DE102022122973A1

DE102022122973A1 - Verfahren und System zum Abgleich paralleler Gleichspannungswandler

Info

Publication number: DE102022122973A1
Application number: DE102022122973.4A
Authority: DE
Inventors: Ruben Molina Llorente; Antonio Martinez Perez; Pablo Gaona Rosanes; Rafael Jimenez Pino
Original assignee: Lear Corp
Current assignee: Lear Corp
Priority date: 2021-11-23
Filing date: 2022-09-09
Publication date: 2023-05-25
Also published as: CN116155068A; US20230163683A1

Abstract

Es wird ein Verfahren und ein System zum Ausgleich der Ausgangsströme von parallel geschalteten ersten und zweiten DC/DC-Wandlern bereitgestellt. Im Betrieb empfängt der erste Wandler (i) über eine zwischen den Wandlern geschaltete Kommunikationsleitung, z. B. einen CAN-Bus, einen Wert des Ausgangsstroms des zweiten Wandlers und (ii) verwendet diesen Wert beim Abwägen eines Ausgangsspannungsvergleichs, der vom ersten Wandler zur Erzeugung des Ausgangsstroms des ersten Wandlers durchgeführt wird, um dadurch den Ausgangsstrom des ersten Wandlers auf der Grundlage dieses Werts anzupassen. Ebenso empfängt der zweite Wandler (i) über die Kommunikationsleitung einen Wert des Ausgangsstroms des ersten Wandlers und (ii) verwendet diesen Wert beim Abwägen eines Ausgangsspannungsvergleichs, der vom zweiten Wandler zur Erzeugung des Ausgangsstroms des zweiten Wandlers durchgeführt wird, um dadurch den Ausgangsstrom des zweiten Wandlers auf der Grundlage dieses Wertes einzustellen.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft eine DC/DC-Wandler-Anordnung mit mehreren parallel geschalteten DC/DC-Wandlern.
Hintergrund
Ein DC/DC-Wandler wandelt eine Eingangs-Gleichspannung (Gleichstrom) in eine Ausgangs-Gleichspannung um. Insbesondere wandelt ein DC/DC-Abwärtswandler eine Eingangsgleichspannung mit einem Eingangsgleichstrom in eine niedrigere Ausgangsgleichspannung mit einem höheren Ausgangsgleichstrom um. Umgekehrt wandelt ein DC/DC-Aufwärtswandler eine Eingangsgleichspannung mit einem Eingangsgleichstrom in eine höhere Ausgangsgleichspannung mit einem niedrigeren Ausgangsgleichstrom um.
Ein Fahrzeug kann über ein Hochspannungsnetz (HV), z. B. ein 400-V-Gleichspannungsnetz, und ein Niederspannungsnetz (NS), z. B. ein 12-V-Gleichspannungsnetz, verfügen. Ein DC/DC-Wandler kann zwischen dem Hochspannungs- und dem Niederspannungsnetz verwendet werden, um diese beiden Spannungsnetze miteinander zu verbinden. Folglich kann der DC/DC-Wandler eine hohe Eingangsgleichspannung (z. B. 400 V) des Hochspannungsnetzes in eine niedrige Ausgangsgleichspannung (z. B. 12 V) umwandeln, die von den an das Niederspannungsnetz angeschlossenen Verbrauchern genutzt werden kann. Umgekehrt kann der DC/DC-Wandler, wenn er bidirektional ist, eine niedrige Eingangsgleichspannung des Niederspannungsnetzes in eine hohe Ausgangsgleichspannung zur Verwendung durch an das Hochspannungsnetz angeschlossene Verbraucher umwandeln.
Mehrere DC/DC-Wandler können zwischen das Hochspannungsnetz und dem Niederspannungsnetz parallelgeschaltet sein, z. B. um Redundanz zu schaffen oder um erhöhte Stromanforderungen von Verbrauchern zu erfüllen usw. Wenn beispielsweise zwei gleiche DC/DC-Wandler parallelgeschaltet werden, wird der Ausgangsstrom effektiv verdoppelt.
