DE102022118712A1 - Ansteuern eines leistungselektronischen Gleichspannungswandlers - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren (S1 - S4, S4-1 - S4-8, S6 - S8) zum Ansteuern eines mittels einer Regelung (2) betriebenen leistungselektronischen Gleichspannungswandlers (1) mit einer Primärseite mit mindestens zwei elektronischen Schaltern (Q1- Q4) und einer davon galvanisch getrennten Sekundärseite mit mindestens einem elektronischen Schalter (Q5- Q6), wobei bei dem Verfahren mittels eines BWHH-Algorithmus eine Anpassung einer Führungsgröße (Δt) und/oder eine Anpassung von Regelparametern der Regelung (2) vorgenommen wird. Die Erfindung betrifft auch eine Regelung (2) zum Regeln eines leistungselektronischen Gleichspannungswandlers (1) mit einer Primärseite mit mindestens zwei elektronischen Schaltern (Q1- Q4) und einer davon galvanisch getrennten Sekundärseite mit mindestens einem elektronischen Schalter (Q5, Q6), wobei die Regelung (2) zur Durchführung des Verfahrens (S1 - S4, S4-1 - S4-8, S6 - S8) ausgebildet ist.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ansteuern eines mittels einer Regelung betriebenen leistungselektronischen Gleichspannungswandlers mit einer Primärseite mit mindestens zwei elektronischen Schaltern und einer davon galvanisch getrennten Sekundärseite mit mindestens einem elektronischen Schalter, wobei bei dem Verfahren eine Anpassung einer Führungsgröße und/oder eine Anpassung von Regelparametern der Regelung vorgenommen wird. Die Erfindung betrifft auch eine Regelung zum Regeln eines leistungselektronischen Gleichspannungswandlers mit einer Primärseite mit mindestens zwei elektronischen Schaltern und einer davon galvanisch getrennten Sekundärseite mit mindestens einem elektronischen Schalter, wobei die Regelung zur Durchführung des Verfahrens ausgebildet ist. Die Erfindung betrifft ferner ein Fahrzeug, aufweisend mindestens einen leistungselektronischen Gleichspannungswandler mit einer Primärseite mit mindestens zwei elektronischen Schaltern und einer davon galvanisch getrennten Sekundärseite mit mindestens einem elektronischen Schalter, wobei der Gleichspannungswandler mittels des Verfahrens ansteuerbar ist. Die Erfindung ist insbesondere vorteilhaft anwendbar auf Elektrofahrzeuge wie Hybridfahrzeuge und speziell vollelektrisch angetriebene Fahrzeuge.
  • Für automatisierte Fahrfunktionen in Fahrzeugen, insbesondere Elektrofahrzeugen, wird eine zuverlässige Energieversorgung von sicherheitsrelevanten Komponenten wie beispielsweise Lenkung und Bremse im elektrischen Energiebordnetz gefordert. Daraus resultieren Sicherheitsanforderungen an die Energieversorgung entsprechend des einzuordnenden Automotive Safety Integrity Levels (ASIL). Für den Nachweis der funktionalen Sicherheit in einer frühen Entwicklungsphase werden Energiebordnetz-Simulationen auf Systemebene durchgeführt, um auch im Fehlerfall eine sichere Energieversorgung für die sicherheitsrelevanten Komponenten zu gewährleisten. Um eine numerische Simulation des gesamten Energiebordnetz-Simulationsmodells in einer akzeptablen Simulationszeit zu bewältigen, sollten die Simulationsmodelle möglichst recheneffizient lösbar sein. Besonders Gleichspannungswandler mit leistungselektronischen Halbleiterschaltern stellen aufgrund ihrer hochfrequenten Ansteuerung sehr hohe Anforderungen an die Simulation.
  • Für die recheneffiziente Modellierung von geschalteten Gleichspannungswandlern sind sogenannte Mittelwerts- bzw. Average-Modelle bekannt und sind in der Literatur verfügbar, beispielsweise aus: M. Winter, J. Taube, S. Moser, S. Schoenewolf, H.-G. Herzog: „Average Model of a Synchronous Half-Bridge DC/DC Converter Considering Losses and Dynamics,“ The 11th International Modelica Conference, 2015; M. Modabbernia: „An Improved State Space Average Model of Buck DC-DC Converter with all of the System Uncertainties", International Journal on Electrical Engineering and Informatics, März 2013, Vol.5, Seiten 81 bis 94 und L. Cao: „Small Signal Modeling for Phase-shifted PWM Converters with A Current Doubler Rectifier," IEEE Power Electronics Specialists Conference, 2007, Seiten 423 bis 429. Diese Mittelwertsmodelle bilden nicht das gesamte Schaltverhalten, sondern vielmehr den Mittelwert ab.
  • Martin Baumann, Bert Haj Ali, Christoph Weissinger, Hans-Georg Herzog: „Efficient Small-Signal Algorithm for High Dynamic Phase-Shifted Full-Bridge Converters“, Vehicle Power and Propulsion Conference, Gijón, Spanien, November 2020 offenbart einen Algorithmus, der in der Lage ist, die Dynamik eines phasenverschobenen Vollbrückenwandlers durch iteratives Berechnen von Diodenleitzeiten und entsprechenden Zustandsraumsystemen effizient zu replizieren. Ein vorgeschlagenes Umrichtermodell enthält eine zusätzliche Spannungsquelle, die die Dynamik des Umrichters für unterschiedliche lastabhängige Totzeitverhalten darstellt. Die zusätzliche Spannung wird auf der Grundlage der Vorhersage des Leckstroms während eines Schaltzyklus berechnet. Der Algorithmus reduziert die Rechenzeit im Vergleich zu einem Switched-Modell um 91 %. Die Veröffentlichung von Baumann et al. wird vollumfänglich in die vorliegende Offenbarung aufgenommen.
  • Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die Nachteile des Standes der Technik zumindest teilweise zu überwinden und insbesondere eine Möglichkeit bereitzustellen, eine Energieversorgung von insbesondere sicherheitsrelevanten Komponenten in Fahrzeugen zuverlässiger zu gestalten.
  • Diese Aufgabe wird gemäß den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen sind insbesondere den abhängigen Ansprüchen entnehmbar.
  • Die Aufgabe wird gelöst durch Verfahren zum Ansteuern eines mittels einer Regelung betriebenen leistungselektronischen Gleichspannungswandlers mit einer Primärseite mit mindestens zwei elektronischen Schaltern und einer davon galvanisch getrennten Sekundärseite mit mindestens einem elektronischen Schalter, wobei bei dem Verfahren mittels eines BWHH-Algorithmus eine Anpassung einer Führungsgröße der Regelung und/oder eine Anpassung von Regelparametern der Regelung vorgenommen wird.
  • Dieses Verfahren ergibt den Vorteil, dass durch Nutzung des BWHH-Algorithmus Ungenauigkeiten verfügbarer Mittelwertsmodelle stark reduziert werden können. Dabei wird eine hohe Ersparnis an Rechenzeit beibehalten. Dies wiederum ermöglicht durch das Anpassen der Führungsgröße der Regelung und/oder von Regelparametern einen effizienteren Betrieb eines leistungselektronischen Gleichspannungswandlers.
  • Unter einem leistungselektronischen Gleichspannungswandler wird insbesondere ein Gleichspannungswandler verstanden, welcher auch größere elektrische Leistungen wandeln kann und dazu als elektronische Schalter insbesondere Leistungshalbleiter nutzt, z.B. Leistungs-MOSFETs und IGBTs.
  • Es ist eine Weiterbildung, dass die mindestens zwei elektronischen Schalter der Primärseite Komponenten einer Brückenschaltung sind, z.B. einer Halbbrücke mit zwei elektronischen Schaltern oder einer Vollbrücke mit vier elektronischen Schaltern. Jedoch ist die Zahl der elektronischen Schalter der Primärseite nicht beschränkt und kann, je nach Topologie, z.B. auch drei oder mehr als vier elektronischen Schalter umfassen. Dabei ist es eine besonders vorteilhafter
  • Die galvanische Trennung kann beispielsweise durch einen Transformator erreicht werden, der mit mindestens einer Primärspule und mindestens einer Sekundärspule ausgerüstet ist.
  • Der mindestens eine elektronische Schalter der Sekundärseite ist insbesondere dazu vorgesehen, die an der sekundärseitigen Transformatorhälfte induzierte elektrische Spannung gleichzurichten.
  • Es ist eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung, wenn der Gleichspannungswandler eine Primärseite mit einer Vollbrücke mit vier elektronischen Schaltern und eine Sekundärseite mit zwei elektronischen Schaltern aufweist, wobei die Primärseite und die Sekundärseite über einen Transformator galvanisch voneinander getrennt sind. Es ist eine Ausgestaltung, dass der Gleichspannungswandler eine Phasenschieber-Vollbrücke ist, weil diese besonders effizient arbeitet und flexibel einstellbar ist.
  • Die elektronischen Schalter können z.B. Leistungshalbleiter sein, beispielsweise Leistungstransistoren, z.B. Leistungs-MOSFETs und IGBTs, aber z.B. auch Leistungsdioden usw.
  • Je nach Topologie kann der Gleichspannungswandler als Aufwärtswandler, Abwärtswandler oder Kombination davon ausgebildet sein.
  • Der „BWHH-Algorithmus“ ist ein Algorithmus, der die in Martin Baumann, et al.: „Efficient Small-Signal Algorithm for High Dynamic Phase-Shifted Full-Bridge Converters“, insbesondere in Kap. III, für eine Phasenschieber-Vollbrücke (PSFB) beschriebene Methode in verallgemeinerbarer Weise nutzt, um einen Anschaltdauerverlust dL und/oder eine Zusatzspannung uadd mittels Vorhersagens eines Stroms iLk durch eine primärseitige Streuinduktivität Lk zu berechnen. Der in Baumann et al. detailliert für die dort unter 1 aufgeführte Phasenschieber-Vollbrücke beschrieben BWHH-Algorithmus kann jedoch unter Kenntnis eines Schaltschemas („Switching Scheme“) auch auf andere Topologien von Gleichspannungswandlern übertragen werden. So kann der BWHH-Algorithmus auch an Gleichspannungswandler mit primärseitiger Halbbrücke, reine Aufwärts- oder Abwärtswandler, usw. angepasst werden.
  • Der Anschaltdauerverlust wird insbesondere bei Abwärtswandlung berechnet, die Zusatzspannung insbesondere bei Aufwärtswandlung. Ein Anschaltdauerverlust bei Aufwärtswandlung kann bei Bedarf aus der Zusatzspannung berechnet oder zumindest abgeschätzt werden.
  • Es ist eine Weiterbildung, dass die Führungsgröße als Funktion des Anschaltdauerverlusts dL und/oder der Zusatzspannung uadd berechnet wird. Die Führungsgröße kann auch als Regelreferenz bezeichnet werden.
