneten Spannung vornimmt, sowie eine Logikeinheit, die dazu eingerichtet ist, ein beschriebenes Verfahren auszuführen, wobei der ermittelte Parameter für den Korrekturschritt des Zustandsschätzers berücksichtigt wird.
Ferner betrifft die Erfindung einen Spannungsregler zur Regelung einer Spannung zwischen einem ersten Potential und einem zweiten Potential, mit einer Logikeinheit und einem Regler, wobei die Logikeinheit dazu eingerichtet ist, ein beschriebenes Verfahren auszuführen, wobei der ermittelte Parameter als Rückführgröße der Regelung von dem Regler berücksichtigt wird und die Strom-Vorgabe in die Potentiale, deren Differenz die zu regelnde Spannung definiert, als Regelgröße ausgegeben wird. Die besagte Strom-Vorgabe in die Potentiale kann dabei durch einen weiteren Regler umgesetzt werden, bevozugt mittels einer unterlagerten Stromregelung.
Es wird ein Spannungsregler bereitgestellt, zur Regelung einer Spannung in der Schaltungsanordnung. Der Regler berücksichtigt einen mittels der beschriebenen Verfahren ermittelten Parameter als Rückführgröße. Bevorzugt wird die Strom-Vorgabe in die Potentiale, deren Differenz die zu regelnden Spannung definiert, als Regelgröße ausgegeben. Aber auch eine andere Größe kann als Regelgröße ausgegeben werden, die indirekt einen Durchgriff auf den Strom in die Potentiale, deren Differenz die zu regelnden Spannung definiert, hat.
Vorteilhaft wird ein Spannungsregler bereitgestellt, der einen mittels einer Zeitdauer zwischen Nulldurchgängen ermittelten Parameter als Rückführgröße berücksichtigt. Vorteilhaft kann auf einen Spannungssensor bei dieser Regelung verzichtet werden.
Ferner betrifft die Erfindung eine Vorrichtung, insbesondere ein Gleichspannungswandler oder ein Ladegerät, mit einer Induktivität, wobei die Induktivität in einer Schaltungsanordnung angeordnet ist, wobei die Vorrichtung dazu eingerichtet ist, ein beschriebenes Verfahren auszuführen. Der dabei ermittelte Parameter wird als Messgröße innerhalb der Vorrichtung weiterverwendet, beispielsweise bei der Plausibilisierung einer ermittelten oder berechneten, geschätzten, beobachteten oder gemessenen Größe. Oder der ermittelte Parameter wird über eine Schnittstelle, bevorzugt mittels Kabel, berührungslos, per Funk oder Lichtwellenleiter, nach außerhalb der Vorrichtung übertragen.
Es wird eine Vorrichtung bereitgestellt, in der die Schaltungsanordnung integriert ist und in der das Verfahren ausgeführt wird zur Ermittlung des Parameters. Der ermittelte Parameter wird entweder innerhalb der Vorrichtung für den Betrieb der Vorrichtung weiterverwendet oder nach außerhalb übertragen für eine weitere Verwendung außerhalb, bevorzugt in einer weiteren Vorrichtung oder einem Steuergerät.
Ferner betrifft die Erfindung einen Antriebsstrang mit einer beschriebenen Vorrichtung und insbesondere mit einer Leistungselektronik und/ oder einem elektrischen Antrieb. Ein derartiger Antriebsstrang dient beispielsweise dem Antrieb eines elektrischen Fahrzeugs. Mittels des Verfahrens und der Vorrichtung wird ein sicherer Betrieb des Antriebstrangs ermöglicht.
Ferner betrifft die Erfindung ein Fahrzeug, mit einem beschriebenen Antriebsstrang. Vorteilhaft wird somit ein Fahrzeug bereitgestellt, welches eine beschriebene Vorrichtung umfasst.
Es versteht sich, dass die Merkmale, Eigenschaften und Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens entsprechend auf den Spannungsregler, die Vorrichtung bzw. den Antriebsstrang und das Fahrzeug und umgekehrt zutreffen bzw. anwendbar sind.
