DE102021103377A1

DE102021103377A1 - Verfahren und Recheneinrichtung zum Regeln einer Ausgangsspannung einer Gleichspannungswandlereinheit

Info

Publication number: DE102021103377A1
Application number: DE102021103377.2A
Authority: DE
Inventors: Martin Baumann
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2021-02-12
Filing date: 2021-02-12
Publication date: 2022-08-18

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Regeln einer Ausgangsspannung (u) einer Gleichspannungswandlereinheit (G), um Einregelvoraussetzungen für die Ausgangsspannung (u) der Gleichspannungswandlereinheit (G) einzuhalten. Dazu basiert die Regelung auf einer nicht-linearen Spannungsregelung nach dem Prinzip einer Gleitzustandsregelung. Diese ist in einer Rückführung der nicht-linearen Spannungsregelung um eine Stromregelung ergänzt. Als Stellgröße der Regelung wird ein Einstellwert (d) vorgegeben, um ein Tastverhältnis einer zur Wandlung eingesetzten Schalteranordnung (Q) der Gleichspannungswandlereinheit (G) einzustellen. Als Regelgrößen werden dadurch einerseits ein Filterstrom (iL) und andererseits die Ausgangsspannung (u) eingestellt. Als Führungsgröße wird eine Referenzspannung (uref) vorgegeben. Um einen Abweichwert (ea) als Regelabweichung für die Spannungsregelung zu bestimmen, wird einerseits die Ausgangsspannung (u) wird mit der Referenzspannung (uref) verrechnet, um eine erste Regelabweichung (eu) zu bilden. Andererseits wird der Filterstrom (iL) an die Stromregelung zum Bestimmen eines Regelwerts y bereitgestellt. Der Abweichwert (ea) ergibt sich als Differenz aus der ersten Regelabweichung (eu) und dem Regelwert (y).