  • Dass mittels des BWHH-Algorithmus eine Anpassung von Regelparametern der Regelung vorgenommen wird, umfasst insbesondere, dass die Anpassung der Regelparameter anhand der Ausgangsgröße(n) des BWHH-Algorithmus vorgenommen wird, nämlich des Anschaltdauerverlusts dL und/oder der Zusatzspannung uadd. Die Regelparameter können beispielsweise übliche Parameter eines Reglers der Regelung sein, z.B. für einen PI-Regler die Größen Kp und Ki, für einen PID-Regler die Größen Kp, Ki und Kd. Die Art von Regler, für die mittels des BWHH-Algorithmus eine Anpassung von Regelparametern vorgenommen werden kann, ist grundsätzlich nicht beschränkt. Die Anpassung der Regelparameter kann insbesondere mit dem Ziel vorgenommen werden, eine vorteilhafte Regeldynamik (z.B. kurze Einschwingzeit und/oder eine geringe Überschwingamplitude) zu erreichen.
  • Es ist eine Ausgestaltung, dass der Gleichspannungswandler mittels einer kaskadierten Strom-Spannungs-Regelung geregelt wird. Die anpassbaren Regelparametern können dann insbesondere die Regelparameter eines Stromreglers und/oder eines Spannungsreglers der Strom-Spannungs-Regelung sein.
  • Es ist eine Ausgestaltung, dass der BWHH-Algorithmus aus den Eingangsgrößen: an die Primärseite des Gleichspannungswandlers angelegte Eingangsspannung, (z.B. von einem Stromregler der Strom-Spannungs-Regelung) ausgegebener Arbeitstakt, von der Sekundärseite des Gleichspannungswandlers ausgegebene Ausgangsspannung und Ausgangsstrom der Sekundärseite des Gleichspannungswandlers einen Anschaltdauerverlust und/oder eine Zusatzspannung berechnet.
  • Es ist eine Ausgestaltung, dass der BWHH-Algorithmus aus den obigen Eingangsgrößen
    • - zunächst einen Rippelstrom berechnet,
    • - aus dem Rippelstrom einen initialen Wert für einen Strom iLk durch eine primärseitige Transformatorhälfte bzw. entsprechende Streuinduktivität berechnet,
    • - sukzessive für jede Phase eines Schaltschemas des Gleichspannungswandlers den Strom iLk am Ende dieser Phase berechnet und
    • - am Ende der letzten Phase dieses Schaltschemas daraus den Anschaltdauerverlust und/oder die Zusatzspannung berechnet.
  • So wird der Vorteil erreicht, dass sich der Anschaltdauerverlust und/oder die Zusatzspannung aus einfachen Eingangsgrößen berechnen lässt, obwohl die Systemzustände in dem Gleichspannungswandler, welche die Menge der einzelnen Zustände aller Energiespeicher (z.B. Induktivität(en), Kapazität(en), usw.) in dem betrachteten System für eine bestimmte kollektive Stellung der Schalter beschreiben, hochgradig dynamisch ist. Jeder Phase ist ein Schaltzustand der elektronischen (primär- und sekundärseitigen) Schalter zugeordnet, wobei diese Schaltzustände und ihre Ablaufreihenfolge sich durch das Schaltschema ergeben. Jedem Schaltzustand sind in der Regel mehrere (typischerweise als Vektor geschriebene bzw. vektorartige) Systemzustände zugeordnet. Daher wird sich der Wert des Stroms iLk zu Beginn einer Phase von dem Wert des Stroms iLk zum Ende der Phase unterscheiden. Wenn also sukzessive für jede Phase des Schaltschemas der Strom iLk am Ende dieser Phase berechnet wird, bedeutet dies, dass zunächst ausgehend vom initialen Wert für den Strom iLk berechnet wird, wie sich dieser Strom innerhalb einer ersten Phase verhält bzw. welches sein Wert am Ende der ersten Phase ist. Dieser Wert am Ende der ersten Phase wird als Eingangswert für eine folgende zweite Phase genutzt und dann berechnet, welches sein Wert am Ende der zweiten Phase ist, usw.
  • Es ist eine Ausgestaltung, dass die Führungsgröße einer (Referenz-)Zeitverzögerung entspricht, die als Funktion des mittels des BWHH-Algorithmus berechneten Anschaltdauerverlusts dL berechnet wird. Die Zeitverzögerung stellt ein Maß für eine verzögerte Schaltung der elektronischen Schalter der Sekundärseite dar. Es ist eine Weiterbildung, dass die berechnete (Referenz-)Zeitverzögerung mit einer gemessenen Zeitverzögerung verglichen wird und die Differenz als Regelabweichung verwendet wird. Die Regelabweichung kann dann z.B. einem integrierenden Regler zugeführt werden, der daraus eine Zeitdauer berechnet, welche, z.B. in einem Modulator, für die Generierung der Schaltmuster der sekundärseitigen Schalter verwendet wird.
  • Die Aufgabe wird auch gelöst durch eine Regelung (auch als Regeleinrichtung oder Regelkreis bezeichenbar) zum Regeln eines leistungselektronischen Gleichspannungswandlers mit einer Primärseite mit mindestens zwei elektronischen Schaltern und einer davon galvanisch getrennten Sekundärseite mit mindestens einem elektronischen Schalter, insbesondere wie oben beschrieben, wobei die Regelung zur Durchführung des Verfahrens wie oben beschrieben ausgebildet ist. Die Regelung kann analog zu dem ausgebildet werden, und umgekehrt, und weist die gleichen Vorteile auf.
  • So kann die Regelung eine kaskadierte Strom-Spannungs-Regelung sein. Der BWHH-Algorithmus kann hard- oder softwaretechnisch implementiert sein. Die Regelung kann z.B. einen PI- oder PID-Stromregler und einen PI- oder PID-Spannungsregler umfassen, usw.