In bestimmten Fällen ist es wünschenswert, dass mehrere parallel geschaltete DC/DC-Wandler gleiche Ausgangsströme liefern (d. h. die Last gleichmäßig verteilen). Als Beispiel für gleiche Ausgangsströme stellt bei vier DC/DC-Wandlern jeder DC/DC-Wandler 25 % des Gesamtausgangsstroms zur Verfügung. In anderen Fällen ist es wünschenswert, dass mehrere parallel geschaltete DC/DC-Wandler unterschiedliche vorgegebene Ausgangsströme zur Verfügung stellen. Als Beispiel für unterschiedliche vorgegebene Ausgangsströme kann bei zwei DC/DC-Wandlern einer der DC/DC-Wandler z. B. 40 % (oder 45 %, 48 % usw.) des Gesamtausgangsstroms und der andere DC/DC-Wandler 60 % (oder 55 %, 52 % usw.) des Gesamtausgangsstroms zur Verfügung stellen.
Doch selbst scheinbar identische DC/DC-Wandler werden aufgrund von Instabilitäten, die auf messtechnisch bedingte oder erzeugungsbedingte Komponententoleranzen zurückzuführen sind, unterschiedliche Ausgangsspannungen aufweisen. Wenn einer der DC/DC-Wandler im Betrieb feststellt, dass seine Ausgangsspannung über einer Ziel-Ausgangsspannung liegt, kann dieser DC/DC-Wandler beschließen, seinen Ausgangsstrom zu verringern, während ein anderer DC/DC-Wandler das Gegenteil beschließen und anders handeln kann. Dies kann zu einer abweichenden Regelung und Instabilität führen. Wenn einer der DC/DC-Wandler einen größeren Ausgangsstrom erzeugt als es ein anderer DC/DC-Wandler „erwartet“ (aufgrund von Toleranzen), kann dieser andere DC/DC-Wandler beschließen, seinen Ausgangsstrom zu verringern, was dazu führt, dass der erste DC/DC-Wandler seinen Ausgangsstrom erhöht. Folglich werden die Ausgangsströme der DC/DC-Wandler ohne die erforderliche Anpassung anders als gewünscht sein.
Zusammenfassung
Der Gegenstand umfasst ein Verfahren und ein System zum Ausgleichen von Ausgangsströmen parallel geschalteter DC/DC-Wandler, bei denen jeder DC/DC-Wandler (i) über eine zwischen den DC/DC-Wandlern geschaltete Kommunikationsleitung, wie z.B. einen CAN-Bus, den Wert des Ausgangsstroms des anderen DC/DC-Wandlers empfängt und (ii) diesen Wert beim Abwägen eines von dem DC/DC-Wandler durchgeführten Ausgangsspannungsvergleichs zur Erzeugung des Ausgangsstroms des DC/DC-Wandlers verwendet, um dadurch den Ausgangsstrom des DC/DC-Wandlers auf der Grundlage dieses Werts anzupassen.
Zur Verwirklichung mindestens eines der oben genannten und/oder anderer Ziele wird eine DC/DC-Wandleranordnung bereitgestellt. Die DC/DC-Wandleranordnung umfasst eine Vielzahl von parallel geschalteten DC/DC-Wandlern. Jeder DC/DC-Wandler hat eine Steuerung. Die Steuerungen der DC/DC-Wandler stehen über eine Kommunikationsleitung, wie z. B. einen Controller Area Network (CAN)-Bus, miteinander in Verbindung. Die Steuerung jedes DC/DC-Wandlers ist so konfiguriert, dass sie der Steuerung jedes anderen DC/DC-Wandlers über die Kommunikationsleitung einen Wert eines Ausgangsstroms des DC/DC-Wandlers übermittelt. Die Steuerung jedes DC/DC-Wandlers ist so konfiguriert, dass sie den DC/DC-Wandler so steuert, dass der Ausgangsstrom des DC/DC-Wandlers sich einem gewünschten Verhältnis des Ausgangsstroms des DC/DC-Wandlers zu einem Gesamtausgangsstrom aller DC/DC-Wandler annähert.
Das gewünschte Verhältnis des Ausgangsstroms des DC/DC-Wandlers zum Gesamtausgangsstrom kann so gewählt werden, dass jeder DC/DC-Wandler gleiche Ausgangsströme liefert. Das gewünschte Verhältnis des Ausgangsstroms des DC/DC-Wandlers zum Gesamtausgangsstrom kann so gewählt werden, dass einer der DC/DC-Wandler den größten Ausgangsstrom und ein anderer der DC/DC-Wandler den kleinsten Ausgangsstrom liefern soll.
