DE102021102261A1

DE102021102261A1 - Verfahren zum Betreiben einer Gleichspannungswandlervorrichtung sowie Regeleinrichtung zum Betreiben einer Gleichspannungswandlervorrichtung

Info

Publication number: DE102021102261A1
Application number: DE102021102261.4A
Authority: DE
Inventors: Martin Baumann
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2021-02-01
Filing date: 2021-02-01
Publication date: 2022-08-04
Also published as: US20220247319A1; CN114844346A; US11695341B2

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Gleichspannungswandlervorrichtung (W) mit mehreren in einem elektrischen Netzwerk (N) parallelgeschalteten Gleichspannungswandlereinheiten (M, S1, S2). Die Gleichspannungswandlereinheiten (M, S1, S2) werden zum Einstellen einer gewünschten Ausgangsspannung (u, VM, VS1, VS2) in einer Master-/Slavekonfiguration basierend auf einer Strom-Modus-Regelung betrieben. Dabei wird eine Referenzspannung (uref), auf die die Ausgangsspannung (u, VM, VS1, VS2) eingeregelt werden soll, für die Slavewandler (S1, S2) mittels einer Vorkonditionierungsfunktion nach einer vorbestimmten Berechnungsvorschrift aus einer von dem Masterwandler (M) vorgegebenen Masterreferenzspannung (uref,m) bestimmt. Somit kann auch bei schwankender Belastung an der jeweiligen Gleichspannungswandlereinheiten (M, S1, S2) eine stabile Regelung gewährleistet werden.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Gleichspannungswandlervorrichtung mit wenigstens zwei Gleichspannungswandlereinheiten, welche zueinander elektrisch parallel geschaltet in einem elektrischen Netzwerk nach einem jeweils vorbestimmten Regelungsprinzip betrieben werden. Die Erfindung betrifft weiterhin eine Regeleinrichtung zum Betreiben einer solchen Gleichspannungswandlervorrichtung.
Eine Gleichspannungswandlereinheit, im Folgenden auch (DC/DC-)Konverter oder Wandler genannt, wird in dem elektrischen Netzwerk, wie beispielsweise einem Bordnetz eines Kraftfahrzeugs, zum Wandeln von elektrischer Gleichspannung zwischen zwei Teilnetzen oder Netzwerkabschnitten des Netzwerks eingesetzt. Die beiden Teilnetze weisen dabei unterschiedliche Bezugspotentiale auf. Das heißt, es wird über einen Eingangsanschluss des Wandlers eine elektrische Eingangsgleichspannung (Eingangsspannung) aus dem ersten Teilnetz in eine elektrische Ausgangsgleichspannung (Ausgangsspannung) mit höherem oder niedrigerem oder invertiertem Spannungsniveau zum Bereitstellen an das zweite Teilnetz gewandelt oder umgesetzt. Die Wandlung erfolgt in Abhängigkeit von einer Wandlertopologie, also einer Verschaltung von elektrischen Bauelementen, die den Wandler ausbilden, nach dem jeweils vorbestimmten Regelungsprinzip.
Zum Umsetzten umfasst ein solcher Wandler gemäß der Wandlertopologie eine Schalteranordnung, eine Energieübertragungsanordnung und eine Filterschaltung. Durch geeignetes Betreiben der Schalteranordnung werden aus der Eingangsgleichspannung einzelne Spannungs(im)pulse gebildet, die zur Energieübertagung folglich als Wechselsignal an die Energieübertragungsanordnung bereitgestellt werden. Dazu umfasst die Schalteranordnung einen oder mehrere geeignet verschaltete, elektronische Schalter, wie zum Beispiel Halbleiterschalter, die in einem Schaltbetrieb betrieben werden. Das heißt, die Schalter werden nach einem vorbestimmten Taktmuster, also insbesondere periodisch, zwischen einem eingeschalteten Schaltzustand (elektrischer Kurzschluss) und einem ausgeschalteten Schaltzustand (elektrischer Leerlauf) geschaltet. Das Taktmuster gibt dabei ein Tastverhältnis oder einen Pulsbreitenfaktor (englisch: duty cycle) zwischen dem eingeschalten und dem ausgeschalteten Schaltzustand vor und somit eine Ausgestaltung, wie etwa eine Periodendauer, ein Effektivwert und/oder eine Amplitude, der Spannungs(im)pulse. Mit den Spannungs(im)pulse wird die Energieübertragungsanordnung betrieben und dadurch elektrische Energie, die durch die Spannungs(im)pulse bereitgestellt ist, zwischen einer Eingangsseite (Eingangsanschluss) und einer Ausgangsseite (Ausgangsanschluss) des Wandlers übertragen. In der Regel wird dazu eine Verschaltung von einem oder mehreren energieübertragende Bauelemente, wie zum Beispiel eine elektrische Induktivität (Spule, Drossel), eine elektrische Kapazität (Kondensator) und/oder einen Transformator, eingesetzt. Zur Filterung oder Glättung der durch die Energieübertragungsanordnung bereitgestellten Spannung als die Ausgangsgleichspannung wird die Filterschaltung in die Wandlertopologie integriert. Diese umfasst als filternde Bauelemente in der Regel eine oder mehreren elektrischen Induktivitäten und/oder Kapazitäten, die in geeigneter Weise miteinander verschaltet sind.
Zum Einstellen der gewünschten Ausgangsspannung am Ausgangsanschluss des Wandlers kommt es somit auf den vorgenannten Schaltbetrieb der Schalteranordnung an. Der Schaltbetrieb und insbesondere das Tastverhältnis wird dabei durch das zuvor genannte Regelungsprinzip vorgegeben oder eingestellt.
Aus der Veröffentlichung von N. Kutkut and G. Luckjiff „Current mode control of a full bridge dc-to-dc converter with a two inductor rectifier,“ (PESC97. Record 28th Annual IEEE Power Electronics Specialists Conference. Formerly Power Conditioning Specialists Conference 1970-71. Power Processing and Electronic Specialists Conference 1972, vol. 1, pp. 203-209 vol.1, 1997) ist als das vorbestimmte Regelungsprinzip zum Beispiel eine kaskadierte Strom-Spannungsregelung oder Strom-Modus-Regelung, also die sogenannte Current Mode Control (CMC) zum Betreiben eines DC/DC-Konverters bekannt. Bei der Strom-Modus-Regelung handelt es sich um eine kaskadierte lineare Regelung der Ausgangsspannung mit einer unterlagerten Stromregelung. Dabei wird zum Einstellen oder Einregeln der Ausgangsspannung der Gleichspannungswandlereinheit in Abhängigkeit von einem Vergleich einer vorgegebenen Referenzspannung mit der jeweiligen Ausgangsspannung ein jeweiliger Referenzstrom vorgegeben. In Abhängigkeit von einem Vergleich des jeweils vorgegebenen Referenzstroms mit einem Filterstrom, der bei der jeweiligen Gleichspannungswandlereinheit ausgangsseitig oder sekundärseitig an der vorgenannten elektrischen Filterschaltung zur Filterung der Ausgangsspannung abgegriffen wird, wird dann ein jeweiliger Einstellwert vorgegeben. Der Einstellwert legt dabei das Tastverhältnis der zur Gleichspannungswandlung oder Umsetzung eingesetzten Schalteranordnung der jeweiligen Gleichspannungswandlereinheit fest.
In elektrischen Netzwerken werden für bestimmte Anwendungen, wie beispielsweise für eine skalierbare und/oder effiziente Energieversorgung mehrere, das heißt zwei oder mehrerer Gleichspannungswandlereinheiten in einer elektrischen Parallelschaltung zusammengeschaltet und als die vorgenannte Gleichspannungswandlervorrichtung betrieben.
Ein System aus parallel geschalteten DC/DC-Konvertern ist beispielsweise aus der KR 10-1141038 B1 bekannt.
Entsprechend offenbart auch die DE 10 2016 005 590 B4 eine Schaltung mit mehreren parallel geschalteten DC/DC-Konvertern und deren Betrieb in der Schaltung.
Bei einer derartigen Verschaltung sind bei dem Einstellen der Ausgangsspannung des jeweiligen Wandlers sogenannte Kreisströme zwischen den Wandlern zu vermeiden. Aufgrund von Schwankungen oder Veränderungen in einer elektrischen Belastung am jeweiligen Ausgangsanschluss (Lastschwankungen) und/oder unterschiedlichen Anschlussimpedanzen zu einem gemeinsamen Knotenpunkt über den die Wandler in der Parallelschaltung miteinander verbunden sind, stellen sich nämlich bei gleich eingestellter Ausgangsspannung aller Wandler unterschiedliche Lastströme am jeweiligen Ausgangsanschluss ein. Die Schwankungen werden durch Lastveränderungen einer elektrischen Last oder einem Verbraucher, der an dem Ausgangsanschluss angeschlossen ist, hervorgerufen. Wenn die parallelgeschalten Wandler nun alle auf eine gleiche Ausgangsspannung eingeregelt werden, stellt sich zwischen den Wandlern der sogenannte Kreisstrom ein. Dadurch entstehen Energieverluste im Netzwerk.
Um die Kreisströme zu vermeiden, wird üblicherweise die jeweilige Ausgangsspannung jedes der parallelgeschalteten Wandler individuell in Abhängigkeit von den Lastströmen eingestellt oder eingeregelt. Dazu werden die Lastströme, insbesondere deren Werte, als Daten zwischen den Konvertern übertragen. Das kann zum Beispiel über einen sogenannten Daten-BUS, also eine Datenleitung, zwischen den Wandlern erfolgen. Über diese Datenleitung wird beispielsweise auch die jeweilige Referenzspannung zum Einstellen der Ausgangsspannung übertragen.
Ein Nachteil der Übertragung der Lastströme über eine Datenleitung zur Kreisstromvermeidung zwischen parallel geschalteten Wandlern ist, dass hohe Übertragungsgeschwindigkeiten notwendig sind. Ansonsten kann eine Regelung der Wandler zum Einstellen der Ausgangsspannung instabil werden.
Es ist die Aufgabe der Erfindung, in einem elektrischen Netzwerk mit parallel geschalteten DC/DC-Konvertern Energieverluste zu vermeiden und gleichzeitig eine stabile Regelung der DC/DC-Konverter bereitzustellen.
Diese Aufgabe wird durch die Gegenstände der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Weitere mögliche Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen, der Beschreibung und den Figuren offenbart.