Weitere Merkmale und Vorteile von Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen.
Figurenliste
Im Folgenden soll die Erfindung anhand einiger Figuren näher erläutert werden, dazu zeigen:

1 eine schematische Darstellung einer Schaltungsanordnung,
2 eine schematische Darstellung einer erweiterten Schaltungsanordnung,
3 ein schematisch dargestelltes Strom/Zeit-Diagramm mit einem alternierenden Drosselstrom,
4 einen schematisch dargestellter Spannnungsregler oder Zustandsbeoachter,
5 eine schematisch dargestellte Vorrichtung mit einer Induktivität, wobei sich die Induktivität in einer Schaltungsanordung befindet,
6 ein schematisch dargestelltes Fahrzeug mit einem Antriebsstrang,
7 ein schematisch dargestelltes Ablaufdiagramm für ein Verfahren zur Ermittlung eines Parameters, wobei der Parameter einen Strom oder eine Spannung in einer Schaltungsanordnung charakterisiert.

Ausführungsformen der Erfindung
Die 1 zeigt eine Schaltungsanordnung 200, wobei die Schaltungsanordnung 200 eine Induktivität L umfasst, durch die ein alternierender Drosselstrom I_L fließt. Die Induktivität ist bevorzugt eine Drossel oder eine Primär- oder Sekundärwicklung eines Transformators, welcher bevorzugt in einem Gleichspannungswandler oder in einem Ladegerät, bevorzugt zur galvanischen Trennung des Ein- und Ausgangs, eingesetzt wird. Der hochfrequente alternierende Drosselstrom I_L, bevorzugt bei einer Frequenz von mehreren 100 kHz, bewirkt einen Strom in den Zuleitungen der Induktivität L. Parameter, mit denen dieser Strom charakterisiert wird, sind bevorzugt ein Strommittelwert I_avg, negative Minima I_N und/ oder positive Maxima I_P des Drosselstroms I_L oder Spitzenwerte des Drosselstroms I_L. Der Drosselstrom I_L durch die Induktivität L bewirkt auch elektrische Spannungen in der Schaltungsanordnung. Ein Parameter, mit dem eine elektrische Spannung charakterisiert wird, bevorzugt wenn eine Last oder Impedanz mit der Induktivität L verbunden ist, ist bevorzugt eine Spannung V_c, welche zwischen dem ersten und dem zweiten Potential P1, P2 anliegt. Diese Parameter I_avg, I_N, I_P, V_c lassen sich ermitteln in Abhängigkeit der Zeitdauer TN1 zwischen zwei Nulldurchgängen N_-, N_+ des Drosselstromes I_L oder einer Zeitdauer TNE1 zwischen einem Nulldurchgang N_-, N_+ und einem Eckpunkt E_-, E_+ des Drosselstromes I_L.
Weiter umfasst die Schaltungsanordnung 200 bevorzugt eine Halbbrücke mit einem ersten Schaltelement S1 und einem zweiten Schaltelement S2. Das erste Schaltelement S1 ist einerseits mit einem ersten Potential P1 verbunden und andererseits mit einem Mittelabgriff M der Halbbrücke. Das zweite Schaltelement S2 wird einerseits mit einem zweiten Potential P2 verbunden ist und andererseits mit dem Mittelabgriff M der Halbbrücke verbunden. Die Induktivität L ist mit einem ersten Anschluss mit dem Mittelabgriff M verbunden ist und mit einem zweiten Anschluss mit einem dritten Potential P3. Bevorzugt liegt zwischen dem ersten Potential P1 und dem dritten Potential P3 eine Eingangsspannung V_in an. Diese Eingangsspannung V_in kann alternativ auch zwischen dem Dritten und dem zweiten Potential anliegen oder auch zwischen dem ersten Potential P1 und dem zweiten Potential P2 anliegen. Bei anliegender Eingangsspannung V_in kann über geeignete Ansteuerung, bevorzugt hochfrequente, der Schaltelemente S1 und S2 der alternierende Drosselstrom I_L durch die Induktivität L erzeugt werden. Die Eingangsspannung V_in ist bevorzugt eine Gleichspannung oder eine Wechselspannung, wobei im Vergleich zu der Frequenz des Drosselstroms I_L die Frequenz der Eingangsspannung sehr viel kleiner ist, bevorzugt beträgt die Frequenz ca. 50 Hz oder liegt zumindest unter 1kHz. Bevorzugt wird eine Wechselspannung mittels einem Diodengleichrichter zu einer Gleichspannung als Eingangsspannung gleichgerichtet.