Zur Verwirklichung mindestens eines der oben genannten und/oder anderer Ziele wird eine weitere DC/DC-Wandleranordnung bereitgestellt. Die DC/DC-Wandleranordnung umfasst einen ersten und einen zweiten DC/DC-Wandler, die parallelgeschaltet sind. Der erste DC/DC-Wandler verfügt über eine erste Steuerung. Der zweite DC/DC-Wandler verfügt über eine zweite Steuerung. Die erste und die zweite Steuerung stehen über eine Kommunikationsleitung, wie z. B. einen CAN-Bus, miteinander in Verbindung. Die erste Steuerung ist so konfiguriert, dass sie über die Kommunikationsleitung einen Wert eines Ausgangsstroms des ersten DC/DC-Wandlers an die zweite Steuerung übermittelt, und die zweite Steuerung ist so konfiguriert, dass sie über die Kommunikationsleitung einen Wert des Ausgangsstroms des zweiten DC/DC-Wandlers an die erste Steuerung übermittelt. Die erste Steuerung ist so konfiguriert, dass sie den ersten DC/DC-Wandler steuert, um zu bewirken, dass sich der Wert des Ausgangsstroms des ersten DC/DC-Wandlers dem Wert des Ausgangsstroms des zweiten DC/DC-Wandlers annähert (zu diesem tendiert), und die zweite Steuerung ist so konfiguriert, dass sie den zweiten DC/DC-Wandler steuert, um zu bewirken, dass sich der Wert des Ausgangsstroms des zweiten DC/DC-Wandlers dem Wert des Ausgangsstroms des ersten DC/DC-Wandlers annähert.
Die erste Steuerung kann den ersten DC/DC-Wandler in Abhängigkeit von einem Verhältnis des Wertes des Ausgangsstroms des ersten DC/DC-Wandlers zu einem Wert eines Gesamtausgangsstroms der DC/DC-Wandleranordnung steuern, indem sie bewirkt, dass sich der Wert des Ausgangsstroms des ersten DC/DC-Wandlers dem Wert des Ausgangsstroms des zweiten DC/DC-Wandlers annähert. Der Gesamtausgangsstrom der DC/DC-Wandleranordnung ergibt sich aus der Summe des Ausgangsstroms des ersten DC/DC-Wandlers und des Ausgangsstroms des zweiten DC/DC-Wandlers.
Die zweite Steuerung kann den zweiten DC/DC-Wandler in Abhängigkeit von einem Verhältnis des Wertes des Ausgangsstroms des zweiten DC/DC-Wandlers zum Wert des Gesamtausgangsstroms der DC/DC-Wandleranordnung so steuern, dass sich der Wert des Ausgangsstroms des zweiten DC/DC-Wandlers dem Wert des Ausgangsstroms des ersten DC/DC-Wandlers annähert.
Die erste Steuerung kann den ersten DC/DC-Wandler auf der Grundlage einer Differenz zwischen einer Ausgangsspannung des ersten DC/DC-Wandlers und einer Soll-Spannung der DC/DC-Wandleranordnung sowie auf der Grundlage einer Differenz zwischen dem Ausgangsstrom des ersten DC/DC-Wandlers und einem Soll-Ausgangsstrom des ersten DC/DC-Wandlers für den ersten DC/DC-Wandler steuern, um den Ausgangsstrom des ersten DC/DC-Wandlers zu erzeugen.
In diesem Fall kann die erste Steuerung die Differenz zwischen der Ausgangsspannung des ersten DC/DC-Wandlers und der Soll-Spannung der DC/DC-Wandleranordnung als eine Funktion des Verhältnisses des Wertes des Ausgangsstroms des ersten DC/DC-Wandlers zu einem Wert eines Gesamtausgangsstroms der DC/DC-Wandleranordnung gewichten. Ferner kann in diesem Fall die erste Steuerung den Soll-Ausgangsstrom des ersten DC/DC-Wandlers auf der Grundlage der gewichteten Differenz zwischen der Ausgangsspannung des ersten DC/DC-Wandlers und der Soll-Spannung der DC/DC-Wandleranordnung einstellen.
Die zweite Steuerung kann den zweiten DC/DC-Wandler auf der Grundlage einer Differenz zwischen einer Ausgangsspannung des zweiten DC/DC-Wandlers und der Soll-Spannung der DC/DC-Wandleranordnung und auf der Grundlage einer Differenz zwischen dem Ausgangsstrom des zweiten DC/DC-Wandlers und einem Soll-Ausgangsstrom des zweiten DC/DC-Wandlers für den zweiten DC/DC-Wandler steuern, um den Ausgangsstrom des zweiten DC/DC-Wandlers zu erzeugen.