Die Erfindung basiert dabei auf der Erkenntnis, dass für die stabile Regelung von parallel geschalteten Konvertern ein Datenfluss auf der Datenleitung zu reduzieren ist. Soll nämlich zwischen mehreren Konvertern der Laststrom von einem jeweiligen der Konverter an alle übrigen Konverter übertragen werden, kann es zu Einbußen in der Übertragungsgeschwindigkeit kommen. Deshalb sollte bei dem Einstellen der Ausgangsspannung nicht ausschließlich auf die Kommunikation (Datenfluss) über die Datenleitung geachtet werden. Vielmehr sollen in der Erfindung das die vorgenannten Kreisströme durch Bewerten der Ausgangsspannung des jeweiligen Konverters vermieden werden. Es geht in der Erfindung somit insbesondere um die Regelung der Konverter, also ein Regelungsverfahren und eine Regeleinrichtung dazu.
Dazu werden die parallelgeschalteten Gleichspannungswandlereinheiten, im Folgenden auch verteilte Konverter oder Wandler genannt, der Gleichspannungswandlervorrichtung erfindungsgemäß in einer sogenannten Master-/Slavekonfiguration betrieben. Dabei wird genau eine der Gleichspannungswandlereinheiten als Masterwandler nach dem vorgenannten Regelungsprinzip der Strom-Modus-Regelung betrieben. Die wenigstens eine weitere Gleichspannungswandlereinheit, also alle übrigen Wandler der Gleichspannungswandlervorrichtung, werden als Slavewandler betrieben. Das Regelungsprinzip der oder des Slavewandler(s) basiert dabei ebenfalls auf der vorgenannten Strom-Modus-Regelung. Dese ist jedoch um eine Vorkonditionierungsfunktion erweitert. Durch diese Vorkonditionierungsfunktion kann die Bewertung der Ausgangsspannung erfolgen. Dazu wird gemäß einer vorbestimmten Berechnungsvorschrift in Abhängigkeit von der Ausgangsspannung des jeweiligen Slavewandlers und von einer von dem Masterwandler vorgegebenen Masterreferenzspannung einerseits die Referenzspannung zum Betreiben des jeweiligen Slavewandlers und andererseits ein Betriebsmodus des jeweiligen Slavewandlers vorgegeben.
Anders ausgedrückt, ergibt sich die Referenzspannung für das Einstellen der Ausgangsspannung des jeweiligen Slavewandlers in Abhängigkeit von der Masterreferenzspannung. Diese wird von dem Masterwandler an alle Slavewandler übermittelt und ist somit für alle Slavewandler gleich. Zudem wird durch Vergleichen der Ausgangsspannung des jeweiligen Slavewandlers und der Masterreferenzspannung der Betriebsmodus des jeweiligen Slavewandlers festgelegt. Mit Betriebsmodus ist dabei insbesondere gemeint, ob der jeweilige Slavewandler aktiviert oder deaktiviert ist und ob der jeweilige Slavewandler im aktivierten Zustand in einem sogenannten Buck-Modus, also einem Abwärtswandelbetrieb, oder einem sogenannten Boost-Modus, also einem Aufwärtswandelbetrieb, betrieben wird. Um neben dem Buck-Modus auch den Boost-Modus als Betriebsmodus bereitzustellen, sind die Gleichspannungswandlereinheiten bevorzugt als bidirektionale Wandler ausgebildet. Somit kann die gewandelte Gleichspannung sowohl von dem ersten and das zweite Teilnetz als auch umgekehrt bereitgestellt werden.
Hierdurch ergibt sich der Vorteil, dass nur noch die Masterreferenzspannung von dem Masterwandler an den jeweiligen Slavewandler über die Datenleitung übertragen werden braucht. Eine Übertragung der Lastströme zwischen den Wandlern ist nicht mehr notwendig. Somit kann beim Betreiben der verteilten Konverter ein Vermeiden von Kreisströmen ausgeführt werden, indem schnell auf Spannungseinbrüche aufgrund von Laständerungen reagiert werden kann, ohne durch die Datenübertragung über die Datenleitung eine instabile Regelung zu verursachen.
Zum Vorgeben des Betriebsmodus des jeweiligen Slavewandlers ist in einer Ausführungsform der Erfindung vorgesehen, dass mittels der Vorkonditionierungsfunktion gemäß der vorbestimmten Berechnungsvorschrift ein minimaler Sättigungswert und ein maximaler Sättigungswert für den Referenzstrom des jeweiligen Slavewandlers vorgegeben wird. Diese Sättigungswerte begrenzen dabei einen Wert, den der Referenzstrom maximal oder minimal einnimmt. Der Referenzstrom wird somit in Abhängigkeit von dem Vergleich der Referenzspannung und der Ausgangsspannung auf einen Wert zwischen den beiden Sättigungswerten eingeregelt. Die Sättigungswerte werden dabei zum Beispiel als Stromregelgrenzen für eine sogenannte Anti-Wind-Up-Begrenzung des Referenzstroms eingesetzt.
Durch die Wahl der Sättigungswerte wird somit insbesondere eine Richtung, in die der Laststrom zwischen dem Konverter und der jeweils angeschlossenen Last fließt, eingestellt. Durch die Stromrichtung wird wiederum der Betriebsmodus vorgegeben. Welche Werte die Sättigungswerte zum Vorgeben des Betriebsmodus in Abhängigkeit von der Berechnungsvorschrift einnehmen, ist im späteren Verlauf näher erläutert.
Wie der Referenzstrom durch die Sättigungswerte begrenzt wird ist in einer weiteren Ausführungsform der Erfindung umgesetzt. Dabei ist vorgesehen, dass die beiden Sättigungswerte ein Intervall für den jeweiligen Referenzstrom vorgeben und der jeweilige Referenzstrom innerhalb des Intervalls gemäß einer vorbestimmten Zuordnungsvorschrift in Abhängigkeit von einem Vergleich der jeweiligen Referenzspannung und der jeweiligen Ausgangsspannung eingestellt wird. Die Zuordnungsvorschrift gibt somit an welche Werte der Referenzstrom annehmen kann. Zum Beispiel kann sich gemäß der Zuordnungsvorschrift eine lineare Abhängigkeit des Referenzstroms in Abhängigkeit von dem Vergleich der Referenzspannung und der Ausgangsspannung ergeben. Dabei kann der Wert der Referenzspannung die Sättigungswerte nicht überschreiten. Außerhalb des Intervalls, also bei Erreichen der Sättigungswerte, durch die die Intervallgrenzen des Intervalls vorgegeben sind, würde sich der Referenzstrom somit auf den vorgegebenen maximalen oder minimalen Sättigungswert einstellen.
Für den Referenzstrom werden somit Abhängig von dem Vergleich der Referenzspannung und der Ausgangsspannung drei Wertebereiche vorgegeben. Zwei der Wertebereiche sind als sogenannte Sättigungsbereiche ausgebildet, in denen der Referenzstrom den jeweiligen maximalen oder minimalen Sättigungswert annimmt. Zwischen den beiden Sättigungsbereichen ist beispielsweise ein Zuordnungsbereich vorgesehen, in welchem der Wert des Referenzstroms gemäß der vorbestimmten Zuordnungsvorschrift von der Ausgangsspannung im Vergleich zu der Referenzspannung abhängt.
In den folgenden Ausführungsformen wird nun auf eine konkrete Umsetzung der Berechnungsvorschrift zum Einstellen der Referenzspannung und des Betriebsmodus des jeweiligen Slavewandlers eingegangen.
In einer der Ausführungsformen sind dabei für die Referenzspannung drei unterschiedliche Werte gemäß der Berechnungsvorschrift vorgesehen. Gemäß der Berechnungsvorschrift wird die Referenzspannung des jeweiligen Slavewandlers als die Masterreferenzspannung vorgegeben, wenn die Ausgangsspannung des jeweiligen Slavewandlers größer oder gleich einem vorgegebenen Untergrenzwert und zudem kleiner oder gleich einem vorgegebenen Obergrenzwert ist. Der Untergrenzwert ergibt sich dabei aus einer Differenz der Masterreferenzspannung und eines vorgegebenen Abweichwerts. Der Obergrenzwert ist aus einer Summe der Masterreferenzspannung und dem vorgegebenen Abweichwert gebildet.
Alternativ dazu wird die Referenzspannung des jeweiligen Slavewandlers als eine Differenzspannung aus einer Differenz der Masterreferenzspannung und einem vorgegebenen Schwellenwert vorgegeben, wenn die Ausgangsspannung des jeweiligen Slavewandlers kleiner ist als der vorgenannte Untergrenzwert.
Ist die Ausgangsspannung des jeweiligen Slavewandlers hingegen größer als der vorgenannte Obergrenzwert, wird die Referenzspannung des jeweiligen Slavewandlers als eine Summenspannung aus einer Summe der Masterreferenzspannung und dem vorgegebenen Schwellenwert vorgegeben.
Der vorgegebene Schwellenwert und der vorgegebene Abweichwert sind dabei zuvor ermittelte oder festgelegte Spannungswerte, die sich zum Beispiel in Abhängigkeit von der jeweiligen Wandlertopologie ergeben. Der Schwellenwert und der Abweichwert werden vorliegend so gewählt, dass der Schwellenwert größer ist als der Abweichwert und beide Werte größer sind als 0. Zum Beispiel kann für den Schwellenwert ein Wert von 0,5 V und für den Abweichwert ein Wert von 0,3 V festgelegt sein. Gemäß einer weiteren der Ausführungsformen sind analog dazu für das Einstellen des jeweiligen Betriebsmodus ebenfalls drei unterschiedliche Werte jeweils für den minimalen und maximalen Sättigungswert des Referenzstroms gemäß der Berechnungsvorschrift vorgesehen. Gemäß der Berechnungsvorschrift werden zum Vorgeben des Betriebsmodus des jeweiligen Slavewandlers der minimale Sättigungswert und der maximale Sättigungswert beide zu 0 eingestellt werden, wenn die Ausgangsspannung des jeweiligen Slavewandlers größer oder gleich dem vorgenannten Untergrenzwert und zugleich die Ausgangsspannung des jeweiligen Slavewandlers kleiner oder gleich dem vorgenannten Obergrenzwert ist. In diesem Fall wäre der jeweilige Slavewandler somit deaktiviert.
Alternativ dazu wird der minimale Sättigungswert zu 0 eingestellt und der maximale Sättigungswert als ein vorgegebener Maximalwert größer 0 eingestellt, wenn die Ausgangsspannung des jeweiligen Slavewandlers kleiner ist als der vorgenannte Untergrenzwert. Der jeweilige Slavewandler würde somit also im Abwärtswandlerbetrieb betrieben werden, sofern die Eingangsspannung des Wandlers größer ist als die Ausgangsspannung.