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren sowie eine Recheneinrichtung zum Regeln einer Ausgangsspannung einer Gleichspannungswandlereinheit. Eine Gleichspannungswandlereinheit, im Folgenden auch (DC/DC-)Wandler oder Konverter genannt, wird in elektrischen Bauteilen oder Schaltungen eingesetzt, um elektrische Energie zu wandeln. Abhängig von einer Topologie des Wandlers wird beispielsweise eine Eingangsgleichspannung in eine Ausgangsgleichspannung mit einem höheren oder niedrigeren oder inversen Spannungsniveau umgesetzt. Dementsprechend kann der Wandler zum Beispiel als Aufwärtswandler (Boost-Konverter), Abwärtswandler (Buck-Konverter) oder Inverswandler (Buck-Boost-Konverter) ausgebildet sein.
Ein solcher Wandler wird zum Beispiel in einem Bordnetz eines Kraftfahrzeugs eingesetzt, um dynamische Verbraucher, wie etwa eine Bremse oder eine Lenkung, zu versorgen. Beim Betrieb solch dynamischer Verbraucher kann es zu Schwankungen in einer elektrischen Belastung für den Wandler und dadurch zu Spannungseinbrüchen in der vom Wandler bereitgestellten Ausgangsspannung kommen. Typische Störmechanismen, die zu Spannungsschwankungen führen können, sind zum Beispiel in der Richtlinie ISO7637 zusammengefasst. Zur Stabilisierung der Ausgangsspannung und um solche Spannungsschwankungen zu vermeiden, kann eine nicht-lineare Spannungsregelung der Ausgangsspannung für den Wandler eingesetzt werden.
Eine Möglichkeit zur nicht-linearen Regelung für einen DC/DC-Wandler ist in der US 9,520,785 B2 offenbart.
Die nicht-lineare Spannungsregelung kann zum Beispiel nach Prinzip einer Gleitzustandsregelung oder Gleitmodusregelung (Sliding Mode Control) erfolgen. Wie eine solche Gleitzustandsregelung beispielsweise realisiert sein kann, ist in der Veröffentlichung von M. Gao et al. (M. Gao, D. Wang, Y. Li, and T. Yuan, „Fixed frequency pulse-with modulation based integrated sliding mode controller for phase-shifted full-bridge converters,“ IEEE Access, vol. 6, pp. 2181-2192, 2018) am Beispiel eines Vollbrückenflusswandlers gezeigt.
Eine weitere Methode zur Gleitzustandsregelung für einen DC/DC-Wandler ist aus der Veröffentlichung von D. Wang et al. (D. Wang, M. Gao, and Y. Li, „Double integral indirect sliding mode control for phase-shifted full-bridge converters,“ Journal of Northeastern University Natural Science, pp. 1069-1074, 2018) bekannt.
Um einen stabilen Betrieb von Verbrauchern in einem Bordnetz sicherzustellen, können für den Wandler Einregelvoraussetzungen für das Regeln der Ausgangsspannung vorgegeben sein. Zu den Einregelvoraussetzungen zählt zum Beispiel, wie effektiv die Regelung den Einbruch des Spannungsniveaus verhindern kann und wie schnell die Ausgangsspannung bei einem Spannungseinbruch wieder auf einen Sollwert eingeregelt wird.
Es ist die Aufgabe der Erfindung, eine Regelung für eine Gleichspannungswandlereinheit bereitzustellen, um Einregelvoraussetzungen für eine Ausgangsspannung der Gleichspannungswandlereinheit einzuhalten.
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 auf der Erkenntnis, dass die Einregelvoraussetzungen effektiv eingehalten werden können, wenn die nicht-lineare Spannungsregelung nach dem Prinzip der Gleitzustandsregelung, wie sie beispielhaft aus dem Stand der Technik bekannt ist, zusätzlich um eine Stromregelung ergänzt wird. Dabei kann die Stromregelung in einer Rückführung der Spannungsregelung eingesetzt werden. Dadurch ist es im Vergleich zu einer einfachen Gleitzustandsregelung möglich, bei Spannungseinbrüchen die Abweichung der Ausgangsspannung von dem Sollwert und somit Spannungsspitzen oder Spannungsausschläge zu reduzieren. Zudem kann dadurch auch eine Einschwingzeit der Ausgangsspannung bis zum Erreichen des Sollwerts effektiv verkürzt werden.
Um das zu realisieren, wird in der Erfindung folgendes Verfahren zum Regeln oder Einstellen der Ausgangsspannung der Gleichspannungswandlereinheit vorgesehen. Zunächst wird zum Regeln der Ausgangsspannung abhängig von einem vorgegebenen Abweichwert mittels einer nicht-linearen Spannungsregelung nach dem Prinzip der vorgenannten Gleitzustandsregelung ein Einstellwert vorgegeben. Mit dem Einstellwert wird dabei ein Tastverhältnis einer zur Wandlung oder Umsetzung eingesetzten Schalteranordnung der Gleichspannungswandlereinheit eingestellt und dadurch die Ausgangsspannung der Gleichspannungswandlereinheit auf eine vorgegebene Referenzspannung, also den vorgenannten Sollwert, geregelt. Um den Einstellwert vorzugeben, wird in der erfindungsgemäßen Regelung ein von dem eingestellten Tastverhältnis abhängiger Filterstrom an einer elektrischen Filterschaltung der Gleichspannungswandlereinheit, die zur Filterung der Ausgangsspannung dient, abgegriffen. Aus dem Filterstrom wird anschließend in einer Rückführung der nicht-linearen Spannungsregelung mittels einer Stromregelung ein Regelwert bestimmt. Bei dem Regelwert handelt es sich insbesondere um einen Spannungswert, der mit dem Filterstrom abhängig von der Wandlertopologie der Gleichspannungswandlereinheit korrespondiert. Der Regelwert kann somit auch als Filterspannung bezeichnet werden. Abhängig von dem Regelwert wird schließlich unter Berücksichtigung eines Vergleichs der vorgegebenen Referenzspannung mit der Ausgangsspannung der Abweichwert als Eingangsgröße für die nicht-lineare Spannungsregelung vorgegeben. Das heißt, der Regelwert wird zum Beispiel mit einer Regelabweichung, die aus einer Differenz der vorgegebenen Referenzspannung und der Ausgangsspannung gebildet wird, berechnet und zum Vorgeben des Abweichwerts genutzt.
Anders ausgedrückt basiert das Regelungsprinzip der vorgenannten Regelung auf einer nicht-linearen spannungsgeregelten Gleitzustandsregelung, die um eine Stromregelung in der Rückführung, also in einem Feedbackpfad der Gleitzustandsregelung, ergänzt ist. Durch die zusätzliche Stromregelung in der Rückführung der Gleitzustandsregelung ergibt sich der Vorteil, dass die vorgenannten Einregelvoraussetzungen für die Ausgangsspannung der Gleichspannungswandlereinheit effektiv eingehalten werden können. Zudem ist es dadurch möglich, eine Gleitzustandsregelung, die auf einer Spannungsregelung basiert, um eine Stromregelung zu ergänzen, ohne ein instabiles Regelverhalten der Gleitzustandsregelung zu provozieren. Bei der Gleitzustandsregelung ist nämlich eine sogenannte Existenzbedingung (Existence Condition) einzuhalten, damit eine Ausgangsgröße bei der Gleitzustandsregelung auf einen gewünschten Gleitzustandswert auf einer sogenannten Gleitfläche (Sliding Surface) eingeregelt werden kann. Wie eine solche Gleitzustandsregelung beispielhaft umgesetzt sein kann, wird später anhand der Figuren noch näher erläutert.
Die vorgenannte Schalteranordnung wird in einer Gleichspannungswandlereinheit üblicherweise eingesetzt, um abhängig von der bereitgestellten Eingangsspannung das Spannungsniveau der Ausgangsspannung einzustellen. Dabei umfasst die Schalteranordnung in der Regel einen oder mehrere geeignet verschaltete elektronische Schalter wie zum Beispiel Halbleiterschalter. Diese werden für die Spannungswandlung üblicherweise in einem Schaltbetrieb betrieben. 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 eingeschalteten und dem ausgeschalteten Teilzustand vor. Um das Taktmuster und somit das Tastverhältnis einzustellen, wird der Einstellwert genutzt. Der Einstellwert kann dabei zum Beispiel ein Wert sein, der das Tastverhältnis direkt festlegt oder indirekt einen das Tastverhältnis betreffenden Wert vorgibt.
Die vorgenannte Filterschaltung wird zur Filterung oder Glättung der gewandelten Eingangsspannung zum Bereitstellen der Ausgangsspannung eingesetzt. Diese kann als filternde Bauelemente zum Beispiel eine oder mehrere elektrische Induktivitäten und/oder elektrische Kapazitäten umfassen, die in geeigneter Weise miteinander verschaltet sind. Zum Beispiel kann die Filterschaltung als elektrischer Tiefpass ausgebildet sein.
Zu der Erfindung gehören auch Ausführungsformen, auf die im Folgenden näher eingegangen wird.
In einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass der Regelwert mittels der Stromregelung zum Berücksichtigen einer erlaubten Betriebsgrenze der Gleichspannungswandlereinheit nach einer vorbestimmten Begrenzungsvorschrift abhängig von dem Filterstrom begrenzt wird. Dabei wird für den Filterstrom, insbesondere einen Wertebereich des Filterstroms, ein Totzeitintervall vorgegeben und der Regelwert wird gemäß der Begrenzungsvorschrift auf den Wert Null eingestellt, wenn der abgegriffene Filterstrom einen Wert aufweist, der in dem Totzeitintervall liegt.
Anders ausgedrückt ist durch die Begrenzungsvorschrift eine Totzonenbegrenzung des Regelwerts realisiert. Dadurch kann ein sogenannter Windup-Effekt des Regelwerts für die Stromregelung vermieden werden. Mit „Windup“ ist dabei gemeint, dass ein Wertebereich, den der Abweichwert einnehmen kann, auf die erlaubten Betriebsgrenzen der Gleichspannungswandlereinheit begrenzt wird. Es wird also vermieden, dass der Regelwert aufgrund der Übertragungsfunktion der Stromregelung immer weiter ansteigt, obwohl die Betriebsgrenze der Gleichspannungswandlereinheit bereits erreicht oder überschritten ist. Bei der Betriebsgrenze kann es sich beispielsweise um einen Betrag des Filterstroms handeln, den der Filterstrom höchstens einnehmen darf, damit die Gleichspannungswandlereinheit noch betrieben werden kann. Eine solche Betriebsgrenze kann beispielsweise von einem Hersteller der Gleichspannungswandlereinheit vorgegeben sein.
Durch das Totzonenintervall wird der Ausgang der Spannungsregelung, also der Regelwert, immer dann auf den Wert null gesetzt, wenn der Filterstrom innerhalb des Totzonenintervalls liegt. Damit ist die Stromregelung beispielsweise deaktiviert, wenn der Filterstrom innerhalb des Totzonenintervalls liegt. Außerhalb des Totzonenintervalls kann die Zuordnung des Regelwerks zu dem Filterstrom gemäß einer Übertragungsfunktion der Stromregelung erfolgen. Zum Beispiel kann sich außerhalb des Totzonenintervalls eine lineare oder proportionale Abhängigkeit des Regelwerts von dem Filterstrom ergeben.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung kann die Stromregelung beispielsweise auf einer proportional integrativen Übertragungsfunktion basieren. Dazu ist vorgesehen, dass für die Stromregelung ein stetiger oder linearer Stromregler mit wenigstens einem Proportionalglied (P-Glied) und wenigstens einem Integrierglied (I-Glied) nachgebildet wird. Das P-Glied und das I-Glied können zum Beispiel in Parallelstruktur miteinander verschaltet sein. Zum Umsetzen der vorgenannten Begrenzungsvorschrift kann zusätzlich noch ein Begrenzungsglied vorgesehen sein. Das Begrenzungsglied ist zum Beispiel in Serienstruktur an die Parallelstruktur aus P-Glied und I-Glied angeschlossen.
In der folgenden Ausführungsform geht es nun darum, wie ein Regelkreis zum Regeln der Ausgangsspannung nachgebildet sein kann. Dazu werden in einem Hauptpfad oder einer Hinführung des Regelkreises für die nicht-lineare Spannungsregelung ein zur Gleitzustandsregelung ausgebildeter Spannungsregler und eine vorbestimmte Regelstrecke bereitgestellt. Dem Spannungsregler wird der Abweichwert als Eingangsgröße zum Bestimmen des Einstellwerts als Ausgangsgröße vorgegeben. Der Einstellwert bildet somit die Stellgröße des Regelkreises. Mit dem Einstellwert wird dann die vorbestimmte Regelstrecke beaufschlagt, um abhängig von einer Übertragungsfunktion der Regelstrecke einerseits die Ausgangsspannung als eine erste Regelgröße und andererseits den Filterstrom als eine zweite Regelgröße zu regeln. Dazu kann die vorbestimmte Regelstrecke zum Beispiel in zwei Teilregelstrecken eingeteilt sein. Mittels der ersten Teilregelstrecke wird zum Beispiel abhängig von dem Einstellwert der Filterstrom eingestellt und als Eingangsgröße an die zweite Teilregelstrecke bereitgestellt. Mittels der zweiten Teilregelstrecke wird abhängig von dem Filterstrom wiederum die Ausgangsspannung eingestellt.