  • Die Aufgabe wird auch gelöst durch ein Fahrzeug, aufweisend mindestens einen leistungselektronischen Gleichspannungswandlers mit einer Primärseite mit mindestens zwei elektronischen Schaltern und einer davon galvanisch getrennten Sekundärseite mit mindestens einem elektronischen Schalter, wobei der Gleichspannungswandler mittels des Verfahrens wie oben beschrieben ansteuerbar ist. Das Fahrzeug kann analog zu dem Verfahren und/oder der Regelung ausgebildet werden, und umgekehrt, und weist die gleichen Vorteile auf.
  • Es ist eine Ausgestaltung, dass der Gleichspannungswandler dazu vorgesehen ist, eine Spannung zwischen zwei Teil-Energiebordnetzen des Fahrzeugs mit unterschiedlichen Spannungsniveaus zu wandeln. Die zwei Teil-Energiebordnetze können beispielsweise ein Hochvolt (HV)-Teil-Energiebordnetz mit einer ersten Netzspannung und ein Niedrigvolt (NV)-Teil-Energiebordnetz mit einer zweiten Netzspannung sein, wobei die erste Netzspannung größer ist als die zweite Netzspannung. Die erste Netzspannung kann beispielsweise zwischen 48 V und 800 V oder sogar noch höher liegen. Die zweite Netzspannung kann beispielsweise zwischen 12 V und 60 V liegen.
  • Das Fahrzeug kann beispielsweise ein Fahrzeug mit Verbrennermotor oder - besonders vorteilhaft - ein Elektrofahrzeug wie ein Hybridfahrzeug oder ein vollelektrisch angetriebenes Fahrzeug sein. Das Fahrzeug kann beispielsweise ein Landfahrzeug wie ein Personenwagen, ein Motorrad, ein Bus, ein Lastwagen, usw., ein Luftfahrzeug wie ein Flugzeug, ein Hubschrauber, usw. oder ein Wasserfahrzeug wie ein Schiff, usw. sein.
  • Die oben beschriebenen Eigenschaften, Merkmale und Vorteile dieser Erfindung sowie die Art und Weise, wie diese erreicht werden, werden klarer und deutlicher verständlich im Zusammenhang mit der folgenden schematischen Beschreibung eines Ausführungsbeispiels, das im Zusammenhang mit den Zeichnungen näher erläutert wird.
    • 1 zeigt einen bekannten („PSFB-“) Gleichspannungswandler in Form einer Phasenschieber-Vollbrücke;
    • 2 zeigt eine Skizze eines Regelungsaufbaus zum Regeln der Phasenschieber-Vollbrücke aus 1;
    • 3 zeigt einen möglichen Ablauf zur Berechnung eines Anschaltdauerverlust und einer Zusatzspannung mittels eines BWHH-Algorithmus; und
    • 4 zeigt einen Teilablauf des Ablaufs aus 3.
  • 1 zeigt ein Ersatzschaltbild eines Gleichspannungswandlers in Form einer Phasenschieber-Vollbrücke 1 wie in Baumann et al.: „Efficient Small-Signal Algorithm for High Dynamic Phase-Shifted Full-Bridge Converters“, 1 gezeigt. Diese Phasenschieber-Vollbrücke 1 kann insbesondere dazu vorgesehen sein, in einem Fahrzeug F, insbesondere einem vollelektrisch angetriebenen Fahrzeug F, eine Spannung zwischen zwei Teil-Energiebordnetzen des Fahrzeugs mit unterschiedlichen Spannungsniveaus zu wandeln, insbesondere eine Spannung eines HV-Teil-Bordenergienetzes in eine Spannung eines NV-Teil-Bordenergienetzes abwärtszuwandeln oder umgekehrt aufwärtszuwandeln.
  • Der primärseitige Vollbrückenwechselrichter in Form eines Vierquadrantenstellers enthält elektronische Schalter Qi mit i = 1, ..., 4, die sowohl Freilaufdioden (Body-Dioden) in Sperrpolung als auch Drain-Source-Kondensatoren enthalten. Die Vollbrücke ist mit einem niederinduktiven Planartransformator mit Mittelanzapfung verbunden, der das dynamische Verhalten durch die Streuinduktivität Lk der primärseitigen Transformatorhälfte dominiert. Der Widerstand Rp der primärseitigen Transformatorhälfte umfasst Durchkontaktierungen und einen Sperrkondensatorwiderstand. Die sekundäre Gleichrichtungsschaltung enthält zwei elektronische Schalter Q5, Q6 und ein induktiv-kapazitives Filter. Die sekundärseitige Induktivität Lf übersteigt die primärseitige Streuinduktivität Lk um eine Größenordnung. Der Widerstand Rs enthält Widerstände von Trafo, Shunt und PCB-Vias. Eine Ausgangskapazität Co wird mit ihrem parasitären Widerstand Rc modelliert.
  • 2 zeigt eine Skizze eines kaskadierten Strom-Spannungs-Regelungsaufbaus 2 zum Regeln der Phasenschieber-Vollbrücke 1 bzw. ein Verfahren zum Ansteuern der mittels des kaskadierten Strom-Spannungs-Regelungsaufbaus betriebenen Phasenschieber-Vollbrücke 1. Der Regelungsaufbau 2 wird im Folgenden ohne Beschränkung der Allgemeinheit einfach als „Regelung“ 2 bezeichnet.