In diesem Fall kann die zweite Steuerung die Differenz zwischen der Ausgangsspannung des zweiten DC/DC-Wandlers und der Soll-Spannung der DC/DC-Wandleranordnung als Funktion eines Verhältnisses des Wertes des Ausgangsstroms des zweiten DC/DC-Wandlers zu einem Wert eines Gesamtausgangsstroms der DC/DC-Wandleranordnung gewichten. Ferner kann in diesem Fall die zweite Steuerung den Soll-Ausgangsstrom des zweiten DC/DC-Wandlers auf der Grundlage der gewichteten Differenz zwischen der Ausgangsspannung des zweiten DC/DC-Wandlers und der Soll-Spannung der DC/DC-Wandleranordnung einstellen.
Der erste DC/DC-Wandler und der zweite DC/DC-Wandler können dazu dienen, eine Eingangsspannung mit einem Eingangsstrom einer Traktionsbatterie eines Elektrofahrzeugs in eine Ausgangsspannung mit einem Gesamtausgangsstrom zum Laden einer Hilfsbatterie des Elektrofahrzeugs umzuwandeln. Der Gesamtausgangsstrom ist eine Summe aus dem Ausgangsstrom des ersten DC/DC-Wandlers und dem Ausgangsstrom des zweiten DC/DC-Wandlers.
Zur Verwirklichung mindestens eines der obigen und/oder anderer Ziele wird außerdem ein Verfahren zum Ausgleich der Ausgangsströme von parallel geschalteten ersten und zweiten DC/DC-Wandlern einer DC/DC-Wandleranordnung bereitgestellt. Das Verfahren umfasst das Übertragen eines Wertes eines Ausgangsstroms des ersten DC/DC-Wandlers von einer ersten Steuerung des ersten DC/DC-Wandlers zu einer zweiten Steuerung des zweiten DC/DC-Wandlers über eine Kommunikationsleitung, wie z.B. einen CAN-Bus, der zwischen der ersten Steuerung und der zweiten Steuerung angeschlossen ist. Das Verfahren umfasst ferner die Übertragung eines Wertes des Ausgangsstroms des zweiten DC/DC-Wandlers von der zweiten Steuerung zu der ersten Steuerung über die Kommunikationsleitung. Das Verfahren umfasst ferner die Steuerung des ersten DC/DC-Wandlers durch die erste Steuerung, um zu bewirken, dass sich der Wert des Ausgangsstroms des ersten DC/DC-Wandlers dem Wert des Ausgangsstroms des zweiten DC/DC-Wandlers annähert. Das Verfahren umfasst ferner die Steuerung des zweiten DC/DC-Wandlers durch die zweite Steuerung, um zu bewirken, dass sich der Wert des Ausgangsstroms des zweiten DC/DC-Wandlers dem Wert des Ausgangsstroms des ersten DC/DC-Wandlers annähert.
Figurenliste

1 zeigt ein Blockdiagramm einer DC/DC-Wandleranordnung mit parallel geschalteten ersten und zweiten DC/DC-Wandlern gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung, wobei die DC/DC-Wandler parallel zwischen ein Hochspannungsnetz (HV) und ein Niederspannungsnetz (LV) geschaltet sind;
2A veranschaulicht ein Blockdiagramm des ersten DC/DC-Wandlers der DC/DC-Wandleranordnung;
2B veranschaulicht ein Flussdiagramm, das den allgemeinen Betrieb des ersten DC/DC-Wandlers darstellt;
3 veranschaulicht zwei elektrische Schaltpläne alternativer Anschlussschaltungen der DC/DC-Wandleranordnung, die zwischen einer HV-Batterie des HV-Netzes und einer LV-Batterie des LV-Netzes für den ersten und zweiten DC/DC-Wandler angeschlossen sind, um die LV-Batterie redundant mit elektrischer Energie aus der HV-Batterie zu versorgen;
4 zeigt ein Blockdiagramm einer DC/DC-Wandleranordnung mit parallel geschalteten Master- und Slave-DC/DC-Wandlern, wobei die DC/DC-Wandler parallel zwischen der HV-Batterie und der LV-Batterie geschaltet sind;
5 zeigt ein weiteres Blockdiagramm der DC/DC-Wandleranordnung gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung, wobei das Blockdiagramm des DC/DC-Wandlers in 5 gezeigte Blockdiagramm des DC/DC-Wandlers ist eine detailliertere Version des in 1 gezeigten Blockdiagramms des DC/DC-Wandlers; und
6 illustriert ein Flussdiagramm, das einen Regelalgorithmus darstellt, der von jedem der ersten und zweiten DC/DC-Wandler der DC/DC-Wandleranordnung gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung ausgeführt wird.