Um nun den Abweichwert als Eingangsgröße für den nicht-linearen Spannungsregler zu bilden, werden in dem Regelkreis zwei Rückführungspfade bereitgestellt. In einem ersten Rückführungspfad, also einer ersten Rückführung, wird die Ausgangsspannung zurückgeführt und daraus mit der vorgegebenen Referenzspannung eine erste Regelabweichung gebildet. In einem zweiten Rückführungspfad, also einer zweiten Rückführung, wird für die Stromregelung ein Stromregler bereitgestellt, dem der Filterstrom als Eingangsgröße zum Bestimmen des Regelwerts als Ausgangsgröße vorgegeben wird. Bei dem zweiten Rückführungspfad kann es sich somit um die vorgenannte Rückführung für den Filterstrom handeln. Aus dem Regelwert und der ersten Regelabweichung wird schließlich der Abweichwert als eine zweite Regelabweichung gebildet und als die Eingangsgröße für den Spannungsregler bereitgestellt.
Die Eingangsgröße für den Spannungsregler wird durch die doppelte Rückführung somit in zwei Schritten gebildet. Zunächst wird, wie bei einem Regler üblich, die erste Regelabweichung als Differenz der vorgegebenen Referenzspannung und der Ausgangsspannung gebildet. Danach wird aus einer Differenz des Regelwerts mit der ersten Regelabweichung die zweite Regelabweichung gebildet, die dann als Regelabweichung für den Spannungsregler genutzt wird.
In einer weiteren Ausführungsform ist vorgesehen, dass für die Gleichspannungswandlereinheit eine Wandlertopologie mit galvanischer Trennung bereitgestellt wird. Der Wandler kann somit zur Energieübertragung als eine Energieübertragungsanordnung zum Beispiel einem Transformator umfassen. Hierdurch ergibt sich der Vorteil, dass mittels des Wandlers elektrische Energie zwischen Netzen mit unterschiedlichen Bezugspotentialen übertragen werden kann.
In einer weiteren Ausführungsform wird die Gleichspannungswandlereinheit in einem Bordnetz für ein Kraftfahrzeug betrieben. Das Bordnetz umfasst dabei ein Hochvoltteilnetz und ein Niedervoltteilnetz und die Gleichspannungswandlereinheit wird zum Wandeln von elektrischer Energie zwischen dem Hochvoltteilnetz und dem Niedervoltteilnetz eingesetzt.
Mit „zwischen“ ist insbesondere gemeint, dass die Gleichspannungswandlung in beide Richtungen, also bidirektional, erfolgen kann. Das heißt, es kann als Eingangsspannung eine Gleichspannung aus dem Hochvoltteilnetz erfasst und mittels der Gleichspannungswandlereinheit in eine als Gleichspannung ausgebildete Ausgangsspannung für das Niedervoltnetz gewandelt werden und umgekehrt. Das Hochvoltteilnetz und das Niedervoltteilnetz können somit zum Beispiel unterschiedliche Bezugspotentiale bereitstellen. So kann eine Nennspannung in dem Hochvoltteilnetz zum Beispiel 400 Volt betragen, während eine Nennspannung in dem Niedervoltteilnetz zum Beispiel 12 Volt betragen kann. Es sind auch andere Nennspannungswerte für die beiden Teilnetze denkbar. Mit Hochvolt im Sinne der Erfindung können zum Beispiel Nennspannungen von etwa 60 Volt bis etwa 1,5 Kilovolt umfasst sein, mit Niedervolt können zum Beispiel Gleichspannungen bis etwa 60 Volt umfasst sein.
Zum Bereitstellen der Nennspannung kann in dem Hochvoltteilnetz zum Beispiel eine Hochvoltbatterie des Kraftfahrzeugs angeordnet sein. In dem Niedervoltteilnetz können beispielsweise dynamische elektromechanische Verbraucher angeschlossen sein. Bei den Verbrauchern kann es sich beispielsweise um eine Vorrichtung zur Wankstabilisierung oder eine Bremsanlage zum Betrieb einer elektromechanischen Bremse handeln. Diese können über den Wandler mit elektrischer Energie aus dem Hochvollteilnetz versorgt werden.
Für bestimmte Anwendungen, wie beispielsweise für eine skalierbare und/oder effiziente Energieversorgung, können in dem Bordnetz beispielweise mehrere, das heißt zwei oder mehr solcher Gleichspannungswandlereinheiten in einer elektrischen Parallelschaltung zusammengeschaltet betrieben werden. Bei einer derartigen Verschaltung sind bei dem Regeln der Ausgangsspannung des jeweiligen Wandlers sogenannte Kreisströme zwischen den Wandlern zu vermeiden. Solche Kreisströme stellen sich insbesondere ein, wenn die parallelgeschalteten Wandler alle auf eine gleiche Ausgangsspannung eingeregelt werden, obwohl die dynamischen Verbraucher eine unterschiedliche elektrische Belastung auf den jeweiligen Wandler ausüben. Dadurch kann es zu Energieverlusten im Bordnetz kommen.
Um zu vermeiden, dass sich zwischen den parallelgeschalteten Wandlern die Kreisströme einstellen, kann für jeden der Wandler eine individuelle Ausgangsspannung eingeregelt werden. Dazu ist in einer weiteren Ausführungsform der Erfindung vorgesehen, dass die Gleichspannungswandlereinheit als eine von mehreren elektrisch parallel an das Bordnetz geschalteten Gleichspannungswandlereinheiten einer Gleichspannungswandlervorrichtung betrieben wird. Die Gleichspannungswandlereinheiten werden dabei in einer sogenannten Master-Slave-Konfiguration betrieben. Das heißt, genau eine der Gleichspannungswandlereinheiten wird als Masterwandler zum Einstellen der Ausgangsspannung nach der zuvor beschriebenen nicht-linearen Spannungsregelung mit der integrierten Stromregelung betrieben. Die übrigen Gleichspannungswandlereinheiten werden hingegen als Slavewandler betrieben. Dabei wird zum Regeln der Ausgangsspannung die vorgenannte Regelung um eine Vorkonditionierungsfunktion erweitert. Durch die Vorkonditionierungsfunktion wird gemäß einer vorbestimmten Berechnungsvorschrift in Abhängigkeit von der Ausgangsspannung des jeweiligen Slavewandlers und einer von dem Masterwandler vorgegebenen Masterreferenzspannung einerseits die vorgegebene Referenzspannung für den jeweiligen Slavewandler 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 zum Beispiel von dem Masterwandler an alle Slavewandler übermittelt und ist somit für alle Slavewandler gleich. Zudem wird dadurch der Betriebsmodus des jeweiligen Slavewandlers vorgegeben. Das heißt, es wird festgelegt, ob der jeweilige Slavewandler in einem sogenannten Buck-Modus, also einem Abwärtswandelbetrieb, oder einem sogenannten Boost-Modus, also einem Aufwärtswandelbetrieb, betrieben wird, oder ob der jeweilige Wandler deaktiviert ist.
Hierdurch ergibt sich der Vorteil, dass nur noch die Masterreferenzspannung über eine Datenleitung von dem Masterwandler an die Slavewandler übertragen werden braucht. Eine Überlastung der Datenleitung und dadurch eine verzögerte Reaktionszeit auf Spannungseinbrüche, die zu einer instabilen Regelung führen könnten, können somit effektiv vermieden werden.
In einer weiteren Ausführungsform ist zum Vorgeben des Betriebsmodus des jeweiligen Slavewandlers vorgesehen, dass mittels der Vorkonditionierungsfunktion ein erster Stromgrenzwert und ein zweiter Stromgrenzwert für den Filterstrom des jeweiligen Slavewandlers vorgegeben werden. Die beiden Stromgrenzwerte bilden dabei Intervallgrenzen für das vorgenannte Totzonenintervall. Hierdurch ergibt sich der Vorteil, dass das Totzonenintervall für den jeweiligen Slavewandler abhängig von den vorgegebenen Stromgrenzwerten dynamisch an eine aktuell benötigte Wandlerleistung des jeweiligen Wandlers angepasst werden kann. So können die Slavewandler zum Beispiel abhängig von einer aktuellen elektrischen Belastung durch den jeweils angeschlossenen Verbraucher individuell aktiviert oder deaktiviert werden.
Im Folgenden ist nun die vorgenannte Berechnungsvorschrift näher beschrieben. Dazu ist in einer weiteren Ausführungsform der Erfindung vorgesehen, dass gemäß der Berechnungsvorschrift die Referenzspannung des jeweiligen Slavewandlers als die Masterreferenzspannung vorgegeben wird und zusätzlich die beiden Stromgrenzwerte jeweils zu Null eingestellt werden, wenn die Ausgangsspannung des jeweiligen Slavewandlers größer oder gleich einem Untergrenzwert aus einer Differenz der Masterreferenzspannung und einem vorgegebenen ersten Schwellenwert ist und zusätzlich die Ausgangsspannung des jeweiligen Slavewandlers kleiner oder gleich einem Obergrenzwert aus einer Summe der Masterreferenzspannung und dem vorgegebenen ersten Schwellenwert ist.
Alternativ dazu wird die Referenzspannung des jeweiligen Slavewandlers als eine Differenzspannung aus einer Differenz der Masterreferenzspannung und einem vorgegebenen zweiten Schwellenwert vorgegeben und zudem der erste Stromgrenzwert zu Null eingestellt und der zweite Stromgrenzwert als ein vorgegebener Maximalwert größer Null eingestellt, wenn die Ausgangsspannung des jeweiligen Slavewandlers kleiner ist als der vorgenannte Untergrenzwert.
Alternativ dazu wird die Referenzspannung des jeweiligen Slavewandlers als eine Summenspannung aus einer Summe der Masterreferenzspannung und dem vorgegebenen zweiten Schwellenwert vorgegeben und der erste Stromgrenzwert als ein vorgegebener Minimalwert kleiner Null eingestellt und der zweite Stromgrenzwert zu Null eingestellt, wenn die Ausgangsspannung des jeweiligen Slavewandlers größer ist als der vorgenannte Obergrenzwert.
Dabei werden der vorgegebene erste Schwellenwert und der vorgegebene zweite Schwellenwert derart gewählt, dass der vorgegebene zweite Schwellenwert größer ist als der vorgegebene erste Schwellenwert und beide Werte größer sind als Null.
Somit sind durch die Berechnungsvorschrift drei Betriebsbereiche für den jeweiligen Slavewandler vorgegeben. Ist die gemessene Ausgangsspannung somit um den vorgegebenen ersten Schwellenwert kleiner als die Masterreferenzspannung, wird der jeweilige Slavewandler aufgrund der Wahl des Maximalwerts größer Null im Abwärtswandelbetrieb oder Abwärtswandelmodus betrieben. Dadurch, dass für den Maximalwert ein Wert größer Null gewählt ist, wird der jeweilige Slavewandler somit im sogenannten Abwärtswandelbetrieb betrieben. Dadurch, dass ein Wert des Minimalwerts kleiner als Null gewählt ist, wird der jeweilige Slavewandler somit im Aufwärtswandelbetrieb betrieben.
Der erste und zweite Schwellenwert können in Abhängigkeit von der jeweiligen Wandlertopologie vorgegeben sein. Die Werte können beispielsweise experimentell, also durch Versuche, für die jeweilige Wandlertopologie individuell festgelegt werden.
Die Erfindung betrifft auch eine Recheneinrichtung zum Regeln der Ausgangsspannung der Gleichspannungswandlereinheit, wie sie zuvor beschrieben wurde. Bei der Recheneinrichtung kann es sich beispielsweise um einen Mikrocontroller handeln. Der zuvor beschriebene Regelkreis und/oder der Spannungsregler und/oder der Stromregler können somit mittels der Recheneinrichtung nachgebildet werden. Die Umsetzung kann beispielsweise mittels Software, also Programmcode, umgesetzt sein. Zusätzlich oder alternativ ist beispielsweise die Umsetzung in einer elektronischen Schaltung mit elektronischen Bauteilen, wie beispielsweise Operationsverstärkern, denkbar.
Von der Erfindung können auch ein Kraftfahrzeug mit einem Bordnetz, wie es zuvor beschrieben wurde, und eine Recheneinrichtung, wie sie zuvor beschrieben wurde, umfasst sein.
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 einer Prinzipschaltung eines Gleichspannungswandlers;
2 eine schematische Darstellung eines Regelkreises zum Regeln einer Ausgangsspannung des Gleichspannungswandlers;
3 eine schematische Darstellung einer beispielhaften Reglertopologie eines Stromreglers, der in dem Regelkreis für eine Stromregelung eingesetzt wird;
4 eine schematische Darstellung einer beispielhaften Reglertopologie eines Spannungsreglers, der in dem Regelkreis für eine Spannungsregelung eingesetzt wird; und
5 eine schematische Darstellung einer Erweiterung des Regelkreises gemäß 2, zum Regeln einer jeweiligen Ausgangsspannung für mehrere parallelgeschaltete Gleichspannungswandler.