Die 2 zeigt eine erweiterte Schaltungsanordnung 200 der in 1 dargestellten Schaltungsanordnung 200. Die Schaltungsanordnung 200 nach 2 umfasst weiter einen ersten Kondensator C1, der zwischen dem ersten Potential P1 und dem zweiten Potential P2 angeordnet und mit diesen jeweils verbunden ist. Der erste Kondensator C1 ist bevorzugt ein Zwischenkreiskondensator und bevorzugt als Elektrolyt-Kondensator ausgestaltet. Bevorzugt lässt sich ein Parameter, welcher die Spannung V_c an diesem ersten Kondensator C1 charakteriesiert, in Abhängigkeit einer Zeitdauer TNE1 und/ oder TNE2 zwischen einem Nulldurchgang N_-, N_+ und einem Eckpunkt E_-, E_+ des Drosselstromes I_L ermitteln (vgl. auch 3).
Beispielsweise gilt:

Während TNE1: $\begin{array}{l} \frac{Δ I_L}{Δ t} = \frac{V_in}{L} \\ Δ I_L = \frac{V_{in}}{L} \cdot Δ t = \frac{V_{i n}}{L} \cdot TNE 1 \end{array}$
Während TNE2: $\begin{array}{l} \frac{Δ I_L}{Δ t} = \frac{V_c - V_in}{L} \\ V_c = V_in + \frac{Δ I_L \cdot L}{Δ t} = V_in + \frac{Δ I_L \cdot L}{TNE 2} \end{array}$
(1) in (2) ergibt:
$V_c = V_in + \frac{V_in \cdot TNE 1}{TNE 2}$

Ferner umfasst die Schaltungsanordnung bevorzugt einen zweiten und/ oder einen dritten Kondensator C2, C3. Der zweite Kondensator C2 ist einerseits mit dem ersten Potential P1 und andererseits mit dem dritten Potential P3 verbunden. Der dritte Kondensator C3 ist einerseits mit dem dritten Potential P3 und andererseits mit dem zweiten Potential P2 verbunden. Diese Kondensatoren C2, C3 dienen der Glättung des Stromverlaufs der Ströme und des Spannungsverlaufs der Spannungen in der Schaltungsanordnung 200, bevorzugt wenn die Schaltelemente S1 und S2 wechselseitig geschlossen und geöffnet werden.
Die 3 zeigt ein schematisch dargestelltes Strom-/Zeit-Diagramm. In das Diagramm ist der alternierende Drosselstrom I_L durch die Drossel oder Induktivität L eingezeichnet. Der dargestellte Verlauf des Drosselstroms I_L resultiert, wenn die Schaltelemente S1 und S2 wechselseitig geschlossen und geöffnet werden. Beispielsweise ist eine Zeitdauer S2on eingezeichnet, während der das zweite Schaltelement S2 eingeschaltet ist. Während dieser Zeitdauer S2on ist folglich das erste Schaltelement S1 geöffnet. Weiter ist eine Zeitdauer Slon eingezeichnet, während der der das erste Schaltelement S1 geschlossen ist und folglich das zweite Schaltelement S2 geöffnet ist. Diese Abfolge der Zeitdauern S2on und Slon wiederholen sich. Zwischen der Zeitdauern S2on und Slon oder S2on und Slon erfolgt das Umschalten der Schaltelemente. Die Periodendauer T ergibt sich aus der Summe der Zeitdauern S2on und Slon. Das Verhältnis der Zeitdauer Slon zu T wird als Tastgrad a1 bezeichnet. Zu den Umschaltzeitpunkten der Schaltelemente ergeben sich die Eckpunkte E_-, E_+ und negativen und positiven Spitzenwerte, also das negative Minimum I_N und das positive Maximum I_P des Drosselstroms I_L durch die Induktivität L. Im Mittel ergibt sich für den hochfrequenten Drosselstrom I_L ein Strommittelwert I_avg, welcher sich mittels graphischer Analyse des regelmäßigen hochfrequenten Drosselstroms I_L in dem Diagramm in Abhängigkeit einer Zeitdauer TN1 zwischen zwei Nulldurchgängen N_-, N_+ des Drosselstromes I_L ermitteln lässt, bevorzugt in Abhängigkeit der Eingangsspannung V_in, der Größe der Induktivität L, einem Tastgrad a1 und der Zeitdauer TN1 zwischen den Nulldurchgängen des Drosselstromes I_L, und der Periodendauer T. Falls die Erfassung von V_c einfacher als die Erfassung von V_in ist lassen sich die unten beschriebenen Formeln auch bevorzugt in Abhängigkeit von V_c aufstellen.