Wenn die Ausgangsspannung des jeweiligen Slavewandlers hingegen größer ist als der vorgenannte Obergrenzwert, wird der minimale Sättigungswert als ein vorgegebener Minimalwert kleiner 0 eingestellt und der maximale Sättigungswert wird zu 0 eingestellt. In diesem Fall wird der Slavewandler somit im Aufwärtswandelbetrieb betrieben, sofern die Eingangsspannung größer ist als die Ausgangsspannung.
Wie zuvor beschrieben, werden der Schwellenwert und der Abweichwert dabei so gewählt, dass der Schwellenwert größer ist als der Abweichwert und beide Werte größer sind als 0. Der Minimalwert und der Maximalwert können zum Beispiel durch die elektronischen Bauelemente des jeweiligen Gleichspannungswandlers festgelegt sein. Zum Beispiel können diese Werte als maximale Strombelastungsgrenzen für den Wandler von einem Hersteller vorgegeben sein.
Die folgende Ausführungsform betrifft Ausgestaltungsmöglichkeiten zum Umsetzen des vorgenannten Regelungsprinzips. Es geht dabei insbesondere darum, wie ein Regelkreis zum Umsetzten des Regelungsprinzips realisiert sein kann.
Dazu ist vorgesehen, dass für die jeweilige Gleichspannungswandlereinheit zum Umsetzen des Regelungsprinzips der Strom-Modus-Regelung ein Regelungsverhalten einer kaskadierten Regelkreisanordnung nachgebildet, also umgesetzt oder simuliert wird. Vorliegend sind als die kaskadierte Regelkreisanordnung zwei in sogenannter Kaskadenschaltung miteinander gekoppelte Regelkreise zu verstehen, nämlich ein Leitregelkreis mit einem Leitregler oder Führungsregler und ein Folgeregelkreis mit einem Folgeregler. Dabei wird die Ausgangsgröße des Leitreglers als neue Führungsgröße für den Folgeregler genutzt. In der erfindungsgemäßen Regelkreisanordnung ist der Führungsregler in als ein Spannungsregler und der Folgeregler als ein Stromregler umgesetzt.
Um nun für die jeweilige Gleichspannungswandlereinheit die Ausgangsspannung einzuregeln, wird mittels der Regelkreisanordnung aus der Referenzspannung als eine erste Führungsgröße und der jeweiligen Ausgangsspannung als eine erste Regelgröße eine erste Regelabweichung bestimmt und an den Spannungsregler als Führungsregler bereitgestellt. Mittels des Spannungsreglers wird abhängig von der ersten Regelabweichung der Referenzstrom als eine erste Stellgröße vorgegeben. Die Zuordnung des Referenzstroms zu der Regelabweichung erfolgt dabei bevorzugt in Abhängigkeit von der Transferfunktion oder Übertragungsfunktion, also insbesondere von einer Regeltopologie, des Spannungsreglers. Wie bei einer kaskadierten Regelkreisanordnung üblich, wird der Referenzstrom als die erste Stellgröße anschließend als neue Führungsgröße, also eine zweite Führungsgröße für den Folgeregler, also den Stromregler genutzt. Aus dem Referenzstrom als zweite Führungsgröße und dem jeweiligen Zwischenspeicherstrom als eine zweite Regelgröße wird dabei eine zweite Regelabweichung bestimmt und an den Stromregler als Folgeregler bereitgestellt. Mittels des Stromreglers wird anschließend abhängig von der zweiten Regelabweichung der vorgenannte Einstellwert betreffend das Tastverhältnis der Schalteranordnung der jeweiligen Gleichspannungswandlereinheit als eine zweite Stellgröße vorgegeben. Die Zuordnung des Einstellwerts zu der zweiten Regelabweichung erfolgt dabei bevorzugt in Abhängigkeit von der Transferfunktion oder Übertragungsfunktion, also insbesondere von einer Regeltopologie, des Stromreglers. Der Einstellwerts wird schließlich genutzt, um eine vorbestimmte Regelstrecke zu beaufschlagen, um die jeweilige Ausgangsspannung als die erste Regelgröße an die jeweilige Referenzspannung anzupassen.
Es geht also darum, die erste Regelabweichung mittels der Regelstrecke zu 0 einzustellen. Dieser Zustand (erste Regelabweichung=0) wird auch als eingeschwungener Zustand der Regelkreisanordnung bezeichnet. Wie schnell der eingeschwungene Zustand erreicht ist, ist insbesondere abhängig von einer Dynamik, also einer Transferfunktion oder Übertragungsfunktion der vorgenannten Regelstrecke.
Um das Regelungsverhalten der kaskadierten Regelkreisanordnung nachzubilden, kann zum Beispiel als Regeleinrichtung ein Microcontroller eingesetzt werden. Dabei werden zum Beispiel die einzelnen Regelelemente oder Regelglieder mittels Software, also Programmcode, umgesetzt. Zusätzlich oder alternativ ist beispielsweise die Umsetzung in einer elektronischen Schaltung mit elektronischen Bauteilen, wie beispielsweise Operationsverstärkern, möglich, um die Regelkreisanordnung umzusetzen.
In einer weiteren Ausführungsform ist vorgesehen, dass zum Umsetzen der Vorkonditionierungsfunktion für den jeweiligen Slavewandler in der vorgenannten Regelkreisanordnung ein Vorkonditionierungsglied nachgebildet wird. Das Vorkonditionierungsglied ist dabei in der Regelkreisanordnung vor den Spannungsregler geschaltet. Als Eingangsgrößen werden dem Vorkonditionierungsglied die jeweilige Ausgangsspannung und die Masterreferenzspannung bereitgestellt, um gemäß der vorbestimmten Berechnungsvorschrift die Referenzspannung und den jeweiligen Betriebsmodus als Ausgangsgrößen vorzugeben. Das heißt, das Vorkonditionierungsglied stellt insbesondere den minimalen Sättigungswert und den maximalen Sättigungswert an den Spannungsregler zum Begrenzen des Referenzstroms bereit.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform sind der Spannungsregler und der Stromregler der Regelkreisanordnung als stetige oder lineare Regler nachgebildet. Dabei umfassen die beiden Regler wenigstens ein Proportionalglied und wenigstens ein Integrierglied. Somit kann mittels des Spannungsreglers und des Stromreglers ein proportionales und integratives Übertragungsverhalten realisiert werden. Demnach können der Stromregler und/oder der Spannungsregler beispielsweise als sogenannte Pl-Regler oder als PID-Regler nachgebildet sein.
Vorzugsweise ist der Spannungsregler weiterhin um ein Begrenzungsglied ergänzt, an welches die Sättigungswerte zum Begrenzen des Referenzstroms bereitgestellt werden und dadurch der Referenzstrom gemäß der vorbestimmten Zuordnungsvorschrift innerhalb der durch die Sättigungswerte vorgegebenen Intervallgrenzen eingestellt wird. Bevorzugt ist das Begrenzungsglied als sogenanntes Anti-Wind-Up-Begrenzungsglied ausgebildet und dient somit zum Vermeiden des sogenannten Wind-Up-Effekts bei Reglern mit integrativem Übertragungsverhalten.
In der folgenden Ausführungsform ist eine bevorzugte Ausgestaltung des elektrischen Netzwerks umgesetzt. Demnach wird das elektrische Netzwerk als Bordnetz eines Kraftfahrzeugs mit einem Hochvoltteilnetz als einem ersten Netzabschnitt und einem Niedervoltteilnetz als einem zweiten Netzabschnitt bereitgestellt wird. Dabei wird mittels den wenigstens zwei zueinander elektrisch parallel geschalteten Gleichspannungswandlereinheiten der Gleichspannungswandlervorrichtung über den jeweiligen Eingangsanschluss die Eingangsspannung als elektrische Gleichspannung aus dem Hochvoltteilnetz erfasst oder empfangen und nach dem vorbestimmten Regelungsprinzip in die jeweilige Ausgangsspannung gewandelt. Die jeweilige Ausgangsspannung wird dann über einen jeweiligen Ausgangsanschluss der Gleichspannungswandlereinheit an einen der jeweiligen Gleichspannungswandlereinheit zugeordneten Verbraucherzweige des Niedervoltteilnetzes bereitgestellt.
Somit ist das Niedervoltteilnetz in wenigstens zwei oder mehr Verbraucherzweige oder Lastzweige eingeteilt, die jeweils in elektrischer Parallelschaltung aneinander angeschlossen sind. Jedem Verbraucherzweig ist dabei eine Gleichspannungswandlereinheit zum Wandeln der Eingangsspannung aus dem Hochvoltteilnetz zugeordnet. Die Verbraucherzweige stellen dabei die elektrische Last für den jeweiligen Wandler dar. Diese umfassen somit bevorzugt elektronische Bauteile oder Komponenten des Kraftfahrzeugs. Zum Beispiel kann ein Verbraucherzweig sowohl sicherheitsrelevante als auch nichtsicherheitsrelevante Komponenten umfassen. Zu den Komponenten zählen zum Beispiel Steuergeräte, Sensoren, Aktoren und/oder Energiespeicher.
Mit Hochvolt im Sinne der Erfindung sind insbesondere Gleichspannungen von etwa 60 V bis etwa 1,5 kV umfasst. In Kraftfahrzeugen wird in einem Hochvoltteilnetz beispielsweise häufig eine Nennspannung von etwa 400 V bereitgestellt. Mit Niedervolt sind vorliegend insbesondere Gleichspannungen bis etwa 60 V gemeint. In einem Kraftfahrzeug wird im Niedervoltteilnetz häufig eine Nennspannung von etwa 12 V bereitgestellt. Das Hochvoltteilnetz und das Niedervoltteilnetz stellen somit unterschiedliche Bezugspotentiale bereit. Die Wandler der Gleichspannungswandlervorrichtung sind demensprechend bevorzugt als galvanisch getrennte Wandler ausgebildet.
Die Erfindung betrifft auch eine Regeleinrichtung zum Betreiben einer Gleichspannungswandlervorrichtung, wie sie zuvor beschrieben wurde. Mittels dieser Regeleinrichtung wird bevorzugt das vorgenannte Regelprinzip umgesetzt. Die Regeleinrichtung kann beispielsweise mittels eines Microcontrollers und/oder einer elektrischen Schaltungsanordnung umgesetzt sein. Somit kann das Regelungsprinzip beispielsweise durch Programmcode (Software) und/oder mit Hilfe von elektronischen Bauteilen realisiert sein. Bevorzugt wird die Regeleinrichtung mit der vorgenannten Gleichspannungswandlervorrichtung in einem Bordnetz für ein Kraftfahrzeug eingesetzt. Zudem kann die Erfindung auch ein Kraftfahrzeug mit einer derartigen Gleichspannungswandlervorrichtung umfassen.
Weitere Merkmale der Erfindung können sich aus den Ansprüchen, den Figuren und der Figurenbeschreibung ergeben. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
Die Zeichnung zeigt in:

1 eine schematische Darstellung eines elektrischen Netzwerks mit einer Gleichspannungswandlervorrichtung mit drei Gleichspannungswandlereinheiten, die in einer Master-/Slavekonfiguration betrieben werden;
2 eine schematische Darstellung einer Regelkreisanordnung, die zum Einregeln einer Ausgangsspannung der Gleichspannungswandlereinheiten, die in der Slavekonfiguration betrieben werden, eingesetzt wird; und
3 eine schematische Prinzipschaltung einer Gleichspannungswandlereinheit, deren Wandlertopologie auf einem Vollbrückenflusswandlertopologie basiert.

In den Figuren sind gleiche und funktionsgleiche Elemente mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
1 zeigt in schematischer Darstellung ein elektrisches Netzwerk als Bordnetz N eines Kraftfahrzeugs. Das Bordnetz ist in zwei Teilnetze unterteilt, nämlich ein Hochvoltteilnetz HV und ein Niedervoltteilnetz NV. Die beiden Teilnetze weisen unterschiedliche Bezugspotentiale GND-HV, GND auf und stellen dadurch unterschiedliche Nennspannungen bereit. In dem Hochvoltteilnetz HV beträgt die Nennspannung beispielweise 400 V, und kann zum Beispiel von einer Hochvoltbatterie des Kraftfahrzeugs als Gleichspannung bereitgestellt werden. Die Nennspannung im Niedervoltteilnetz NV beträgt zum Beispiel 12 V. Diese wird ebenfalls als Gleichspannung aus dem Hochvoltteilnetz HV bereitgestellt und zur elektrischen Energieversorgung von Verbrauchern B, Z genutzt. Die Verbraucher B, Z können zum Beispiel als eine Batterie, ein Steuergerät, ein Sensor, ein Aktor oder eine andere vorbestimmten elektronische Komponente zum Betrieb des Kraftfahrzeugs ausgebildet sein. Wie in 1 gezeigt, sind die Verbraucher in dem Niedervoltteilnetz NV in jeweiligen Verbraucherzweigen VZ gruppiert. Die Verbraucherzweige VZ sind dabei elektrisch parallel zueinander geschaltet. Dadurch kann zum Beispiel ein redundanter Betrieb des Kraftfahrzeugs ermöglich werden. Vorliegend sind beispielhaft drei solcher Verbraucherzweige VZ dargestellt. In einem der Verbraucherzweige VZ ist dabei eine Niedervoltbatterie B angeordnet. In den übrigen beiden Verbraucherzweigen VZ sind die Verbraucher Z wiederum in Verbraucherteilzweigen gruppiert. So sind zum Beispiel sicherheitsrelevante Verbraucher Z einem jeweiligen ersten Verbraucherteilzweig ASIL zugeordnet, während nichtsicherheitsrelevante Verbraucher Z einem jeweiligen zweiten Verbraucherteilzweig QM zugeordnet sind. Die Abkürzung ASIL steht für Automotive Safety Integrity Level (Integritätsstufe der Fahrzeugsicherheit) nach den Vorgaben der funktionalen Sicherheit, die zum Beispiel in der Norm ISO 26262 geregelt ist.
Um dem Niedervoltteilnetz NV elektrische Energie, zum Beispiel in Form der vorgenannten Nennspannung aus dem Hochvoltteilnetz HV bereitzustellen, wird eine Gleichspannungswandlervorrichtung W eingesetzt. Die Gleichspannungswandlervorrichtung W umfasst dabei wenigstens zwei, das heißt zwei oder mehrere Gleichspannungswandlereinheiten, die in 1 als Wandler M, S1, S2 dargestellt sind. Vorliegend sind beispielhaft drei Wandler M, S1, S2 vorgesehen. Die Wandler sind dabei in elektrischer Parallelschaltung zwischen das Hochvoltteilnetz HV und das Niedervoltteilnetz NV geschaltet. In einer derartigen Verschaltung werden die Wandler M, S1, S2 auch als verteilte Wandler oder Konverter bezeichnet. Jedem der Verbraucherzweige VZ des Niedervoltteilnetzes NV ist dabei genau einer der Wandler M, S1, S2 zugeordnet. Das heißt, die Wandler M, S1, S2 sind mittels ihrem jeweiligen Eingangsanschluss A1 an eine an das Hochvoltteilnetz HV angeschlossen. Mittels ihrem jeweiligen Ausgangsanschluss A2 sind die Wandler M, S1, S2 an das Niedervoltteilnetz NV angeschlossen und dabei mit dem jeweils zugeordneten Verbraucherzweig VZ gekoppelt.
Funktion der Wandler M, S1, S2 ist es, eine über den jeweiligen Eingangsanschluss A1 abgreifbare Eingangsspannung V-HV aus dem Hochvoltteilnetz HV in eine über den jeweiligen Ausgangsanschluss A2 abgreifbare Ausgangsspannung VM, VS1, VS2 gewandelt oder umgesetzt wird. Vorzugsweise sind die Wandler M, S1, S2 als bidirektionale Wandler ausgebildet, sodass auch eine Gleichspannungswandlung aus dem Niedervoltteilnetz NV zu dem Hochvoltteilnetz HV realisiert werden kann. Die Wandlung oder Umsetzung der Spannungen erfolgt in Abhängigkeit von der jeweiligen Wandlertopologie und einem Regelungsprinzip nach dem die Wandler M, S1, S2 betrieben werden. Auf die Wandlertopologie und das Regelungsprinzip wird im späteren Verlauf noch näher eingegangen.
Bei einer Gleichspannungswandlervorrichtung W mit verteilten Wandlern M, S1, S2 ist zudem zu beachten, dass die jeweilige Ausgangsspannung VM, VS1, VS2 in Abhängigkeit von einem jeweiligen Laststrom iM, iS1, iS2 einzustellen ist. Als Laststrom iM, iS1, iS2 wird dabei derjenige Strom bezeichnet, der abhängig von der jeweils angelegten Ausgangsspannung VM, VS1, VS2 und einem elektrischen Verbrauch der Verbraucher B, Z von dem jeweiligen Wandler M, S1, S2 an den zugeordneten Verbraucherzweig VZ bereitgestellt wird. Der jeweilige Laststrom iM, iS1, iS2 ist dabei am Ausgangsanschluss A2 des jeweiligen Wandlers M, S1, S2 abgreifbar oder messbar. Kommt es nämlich bei gleich eingestellten Ausgangsspannungen VM, VS1, VS2 zu einer Veränderung oder Schwankung im Verbrauch der Verbraucherzweige VZ, können sich zwischen den Wandlern M, S1, S2 aufgrund der Parallelschaltung sogenannte Kreisströme einstellen. Dabei fließt der Laststrom iM, iS1, iS2 von einem ersten der Wandler M, S1, S2 in Richtung des zugeordneten Verbraucherzweigs VZ, während der Laststrom iM, iS1, iS2 von einem anderen der Wandler M, S1, S2 aus Richtung des zugeordneten Verbraucherzweigs VZ zu dem jeweiligen Ausgangsanschluss A2 fließt. Somit würde einer der Wandler M, S1, S2 vorliegend zum Beispiel in einem Aufwärtswandelbetrieb (Boost-Modus) betrieben und dadurch elektrische Energie von dem Niedervoltteilnetz NV an das Hochvoltteilnetz HV bereitstellen. Gleichzeitig würde ein anderer der Wandler M, S1, S2 zum Beispiel in einem Abwärtswandelbetrieb (Buck-Modus) betrieben und dadurch elektrische Energie von dem Hochvoltteilnetz HV an das Niedervoltteilnetz NV bereitstellen.
Um solche Kreisströme zwischen den verteilten Wandlern M, S1, S2 zu vermeiden, wird der jeweilige Laststrom iM, iS1, iS2 und die jeweilige Ausgangsspannung VM, VS1, VS2 über eine Datenleitung zwischen den Wandlern M, S1, S2 übertragen und bei der Wandlung mit einbezogen. Das heißt, die jeweilige Ausgangsspannung VM, VS1, VS2 für den jeweiligen Wandler wird individuell abhängig von den Lastströmen iM, iS1, iS2 aller Wandler M, S1, S2 eingestellt. Bei mehreren verteilten Wandlern M, S1, S2, wie in 1 dargestellt, kann es durch das ständige Übertragen von Daten (Werte der Lastströme iM, iS1, iS2) über die Datenleitung zu Einbußen in einer Übertragungsgeschwindigkeit und dadurch zu einer instabilen Regelung der Wandler M, S1, S2 zum Einstellen der jeweiligen Ausgangsspannung VM, VS1, VS2 gemäß dem vorgennannten Regelungsprinzip kommen.
Deshalb wird vorliegend zum Vermeiden von Energieverluste aufgrund von Kreisströmen und zum Erreichen einer stabilen Regelung der Betrieb der Wandler M, S1, S2 in einer Master-/Slavekonfiguration vorgeschlagen, deren Regelungsprinzip auf einer sogenannten Current Mode Control (Strom-Modus-Regelung) basiert. Gemäß der Master-/Slavekonfiguration wird dabei genau einer der Wandler M, S1, S2 als Masterwandler M nach der Current Mode Control betrieben. Alle übrigen (vorliegend zwei) Wandler S1, S2 werden als Slavewandler betrieben. Deren Regelungsprinzip zum Einstellen der Ausgangsspannung basiert ebenfalls auf der Current Mode Control. Diese ist jedoch um eine Vorkonditionierungsfunktion erweitert.
2 zeigt dazu eine schematische Darstellung einer Regelkreisanordnung RK, die zum Einregeln der jeweiligen Ausgangsspannung VM, VS1, VS2 der Wandler M, S1, S2 eingesetzt wird. Zur Vereinfachung wird die Ausgangsspannung der Regelkreisanordnung RK, welche der jeweiligen Ausgangsspannung VM, VS1, VS2 der Wandler M, S1, S2 entspricht im Folgenden mit dem Bezugszeichen u dargestellt. Beispielweise kann die Regelkreisanordnung RK gemäß 2 mittels Software (Programmcode, Datenprogramm) in einem Mikrocontroller umgesetzt sein. Zusätzlich können auch elektronische Schaltungen, zum Beispiel eine Operationsverstärker-Schaltung, eingesetzt werden. Die Regelkreisanordnung RK in 2 basiert dabei auf einem Current Mode Control Regelkreis CMC zum Umsetzen der Current Mode Control, dem ein Vorkonditionierungsglied Gpre zum Umsetzen der Vorkonditionierungsfunktion vorgeschaltet ist. Zum Betreiben des Masterwandlers M wird somit nur der Current Mode Control Regelkreis CMC der Regelkreisanordnung RK in 2 eingesetzt. Die Regelkreisanordnung RK insgesamt, wie sie in 2 dargestellt ist, wird zum Betreiben der Slavewandler S1, S2 eingesetzt.
Zum Realisieren der Current Mode Control ist der Current Mode Control Regelkreis CMC in 2 ist als kaskadierter Regelkreis ausgebildet. Dabei ist ein Leitregler oder Führungsregler, der vorliegend als Spannungsregler Cu(s) ausgebildet ist, in einer Kaskadenschaltung mit einem Folgeregler, der vorliegend als Stromregler Ci(s) ausgebildet ist, gekoppelt. Der Spannungsregler Cu(s) und der Stromregler Ci(s) können zum Beispiel durch Operationsverstärkerschaltungen umgesetzt sein. Dabei sind beide Regler als stetige lineare Regler mit proportional-integrativem Übertragungsverhalten ausgebildet. Das heißt, die Regler weisen jeweils wenigstens ein Proportionalglied und wenigstens ein Integrierglied auf. So kann jeder der Regler zum Beispiel als Pl-Regler oder als PID-Regler realisiert sein.