Ausführliche Beschreibung
Hierin sind detaillierte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung offenbart; es ist jedoch davon auszugehen, dass die offenbarten Ausführungsformen lediglich beispielhaft für die vorliegende Erfindung sind, die in verschiedenen und alternativen Formen ausgeführt werden kann. Die Figuren sind nicht unbedingt maßstabsgetreu; einige Merkmale können übertrieben oder verkleinert sein, um Details bestimmter Komponenten darzustellen. Daher sind konkrete strukturelle und funktionale Details, die hier offenbart werden, nicht als einschränkend zu verstehen, sondern lediglich als repräsentative Grundlage, um dem Fachmann zu zeigen, wie er die vorliegende Erfindung auf verschiedene Weise einsetzen kann.
Es ist bekannt, dass verschiedene elektrische Geräte wie Steuerungen, wie sie hier offenbart sind, verschiedene Mikroprozessoren, integrierte Schaltungen, Speichervorrichtungen (z. B. FLASH, Direktzugriffsspeicher (RAM), Festwertspeicher (ROM), elektrisch programmierbarer Festwertspeicher (EPROM), elektrisch löschbarer programmierbarer Festwertspeicher (EEPROM) oder andere geeignete Varianten davon) und Software umfassen können, die miteinander zusammenwirken, um die hier offenbarte(n) Operation(en) durchzuführen. Darüber hinaus verwenden diese elektrischen Geräte einen oder mehrere Mikroprozessoren, um ein Computerprogramm auszuführen, das in einem nicht transitorischen, computerlesbaren Medium verkörpert ist, das so programmiert ist, dass es eine beliebige Anzahl der hier offenbarten Funktionen ausführt. Darüber hinaus umfassen die verschiedenen hierin beschriebenen elektrischen Geräte ein Gehäuse und eine unterschiedliche Anzahl von Mikroprozessoren, integrierten Schaltkreisen und Speichervorrichtungen (z. B. FLASH, Direktzugriffsspeicher (RAM), Festwertspeicher (ROM), elektrisch programmierbarer Festwertspeicher (EPROM), elektrisch löschbarer programmierbarer Festwertspeicher (EEPROM)), die innerhalb des Gehäuses angeordnet sind. Die elektrischen Geräte umfassen auch hardwarebasierte Eingänge und Ausgänge für den Empfang und die Übertragung von Daten von bzw. zu anderen hardwarebasierten Geräten, wie hier beschrieben.
In 1 ist ein Blockdiagramm einer DC/DC-Wandleranordnung 10 gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung dargestellt. DC/DC-Wandleranordnung 10 hat einen ersten DC/DC-Wandler 12a und einen zweiten DC/DC-Wandler 12b. Der erste und der zweite DC/DC-Wandler 12a und 12b sind parallel zwischen ein Hochspannungsnetz 14 und ein Niederspannungsnetz 16 geschaltet (d. h., die Wandler sind parallel zwischen Spannungsnetze mit unterschiedlichen Spannungen geschaltet).
Das Hochspannungsnetz 14 und das Niederspannungsnetz 16 sind Beispiele für Spannungsnetze, bei denen die Spannung des einen Spannungsnetzes (d. h. des Hochspannungsnetzes 14) größer ist als die Spannung des anderen Spannungsnetzes (d. h. des Niederspannungsnetzes 16). So kann das Hochspannungsnetz 14 als „Hochspannungsnetz“ in dem Sinne betrachtet werden, dass es eine höhere Spannung als das Niederspannungsnetz 16 hat, und das Niederspannungsnetz 16 kann als „Niederspannungsnetz“ in dem Sinne betrachtet werden, dass es eine geringere Spannung als das Hochspannungsnetz 14 hat. In anderen Ausführungsformen kann das HV-Netz 14 als „Hochspannungsnetz“ in dem Sinne betrachtet werden, dass seine Spannung in einen als „Hochspannungsbereich“ definierten Bereich fällt (z. B. 200 bis 800 V DC); und das NS-Netz 16 kann als „Niederspannungsnetz“ in dem Sinne betrachtet werden, dass seine Spannung in einen als „Niederspannungsbereich“ definierten Bereich fällt (z. B. 5 bis 24 V DC). Dementsprechend kann eines der Spannungsnetze 14 und 16 ein „Mittelspannungsnetz“ sein, dessen Spannung in einen Bereich fällt, der als „Mittelspannungsbereich“ definiert ist (z. B. 36 bis 72 V DC). Wenn also das Mittelspannungsnetz eine höhere Spannung als das andere Spannungsnetz hat, kann das Mittelspannungsnetz als „Hochspannungsnetz“ betrachtet werden, einfach aufgrund der Tatsache, dass es eine höhere Spannung als das andere Spannungsnetz hat; und wenn das Mittelspannungsnetz eine geringere Spannung als das andere Spannungsnetz hat, kann das Mittelspannungsnetz als „Niederspannungsnetz“ betrachtet werden, einfach aufgrund der Tatsache, dass es eine geringere Spannung als das andere Spannungsnetz hat.