  • Die Regelung 2 umfasst einen Spannungsregler Cu, z.B. einen PI- oder PID-Regler, welcher als Eingangsgröße eine Regelabweichung eu empfängt. Die Regelabweichung eu entspricht einer Differenz einer Soll-Ausgangsspannung uref und einer Ist-Ausgangsspannung u der Phasenschieber-Vollbrücke 1, wobei u der in 1 gezeigten Ausgangsspannung Vo entspricht, also u = Vo gilt.
  • Der Spannungsregler Cu gibt einen Sollwert iL,ref des Stroms durch eine sekundärseitige Filterinduktivität Lf als Stellgröße aus. Eine aus der Differenz zwischen dem Sollwert iL,ref und einem Ist-Wert iL des Stroms des Filterinduktivität Lf berechnete Regelabweichung ei wird als Eingangsgröße in einen Stromregler Ci, z.B. einen PI- oder PID-Regler, eingespeist, der als Ausgangssignal einen Arbeitstakt (engl. „duty cycle“) d an ein Stellglied E(s) übergibt. Das Stellglied E(s) bildet eine Verzögerung des Arbeitstakts d ab, die sich bspw. durch eine Rechenzeit eines Mikrokontrollers ergibt. „s“ ist die zugehörige Laplace-Variable.
  • Die Phasenschieber-Vollbrücke 1 kann regelungstechnisch als Regelstrecke mit einem ersten Transformationsblock GiL,d, der aus dem Arbeitstakt d die Ist-Stromgröße iL berechnet, und einem ersten Transformationsblock GiL,d, der aus der Ist-Stromgröße iL die Ist-Ausgangsspannung u berechnet, dargestellt werden.
  • Der in Baumann et al., Kap. III beschriebene Algorithmus zur Berechnung des Anschaltdauerverlusts dL und der Zusatzspannung uadd kann nun verwendet werden, um eine Regeldynamik beispielsweise durch schnelleres Führungsverhalten zu verbessern und/oder um einen effizienteren Betrieb der Phasenschieber-Vollbrücke 1 zu ermöglichen. Dazu wird in einen Berechnungsblock 3, in dem der Algorithmus implementiert ist, als Eingangsgröße der Arbeitstakt d, die Ausgangsspannung u = Vo, der Ausgangsstrom 1, und die Eingangsspannung Vin eingegeben. Der Ausgangsstrom Io kann mittels eines Transformationsblocks GIo,iL aus dem Ist-Wert iL des Stroms der Filterinduktivität Lf berechnet werden oder kann direkt am Ausgang der Phasenschieber-Vollbrücke 1 gemessen werden.
  • Der Berechnungsblock 3 kann daraus, wie z.B. in Baumann et al. beschrieben, bei Abwärtswandlung den Anschaltdauerverlust (engl. „duty cycle loss“) dL, bei Aufwärtswandlung und Leerlauf die Zusatzspannung uadd berechnen. Der Anschaltdauerverlust dL wird vorliegend, wie durch einen Berechnungsblock 4 angedeutet, dazu verwendet, eine (Referenz- / Soll-) Zeitverzögerung Δtref = f (dL) zu berechnen, welche ein Maß für eine verzögerte Schaltung der Schalter Q5 und/oder Q6 darstellt, die sich aus dem berechneten Anschaltdauerverlust dL ergibt.
  • Es wird folgend versucht, die tatsächlich vorliegende, z.B. gemessene, Zeitverzögerung Δt auf die Referenz-Zeitverzögerung Δtref zu bringen. Dazu wird die Differenz eΔt der gemessenen Zeitverzögerung Δt zu der Referenz-Zeitverzögerung Δtref bestimmt und als Regelabweichung einem Regler CΔt zugeführt. Der Regler CΔt berechnet daraus als Stellgröße eine Schaltzeitpunktverzögerung dT für die Schalter Q5 und/oder Q6, welche in einem Modulator (o. Abb.) für die Generierung der Schaltmuster der Schalter Q5 und Q6 verwendet wird. Der Regler CΔt ist insbesondere ein integrierender Regler, z.B. ein PI- oder PID-Regler.
  • Ferner kann die Anschaltdauerverlust dL - hier durch einen Anpassungsblock 5 angedeutet - dazu verwendet werden, Regelparameter der Regler Cu und Ci einzustellen, z.B. für einen PID Regler Kp, Ki und Kd. Die Regelparameter sind an die vorliegende Regelstrecke des Energiebordnetzes angepasst, so dass die Phasenschieber-Vollbrücke 1 eine bessere Dynamik aufweist. Damit wird der Vorteil erreicht, dass der Regler schneller (z.B. mit geringerer „Settling Time“, geringerem „Overshoot“, usw.) und/oder robuster (z.B. stabiler für kritische Arbeitspunkte) arbeiten kann.
  • Während die Regelung 2 oben genauer für den Fall einer Abwärtswandlung beschrieben worden ist, kann sie ebenso für eine Aufwärtswandlung verwendet werden. Bei der Aufwärtswandlung wird durch den BWHH-Algorithmus anstelle des Anschaltdauerverlusts dL die Zusatzspannung uadd berechnet. Die Zusatzspannung uadd kann, z.B. noch durch den Berechnungsblock 3, in einen äquivalenten Anschaltdauerverlusts dL umgerechnet werden und dann die Regelstrecke analog zu der Abwärtswandlung verwendet werden.