Um die Ausgangsspannung u einzuregeln, wird in dem des Regelkreises CMC zunächst aus eine erste Regelabweichung eu aus der Differenz einer vorgegebenen Referenzspannung uref als eine erste Führungsgröße und der aktuell gemessenen Ausgangsspannung u des jeweiligen Wandlers M, S1, S2 als eine erste Regelgröße bestimmt. Die Referenzspannung uref weist dabei einen vorbestimmten Wert auf, der zum Beispiel anhand einer gewünschten am Ausgangsanschluss A2 einzustellen Nennspannung gewählt sein kann. Zum Beispiel kann die Referenzspannung uref entsprechend der Nennspannung des Niedervoltteilnetzes gewählt sein und somit 12 V betragen.
Die erste Regelabweichung eu wird dann an den Spannungsregler Cu(s) bereitgestellt, mittels welchem daraus ein Referenzstrom iL,ref als eine erste Stellgröße bestimmt wird. Der Referenzstrom iL,ref wird dabei in Abhängigkeit von dem Übertragungsverhalten, also einer jeweiligen Übertragungsfunktion, des Spannungsreglers Cu(s) gebildet. Die erste Stellgröße wird, wie in einer Kaskadenschaltung von Reglern üblich, nun wiederum als eine zweite Führungsgröße für den zweiten Regler, also den Stromregler Ci(s) eingesetzt. Dabei wird aus einer Differenz des Referenzstrom iL,ref und eines Filterstroms iL des jeweiligen Wandlers M, S1, S2 als eine zweite Regelgröße eine zweite Regelabweichung ei bestimmt. Der Filterstrom iL wird dabei bei dem jeweiligen Wandler M, S1, S2 ausgangsseitig, vorliegend also auf der Seite des Wandlers M, S1, S2, die dem Niedervoltteilnetz NV zugeordnet oder zugewandt ist, an einer elektrischen Filterschaltung zur Filterung der Ausgangsspannung VM, VS1, VS2 bereitgestellt wird. Auf die Funktion und den Aufbau der Filterschaltung wird später am Beispiel von 3 noch näher eingegangen.
Die zweite Regelabweichung ei wird anschließend an der Stromregler Ci(s) zum Bestimmen eines Einstellwerts d als eine zweite Stellgröße bereitgestellt. Mit dem Einstellwert d wird dabei direkt oder indirekt ein Tastverhältnis einer Schalteranordnung Q des jeweiligen Wandlers M, S1, S2 eingestellt. Auf die Funktion und den Aufbau der Filterschaltung wird später am Beispiel von 3 noch näher eingegangen. Der Einstellwert d wird schließlich an eine vorbestimmte Regelstrecke Gu,d(s) bereitgestellt, wobei in Abhängigkeit von deren Übertragungsfunktion die erste und zweite Regelgröße (Ausgangsspannung u und Filterstrom iL) zum Anpassen an die jeweilige Führungsgröße (Referenzspannung uref und Referenzstrom iL,ref) eingestellt werden.
Wie in 2 gezeigt, ist die Regelstrecke Gu,d(s) dazu in zwei Teilregelstrecken GiL,d(s) und Gu,iL(s) unterteilt. Die erste der beiden Teilregelstrecken GiL,d(s) stellt dabei abhängig von ihrer Übertragungsfunktion unter Berücksichtigung des Einstellwerts d als Ausgangsgröße den Filterstrom iL, also die zweite Regelgröße, bereit. Der Filterstrom iL wird wiederrum als Eingangsgröße an den zweiten der beiden Teilregelstrecken Gu,iL(s) bereitgestellt. Diese stellt abhängig von ihrer Übertragungsfunktion unter Berücksichtigung des Filterstroms iL als Ausgangsgröße die Ausgangsspannung u, also die erste Regelgröße, bereit. Die jeweilige Übertragungsfunktion oder Transferfunktion der Regelstrecke Gu,d(s) und der beiden Teilregelstrecken GiL,d(s) und Gu,iL(s) ergibt sich dabei in Abhängigkeit von der jeweiligen Wandlertopologie der Wandler M, S1, S2. Auf eine konkrete Ausgestaltung der Übertragungsfunktionen wird später am Beispiel von 3 im Zusammenhang mit einer konkreten Wandlertopologie näher eingegangen.
Um systembedingte Zeitverzögerungen nachzubilden, sind in der Regelkreisanordnung RK in 2 drei Verzögerungsglieder vorgesehen. Ein erstes Verzögerungsglied E(s) simuliert dabei die Zeitverzögerung, die sich beim Bereitstellen des Einstellwerts d von dem Stromregler Ci(s) an die Regelstrecke Gu,d(s) ergibt. Die Zeitverzögerungsfunktion des ersten Verzögerungsglied E(s) kann zum Beispiel durch eine sogenannte Pade-Approximation umgesetzt sein. Ein zweites Verzögerungsglied Mi(s) simuliert die Zeitverzögerung, die sich beim Rückführen des Filterstroms iL von der ersten Teilregelstrecken GiL,d(s) zum Bilden der zweiten Regelabweichung ei ergibt. Entsprechend simuliert ein drittes Verzögerungsglied Mu(s) die Zeitverzögerung, die sich beim Rückführen der Ausgangsspannung u als Ausgangsgröße der zweiten Teilregelstrecke Gu,iL(s) zum Bilden der ersten Regelabweichung eu ergibt. Das zweite und dritte Verzögerungsglied Mi(s), Mu(s) können somit auch als Rückführungsverzögerung bezeichnet werden. Die systembedingte Zeitverzögerung kann zum Beispiel hardwarebedingt sein, sich also zum Beispiel aufgrund von Messverzögerungen und/oder Berechnungsverzögerungen und/oder Übertragungsverzögerungen von elektrischen Signalen, wie etwa der Ausgangsspannung u und dem Filterstrom iL ergeben.
Zum Betreiben der Slavewandler S1, S2 ist dem Current Mode Control Regelkreis CMC, wie zuvor beschrieben, das Vorkonditionierungsglied Gpre zum Ausführen der Vorkonditionierungsfunktion vorgeschaltet. Als Eingangsgrößen werden dem Vorkonditionierungsglied Gpre dabei die Ausgangsspannung u und eine vorbestimmte Masterreferenzspannung uref,m bereitgestellt. Die Masterreferenzspannung uref,m weist somit einen vorbestimmten Wert auf, der zum Beispiel anhand einer gewünschten am Ausgangsanschluss A2 einzustellen Nennspannung gewählt sein kann. Zum Beispiel kann die Masterreferenzspannung uref,m entsprechend der Nennspannung des Niedervoltteilnetzes NV gewählt sein und somit 12 V betragen.
In Abhängigkeit von der Ausgangsspannung u und der Masterreferenzspannung uref,m wird mittels des Vorkonditionierungsglieds Gpre gemäß einer durch die Vorkonditionierungsfunktion vorgegebenen Berechnungsvorschrift die Referenzspannung uref des jeweiligen Slavewandlers S1, S2 eingestellt oder vorgegeben. Bei der Regelung der Slavewandler S1, S2 wird die Referenzspannung uref somit nicht mehr zum Beispiel durch die gewünschte Nennspannung vorgegeben, sondern wird aus der Masterreferenzspannung uref,m und der Ausgangsspannung u ermittelt.
Zusätzlich wird durch die Berechnungsvorschrift auch ein Betriebsmodus des jeweiligen Slavewandlers S1, S2 eingestellt oder vorgegeben. Mit Betriebsmodus ist dabei ein Wandlungsprinzip gemeint, gemäß dem der jeweilige Wandler M, S1, S2 eine bereitgestellte Gleichspannung in eine Gleichspannung mit höherem, niedrigerem oder invertiertem Wert wandelt. So kann der jeweilige Wandler M, S1, S2 gemäß der Berechnungsvorschrift zum Beispiel in dem eingangs genannten Aufwärtswandelbetrieb (Boost-Modus) oder in dem eingangs genannten Abwärtswandelbetrieb (Buck-Modus) betreiben werden, oder der Wandler kann in einen deaktivierten Zustand versetzt werden.
Zum Einstellen des Betriebsmodus wird dem Spannungsregler Cu(s) von dem Vorkonditionierungsglied Gpre ein minimaler Sättigungswert imin und ein maximaler Sättigungswert imax als Stromwerte zum Begrenzen des Referenzstroms iL,ref bereitgestellt. Die Sättigungswerte imin, imax geben somit Intervallgrenzen für den Referenzstrom iL,ref vor und werden nach der Berechnungsvorschrift so gewählt, dass sich der jeweilige Betriebsmodus ergibt.
Zum Einregeln des Referenzstroms iL,ref innerhalb der Intervallgrenzen ist der Spannungsregler Cu(s) für die Slavewandler S1, S2 um ein Begrenzungsglied Y zum Ausführen einer entsprechenden Begrenzungsfunktion erweitert. Wie in 2 gezeigt basiert die Begrenzungsfunktion dabei auf einer Sättigungsregelung. Das heißt, der Referenzstrom iL,ref ergibt sich innerhalb der Intervallgrenzen abhängig von der ersten Regelabweichung eu gemäß einer vorbestimmten Zuordnungsvorschrift, die entsprechend der Regeldynamik, also der Übertragungsfunktion des Spannungsreglers Cu(s), vorgegeben ist. Sobald gemäß der Zuordnungsvorschrift ein Wert für den Referenzstrom iL,ref festgelegt wird, der einerseits entweder dem minimalen Sättigungswert imin entspricht oder diesen unterschreitet oder andererseits entweder dem maximalen Sättigungswert imax entspricht oder diesen überschreitet, wird für den Referenzstrom iL,ref entsprechend der minimale Sättigungswert imin oder der maximale Sättigungswert ausgegeben. In 2 erfolgt die Zuordnung des Referenzstroms iL,ref gemäß der berechneten Regelabweichung eu nach der Zuordnungsvorschrift innerhalb der Intervallgrenzen linear, also direkt proportional. Durch das Begrenzungsglied Y ist insbesondere auch eine Anti-Wind-Up Begrenzung realisiert, um den sogenannten Anti-Wind-Up Effekt bei Reglern mit integrativem Übertragungsverhalten zu vermeiden.
Die Berechnungsvorschrift nach der die Referenzspannung uref und der Betriebsmodus des jeweiligen Slavewandlers S1, S2 durch die beiden Sättigungswerte imin, imax vorgegeben werden, ist in der untenstehenden Gleichung (1) dargestellt: $[u_{r e f}, i_{m i n}, i_{m a x}] = {\begin{array}{r} [u_{r e f, m},0,0], \\ [u_{r e f, m} - σ,0, i_{G, m a x}], \\ [u_{r e f, m} + σ, i_{G, m a x},0], \end{array} \begin{matrix} \end{matrix} \begin{array}{l} f \ddot{u} r u_{r e f, m} - ε \leq u \leq u_{r e f, m} + ε \\ f \ddot{u} r u < u_{r e f, m} - ε \\ f \ddot{u} r u < u_{r e f, m} + ε \end{array}$
Wenn die Ausgangsspannung u des jeweiligen Slavewandlers S1, S2 somit größer oder gleich einem vorgegebenen Untergrenzwert und zudem kleiner oder gleich einem vorgegebenen Obergrenzwert ist, werden