Mittels dem Strahlensatz der Elementargeometrie ergibt sich aus dem geometrischen Verlauf des Drosselstroms: $\frac{T N 1}{- I_N} = \frac{\frac{T}{2}}{I_avg - I_N}$
Und für den steigenden Strom mit di/dt=Vin/L während der Zeitdauer Slon gilt: $I_P - I_N = \frac{V_i n}{L} S 1 o n$
Daraus ergibt sich: $I_avg = \frac{V_i n}{2 L} a_{1} (T - 2 \cdot T N 1)$
Weiter lassen sich auch der negative oder der positive Spitzenwert I_N, I_P des Drosselstroms I_L durch die Induktivität L ermitteln:

Aus dem gesamten Stromrippel $I_P - I_N = \frac{V_i n}{L} a_{1} \cdot T$
Und $I_P = I_{avg} + \frac{I_P - I_N}{2}$
sowie $I_N = I_{avg} - \frac{I_P - I_N}{2}$
Lässt sich durch Einsetzen I_N und I_P bestimmen: $I_N = - \frac{V_i n}{L} a_{1} \cdot T N 1$
$I_P = \frac{V_i n}{L} a_{1} (T - T N 1)$

Die Formeln gelten nur für diese Schaltung im stationären, eingeschwungenen Zustand, jedoch lassen sich auch für andere Topologien ähnliche Formeln herleiten. Der große Vorteil des Verfahrens wird hier noch einmal deutlich: Die Berechnung der Ströme und des darauf basierenden Regeleingriffs in die Schaltung kann bevorzugt nach der Zeitdauer TN1 erfolgen und kann sich bevorzugt auch noch über die nächsten Perioden erstrecken. Beim klassischen ZCD-Verfahren müsste in diesem Fall auf das Signal des Nulldurchgangs N_- unmittelbar reagiert werden. Dies reduziert bevorzugt die Anforderungen an die Hardware und bietet genug Zeit für eine Plausibilisierung der Messung.
So wird bevorzugt durch das Verfahren ein hochdynamischer „Sensor“ für den Mittelwert des geschalteten Stromes realisiert. Mit einer klassischen Regelungsstruktur kann der gewünschte Drosselstrom eingestellt werden. Der ermittelte Strommittelwert I_avg des Drosselstromes I_L steht bereits nach einer Schaltperiode zur Verfügung, was es möglich macht den darauf agierenden Regler sehr performant zu machen. Das ermöglicht, die schnelle geschaltete Stromdynamik zu stabilisieren. Analog lassen sich für andere Topologien auf Basis der gemessenen Zeitdauern zwischen den Nulldurchgängen bzw. zwischen Nulldurchgang und Eckpunkt Rückschlüsse auf andere Zustände treffen, was zu einer Reduktion der benötigten Sensoren führt und eine direkte Kostenersparnis mit sich bringt.