  • 3 zeigt einen möglichen Ablauf des BWHH-Algorithmus für einen Gleichspannungswandler, dessen Betrieb in vier Phasen p1, p2, p3 und p4 aufteilbar ist, nämlich eine erste („Leistungsabgabe“)-Phase p1, eine zweite („Freilauf“)-Phase p2, eine dritte („Anschaltdauerverlust“)-Phase p3 und eine vierte („Freilauf“)-Phase p4. Der BWHH-Algorithmus kann insbesondere dem in Baumann et al., Kap. III beschriebenen Algorithmus entsprechen, ist aber nicht darauf beschränkt. Der vierphasige BWHH-Algorithmus ist beispielsweise auf die Phasenschieber-Vollbrücke 1 anwendbar. Für Gleichspannungswandler mit anderen Topologien und/oder anderen Schaltschemata können auch weniger oder mehr als vier Phasen vorgesehen sein.
  • In einem Schritt S1 wird der BWHH-Algorithmus initialisiert, indem die Eingangsspannung Vin, die Ausgangsspannung Vo, der Ausgangsstrom Io und der Arbeitstakt d eingegeben werden.
  • Daraus wird in einem Schritt S2 ein Rippelstrom Ir berechnet.
  • In einem Schritt S3 wird aus dem Rippelstrom Ir ein initialer Wert für den Strom iLk durch die primärseitige Streuinduktivität Lk berechnet. Dieser Strom iLk entspricht dem Strom durch die primärseitige Transformatorhälfte.
  • In einem Schritt S4 wird für die Leistungsabgabe-Phase p1 aus dem in Schritt S3 beschriebenen Wert für den Strom iLk auf Basis von den Gleichspannungswandler beschreibenden Zustandsraumgleichungen und möglichen Systemzuständen x der am Ende der Leistungsabgabe-Phase p1 vorliegende Wert für den Strom iLk als auch der am Ende der Leistungsabgabe-Phase p1 aus der Menge der möglichen Systemzustände x wahrscheinlich vorliegende Systemzustand x bestimmt. Ein Systemzustand x beschreibt dabei eine Menge der einzelnen Zustände aller Energiespeicher (z.B. Induktivität(en), Kapazität(en), usw.) in dem betrachteten System, hier Gleichspannungswandler, für eine bestimmte kollektive (Schalt-)Stellung der Schalter Q1 bis Q6. Einer Phase ist genau eine Schaltstellung zugeordnet, eine Phase kann mehrere Systemzustände x umfassen. Das Aufstellen von Zustandsraumgleichungen ist grundsätzlich bekannt und wird daher nicht weiter ausgeführt.
  • Mit dem Strom iLk am Ende der Leistungsabgabe-Phase p1 und den berechneten Systemzuständen x am Ende der Leistungsabgabe-Phase p1 wird zu Schritt S5 übergegangen, in dem der (zeitvariante) Strom iLk am Ende der Freilauf-Phase p2 berechnet wird.
  • Folgend wird in einen Schritt S6 übergegangen, in dem analog zu Schritt S4 für die Leistungsabgabe-Phase p1 aus dem Strom iLk am Ende der Freilauf-Phase p2 auf Basis der Zustandsraumgleichungen und möglicher Systemzustände x der Strom iLk am Ende der Anschaltdauerverlust-Phase p3 und zusätzlich der aus der Menge der möglichen Systemzustände x am Ende der Anschaltdauerverlust-Phase p3 tatsächlich vorliegende Systemzustand x bestimmt wird.
  • Mit dem Strom iLk am Ende der Anschaltdauerverlust-Phase p3 und den berechneten Systemzuständen x am Ende der Anschaltdauerverlust-Phase p3 wird in zu Schritt S7 übergegangen, in dem analog zu Schritt S5 der Strom iLk am Ende der Freilauf-Phase p4 berechnet wird.
  • In einem Schritt S8 wird dann aus dem am Ende der Freilauf-Phase p4 vorliegenden Strom iLk der Anschaltdauerverlust dL (bei der Abwärtswandlung) und/oder die Zusatzspannung uadd (bei der Aufwärtswandlung und im Leerlauf) berechnet.
  • Dieser Ablauf ist in Baumann et al. detailliert für die dort unter 1 aufgeführte Phasenschieber-Vollbrücke / PSFB-Gleichspannungswandler beschrieben, kann jedoch unter Kenntnis der jeweiligen Schaltschemata („Switching Schemes“) auch auf andere Topologien von Gleichspannungswandlern übertragen werden. Diese anderen Kombinationen aus Topologie und Schaltschema können mehr oder weniger als vier Phasen umfassen.
  • 4 zeigt eine detailliertere Beschreibung eines Beispiels von Schritt S4.
  • In einer ersten Initialisierungsphase S4-1 wird aus dem in Schritt S3 berechneten initialen Wert für den Strom iLk ein initialer Systemzustand x (i) aus der Gruppe von in dieser Phase p1 möglichen Systemzuständen x mit unterschiedlichem i als aktueller Systemzustand festgelegt. Dabei gilt noch t = 0.
  • In einem Schritt S4-2 wird überprüft, ob die bisher vergangene Zeit t kleiner als eine vorgegebene Totzeit Td, z.B. von 100 ns, ist, also ob t < Td gilt, alternativ, ob t ≤ Td gilt. Dies ist nach dem Schritt S4-1 mit t = 0 der Fall, so dass dann zu Schritt S4-3 übergegangen wird.
  • In Schritt S4-3 wird überprüft, ob ein Systemzustand x (i) mit z.B. i = 0 vorliegt, bei dem keine der (Body-)Dioden der Schalter Q1 bis Q6 leitet.
  • Ist dies der Fall („J“) wird in einem Schritt S4-4 für eine vorgegebene Zeitscheibe oder Zeitfenster die Änderung des Systemzustands x gerechnet und dann zu Schritt S4-2 verzweigt. In Schritt S4-2 wird überprüft, ob die nun um die Zeitscheibe erhöhte Zeit t kleiner oder kleiner gleich als die Totzeit Td ist. Ist dies der Fall („J“), wird erneut zu Schritt S4-3 übergegangen.