- die Referenzspannung uref somit als die Masterreferenzspannung uref,m, und
- die beiden Sättigungswerte imin, imax bei zu 0

- die Referenzspannung uref des jeweiligen Slavewandlers S1, S2 als eine Differenzspannung aus einer Differenz der Masterreferenzspannung uref,m und einem vorgegebenen Schwellenwert σ,
- der minimale Sättigungswert imin zu 0, und
- der maximale Sättigungswert imax als ein vorgegebener Maximalwert iG,max eingestellt. Der Maximalwert iG,max weist dabei ein Wert größer 0 auf und wird zum Beispiel als ein maximaler Stromgrenzwert für den Betrieb des Slavewandlers S1, S2 vorgegeben. Zum Beispiel kann der Maximalwert iG,max 80 A betragen. Der jeweilige Slavewandler S1, S2 wird somit im vorliegenden Beispiel im Abwärtswandlerbetrieb betrieben.

- die Referenzspannung uref des jeweiligen Slavewandlers S1, S2 als eine Summenspannung aus einer Summe der Masterreferenzspannung uref,m und dem vorgegebenen Schwellenwert σ,
- der minimale Sättigungswert imin als ein vorgegebener Minimalwert iG,min, und
- der maximale Sättigungswert imax zu 0

Der vorgegebene Schwellenwert σ und der vorgegebene Abweichwert ε sind dabei zuvor ermittelte oder festgelegte Spannungswerte, die sich zum Beispiel in Abhängigkeit von der jeweiligen Wandlertopologie ergeben. Der Schwellenwert σ und der Abweichwert ε werden dabei so gewählt, dass der Schwellenwert σ größer ist als der Abweichwert ε und beide Werte größer sind als 0. Zum Beispiel kann für den Schwellenwert σ ein Wert von 0,5 V und für den Abweichwert ε ein Wert von 0,3 V festgelegt sein.
Zum Einregeln der jeweiligen Ausgangsspannung u braucht jeder Slavewandler S1, S2 somit höchstens noch die Masterreferenzspannung uref,m von Extern, also außerhalb der Wandlertopologie, vorgegeben bekommen. Die Masterreferenzspannung uref,m kann dabei entweder über die vorgenannte Datenleitung zwischen den Wandlern M, S1, S2 übertragen werden, oder als festgelegter Wert für jeden der Slavewandler S1, S2 selbst gespeichert sein. Der eingangs beschriebene Austausch von Laststromwerten zwischen den Wandlern M, S1, S2 kann unterbleiben. Somit werden Übertragungsverzögerungen vermieden und gleichzeitig eine stabile Regelung der Wandler M, S1, S2 sichergestellt.
Zusammengefasst braucht also nur die Master-Referenzspannung uref,m über die Datenleitung, also den Daten-BUS, übertragen werden. Die Lastströme iM, iS1, iS2 werden vernachlässigt. Die Referenzspannung uref der Slavewandler S1, S2 wird anhand der gemessenen Ausgangsspannung u des jeweiligen Slavewandlers S1, S2 eingestellt. Dazu wird mittels Sättigungsgrenzen, also den Sättigungswerten imin und imax, eine Leistungsflussrichtung der Slavewandler S1, S2 eingestellt und somit der Betriebsmodus des jeweiligen Slavewandlers S1, S2 vorgegeben.
Anhand von 3 soll abschließend noch auf eine konkrete Umsetzung des Übertragungsverhalten der in 2 gezeigten Regelkreisanordnung RK am Beispiel einer konkreten Wandlertopologie der Wandler M, S1, S2 eigegangen werden. 3 zeigt dazu eine schematische Prinzipschaltung, also einen Schaltplan eines Wandlers, dessen Wandlertopologie auf der eines Vollbrückenflusswandlers (Phase-Shifted Full Bridge Converter) basiert. Zur Vereinfachung ist der Wandler in 3 mit dem Bezugszeichen G versehen, und repräsentiert dabei die vorgenannten Wandler M, S1, S2.
Da das Hochvoltteilnetz HV das Niedervoltteilnetz NV in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel unterschiedliche Bezugspotentiale GND-HV, GND aufweisen, ist der Wandler G vorliegend als galvanisch getrennter Wandler mit einem Transformator T als eine Energieübertragungsanordnung zum Übertragen der elektrischen Energie von dem zwischen den Teilnetzen ausgebildet. Durch den Transformator T kann der Wandler G in eine Eingangsseite oder Primärseite P und eine Ausgangsseite oder Sekundärseite S aufgeteilt werden.
Auf der Primärseite P ist der Eingangsanschluss A1 der Wandlers G angeordnet, an welchen in elektrischer Parallelschaltung eine elektrische Eingangskapazität Cin angeschlossen ist. An diese ist wiederrum ebenfalls elektrisch parallelgeschaltet eine Schaltereinheit QE angeschlossen. Die Schaltereinheit QE umfasst vier Schalter oder Schaltelemente Q1, Q2, Q3, Q4, die in einer Vollbrückenschaltung miteinander verschaltet sind. Dabei sind das erste Schaltelement Q1 und das dritte Schaltelement Q3 elektrisch in Serie geschaltet und bilden einen ersten Brückenzweig aus, der elektrisch parallel an die Eingangskapazität Cin angeschlossen ist. In Parallelschaltung zu dem ersten Brückenzweig ist ein zweiter Brückenzweig mit den in Serie geschalteten zweiten und vierten Schaltelementen Q2, Q4. Zwischen den beiden Schaltelementen Q1, Q3 ist einer erster Mittelabgriff und zwischen den beiden Schaltelementen Q2, Q4 ist einer zweiter Mittelabgriff ausgeführt. Der erste Mittelabgriff ist über eine sogenannte Streuinduktivität Lk an einen ersten Pol einer Primärwicklung des Transformators T angeschlossen. Mit der Streuinduktivität Lk wird dabei der sogenannte Streufluss des Transformators T simuliert oder nachgebildet. An dem ersten Mittelabgriff ist ein Drosselstrom ip abgreifbar, der im Betrieb des Wandlers G von der Streuinduktivität Lk verbraucht wird. Der Drosselstrom ip, also der Strom durch die Streuinduktivität Lk fließt, wird auch als Primärstrom bezeichnet. Mit ihrem zweiten Pol ist die Primärwicklung über einen elektrischen Widerstand Rp an den zweiten Mittelabgriff angeschlossen.
Auf der Sekundärseite S ist eine Sekundärwicklung des Transformators T in zwei Wicklungsabschnitte aufgeteilt. Es ergibt sich dadurch eine sogenannte Mittelpunktschaltung der Sekundärseite S. Dabei ist einer der Wicklungsabschnitte mit einem ersten Pol über zwei weitere Schaltelemente, nämlich ein fünftes und ein sechstes Schaltelement Q5, Q6, an einen zweiten Pol des anderen Wicklungsabschnitts angeschlossen. Mit dem zweiten Pol ist der eine der Wicklungsabschnitte mit dem ersten Pol des anderen Wicklungsabschnitts verbunden. An einem Anschlusspunkt zwischen den beiden Wicklungsabschnitten ist ein weiterer Mittelabgriff mit einem elektrischen Widerstand Rs ausgeführt ist. Der weitere Mittelabgriff und ein Anschlusspunkt zwischen den beiden Schaltelementen Q5 und Q6 bilden einen Anschluss für eine Filteranordnung F des Wandlers G aus. Alternativ zu dem in 3 gezeigten Ausführungsbeispiel können die Schaltelemente Q5 und Q6 auch durch Dioden ersetzt werden, die in Durchlassrichtung zu der Filteranordnung F an die Wicklungsabschnitte der Sekundärwicklung des Transformators T angeschlossen sind. Ein Stromfluss von den Wicklungsabschnitten in Richtung der Filteranordnung F würde somit zugelassen werden, während ein Stromfluss aus Richtung der Filteranordnung F zu den Wicklungsabschnitten gesperrt würde.