In den Figuren sind gleiche und funktionsgleiche Elemente mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
Anhand der Figuren soll im Folgenden erläutert werden, wie eine stabile und zuverlässige Regelung einer Ausgangsspannung u, die von einer Gleichspannungswandlereinheit (DC/DC-Konverter) bereitgestellt wird, realisiert werden kann. In den Figuren ist die Regelung beispielhaft am Anwendungsfall eines Wandlers G als Gleichspannungswandlereinheit dargestellt, der in einem Bordnetz eines Kraftfahrzeugs zur Wandlung von elektrischer Energie zwischen einem Hochvoltteilnetz und einem Niedervoltteilnetz des Bordnetzes eingesetzt sein kann.
1 zeigt dazu eine schematische Prinzipschaltung, also einen Schaltplan des Wandlers G. Der Wandler weist G einen Eingangsanschluss A1 auf, an den das Hochvoltteilnetz angeschlossen sein kann. Weiterhin weist der Wandler G einen Ausgangsanschluss A2 auf, an den das Niedervoltteilnetz angeschlossen sein kann. Über den Eingangsanschluss A1 kann das Hochvoltteilnetz dem Wandler G eine Eingangsspannung Vin bereitstellen. Die Eingangsspannung Vin ist eine elektrische Gleichspannung und kann zum Beispiel 400 V betragen. Mittels des Wandlers G kann die Eingangsspannung Vin in die Ausgangsspannung u gewandelt werden. Natürlich ist abhängig von der Wandlertopologie auch eine Wandlung in umgekehrter Richtung möglich. Dabei ist die Ausgangsspannung u ebenfalls eine Gleichspannung, welche abhängig von der Wandlertopologie ein höheres, niedrigeres oder inverses Spannungsniveau zu der Eingangsspannung Vin aufweisen kann. Vorliegend kann für die Ausgangsspannung u zum Beispiel ein Sollwert von 12 V vorgesehen sein. Die Ausgangsspannung u kann über den Ausgangsanschluss A2 an den Niedervoltteilnetz zum Versorgen von einem oder mehreren elektromechanischen Verbrauchern bereitgestellt werden.
In 1 ist die Wandlertopologie Wandlers G beispielhaft als die eines Vollbrückenflusswandlers (Phase-Shifted Full Bridge Converter) dargestellt. Eine solche Wandlertopologie weist als Energieübertragungsanordnung einen Transformator T auf und stellt somit eine galvanische Trennung für die beiden Teilnetze bereit. Das kann zum Beispiel notwendig sein, wenn die Teilnetze, wie vorliegend unterschiedliche Bezugspotentiale GND1, GND2 aufweisen. Durch den Transformator T ist der Wandler G somit in eine Primärseite T1, die auf das Bezugspotential GND1 des Hochvoltteilnetzes eingestellt ist, und eine Sekundärseite T2, die auf das Bezugspotential GND2 des Niedervoltteilnetzes eingestellt ist, aufgeteilt.
Auf der Primärseite T2 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 T2 ist eine Sekundärwicklung des Transformators T in zwei Wicklungsabschnitte aufgeteilt. Es ergibt sich dadurch eine sogenannte Mittelpunktschaltung der Sekundärseite T2. 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. 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 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 1 ein weiterer elektrischen Widerstand Rc, eingezeichnet. Der Widerstand Rc symbolisiert dabei lediglich einen sogenannten parasitären Widerstand der Filterkapazität Co.
Um die Ausgangsspannung u über den Ausgangsanschluss A2 bereitzustellen, wird der Wandler G gemäß einem vorbestimmten Regelungsprinzip betrieben. In dem Regelungsprinzip geht es darum, eine Schalteranordnung Q des Wandlers G mit einem Einstellwert d anzusteuern. Diese Schalteranordnung Q ist vorliegend durch die Schaltelemente Q1, Q2, Q3, Q4, Q5 und Q6 ausgebildet. Die Schaltelemente Q1 bis Q6 sind dabei als elektronische Schalter oder Halbleiterschalter ausgebildet. Als Halbleiterschalter können zum Beispiel Feldeffekttransistoren, Bipolartransistoren, Dioden, Thyristoren und/oder Halbleiterrelais eingesetzt werden. In 1 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 Schaltungsanordnung 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 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 das Schaltelement möglich ist. Das Tastverhältnis wird somit von dem Einstellwert d vorgegeben.
In bestimmten Betriebssituationen des Wandlers G kann es zu Schwankungen in der Ausgangsspannung u kommen. Eine derartige Betriebssituation liegt beispielsweise vor, wenn in dem Niedervoltteilnetz Verbraucher mit dynamischen Lastanforderungen betrieben werden. Ein dynamischer Verbraucher kann beispielsweise eine Vorrichtung zur Wankstabilisierung und/oder eine elektromechanische Bremse, die zur ESP-Kontrolle eingesetzt wird, sein. Mit dynamisch ist gemeint, dass diese Verbraucher den Wandler G zeitlich variabel elektrisch belasten und dadurch der Wandler am Ausgangsanschluss A2 mit einem nicht-linearen Laststrom i beaufschlagt wird. Dadurch kann es zu Spannungsschwankungen oder Spannungseinbrüchen der Ausgangsspannung u kommen.
In dem Regelungsprinzip zur Regelung der Ausgangsspannung u sind solche Spannungseinbrüche aufgrund von Laständerungen nun zu berücksichtigen und nach vorbestimmten Einstellvorgaben auszugleichen. Dabei geht es darum, die Ausgangsspannung u bei Spannungseinbrüchen gezielt auf eine vorgegebene Referenzspannung uref, also beispielsweise den gewünschten Sollwert, einzuregeln. Durch die Einstellvorgaben kann beispielsweise eine Zeitkonstante vorgegeben sein, die angibt, wie lange die Regelung höchstens brauchen darf, um bei einem Spannungseinbruch die Ausgangsspannung u auf die Referenzspannung uref einzustellen. Es kann beispielsweise auch eine maximale Amplitude für die Ausgangsspannung u vorgegeben sein, die begrenzt, um welchen Betrag die Ausgangsspannung u höchstens von der Referenzspannung uref abweichen darf.
Zum Umsetzen des Regelungsprinzips für die Regelung der Ausgangsspannung u zeigt 2 eine schematische Darstellung eines Regelkreises RK. Beispielsweise kann der Regelkreis RK gemäß 2 mittels Software (Programmcode, Datenprogramm) in einem Mikrocontroller umgesetzt sein. Zusätzlich oder alternativ können elektronische Schaltungen, zum Beispiel eine Operationsverstärkerschaltung, eingesetzt werden, um den Regelkreis RK nachzubilden. Der Regelkreis RK basiert dabei auf einer nicht-linearen Spannungsregelung, in deren Rückführung eine lineare Stromregelung ergänzt ist. Für die nicht-lineare Spannungsregelung wird dabei ein Spannungsregler Cu(s) eingesetzt. Eine Reglertopologie des Spannungsreglers wird später anhand von 4 noch näher erläutert.
Um die Ausgangsspannung u einzuregeln, wird dem Spannungsregler Cu(s) in dem Regelkreis RK zunächst ein Abweichwert ea als eine Regelabweichung bereitgestellt. Abhängig von der Reglertopologie, durch die ein Übertragungsverhalten des Spannungsregler Cu(s) festgelegt ist, wird mittels des Spannungsreglers Cu(s) der vorgenannte Einstellwert d als eine Stellgröße des Regelkreises RK bestimmt. Der Einstellwert d wird danach an eine vorbestimmte Regelstrecke Gu,d(s) bereitgestellt. Abhängig von der Übertragungsfunktion der Regelstrecke Gu,d(s) werden in dem Regelkreis RK dabei zwei Regelgrößen, nämlich die Ausgangsspannung u als erste Regelgröße und der Filterstrom iL als zweite Regelgröße eingestellt. Dazu ist die Regelstrecke Gu,d(s), wie in 2 gezeigt, 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 wiederum als Eingangsgröße an die zweite der beiden Teilregelstrecken Gu,iL(s) bereitgestellt. Die zweite der beiden Teilregelstrecken Gu,iL(s) stellt wiederum abhängig von ihrer Übertragungsfunktion unter Berücksichtigung des Filterstroms iL die Ausgangsspannung u als Ausgangsgröße, also die erste Regelgröße, bereit. Die jeweilige Übertragungsfunktion oder Transferfunktion der Regelstrecke Gu,d(s) und somit auch der beiden Teilregelstrecken GiL,d(s) und Gu,iL(s) ergibt sich dabei abhängig von der Wandlertopologie des Wandlers G. Auf eine konkrete Ausgestaltung der Übertragungsfunktionen wird später noch näher eingegangen.
Um nun den Abweichwert ea als Eingangsgröße für den Spannungsregler Cu(s) zu bilden, sind in dem Regelkreis RK zwei Rückführungspfade vorgesehen. In dem ersten Rückführungspfad wird die Ausgangsspannung u der Regelstrecke Gu,d(s) an den Eingang des Spannungsreglers Cu(s) zurückgeführt und dabei mit der vorgegebenen Referenzspannung uref eine erste Regelabweichung eu gebildet. Bei der Referenzspannung uref handelt es sich dabei um den Sollwert, also die Führungsgröße, auf die die Ausgangsspannung u eingestellt werden soll. Die erste Regelabweichung eu wird, wie in 2 gezeigt, aus der Differenz der Referenzspannung und der Ausgangsspannung u gebildet.
In dem zweiten Rückführungspfad wird der Filterstrom iL in Richtung des Eingangs des Spannungsreglers Cu(s) zurückgeführt. Dabei ist in dem zweiten Rückführungspfad für die vorgenannte Stromregelung ein Stromregler Ci(s) integriert. Dem Stromregler Ci(s) wird der Filterstrom iL als Eingangsgröße zum Bestimmen eines Regelwerts y als Ausgangsgröße vorgegeben. Die Zuordnung des Filterstroms iL zu dem Regelwert y erfolgt dabei abhängig von einer Reglertopologie von einem Übertragungsverhalten des Stromreglers Ci(s). Ein Beispiel für eine Reglertopologie des Stromreglers Ci(s), durch welche das Übertragungsverhalten vorgegeben sein kann, wird im Zusammenhang mit 3 noch näher beschrieben. Der Regelwert y wird schließlich mit der ersten Regelabweichung verrechnet und dadurch der Abweichwert ea als eine zweite Regelabweichung des Regelkreises RK und gleichzeitig als Eingangsgröße für den Spannungsregler Cu(s) gebildet.
Um systembedingte Zeitverzögerungen nachzubilden, sind in dem Regelkreis RK in 2 noch drei Verzögerungsglieder vorgesehen. Ein erstes Verzögerungsglied E(s) simuliert dabei die Zeitverzögerung, die sich beim Bereitstellen des Einstellwerts D von dem Spannungsregler Cu(s) an die Regelstrecke Gu,d(s) ergeben kann. Ein zweites Verzögerungsglied Mi(s) simuliert die Zeitverzögerung, die sich beim Rückführen des Filterstroms iL beim Bereitstellen an den Stromregler Ci(s) ergibt. Ein drittes Verzögerungsglied Mu(s) simuliert die Zeitverzögerung, die sich beim Rückführen der Ausgangsspannung U zum Bilden der ersten Regelabweichung eu ergibt. Das zweite und dritte Verzögerungsglied Mi(s) und Mu(s) können somit auch als Rückführungsverzögerung bezeichnet werden. Die systembedingte Zeitverzögerung kann zum Beispiel hardwarebedingt sein und sich somit zum Beispiel aufgrund von Messverzögerungen und/oder Berechnungsverzögerungen und/oder Übertragungsverzögerungen von elektrischen Signalen wie etwa der Ausgangsspannung U und dem Filterstrom iL ergeben. Im einfachsten Fall können die Zeitverzögerungsglieder zum Beispiel durch eine elektrische Tiefpassschaltung nachgebildet sein. Das Verzögerungsglied E(s) kann auch als Totzeitglied bezeichnet werden. Um die zeitliche Verzögerung noch besser darzustellen, kann das erste Verzögerungsglied E(s) analytisch als sogenannte Pade Approximation beschrieben werden.