4 zeigt einen schematisch dargestellten Spannungsschätzer 280 zur Ermittlung und Ausgabe einer geschätzten Spannung U_est zwischen einem ersten Potential P1 und einem zweiten Potential P2. In einer Logikeinheit 290 wird in Abhängigkeit der ermittelten Zeitdauern TNE1 und TNE2 und einer Eingangsspannung V_in der Parameter ermittelt. Der gemäß dem beschriebenen Verfahren in Abhängigkeit der Zeitdauern TNE1 und TNE2 ermittelte Parameter, welcher bevorzugt ein Spannungsmittelwert V_c ist, wird als Korrekturgröße der Schätzung von dem Schätzer 295 des Spannungsschätzers 280 berücksichtigt. Dem Schätzer 295 werden hierzu Eingangsgrößen U, bevorzugt Systemeingänge und/ oder die erfassbaren Systemzustände, zugeführt, mit welchen das im Schätzer 295 hinterlegte Modell eine modellbasierte Spannung prädiziert. Anschließend wird die modellbasierte Spannung mit dem aus der Logikeinheit 290 errechneten Spannungsmittelwert V_c korrigiert, woraufhin die geschätzte Spannung U_est zur Verfügung steht. Diese geschätzte Spannung kann anschließend einer Spannungsregelung zugeführt werden, die auf Basis der Differenz zwischen Spannungssollwert und U_est eine Regelgröße manipuliert, die Durchgriff auf den Strom in die Potentiale hat, deren Differenz die zu regelnde Spannung definiert.
5 zeigt eine schematisch dargestellte Vorrichtung 300 mit einer Induktivität L, wobei sich die Induktivität in einer Schaltungsanordnung 200 befindet. Die Vorrichtung 300 ist insbesondere als ein Gleichspannungswandler und/ oder als ein Ladegerät ausgestaltet. Die Vorrichtung 300 ist dazu eingerichtet, gemäß der beschriebenen Verfahren in Abhängigkeit einer Zeitdauer TN1 zwischen zwei Nulldurchgängen N_-, N_+ des Drosselstromes I_L oder einer ersten Zeitdauer TNE1 und einer zweiten Zeitdauer TNE2, einen Parameter zu ermitteln, bevorzugt einen Parameter als einen Strommittelwert I_avg, einen negativen Spitzenwert I_N oder einen positiven Spitzenwert I_P. Der ermittelte Parameter I_avg, I_N, I_P, V_c wird als Messgröße innerhalb der Vorrichtung 300 weiterverwendet oder über eine Schnittstelle nach außerhalb der Vorrichtung 300 übertragen.
6 zeigt ein schematisch dargestelltes Fahrzeug 500, bevorzugt ein Kraftfahrzeug, Schiff oder Flugzeug mit einem Antriebsstrang 400. Der Antriebsstrang umfasst neben der Vorrichtung 300 bevorzugt eine Batterie 410, einen Inverter 420, eine elektrische Maschine 430 und/ oder eine Ladebuchse 310. Bevorzugt versorgt die Batterie 410 den Inverter 420 mit elektrischer Energie. Bevorzugt wandelt der Inverter 420 die elektrische Energie der Batterie 410 in eine mehrphasige Wechselspannung zur Versorgung der elektrischen Maschine 430. Bevorzugt ist die Vorrichtung 300 als Gleichspannungswandler oder Ladegerät ausgestaltet. Bevorzugt wandelt der Gleichspannungswandler die elektrische Energie der Batterie 410 in eine Niederspannung, bevorzugt zur Versorgung eines Bordnetzes eines Fahrzeuges 500, und/ oder umgekehrt. Bevorzugt wandelt das Ladegerät eine über die Ladebuchse 310 zugeführte elektrische Energie in eine Hochspannungsenergie, bevorzugt zum Laden der elektrischen Batterie 410 oder umgekehrt.