Die Filteranordnung F umfasst eine Filterinduktivität Lf, an der der Filterstrom iL oder Sekundärstrom zum Einstellen der Ausgangsspannung u des Wandlers G abgreifbar ist. Die Filterinduktivität Lf ist in Serie zum dem Widerstand Rs des weiteren Mittelabgriffs angeschlossen. Über die Filterinduktivität Lf und den Widerstand Rs ist der weitere Mittelanschluss mit einem ersten Pol des Ausgangsanschlusses A2 des Wandlers G verbunden. Weiterhin umfasst die Filterschaltung F noch eine Filterkapazität Co, die elektrisch parallel an den Ausgangsanschluss A2 angeschlossen ist. An der Filterkapazität Co ist der Filterkapazitätsstrom ic abgreifbar. Elektrisch in Serie zu der Filterkapazität Co ist in 3 ein weiterer elektrischen Widerstand Rc, eingezeichnet. Der Widerstand Rc symbolisiert dabei lediglich einen sogenannten parasitären Widerstand der Filterkapazität Co. Der Filterstrom iL ergibt sich nach den sogenannten Kirchhoffschen Regeln somit aus der Summe des jeweiligen Laststroms iM, iS1, iS2 und des Filterkapazitätsstrom ic.
Um die Ausgangsspannung u für den Wandler G einzustellen, wird der Wandler G gemäß dem zu 2 erläuterten Regelungsprinzip als Masterwandler M oder als Slavewandler S1, S2 betrieben. Dabei wird gemäß dem Regelungsprinzip als Stellgröße der Einstellwert d zum Ansteuern der Schalteranordnung Q genutzt. Diese Schalteranordnung ist vorliegend durch die Schaltelemente Q1 - Q6 ausgebildet. Es werden vorliegend somit alle Schaltelemente Q1 - Q6 gemeinsam mit dem Einstellwert angesteuert. Die Schaltelemente Q1, Q2, Q3, Q4, Q5 und Q6 sind dabei als elektronische Schalter oder Halbleiterschalter ausgebildet. Als Halbleiterschalter können zum Beispiel Feldeffekttransistoren, Bipolartransistoren, Dioden, Thyristoren und/oder Halbleiterrelais eingesetzt werden. In 3 sind die Schaltelemente Q1, Q2, Q3, Q4, Q5 und Q6 zum Beispiel als MOSFETs (Metal-Oxide-Semiconductor-Field-Effect-Transistor; dt. Metalloxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor) dargestellt.
Durch die Ansteuerung mit dem Einstellwert d werden die Schaltelemente Q1 - Q6 der Schalteranordnung Q im Schaltbetrieb betrieben und Wechseln dabei nach einem vorbestimmten Tastverhältnis (duty cycle), also in einem vorbestimmten (periodischen) Taktmuster, zwischen einem eingeschalteten und einem ausgeschalteten Schaltzustand. In dem eingeschalteten Schaltzustand weist das Schaltelement dabei einen geringen elektrischen Widerstand, sodass ein im Wesentlichen ungehinderter Stromfluss durch oder über das Schaltelement möglich ist. Hingegen weist das Schaltelement im ausgeschalteten Schaltzustand einen hohen elektrischen Widerstand auf, sodass kein oder nur ein vernachlässigbar geringer Stromfluss durch oder über das Schaltelement möglich ist. Das Tastverhältnis wird dabei direkt oder indirekt von dem Einstellwert vorgegeben. Das heißt, der Einstellwert kann zum Beispiel das Tastverhältnis direkt oder einem dem Tastverhältnis zugeordneten Wert angeben.
Wie bereits in Zusammenhang mit 2 beschrieben, hängt die Genauigkeit des Einstellens der Ausgangsspannung u auf die Referenzspannung uref und somit ein Einschwingverhalten der Regelung von der dem Übertragungsverhalten der Regelstrecke Gu,d(s) und deren Teilregelstrecken Gil,d(s) und Gu,iL(s) ab. Deren Übertragungsverhalten oder Übertragungsfunktion hängt wiederrum von der Wandlertopologie des jeweiligen Wandlers ab. In den folgenden Gleichungen sind die Übertragungsfunktionen der Regelstrecke Gu,d(s) und deren Teilregelstrecken Gil,d(s) und Gu,iL(s) am Beispiel der in 3 gezeigten Wandlertopologie aufgeführt. $G_{u,d} (s) = \frac{u}{d} = \frac{V_{HV} Z_{o}}{{nZ}_{2}} \frac{R_{C} C_{o} s + 1}{L_{1} C_{o} s^{2} + (\frac{L_{f}}{Z_{2}} + Z_{1} C_{o}) s + (\frac{Z_{1}}{Z_{2}} + \frac{Z_{0}^{3}}{Z_{2}^{2}})}$
$G_{iL,d} (s) = \frac{i_{p}}{d} = \frac{V_{HV}}{{nZ}_{2}} \frac{Z_{2} C_{o} s + 1}{L_{1} C_{o} s^{2} + (\frac{L_{f}}{Z_{2}} + Z_{1} C_{o}) s + (\frac{Z_{1}}{Z_{2}} + \frac{Z_{0}^{3}}{Z_{2}^{2}})}$
$G_{u,d} (s) = \frac{u}{d} = Z_{o} \frac{R_{C} C_{o} s + 1}{Z_{2} C_{0} s + 1}$
In den obigen Gleichungen ergibt sich Z1 aus $Z_{1} = R_{e q} + R_{s t} + \frac{Z_{o} R_{C}}{Z_{o} R_{C}}$
und Z2 ergibt sich aus Z₂ = R_C + Z_o, wobei $R_{s t} = R_{dsONs} + R_{s} und R_{eq} = \frac{2 L_{k} f_{s}}{n^{2}}$
ist. Hierbei beschreibt fs eine Schaltfrequenz mit welcher die Schaltelemente der Schalteranordnung Q im Schaltbetrieb umgeschaltet werden. Die Variable Zo bezeichnet eine Lastimpedanz der angeschlossenen Last, also der Verbraucher, die an dem Ausgangsanschluss A2 des Wandlers G angeschlossen sind. Die Variable n bezeichnet ein Windungsverhältnis des Transformators T. Die Variable RdsONs bezeichnet einen elektrischen Widerstand, den die Schaltelemente Q5 und Q6 im eingeschalteten Schaltzustand aufweisen und betrifft somit die sogenannten Leitwiderstände der Schaltelemente Q5 und Q6. Die Variable s stellt eine komplexe Variable dar, mit der üblicherweise eine Übertragungsfunktion von Regelgliedern einer Regelkreisanordnung im Frequenzbereich (s-Bereich) beschrieben wird. Alle übrigen Variablen der Gleichungen (2), (3) und (4) wurden bereits in Zusammenhang mit den Figuren erläutert und werden deshalb hier nicht noch einmal erwähnt.
Insgesamt zeigen die zu den Figuren beschriebenen Ausführungsbeispiele somit, wie in einem Bordnetz N mit verteilten Wandlern M, S1, S2, die beispielhaft als Vollbrückenflusswandler ausgebildet sind, eine stabile Regelung der Wandler M, S1, S2 mit einem neuen Regelungsprinzip realisiert werden kann, ohne das dauerhaft Daten zwischen den Wandlern M, S1, S2 ausgetauscht werden brauchen.
Bezugszeichenliste

A1: Eingangsanschluss
A2: Ausgangsanschluss
ASIL: ersten Verbraucherteilzweig
B: Batterie
Co: Filterkapazität
Ci(s): Stromregler
Cin: Eingangskapazität
CMC: Current Mode Control Regelkreis
Cu(s): Spannungsregler
d: Einstellwert
ei: zweite Regelabweichung
eu: erste Regelabweichung
E(s): erstes Verzögerungsglied
F: Filteranordnung
G: Wandler
GiL,d(s): erste Teilregelstrecke
Gu,d(s): Regelstrecke
Gu,iL(s): zweite Teilregelstrecke
GND, GND-HV: Bezugspotential
Gpre: Vorkonditionierungsglied
HV: Hochvoltteilnetz
ic: Filterkapazitätsstrom
iG,max: Maximalwert
iG,min: Minimalwert
iL: Filterstrom
iL,ref: Referenzstrom
iM, iS1, iS2: Laststrom
imax: maximaler Sättigungswert
imin: minimaler Sättigungswert
ip: Drosselstrom
Lf: Filterinduktivität
Lk: Streuinduktivität
M: Masterwandler, Gleichspannungswandlereinheit
Mi(s): zweites Verzögerungsglied
Mu(s): drittes Verzögerungsglied
N: Bordnetz
NV: Niedervoltteilnetz
P: Primärseite
Q: Schalteranordnung
Q1 - Q6: Schaltelemente
QE: Schaltereinheit
QM: zweiter Verbraucherteilzweig
Rc, Rp, Rs: elektrischer Widerstand
RK: Regelkreisanordnung
S: Sekundärseite
S1, S2: Slavewandler, Gleichspannungswandlereinheit
T: Transistor
u: Ausgangsspannung
uref: Referenzspannung
uref,m: Masterreferenzspannung
VHV: Eingangsspannung
VM, VS1, VS2: Ausgangsspannung
VZ: Verbraucherzweig
W: Gleichspannungswandlervorrichtung
Y: Begrenzungsglied
Z: elektrische Verbraucher
ε: Abweichwert
σ: Schwellenwert

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

KR 101141038 B1 [0007]
DE 102016005590 B4 [0008]