Im Zusammenhang mit der in 1 gezeigten Wandlertopologie des Wandlers G als Vollbrückenflusswandler ergeben sich für die Regelstrecke Gu,d(s) und deren Teilregelstrecken Gil,d(s) und Gu,iL(s) zum Beispiel folgende Übertragungsfunktionen: $G_{u, d} (s) = \frac{u}{d} = \frac{V_{in} Z_{0}}{n Z_{2}} \frac{R_{C} C_{0} s + 1}{L_{f} C_{0} s^{2} + (\frac{L_{f}}{Z_{2}} + Z_{1} C_{0}) s + (\frac{Z_{1}}{Z_{2}} + \frac{Z_{0}^{2}}{Z_{2}^{2}})}$
$G_{i L, d} (s) = \frac{i_{p}}{d} = \frac{V_{in}}{n Z_{2}} \frac{Z_{2} C_{0} s + 1}{L_{f} C_{0} s^{2} + (\frac{L_{f}}{Z_{2}} + Z_{1} C_{0}) s + (\frac{Z_{1}}{Z_{2}} + \frac{Z_{0}^{2}}{Z_{2}^{2}})}$
$G_{u, i L} (s) = \frac{u}{i_{p}} = Z_{0} \frac{R_{C} C_{0} s + 1}{Z_{2} C_{0} s + 1}$
In den obigen Gleichungen ergibt sich Z1 aus $Z_{1} = R_{e q} + R_{s t} + \frac{Z_{0} R_{C}}{Z_{0} + R_{C}}$
und Z2 ergibt sich aus Z₂ = R_C + Z_o, wobei R_st = R_dsONs + R_s und $R_{e q} = \frac{2 L_{k} f s}{n^{2}}$
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.
3 zeigt eine schematische Darstellung einer beispielhaften Reglertopologie des Stromreglers Ci(s). Der Stromregler Ci(s) ist dabei als linearer oder stetiger Regler auf Basis eines sogenannten PI-Reglers ausgebildet. Dazu umfasst der Stromregler Ci(s) ein Proportionalglied P (P-Glied) mit einem proportionalen Übertragungsfaktor kp und ein Integrierglied I (I-Glied) mit einem integrierenden Übertragungsfaktor $\frac{1}{T_{i} s} .$
Die Variable Ti ist eine Nachstellzeit des Stromreglers Ci(s) und kann zum Beispiel aus einer Reaktionszeit des Reglers im Zeitbereich bestimmt werden. Das P-Glied P und das I-Glied I sind in Parallelstruktur angeordnet. Jedes der Glieder P, I stellt somit an einem zugehörigen Ausgang abhängig von dem als Eingangsgröße des Stromreglers Ci(s) bereitgestellten Filterstrom iL und dem jeweiligen Übertragungsfaktor kp, $\frac{1}{T_{i} s} .$
eine jeweilige Ausgangsgröße als Regelobjekte bereit. Die Ausgänge der beiden Glieder P, I sind zusammengeschlossen, wobei sich eine Ausgangsgröße der Parallelstruktur aus einer Summe der Ausgangsgrößen der einzelnen Glieder P, I ergibt.
In Serienstruktur zu der Parallelstruktur ist ein Begrenzungsglied B1 vorgesehen, an welches die Ausgangsgröße der Parallelstruktur als Eingangsgröße bereitgestellt wird. Die Funktion des Begrenzungsglieds B1 besteht darin, abhängig von dem ermittelten Filterstrom iL den Regelwert y zu bestimmen. Dabei wird der Eingangsgröße des Begrenzungsglieds B1 nach einer vorbestimmten Zuordnungsvorschrift ein jeweiliger Wer für den Regelwert y zugeordnet. Die Zuordnungsvorschrift ergibt sich zum Beispiel abhängig von der Wandlertopologie. Vorliegend kann die Zuordnung des Regelwerts y zum Beispiel linear oder proportional abhängig von der Eingangsgröße des Begrenzungsglieds B1 erfolgen.
Um einen sogenannten Windup-Effekt bei der Stromregelung zu vermeiden, ist das Begrenzungsglied B1 in einer Anti-Windup Verschaltung an das I-Glied I der Parallelschaltung angeschlossen. Als Windup-Effekt ist eine Übersteuerung der Stellgröße eines Reglers zu verstehen. Die Übersteuerung tritt zum Beispiel bei Reglern mit integrierender Übertragungsfunktion auf, wenn die durch den Regler bereitgestellte Stellgröße eine erlaubte Betriebsgrenze des Wandlers G betreffend die Regelgröße überschreitet oder unterschreitet. Durch das integrative Übertragungsverhalten des Reglers wird die Stellgröße dann immer weiter erhöht oder verringert, obwohl die Regelgröße durch die Betriebsgrenze eingeschränkt ist. Gemäß der Anti-Windup Verschaltung werden die Eingangsgröße und die Ausgangsgröße des Begrenzungsglieds B1 zusammengeführt und voneinander subtrahiert. Der resultierende Differenzwert wird in einer Rückführung an den Eingang des I-Glieds I der Parallelschaltung zurückgeführt. Die Eingangsgröße für das I-Glied I wird dann aus einer Summe des Differenzwerts und des Filterstroms iL gebildet.
Zudem unterliegt die Zuordnungsvorschrift für die Vermeidung des Windup-Effekts einer vorbestimmten Begrenzungsvorschrift, wodurch sichergestellt werden kann, dass die für die Stromregelung erlaubte Betriebsgrenzen des Wandlers G eingehalten werden. Dazu wird gemäß der Begrenzungsvorschrift für den Filterstrom iL ein Totzonenintervall (Deadzone) vorgegeben. Dadurch wird der Regelwert y zu null eingestellt, wenn der Filterstrom iL einen Wert aufweist, der innerhalb des Totzonenintervalls liegt. Außerhalb des Totzonenintervalls erfolgt die Zuordnung abhängig von der Wandlertopologie gemäß der Zuordnungsvorschrift zum Beispiel linear. Das Totzonenintervall kann durch Stromgrenzwerte imin, imax vorgegeben sein, die somit Intervallgrenzen für das Totzonenintervall bilden. Die Stromgrenzwerte imin, imax können beispielsweise von einem Hersteller des Wandlers G als Betriebsgrenzen für eine maximal erlaubte Strombelastung vorgegeben sein, mit der der Wandler G noch betrieben werden darf.
Durch die in 3 gezeigt Reglertopologie kann von dem Stromregler Ci(s) somit eine lineare Stromregelung mit einer Deadzone-Anti-Windup Begrenzung des Abweichwerts bereitgestellt werden.
4 zeigt eine schematische Darstellung einer beispielhaften Reglertopologie des Spannungsreglers Cu(s). Der Spannungsreglers Cu(s) ist als ein nicht-linearer Regler umgesetzt, der nach dem Prinzip einer sogenannten Gleitzustandsregelung (Sliding-Mode-Control) betrieben wird. Bei der Gleitzustandsregelung wird die gewünschte Ausgangsgröße, vorliegend also der Einstellwert d, aus einem oszillierenden Signalanteil und einem konstanten Signalanteil zusammengesetzt. Der oszillierende Signalanteil wird dabei als Ausgangsgröße eines Schaltanteils des Spannungsreglers Cu(s), im Folgenden als Schaltregler usw bezeichnet, bereitgestellt. Der konstante Signalanteil wird als Ausgangsgröße eines Konstantanteils des Spannungsreglers Cu(s), im Folgenden als Konstantregler ueq bezeichnet, bereitgestellt.
In 4 ist gezeigt, wie die entsprechende Reglertopologie des Spannungsreglers Cu(s) dazu realisiert sein kann. Dabei basiert der Spannungsregler Cu(s) auf einem sogenannten PID-Regler. Das heißt, der Spannungsregler Cu(s) umfasst ein Proportionalglied P (P-Glied) mit einem proportionalen Übertragungsfaktor 1, ein Differenzierglied D (D-Glied) mit einem Übertragungsfaktor s und ein erstes Integrierglied I (I-Glied) mit einem Übertragungsfaktor $\frac{1}{s} .$
Das P-Glied P, das D-Glied D und das erste I-Glied I sind in einer Parallelstruktur angeordnet. Jedes der Glieder P, I, D stellt somit an einem zugehörigen Ausgang abhängig von dem als Eingangsgröße des Spannungsreglers Cu(s) bereitgestellten Abweichwerts ea und dem jeweiligen Übertragungsfaktor 1, s, $\frac{1}{s}$
eine jeweilige Ausgangsgröße als Regelobjekte e1, e2, e3 bereit.
Die Parallelstruktur ist um ein zweites I-Glied I mit einem Übertragungsfaktor $\frac{1}{s}$
ergänzt. Das zweite I-Glied I ist an den Ausgang des ersten I-Glieds I angeschlossen. Somit wird die Ausgangsgröße e3 dem zweiten I-Glied I als Eingangsgröße bereitgestellt, welches daraus anhängig von dem Übertragungsfaktor $\frac{1}{s}$
eine Ausgangsgröße als Regelobjekt e4 bereitstellt. Die Regelobjekte e1 bis e4 ergeben sich vorliegend somit beispielsweise wie folgt: $e_{1} = u_{r e f} - u$
$e_{2} = {\dot{e}}_{1} = - \frac{1}{C_{0}} L_{f} + \frac{1}{Z_{0} C_{0}} u$
$e_{3} = \int e_{1} d t = \int (u_{ref} - u) d t$
$e_{4} = \int \int e_{1} d t d t = \int \int (u_{ref} - u) d t d t$
An die Parallelstruktur sind der vorgenannte Konstantregler ueq und der Schaltregler usw angeschlossen. Der Konstantregler ueq umfasst vier in Parallelstruktur angeordnete P-Glieder P, welche einen jeweiligen konstanten Übertragungsfaktor k1, k2, k3, k4 aufweisen. Die Übertragungsfaktoren k1 bis k4 sind abhängig von der Wandlertopologie nach einer vorbestimmten Gestaltungsvorschrift ausgewählt auf die nachfolgend noch näher eingegangen wird. Jedem der P-Glieder wird als Eingangsgröße jeweils eine der Regelobjekte e1 bis e4 zugeführt. Eine jeweilige Ausgangsgröße der P-Glieder P des Konstantreglers ueq ergibt sich unter Anwendung des jeweiligen Übertragungsfaktors k1 bis k4 auf die zugeordnete Eingangsgröße e1 bis e4. Die Ausgänge der vier P-Glieder P des Konstantreglers ueq sind zusammengeschlossen. Eine Ausgangsgröße des Konstantreglers ueq, welche den vorgenannten konstanten Signalanteil xeq der Gleitzustandsregelung vorgibt, ist als Summe der Ausgangsgrößen des Konstantreglers ueq gebildet. Der konstante Signalanteil xeq ergibt sich somit aus x_eq = k₁e₁ + k₂e₂ + k₃u + k₄e₃.
Parallel zu dem Konstantregler ueq ist der Schaltregler usw angeschlossen. Der Schaltregler usw umfasst ebenfalls vier in Parallelstruktur angeordnete P-Glieder P, welche einen jeweiligen konstanten Übertragungsfaktor g1, g2, g3, g4 aufweisen. Die Übertragungsfaktoren g1 bis g4 sind abhängig von der Wandlertopologie nach einer vorbestimmten Gestaltungsvorschrift ausgewählt auf die nachfolgend noch näher eingegangen wird. Jedem der P-Glieder wird als Eingangsgröße jeweils eine der Ausgangsgrößen e1 bis e4 zugeführt. Eine jeweilige Ausgangsgröße der P-Glieder P des Schaltreglers usw ergibt sich unter Anwendung des jeweiligen Übertragungsfaktor g1 bis g4 auf die zugeordnete Eingangsgröße e1 bis e4. Die Ausgänge der vier P-Glieder P des Schaltregler usw sind zusammengeschlossen, sodass eine Summe der Ausgangsgrößen des Konstantreglers ueq eine Ausgangsgröße bilden, die eine sogenannte Gleitfläche x (sliding surface) oder Gleittrajektorie für die Gleitzustandsregelung bilden. Die Gleitfläche x ergibt sich somit aus x = g₁e₁ + g₂e₂ + g₃e₃ + g₄e₄ und wird als Eingangsgröße an ein Vorzeichenglied V des Schaltreglers usw bereitgestellt. Das Vorzeichenglied V weist einen Übertragungsfaktor auf, der sich zu l sign(x) ergibt. Die Variable I ist dabei nach einer vorbestimmten Gestaltungsvorschrift abhängig von der Wandlertopologie so gewählt, dass l > 0. Als Ausgangsgröße des Schaltreglers usw ergibt sich somit der vorgenannte oszillierende Signalanteil xsw zu x_sw = lsign(x).
Für die vorliegende Wandlertopologie können sich die Übertragungsfaktoren k1, k2, k3, k4 und g1, g2, g3, g4 gemäß folgenden Gestaltungsvorschriften ergeben: $k_{1} = \frac{n C_{0} L_{f}}{V_{in}} \frac{25 (1 + 2 b)}{T_{a}^{2}} = \frac{n C_{0} L_{f}}{V_{in}} \frac{g_{3}}{g_{2}}$
$k_{2} = \frac{n C_{0} L_{f}}{V_{in}} (\frac{5 (2 + b)}{T_{a}} - \frac{1}{Z_{0} C_{0}}) = \frac{n C_{0} L_{f}}{V_{in}} (\frac{g_{1}}{g_{2}} - \frac{1}{Z_{0} C_{0}})$
$k_{3} = \frac{n}{V_{in}}$
$k_{4} = \frac{n C_{0} L_{f}}{V_{in}} \frac{125 b}{T_{a}^{3}} = k_{4} = \frac{n C_{0} L_{f}}{V_{in}} \frac{g_{4}}{g_{2}}$
Die Variable Ta beschreibt dabei eine Einstellzeit, die sich abhängig von einer Abklingzeitkonstante τ als T_a = 5τ vorgegeben ist. Die Einstellzeit Ta und die Abklingzeitkonstante τ werden zum Beispiel aus einer Reaktionszeit des Reglers im Zeitbereich bestimmt. Die Variable b ist ein Dämpfungsfaktor, welcher ein Dämpfungsverhalten des Reglers beschreibt. Für die Übertragungsfaktoren k1 bis k4, g1 bis g4 und die Variable I können vorliegend zum Beispiel folgende Werte gewählt sein:

g₁ = 8,06e4; g₂ = 1; g₃ = 1,64e9; g₄ = 4,23e12; k₁ = 0,145; k₂ = 6,37e - 6; k₃ = 0,0625; k₄ = 188; l = 0,0445.

Zum Bilden des Einstellwerts d als Ausgangsgröße des Spannungsreglers Cu(s), werden der oszillierende Signalanteil xsw und der konstante Signalanteil xeq summiert und an ein Begrenzungsglied B2 bereitgestellt. Die Funktion des Begrenzungsglieds B2 besteht darin, abhängig von dem ermittelten Abweichwert ea den Einstellwert d zu bestimmen. Dabei wird der Eingangsgröße des Begrenzungsglieds nach einer vorbestimmten Zuordnungsvorschrift ein jeweiliger Einstellwert zugeordnet. Die Zuordnungsvorschrift ergibt sich zum Beispiel abhängig von der Wandlertopologie. Vorliegend kann die Zuordnung des Einstellwerts d zum Beispiel linear oder proportional abhängig von der Eingangsgröße des Begrenzungsglieds B2 erfolgen.
Um den zuvor beschriebenen Windup-Effekt zu vermeiden, ist das Begrenzungsglied B2 in einer Anti-Windup Verschaltung an das erste I-Glied I der Parallelschaltung angeschlossen. Gemäß der Anti-Windup Verschaltung werden die Eingangsgröße und die Ausgangsgröße des Begrenzungsglieds B2 zusammengeführt und voneinander subtrahiert. Der resultierende Differenzwert wird in einer Rückführung an den Eingang des ersten I-Glieds I der Parallelschaltung zurückgeführt. Die Eingangsgröße für das erste I-Glied I wird dann aus einer Summe des Differenzwerts und dem Abweichwert ea gebildet.
Zudem unterliegt die Zuordnungsvorschrift für die Vermeidung des Windup-Effekts einer vorbestimmten Begrenzungsvorschrift. Gemäß der Begrenzungsvorschrift ist sind ein minimaler und ein maximaler Sättigungswert für den Einstellwert d vorgegeben. Diese begrenzen einen Wert den der Einstellwert d gemäß der Zuordnungsvorschrift höchstens annehmen kann. Würde sich nach der Zuordnungsvorschrift für den Einstellwert d ein Wert größer als der maximale Sättigungswert beziehungsweise kleiner als der minimale Sättigungswert ergeben, wird der Einstellwert d aufgrund der Begrenzungsvorschrift dennoch höchstens auf den maximalen Sättigungswert beziehungsweise auf den minimalen Sättigungswert eingestellt.
Durch die gewählte Verschaltung des Stromregler Ci(s) und des Spannungsreglers Cu(s) in dem Regelkreis RK gemäß 2 und die gewählten Reglertopologien gemäß 3 und 4 kann sichergestellt werden, dass die sogenannte Existenzbedingung (exsistance condition) für den Schaltregler usw erfüllt ist. Nur wenn die Existenzbedingung erfüllt ist, kann nämlich bei einer Gleitzustandsregelung ein stabiler Zustand erreicht werden. Die Existenzbedingung ist erfüllt, wenn xx < 0. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist $x \dot{x} = - g_{2} \frac{n C_{0} L_{f}}{V_{in}} l \times s i g n (x) .$
Wenn x > 0, dann ist auch sign(x) > 0 und somit ist auch das Produkt x sign(x) > 0. Wenn x < 0, dann ist auch sign(x) < 0, wobei sich für das Produkt dann x sign(x) > 0 ergibt. Da die Variablen g2, n, Co, Lf, Vin und I positive Werte aufweisen, ist die Existenzbedingung folglich erfüllt.
Insgesamt ist es somit möglich, die nicht-lineare Spannungsregelung um die Stromregelung in der Rückführung zu ergänzen, ohne den Regelbetrieb zu destabilisieren. Im Vergleich zu einer reinen Gleitzustandsregelung können durch Hinzufügen der Stromregelung zudem für das Einregeln der Ausgangsspannung Einregelvoraussetzungen besser eingehalten werden. Unabhängig davon, ob der Wandler G zum Beispiel in einem Aufwärtswandelbetrieb oder einem Abwärtswandelbetrieb betreiben wird, oder zum Beispiel ein Kurzschluss im Wandler G auftritt, können vorgegebene Grenzwerte für eine maximale Amplitude der Ausgangsspannung u und des Filterstroms iL effektiv eingehalten werden. Auch eine Transiente, also ein Einschwingvorgang der Ausgangsspannung u kann zeitlich effektiv verkürzt werden. So können zum Beispiel Vorgaben an die Transiente gemäß der Richtlinie ISO 7637 oder einer internen Vorgabe gemäß derer die Einschwingzeit zum Beispiel weniger als 300 µs, insbesondere weniger als 200 µs, betragen soll, eingehalten werden.
5 zeigt eine schematische Darstellung einer Erweiterung des Regelkreises gemäß 2, zum Regeln einer jeweiligen Ausgangsspannung für mehrere parallelgeschaltete Gleichspannungswandlereinheiten, wie etwa den Wandler G. Solche parallelgeschalteten Wandler G werden in dem Bordnetz des Kraftfahrzeugs beispielsweise für eine skalierbare und/oder effiziente Energieversorgung genutzt und dazu in einer elektrischen Parallelschaltung als eine Wandlervorrichtung betrieben. Dabei ist jedem Wandler G zum Beispiel ein oder mehrere unterschiedliche Verbraucher in dem Niedervoltteilnetz zugeordnet.
Abhängig von einem jeweiligen Betrieb der Verbraucher, kann es zu unterschiedlichen elektrischen Belastungen am Ausgangsanschluss A2 des jeweiligen Wandlers G kommen. Werden dabei alle parallelgeschalteten Wandler G auf eine gleiche Ausgangsspannung u eingeregelt, können sich zwischen den parallelgeschalteten Wandlern G Kreisströme einstellen, die zum Energieverlust in dem Bordnetz beitragen. Um die Kreisströme zu vermeiden, ist es vorteilhaft, die Ausgangsspannung u der Wandler G individuell oder unabhängig voneinander einzustellen.
Dazu können die Wandler G in einer Master-/Slavekonfiguration betrieben werden. Das heißt, genau einer der Wandler G wird als ein Masterwandler betrieben. Die Regelung der Ausgangsspannung u des Masterwandlers erfolgt nach dem zu 2 beschriebenen Regelungsprinzip. Die übrigen der Wandler G werden als Slavewandler betrieben. Zur Regelung der Ausgangsspannung u der Slavewandler ist das in 2 gezeigte Regelungsprinzip um eine Vorkonditionierungsfunktion erweitert. In 5 ist den Regelkreis RK zum Realisieren der Vorkonditionierungsfunktion ein Vorkonditionierungsglied Gpre vorgeschaltet. Als Eingangsgrößen werden dem Vorkonditionierungsglied Gpre die rückgeführte Ausgangsspannung u und eine vom Masterwandler vorgegebene Masterreferenzspannung uref,m bereitgestellt. Als Ausgangsgrößen liefert das Vorkonditionierungsglied die Referenzspannung uref, die in dem Regelkreis als Führungsgröße oder Sollwert zum Einstellen der Ausgangsspannung u genutzt wird und die Stromgrenzwerte imin, imax, die für die Deadzone-Anti-Windup Begrenzung bei der Stromregelung genutzt werden. Durch das Bereitstellen der Stromgrenzwerte imin, imax wird dabei auch ein Betriebsmodus des jeweiligen Slavewandlers vorgegeben.
Die Zuordnung der Ausgangsgrößen abhängig von den Eingangsgrößen erfolgt in dem Vorkonditionierungsglied Gpre nach einer vorbestimmten Berechnungsvorschrift. Gemäß der Berechnungsvorschrift kann die Zuordnung wie folgt erfolgen: $[u_{r e f}, i_{m i n}, i_{m a x}] = {\begin{array}{l} [u_{r e f, m,} 0,0], & f \ddot{u} r u_{r e f, m} - ε \leq u \leq u_{r e f, m} + ε \\ [u_{r e f, m} - σ,0, i_{G, m a x}], & f \ddot{u} r u < u_{r e f, m} - ε \\ [u_{r e f, m} + σ, i_{G, m i n},0], & f \ddot{u} r u < u_{r e f, m} + ε \end{array}$
Ist die Ausgangsspannung u des jeweiligen Slavewandlers somit größer oder gleich einem vorgegebenen Untergrenzwert und zudem kleiner oder gleich einem vorgegebenen Obergrenzwert ist, werden