7 zeigt ein schematisch dargestelltes Ablaufdiagramm für ein Verfahren 100 zur Ermittlung eines Parameters I_avg, I_N, I_P, V_c, wobei der Parameter I_avg, I_N, I_P, V_c einen Strom oder eine Spannung in einer Schaltungsanordnung 200 charakterisiert. Das Verfahren beginnt mit Schritt 105. In Schritt 110 werden bevorzugt das erste und das zweite Schaltelement S1, S2 abwechselnd angesteuert, sodass sich ein alternierender Drosselstrom I_L durch die Induktivität L ergibt. In Schritt 120 wird mindestens eine Zeitdauer TN1 zwischen zwei Nulldurchgängen N_-, N_+ des Drosselstromes I_L oder eine Zeitdauer TNE1 zwischen einem Nulldurchgang N_-, N_+ und einem Eckpunkt E_-, E_+ des Drosselstromes I_L ermittelt. In Schritt 130 wird ein Parameter I_avg, I_N, I_P, V_c in Abhängigkeit der ermittelten Zeitdauer TN1, TNE1 ermittelt. Mit Schritt 135 wird das Verfahren beendet.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

CH 701856 A2 [0002]

Claims

Verfahren (100) zur Ermittlung eines Parameters (I_avg, I_N, I_P, V_c), wobei der Parameter (I_avg, I_N, I_P, V_c) einen Strom oder eine Spannung in einer Schaltungsanordnung (200) charakterisiert, wobei die Schaltungsanordnung (200) eine Induktivität (L) umfasst, wobei ein alternierender Drosselstrom (I_L) durch die Induktivität (L) fließt, mit den Schritten: Ermitteln (120) mindestens einer Zeitdauer (TN1) zwischen zwei Nulldurchgängen (N_-, N_+) des Drosselstromes (I_L) oder einer Zeitdauer (TNE1) zwischen einem Nulldurchgang (N_-, N_+) und einem Eckpunkt (E_-, E_+) des Drosselstromes (I_L) (Nulldurchgang, Eckpunkt, Umschaltzeitpunkt in Beschreibung definieren); Ermitteln (130) des Parameters (I_avg, I_N, I_P, V_c) in Abhängigkeit der ermittelten Zeitdauer (TN1, TNE1).
Verfahren (100) nach Anspruch 1 zur Ermittlung eines Parameters (V_c), wobei der Parameter (V_c) eine Spannung zwischen einem ersten Potential (P1) und einem zweiten Potential (P2) in der Schaltungsanordnung (200) charakterisiert, wobei die Schaltungsanordnung (200) mindestens eine Halbbrücke mit einem ersten Schaltelement (S1) und einem zweiten Schaltelement (S2) umfasst, wobei das erste Schaltelement (S1) einerseits mit dem ersten Potential (P1) verbunden ist und andererseits mit einem Mittelabgriff (M) der Halbbrücke verbunden ist, wobei das zweite Schaltelement (S2) einerseits mit dem zweiten Potential (P2) verbunden ist und andererseits mit dem Mittelabgriff (M) der Halbbrücke verbunden ist, wobei die Induktivität (L) mit einem ersten Anschluss mit dem Mittelabgriff (M) verbunden ist und mit einem zweiten Anschluss mit einem dritten Potential (P3) verbunden ist, wobei zwischen dem ersten Potential (P1) und dem dritten Potential (P3) eine Eingangsspannung (V_in) anliegt, mit den Schritten: Abwechselndes Ansteuern (110) des ersten und des zweiten Schaltelementes (S1, S2) mit einem vorgebbaren Tastgrad (a1), sodass sich der alternierende Drosselstrom (I_L) durch die Induktivität (L) ergibt; Ermitteln (120) einer ersten Zeitdauer (TNE1) zwischen einem ersten Nulldurchgang (N_+) des Stroms und dem Ansteuern mindestens eines der Schaltelemente (S1, S2) und Ermitteln einer zweiten Zeitdauer (TNE2) zwischen dem Ansteuern des mindestens einen Schaltelementes (S1, S2) und einem zweiten Nulldurchgang (N_-) des Stroms; Ermitteln (130) des Parameters (V_c) in Abhängigkeit der Eingangsspannung (V_in), der ersten Zeitdauer (TNE1) und der zweiten Zeitdauer (TNE2).