  • Wird in Schritt S4-3 jedoch erkannt, dass der Systemzustand x (i) nicht mehr bei i = 0 liegt, weil mindestens einen der Body-Dioden der Schalter Q1 bis Q6 leitet („N“), wird in einen Schritt S4-5 übergegangen, bei dem überprüft wird, ob eine bestimmte Body-Diode Strom leitet, hier z.B. die Body-Diode von Schalter Q2.
  • Ist dies der Fall („J“), wird in einem Schritt S4-6 analog zu Schritt 4-4 für eine vorgegebene Zeitscheibe oder Zeitfenster die Änderung des Systemzustands x gerechnet und dann zu Schritt S4-2 verzweigt. In Schritt S4-2 wird wieder überprüft, ob die nun um die Zeitscheibe erhöhte Zeit t kleiner oder kleiner gleich als die Totzeit Td ist. Ist dies immer noch der Fall („J“), wird erneut zu Schritt S4-3 übergegangen.
  • Hat die Überprüfung in Schritt S4-5 jedoch ergeben, dass die dort bestimmte Body-Diode von Schalter Q2 keinen Strom leitet („N“), wird zu Schritt S4-7 übergegangen. Entspricht dieser Schritt S4-7 dem letzten verfügbaren Systemzustand x, muss dieser vorliegen, so dass dann zu Schritt S4-8 übergegangen wird, in dem analog zu Schritt 4-4 für eine vorgegebene Zeitscheibe oder Zeitfenster die Änderung des Systemzustands x gerechnet und dann zu Schritt S4-2 verzweigt wird. In Schritt S4-2 wird überprüft, ob die nun um die Zeitscheibe erhöhte Zeit t kleiner oder kleiner gleich als die Totzeit Td ist. Ist dies immer noch der Fall („J“), wird erneut zu Schritt S4-3 übergegangen, usw.
  • Wird in Schritt S4-2 die Totzeit Td jedoch erreicht („N“), werden der dann aktuell gültige Wert des Stroms iLk und der dann aktuell gültige Systemzustand x ausgegeben und als Eingaben bzw. Eingangsgrößen für Schritt S5 verwendet.
  • Vorliegend können in der ersten Phase p1 nur drei Diodenleitungszustände vorliegen, nämlich dass keine der Body-Dioden Strom leitet (i = 0), nur die Body-Diode von Schalter Q2 Strom leitet (i = 2) oder nur die Body-Diode von Schalter Q4 Strom leitet (i = 4). Bei Gleichspannungswandlern mit anderen Topografien und/oder anderen Schaltschemata können andere Systemzustände möglich sein.
  • Selbstverständlich ist die vorliegende Erfindung nicht auf das gezeigte Ausführungsbeispiel beschränkt.
  • Allgemein kann unter „ein“, „eine“ usw. eine Einzahl oder eine Mehrzahl verstanden werden, insbesondere im Sinne von „mindestens ein“ oder „ein oder mehrere“ usw., solange dies nicht explizit ausgeschlossen ist, z.B. durch den Ausdruck „genau ein“ usw.
  • Auch kann eine Zahlenangabe genau die angegebene Zahl als auch einen üblichen Toleranzbereich umfassen, solange dies nicht explizit ausgeschlossen ist.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    Phasenschieber-Vollbrücke
    2
    Regelung
    3
    Berechnungsblock
    4
    Berechnungsblock
    5
    Anpassungsblock
    Ci
    Stromregler
    Cu
    Spannungsregler
    CΔt
    Regler
    d
    Arbeitstakt
    dL
    Anschaltdauerverlust
    E(s)
    Stellglied
    ei
    Regelabweichung
    eu
    Regelabweichung
    F
    Fahrzeug
    GiL,d
    Transformationsblock
    GIo,iL
    Transformationsblock
    Gu,iL
    Transformationsblock
    iL
    Istwert des Stroms durch die sekundärseitige Filterinduktivität
    iLk
    Istwert des Stroms durch die Streuinduktivität der primärseitigen Transformatorhälfte
    iL,ref
    Sollwert des Stroms durch die sekundärseitige Filterinduktivität
    lo
    Ausgangsstrom
    Lf
    Sekundärseitige Filterinduktivität
    Lk
    Streuinduktivität der primärseitigen Transformatorhälfte
    Qi
    i-ter elektronischer Schalter
    Rs
    Widerstand
    Rp
    Widerstand der primärseitigen Transformatorhälfte
    S1-S7
    Verfahrensschritte
    S4-1 - S4-5
    Teilschritte
    t
    Zeit
    Δt
    Zeitverzögerung
    Δtref
    Soll-Zeitverzögerung
    u
    Ist-Ausgangsspannung
    Uadd
    Zusatzspannung
    uref
    Soll-Ausgangsspannung
    Vin
    Eingangsspannung
    Vo
    Ausgangsspannung
    x
    Vektor des Zustandsraums
  • 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 Nicht-Patentliteratur
    • M. Modabbernia: „An Improved State Space Average Model of Buck DC-DC Converter with all of the System Uncertainties“, International Journal on Electrical Engineering and Informatics, März 2013, Vol.5, Seiten 81 bis 94 [0003]
    • L. Cao: „Small Signal Modeling for Phase-shifted PWM Converters with A Current Doubler Rectifier,“ IEEE Power Electronics Specialists Conference, 2007, Seiten 423 bis 429 [0003]

Claims (11)

  1. Verfahren (S1 - S4, S4-1 - S4-8, S6 - S8) zum Ansteuern eines mittels einer Regelung (2) betriebenen leistungselektronischen Gleichspannungswandlers (1) mit einer Primärseite mit mindestens zwei elektronischen Schaltern (Q1 - Q4) und einer davon galvanisch getrennten Sekundärseite mit mindestens einem elektronischen Schalter (Q5 - Q6), wobei bei dem Verfahren mittels eines BWHH-Algorithmus - eine Anpassung einer Führungsgröße (Δt) und/oder - eine Anpassung von Regelparametern der Regelung (2) vorgenommen wird.