- die Referenzspannung uref als die Masterreferenzspannung uref,m, und
- die beiden Stromgrenzwerte imin, imax zu 0

Ist die Ausgangsspannung u hingegen kleiner als der vorgegebene Untergrenzwert, werden

- die Referenzspannung uref des jeweiligen Slavewandlers als eine Differenzspannung aus einer Differenz der Masterreferenzspannung uref,m und einem vorgegebenen zweiten 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 vorgegeben. Zum Beispiel kann der Maximalwert iG,max 80 A betragen. Der jeweilige Slavewandler wird somit im vorliegenden Beispiel in einem Abwärtswandlerbetrieb betrieben.

Ist die Ausgangsspannung u hingegen größer als der vorgegebene Obergrenzwert, werden

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

Der der vorgegebene erste Schwellenwert ε vorgegebene zweite Schwellenwert σ sind zuvor ermittelte oder festgelegte Spannungswerte, die sich zum Beispiel in Abhängigkeit von der jeweiligen Wandlertopologie ergeben. Der erste und zweite Schwellenwert σ, ε werden dabei so gewählt, dass der zweite Schwellenwert σ größer ist als der erste Schwellenwert ε und beide Werte größer sind als 0. Zum Beispiel kann für den zweiten Schwellenwert σ ein Wert von 0,5 V und für den ersten Schwellenwert ε ein Wert von
0,3 V festgelegt sein.
Somit können Kreisströme zwischen parallelgeschalteten Wandlern G effektiv vermieden werden. Zudem braucht zum Einregeln der jeweiligen Ausgangsspannung u jeder Slavewandler nur noch die Masterreferenzspannung uref,m von Extern, also außerhalb der Wandlertopologie, vorgegeben bekommen. Die Masterreferenzspannung uref,m kann beispielsweise entweder über eine Datenleitung zwischen den Wandlern G übertragen werden, oder als festgelegter Wert für jeden der Slavewandler selbst gespeichert sein. Dadurch ist höchstens ein geringer Datenfluss zwischen den parallelgeschalteten Wandlern G notwendig, sodass Übertragungsverzögerungen vermieden und gleichzeitig eine stabile Regelung der Wandler sichergestellt sein kann.
Bezugszeichenliste