Verfahren (100) nach Anspruch 2, wobei ein erster Kondensator (C1) mit dem ersten und dem zweiten Potential verbunden ist und der Parameter (V_c) ein Spannungsmittelwert der Spannung ist, die an dem ersten Kondensator (C1) anliegt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Ermitteln der ersten Zeitdauer (TNE1) und der zweiten Zeitdauer (TN E2) das Ermitteln eines ersten Zeitpunktes eines ersten Nulldurchgangs (N_-) des Drosselstroms (I_L) und das Ermitteln eines zweiten Zeitpunktes eines Ansteuervorgangs mindestens eines der Schaltelemente (S1, S2) und das Ermitteln eines dritten Zeitpunktes eines zweiten Nulldurchgangs (N_+) des Drosselstroms (I_L) umfasst, insbesondere umfasst das Ermitteln der ersten Zeitdauer (TNE1) und der zweiten Zeitdauer (TNE2) das Ermitteln eines ersten Zeitpunktes, bei dem das Vorzeichen des Drosselstroms (I_L) von negativ auf positiv wechselt, das anschließende Ermitteln eines zweiten Zeitpunktes, bei dem mindestens eines der Schaltelemente (S1, S2) angesteuert wird und das anschließende Ermitteln eines dritten Zeitpunktes, bei dem das Vorzeichen des Drosselstroms (I_L) von positiv auf negativ wechselt oder jeweils umgekehrt.
Verfahren nach Anspruch 4, wobei mittels eines Zählers, bevorzugt eines Mikrocontrollers, die erste Zeitdauer (TNE1) zwischen dem ersten und dem zweiten Zeitpunkt und/ oder die zweite Zeitdauer (TNE2) zwischen dem zweiten und dem dritten Zeitpunkt ermittelt wird.
Computerprogramm, umfassend Befehle, die bei der Ausführung des Programms durch einen Computer diesen veranlassen, das Verfahren/die Schritte des Verfahrens (100) nach Anspruch 1 bis 5 auszuführen.
Computerlesbares Speichermedium, umfassend Befehle, die bei der Ausführung durch einen Computer diesen veranlassen, das Verfahren/die Schritte des Verfahrens (100) nach Anspruch 1 bis 5 auszuführen.
Spannungsschätzer (280) zur Ermittlung und Ausgabe einer geschätzten Spannung (U_est) zwischen einem ersten Potential (P1) und einem zweiten Potential (P2), wobei der Spannungsschätzer eine Logikeinheit (290) und einen Schätzer (295) umfasst, wobei die Logikeinheit (290) dazu eingerichtet ist, ein Verfahren zur Ermittlung eines Parameters (V_c) nach den Ansprüchen 1 bis 5 auszuführen, wobei der Schätzer (295) dazu eingerichtet ist, in Abhängigkeit von Eingangsgrößen (U) eine modellbasierte Spannung zwischen dem ersten Potential (P1) und dem zweiten Potential (P2) zu prädizieren, und die geschätzte Spannung (U_est) in Abhängigkeit der modellbasierten Spannung und dem ermittelten Parameters (V_c) zu ermitteln und auszugeben.
Vorrichtung, insbesondere ein Gleichspannungswandler oder ein Ladegerät, mit einer Induktivität (L), wobei die Induktivität (L) in einer Schaltungsanordnung (200) angeordnet ist, wobei die Vorrichtung (300) dazu eingerichtet ist, ein Verfahren (100) nach den Ansprüchen 1 bis 5 auszuführen, wobei der ermittelte Parameter (I_avg, I_N, I_P, V_c) als Messgröße innerhalb der Vorrichtung (300) weiterverwendet wird oder über eine Schnittstelle nach außerhalb der Vorrichtung (300) übertragen wird.
Antriebsstrang (400) mit einer Vorrichtung (300) gemäß Anspruch 9.
Fahrzeug (500) mit einem Antriebsstrang (400) nach Anspruch 10.