  2. Verfahren (S1 - S4, S4-1 - S4-8, S6 - S8) nach Anspruch 1, bei dem der Gleichspannungswandler (1) mittels einer kaskadierten Strom-Spannungs-Regelung (2) geregelt wird, wobei anpassbare Regelparameter Regelparameter eines Stromreglers (Ci) und/oder Regelparameter eines Spannungsreglers (Cu) umfassen können.
  3. Verfahren (S1 - S4, S4-1 - S4-8, S6 - S8) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der BWHH-Algorithmus aus den Eingangsgrößen - Eingangsspannung (Vin) an der Primärseite des Gleichspannungswandlers (1), - Arbeitstakt (d), - Ausgangsspannung (Vo) an der Sekundärseite des Gleichspannungswandlers (1) und - Ausgangsstrom (Io) an der Sekundärseite des Gleichspannungswandlers (1), einen Anschaltdauerverlust (dL) und/oder eine Zusatzspannung (uadd) berechnet.
  4. Verfahren (S1 - S4, S4-1 - S4-8, S6 - S8) nach Anspruch 3, bei dem der BWHH-Algorithmus aus diesen Eingangsgrößen (Vin, Vo, Io, d) - zunächst einen Rippelstrom berechnet (S2), - aus dem Rippelstrom einen Strom (iLk) durch eine primärseitige Transformatorhälfte bzw. entsprechende Streuinduktivität (Lk) berechnet (S3), - sukzessive für jede Phase (p1 - p4) eines Schaltschemas des Gleichspannungswandlers (1) den Strom (iLk) berechnet (S4-S7) und - am Ende der letzten Phase (p4) dieses Schaltschemas daraus den Anschaltdauerverlust (dL) und/oder die Zusatzspannung (uadd) berechnet (S8).
  5. Verfahren (S1 - S4, S4-1 - S4-8, S6 - S8) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Führungsgröße einer Referenz-Zeitverzögerung (Δtref) entspricht, die als Funktion einer mittels des BWHH-Algorithmus berechneten Anschaltdauerverlusts (dL) berechnet wird, wobei die Referenz-Zeitverzögerung (Δtref) ein Maß für eine verzögerte Schaltung des mindestens einen elektronischen Schalters (Q5, Q6) der Sekundärseite darstellt.
  6. Verfahren (S1 - S4, S4-1 - S4-8, S6 - S8) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Gleichspannungswandler (1) eine Primärseite mit einer Vollbrücke mit vier elektronischen Schaltern (Q1 - Q4) und eine Sekundärseite mit zwei elektronischen Schaltern (Q5, Q6) aufweist, wobei die Primärseite und die Sekundärseite über einen Transformator galvanisch voneinander getrennt sind.
  7. Verfahren (S1 - S4, S4-1 - S4-8, S6 - S8) nach Anspruch 6, wobei der Gleichspannungswandler (1) eine Phasenschieber-Vollbrücke ist.
  8. Regelung (2) zum Regeln eines leistungselektronischen Gleichspannungswandlers (1) mit einer Primärseite mit mindestens zwei elektronischen Schaltern (Q1 - Q4) und einer davon galvanisch getrennten Sekundärseite mit mindestens einem elektronischen Schalter (Q5, Q6), wobei die Regelung (2) zur Durchführung des Verfahrens (S1 - S4, S4-1 - S4-8, S6 - S8) nach einem der vorhergehenden Ansprüche ausgebildet ist.
  9. Fahrzeug (F), aufweisend mindestens einen leistungselektronischen Gleichspannungswandler (1) mit einer Primärseite mit mindestens zwei elektronischen Schaltern (Q1 - Q4) und einer davon galvanisch getrennten Sekundärseite mit mindestens einem elektronischen Schalter (Q5, Q6), wobei der Gleichspannungswandler (1) mittels des Verfahrens (S1 - S4, S4-1 - S4-8, S6 - S8) nach einem der Ansprüche 1 bis 7 ansteuerbar, insbesondere regelbar, ist.
  10. Fahrzeug (F) nach Anspruch 9, wobei der Gleichspannungswandler (1) dazu vorgesehen ist, eine Spannung zwischen zwei Teil-Energiebordnetzen des Fahrzeugs (F) mit unterschiedlichen Spannungsniveaus zu wandeln.
  11. Fahrzeug (F) nach einem der Ansprüche 9 bis 10, wobei das Fahrzeug (F) ein Elektrofahrzeug ist.
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BAUMANN, Martin [u.a.]: Efficient small-signal algorithm for high dynamic phase-shifted full-bridge converters. In: IEEE Vehicle Power and Propulsion Conference (VPPC), 18. November 2020 - 16. Dezember 2020, Gijon, Spanien, S. 1-5. - ISSN 978-1-7281-8960-4 (p) ; 978-1-7281-8959-8 (e). DOI: 10.1109/VPPC49601.2020.9330882. URL: https://ieeexplore.ieee.org/stamp/stamp.jsp?tp=&arnumber=9330882 [abgerufen am 2022-09-19].
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