Claims

Verfahren zum Betreiben einer Gleichspannungswandlervorrichtung (W) mit wenigstens zwei Gleichspannungswandlereinheiten (M, S1, S2), welche zueinander elektrisch parallel geschaltet in einem elektrischen Netzwerk (N) nach einem jeweils vorbestimmten Regelungsprinzip betrieben werden, wobei das Regelungsprinzip auf einer Strom-Modus-Regelung basiert und dabei zum Einstellen einer Ausgangsspannung (u, V; VS1, VS2) der jeweiligen Gleichspannungswandlereinheit (M, S1, S2) in Abhängigkeit von einem Vergleich einer vorgegebenen Referenzspannung (uref) mit der jeweiligen Ausgangsspannung (u, VM, VS1, VS2) ein jeweiliger Referenzstrom (iL,ref) vorgegeben wird, und in Abhängigkeit von einem Vergleich des jeweils vorgegebenen Referenzstroms (iL,ref) mit einem jeweiligen Filterstrom (iL), der bei der jeweiligen Gleichspannungswandlereinheit (M, S1, S2) ausgangsseitig an einer elektrischen Filterschaltung (F) zur Filterung der Ausgangsspannung (u, VM, VS1, VS2) abgegriffen wird, ein jeweiliger Einstellwert (d) vorgegeben wird, wobei der jeweilige Einstellwert (d) ein Tastverhältnis einer zur Gleichspannungswandlung eingesetzten Schalteranordnung (Q) der jeweiligen Gleichspannungswandlereinheit (M, S1, S2) festlegt, wobei die Gleichspannungswandlereinheiten (M, S1, S2) in einer Master-/Slavekonfiguration betrieben werden, wobei eine der Gleichspannungswandlereinheiten (M, S1, S2) als Masterwandler (M) nach dem vorgenannten Regelungsprinzip der Strom-Modus-Regelung betrieben wird, und die wenigstens eine weitere Gleichspannungswandlereinheit (S1, S2) als Slavewandler (S1, S2) betrieben wird, dessen Regelungsprinzip auf der vorgenannten Strom-Modus-Regelung basiert, die um einen Vorkonditionierungsfunktion erweitert ist, und dadurch gemäß einer vorbestimmten Berechnungsvorschrift in Abhängigkeit von der Ausgangsspannung (u, VS1, VS2) des jeweiligen Slavewandlers (S1, S2) und einer von dem Masterwandler (M) vorgegebenen Masterreferenzspannung (uref,m) einerseits die Referenzspannung (uref) zum Betreiben des jeweiligen Slavewandlers (S1, S2) und anderseits ein Betriebsmodus des jeweiligen Slavewandlers (S1, S2) vorgegeben wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei zum Vorgeben des Betriebsmodus des jeweiligen Slavewandlers (S1, S2) mittels der Vorkonditionierungsfunktion gemäß der vorbestimmten Berechnungsvorschrift ein minimaler Sättigungswert (imin) und ein maximaler Sättigungswert (imax) für den Referenzstrom (iL,ref) des jeweiligen Slavewandlers (S1, S2) vorgegeben wird, welche einen Wert, den der Referenzstrom (iL,ref) einnimmt, begrenzen.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei durch die beiden Sättigungswerte (imin, imax) ein Intervall für den jeweiligen Referenzstrom (iL,ref) vorgegeben wird und der jeweilige Referenzstrom (iL,ref) innerhalb des Intervalls gemäß einer vorbestimmten Zuordnungsvorschrift in Abhängigkeit von einem Vergleich der jeweiligen Referenzspannung (uref) und der jeweiligen Ausgangsspannung (u, VS1, VS2) eingestellt wird, und für den jeweiligen Referenzstrom (iL,ref) außerhalb des Intervalls der vorgegebenen maximalen oder minimalen Sättigungswert (imin, imax) eingestellt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei gemäß der Berechnungsvorschrift die Referenzspannung (uref) des jeweiligen Slavewandlers (S1, S2) als • die Masterreferenzspannung (uref,m) vorgegeben wird, wenn die Ausgangsspannung (u, VS1, VS2) des jeweiligen Slavewandlers (S1, S2) größer oder gleich einem Untergrenzwert aus einer Differenz der Masterreferenzspannung (uref,m) und einem vorgegebenen Abweichwert (ε) ist, und die Ausgangsspannung (u, VS1, VS2) des jeweiligen Slavewandlers (S1, S2) zudem kleiner oder gleich einem Obergrenzwert aus einer Summe der Masterreferenzspannung (uref,m) und dem vorgegebenen Abweichwert (σ) ist, • eine Differenzspannung aus einer Differenz der Masterreferenzspannung (uref,m) und einem vorgegebenen Schwellenwert (σ) vorgegeben wird, wenn die Ausgangsspannung (u, VS1, VS2) des jeweiligen Slavewandlers (S1, S2) kleiner ist als der Untergrenzwert, und • eine Summenspannung aus einer Summe der Masterreferenzspannung (uref,m) und dem vorgegebenen Schwellenwert (σ) vorgegeben wird, wenn die Ausgangsspannung (u, VS1, VS2) des jeweiligen Slavewandlers (S1, S2) größer ist als der Obergrenzwert, wobei der vorgegebene Schwellenwert (σ) und der vorgegebene Abweichwert (ε) derart gewählt werden, dass der Schwellenwert (σ) größer ist als der Abweichwert (ε) und beide Werte größer sind als null.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 2 bis 4, wobei gemäß der Berechnungsvorschrift zum Vorgeben des Betriebsmodus des jeweiligen Slavewandlers (S1, S2) • der minimale Sättigungswert (imin) und der maximale Sättigungswert (imax) beide zu null eingestellt werden, wenn die Ausgangsspannung (u, VS1, VS2) des jeweiligen Slavewandlers (S1, S2) größer oder gleich einem Untergrenzwert aus einer Differenz der Masterreferenzspannung (uref,m) und einem vorgegebenen Abweichwert (ε) ist, und die Ausgangsspannung (u, VS1, VS2) des jeweiligen Slavewandlers (S1, S2) zudem kleiner oder gleich einem Obergrenzwert aus einer Summe der Masterreferenzspannung (uref,m) und dem vorgegebenen Abweichwert (ε) ist, • der minimale Sättigungswert (imin) zu null eingestellt wird und der maximale Sättigungswert (imax) als ein vorgegebener Maximalwert (iG,max) größer null eingestellt wird, wenn die Ausgangsspannung (u, VS1, VS2) des jeweiligen Slavewandlers (S1, S2) kleiner ist als der Untergrenzwert, und • der minimale Sättigungswert (imin) als ein vorgegebener Minimalwert (iG,min) kleiner null eingestellt wird und der maximale Sättigungswert (imax) zu null eingestellt wird, wenn die Ausgangsspannung (u, VS1, VS2) des jeweiligen Slavewandlers (S1, S2) größer ist als der Obergrenzwert, wobei der vorgegebene Schwellenwert (σ) und der vorgegebene Abweichwert (ε) derart gewählt werden, dass der Schwellenwert (σ) größer ist als der Abweichwert (ε) und beide Werte größer sind als null.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei zum Umsetzen des Regelungsprinzips der Strom-Modus-Regelung für die jeweilige Gleichspannungswandlereinheit (M, S1, S2) ein Regelungsverhalten einer kaskadierten Regelkreisanordnung (RK) mit einem ein Spannungsregler (Cu(s)) als ein Führungsregler und einem Stromregler (Ci(s)) als ein Folgeregler nachgebildet wird, wobei mittels der Regelkreisanordnung (RK) aus der Referenzspannung (uref) als eine erste Führungsgröße und der jeweiligen Ausgangsspannung (u, VM, VS1, VS2) als eine erste Regelgröße eine erste Regelabweichung (eu) bestimmt und an den Spannungsregler (Cu(s)) bereitgestellt wird, mittels des Spannungsreglers (Cu(s)) abhängig von der ersten Regelabweichung (eu) der Referenzstrom (iL,ref) als eine erste Stellgröße vorgegeben wird, und der Referenzstrom (iL,ref) zudem als eine zweite Führungsgröße genutzt wird, und daraus und dem jeweiligen Filterstrom (iL) als eine zweite Regelgröße eine zweite Regelabweichung (ei) bestimmt und an den Stromregler (Ci(s)) bereitgestellt wird, mittels des Stromreglers (Ci(s)) abhängig von der zweiten Regelabweichung (ei) der Einstellwert (d) als eine zweite Stellgröße vorgegeben wird, mittels welcher eine vorbestimmte Regelstrecke (Gu,d(s)) beaufschlagt wird, um die jeweilige Ausgangsspannung (u, VM, VS1, VS2) als die erste Regelgröße an die jeweilige Referenzspannung (uref) anzupassen.
Verfahren nach Anspruch 6, wobei zum Umsetzen der Vorkonditionierungsfunktion für den jeweiligen Slavewandler (S1, S2) in der Regelkreisanordnung (RK) ein Vorkonditionierungslied (Y) nachgebildet wird, welches in der Regelkreisanordnung (RK) vor den Spannungsregler (Cu(s)) geschaltet ist, und welchem die jeweilige Ausgangsspannung (u, VS1, VS2) und die Masterreferenzspannung (uref,m) als Eingangsgrößen bereitgestellt werden, um gemäß der Berechnungsvorschrift die Referenzspannung (uref) und den jeweiligen Betriebsmodus als Ausgangsgrößen vorzugeben.
Verfahren nach einem der Ansprüche 6 oder 7, wobei der Spannungsregler (Cu(s)) und der Stromregler (Ci(s)) als stetige Regler mit wenigstens einem Proportionalglied und wenigstens einem Integrierglied nachgebildet werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das elektrische Netzwerk als Bordnetz (N) mit einem Hochvoltteilnetz (HV) und einem Niedervoltteilnetz (NV) eines Kraftfahrzeugs bereitgestellt wird, und mittels den wenigstens zwei zueinander elektrisch parallel geschaltete Gleichspannungswandlereinheiten (M, S1, S2) der Gleichspannungswandlervorrichtung (W), über einen jeweiligen Eingangsanschluss (A1) eine Eingangsspannung (VHV) aus dem Hochvoltteilnetz (HV) erfasst und nach dem vorbestimmten Regelungsprinzip in die jeweilige Ausgangsspannung (u, VM, VS1, VS2) gewandelt wird, und die jeweilige Ausgangsspannung (u, VM, VS1, VS2) über einen jeweiligen Ausgangsanschluss (A2) an einen der jeweiligen Gleichspannungswandlereinheit (M, S1, S2) zugeordneten Verbraucherzweig (VZ) des Niedervoltteilnetzes (NV) bereitgestellt wird.
Regeleinrichtung zum Betreiben einer Gleichspannungswandlervorrichtung (W) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.