A1: Eingangsanschluss
A2: Ausgangsanschluss
B1, B2: Begrenzungsglied
Co: Filterkapazität
Ci(s): Stromregler
Cin: Eingangskapazität
Cu(s): Spannungsregler
d: Einstellwert
D: Differenzierglied
e1, e2, e3, e4: Regelobjekt
ea: Abweichwert
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
GND1, GND2: Bezugspotential
Gpre: Vorkonditionierungsglied
ic: Filterkapazitätsstrom
iG,max: Maximalwert
iG,min: Minimalwert
iL: Filterstrom
imax: erster Stromgrenzwert
imin: zweiter Stromgrenzwert
ip: Drosselstrom
I: Integrierglied
Lf: Filterinduktivität
Lk: Streuinduktivität
Mi(s): zweites Verzögerungsglied
Mu(s): drittes Verzögerungsglied
P: Proportionalglied
Q: Schalteranordnung
Q1 - Q6: Schaltelemente
QE: Schaltereinheit
Rc, Rp, Rs: elektrischer Widerstand
RK: Regelkreis
T: Transistor
T1: Primärseite
T2: Sekundärseite
u: Ausgangsspannung
ueq: Konstantregler
uref: Referenzspannung
uref,m: Masterreferenzspannung
usw: Schaltregler
V: Vorzeichenglied
Vin: Eingangsspannung
W: Gleichspannungswandlervorrichtung
xeq: konstanter Signalanteil
xsw: oszillierender Signalanteil
y: Regelwert
ε: erster Schwellenwert
σ: zweiter 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

US 9520785 B2 [0003]

Claims

Verfahren zum Regeln einer Ausgangsspannung (u) einer Gleichspannungswandlereinheit (G), wobei zum Regeln der Ausgangsspannung (u) abhängig von einem vorgegebenen Abweichwert (ea) mittels einer nicht-linearen Spannungsregelung nach dem Prinzip einer Gleitzustandsregelung ein Einstellwert (d) vorgegeben wird, um ein Tastverhältnis einer zur Wandlung eingesetzten Schalteranordnung (Q) der Gleichspannungswandlereinheit (G) einzustellen, und dadurch die Ausgangsspannung (u) auf eine vorgegebene Referenzspannung (uref) geregelt wird, und zum Vorgeben des Einstellwerts (d) ein von dem eingestellten Tastverhältnis abhängiger Filterstrom (iL) an einer elektrischen Filterschaltung (F) der Gleichspannungswandlereinheit (G) zur Filterung der Ausgangsspannung (u) abgegriffen wird, und aus dem Filterstrom (iL) in einer Rückführung der nicht-linearen Spannungsregelung mittels einer Stromregelung ein Regelwert (y) bestimmt wird, wobei abhängig von dem Regelwert (y) unter Berücksichtigung eines Vergleichs der vorgegebenen Referenzspannung (uref) mit der Ausgangsspannung (u) der Abweichwert (ea) für die nicht-lineare Spannungsregelung vorgegeben wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Regelwert (y) mittels der Stromregelung zum Berücksichtigen einer erlaubten Betriebsgrenze der Gleichspannungswandlereinheit (G) nach einer vorbestimmten Begrenzungsvorschrift abhängig von dem Filterstrom (iL) begrenzt wird, indem für den Filterstrom (iL) ein Totzonenintervall vorgegeben wird und der Regelwert (y) gemäß der Begrenzungsvorschrift auf den Wert null eingestellt wird, wenn der abgegriffene Filterstrom (iL) in dem Totzonenintervall liegt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei für die Stromregelung ein stetiger Stromregler (Ci(s)) mit wenigstens einem Proportionalglied (P) und wenigstens einem Integrierglied (I) nachgebildet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei zum Regeln der Ausgangsspannung (u) ein Regelkreis (RK) nachgebildet wird, in dessen Hauptpfad für die nicht-lineare Spannungsregelung ein zur Gleitzustandsregelung ausgebildeter Spannungsregler (Cu(s)) und eine vorbestimmte Regelstrecke (Gu,d(s)) bereitgestellt werden, wobei dem Spannungsregler (Cu(s)) der Abweichwert (ea) als Eingangsgröße zum Bestimmen des Einstellwerts (d) als Ausgangsgröße vorgegeben wird, und die vorbestimmte Regelstrecke (Gu,d(s)) mit dem Einstellwert (d) beaufschlagt wird, um abhängig von einer Übertragungsfunktion der Regelstrecke (Gu,d(s)) einerseits die Ausgangsspannung (u) als eine erste Regelgröße und andererseits den Filterstrom (iL) als eine zweite Regelgröße zu regeln, wobei zum Bilden des Abweichwerts (ea) als Eingangsgröße für den Spannungsregler (Cu(s)) in dem Regelkreis (RK) zwei Rückführungspfade bereitgestellt werden, und in einem ersten Rückführungspfad die Ausgangsspannung (u) zurückgeführt und mit der vorgegebenen Referenzspannung (uref) eine erste Regelabweichung (eu) gebildet wird, und in einem zweiten Rückführungspfad für die Stromregelung ein Stromregler (Ci(s)) bereitgestellt wird, dem der Filterstrom (iL) als Eingangsgröße zum Bestimmen des Regelwerts (y) als Ausgangsgröße vorgegeben wird, und aus dem Regelwert (y) und der ersten Regelabweichung (eu) der Abweichwert (ea) als eine zweite Regelabweichung zum Bereitstellen als Eingangsgröße für den Spannungsregler (Cu(s)) gebildet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei für die Gleichspannungswandlereinheit (G) eine Wandlertopologie mit galvanischer Trennung bereitgestellt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Gleichspannungswandlereinheit (G) in einem Bordnetz für ein Kraftfahrzeug betrieben wird, welches ein Hochvoltteilnetz und ein Niedervoltteilnetz umfasst und die Gleichspannungswandlereinheit (G) zum Wandeln von elektrischer Energie zwischen dem Hochvoltteilnetz und dem Niedervoltteilnetz eingesetzt wird.
Verfahren nach Anspruch 6, wobei die Gleichspannungswandlereinheit (G) als eine von mehreren elektrisch parallel an das Bordnetz geschalteten Gleichspannungswandlereinheiten (G) einer Gleichspannungswandlervorrichtung betrieben wird, und die Gleichspannungswandlereinheiten (G) in einer Master-/Slavekonfiguration betrieben werden, wobei eine der Gleichspannungswandlereinheiten (G) als Masterwandler zum Einstellen der Ausgangsspannung (u) nach einem der vorhergehenden Ansprüche betrieben wird, und die übrigen Gleichspannungswandlereinheiten (G) als Slavewandler zum Regeln der Ausgangsspannung (u) nach einem der vorhergehenden Ansprüche betrieben werden, wobei deren Regelung um einen Vorkonditionierungsfunktion erweitert ist, und dadurch gemäß einer vorbestimmten Berechnungsvorschrift in Abhängigkeit von der Ausgangsspannung (u) des jeweiligen Slavewandlers und einer von dem Masterwandler vorgegebenen Masterreferenzspannung (uref,m) einerseits die vorgegebene Referenzspannung (uref) für den jeweiligen Slavewandler und anderseits ein Betriebsmodus des jeweiligen Slavewandlers vorgegeben wird.
Verfahren nach Anspruch 2 und Anspruch 7, wobei zum Vorgeben des Betriebsmodus des jeweiligen Slavewandlers mittels der Vorkonditionierungsfunktion ein erster Stromgrenzwert (imin) und ein zweiter Stromgrenzwert (imax) für den Filterstrom (iL) des jeweiligen Slavewandlers vorgegeben werden, wobei die beiden Stromgrenzwerte (imin, imax) Intervallgrenzen für das Totzonenintervall bilden.
Verfahren nach Anspruch 8, wobei gemäß der Berechnungsvorschrift • die Referenzspannung (uref) des jeweiligen Slavewandlers als die Masterreferenzspannung (uref,m) vorgegeben wird und die beiden Stromgrenzwerte (imin, imax) jeweils zu null eingestellt werden, wenn die Ausgangsspannung (u) des jeweiligen Slavewandlers größer oder gleich einem Untergrenzwert aus einer Differenz der Masterreferenzspannung (uref,m) und einem vorgegebenen ersten Schwellenwert (ε) ist, und die Ausgangsspannung (u) des jeweiligen Slavewandlers zudem kleiner oder gleich einem Obergrenzwert aus einer Summe der Masterreferenzspannung (uref,m) und dem vorgegebenen ersten Schwellenwert (ε) ist, • die Referenzspannung (uref) des jeweiligen Slavewandlers als eine Differenzspannung aus einer Differenz der Masterreferenzspannung (uref,m) und einem vorgegebenen zweiten Schwellenwert (σ) vorgegeben wird und der erste Stromgrenzwert (imin) zu null eingestellt wird und der zweite Stromgrenzwert (imax) als ein vorgegebener Maximalwert (iG,max) größer null eingestellt wird, wenn die Ausgangsspannung (u) des jeweiligen Slavewandlers kleiner ist als der Untergrenzwert, und • die Referenzspannung (uref) des jeweiligen Slavewandlers als eine Summenspannung aus einer Summe der Masterreferenzspannung (uref,m) und dem vorgegebenen zweiten Schwellenwert (σ) vorgegeben wird und der erste Stromgrenzwert (imin) als ein vorgegebener Minimalwert (iG,min) kleiner null eingestellt wird und der zweite Stromgrenzwert (imax) zu null eingestellt wird, wenn die Ausgangsspannung (u) des jeweiligen Slavewandlers größer ist als der Obergrenzwert, wobei der vorgegebene erste Schwellenwert (ε) und der vorgegebene zweite Schwellenwert (σ) derart gewählt werden, dass der vorgegebene zweite Schwellenwert (σ) größer ist als der vorgegebene erste Schwellenwert (ε) und beide Werte größer sind als null.
Recheneinrichtung zum Regeln einer Ausgangsspannung (u) einer Gleichspannungswandlereinheit (G) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.