Die DC/DC-Wandleranordnung 10 kann sich „an Bord“ eines Elektrofahrzeugs (EV) befinden, wobei das Hochspannungsnetz 14 und das Niederspannungsnetz 16 Spannungsnetze des EV sind. Die Begriffe „Elektrofahrzeug“ und „EV“ umfassen hier jede Art von Fahrzeug, das elektrische Energie für den Fahrzeugantrieb verwendet, einschließlich batteriebetriebener Elektrofahrzeuge (BEV), Hybridelektrofahrzeuge (HEV), Plug-in-Hybridelektrofahrzeuge (PHEV) und dergleichen.
Eine Traktionsbatterie 18 des Elektrofahrzeugs ist an das Hochspannungsnetz 14 angeschlossen. Bei der Traktionsbatterie 18 handelt es sich um eine HV-Gleichstrom-Batterie, die elektrische Energie speichert, um die elektrischen Maschinen des Elektrofahrzeugs anzutreiben. Bei der Traktionsbatterie 18 handelt es sich beispielsweise um eine 400-V-Gleichstrombatterie.
Eine Hilfsbatterie 20 des Elektrofahrzeugs ist an das Niederspannungsnetz 16 angeschlossen. Bei der Hilfsbatterie 20 handelt es sich um eine LV-Gleichstrombatterie, die elektrische Energie für die Versorgung eines oder mehrerer Niederspannungsverbraucher im Fahrzeug speichert. Die Hilfsbatterie 20 ist zum Beispiel eine 12-V-Gleichstrombatterie.
Die Traktionsbatterie 18 liefert nicht nur elektrische Energie für den Fahrzeugantrieb, sondern auch elektrische Energie zum Laden der Hilfsbatterie 20. In dieser Hinsicht ist die DC/DC-Wandleranordnung 10 zwischen der Traktionsbatterie 18 und der Hilfsbatterie 20 angeschlossen, wie in 1 dargestellt. Die DC/DC-Wandleranordnung 10 wandelt einen HV-Gleichstromausgang der Traktionsbatterie 18 in einen LV-Gleichstromausgang um, der mit der Hilfsbatterie 20 kompatibel ist. Insbesondere wandeln die DC/DC-Wandler 12a und 12b in Verbindung miteinander den HV-Gleichstromausgang der Traktionsbatterie 18 in den mit der Hilfsbatterie 20 kompatiblen LV-Gleichstromausgang um.
Die 2A und 2B zeigen ein Blockdiagramm des ersten DC/DC-Wandlers 12a der DC/DC-Wandleranordnung 10 und ein Flussdiagramm 25, das den allgemeinen Betrieb des ersten DC/DC-Wandlers darstellt. 2A und 2B zeigen den allgemeinen Aufbau und Betrieb eines DC/DC-Wandlers. In diesem Fall ist der dargestellte DC/DC-Wandler der erste DC/DC-Wandler 12a. Bei den ersten und zweiten DC/DC-Wandlern 12a und 12b kann es sich um identische DC/DC-Wandler handeln, deren Komponenten aufgrund von Toleranzen unterschiedliche Werte aufweisen. Daher sind die Darstellungen in den 2A und 2B auch für den zweiten DC/DC-Wandler 12b repräsentativ. Außerdem kann es sich bei den ersten und zweiten DC/DC-Wandlern 12a und 12b um unterschiedliche Typen von DC/DC-Wandlern mit unterschiedlichen Leistungseingangs-/Ausgangsfähigkeiten handeln. Nichtsdestotrotz würde die Darstellung in den 2A und 2B eines der Typen von Gleichspannungswandlern auch für den anderen Typ von Gleichspannungswandlern repräsentativ sein.
Wie in 2A dargestellt, umfasst der DC/DC-Wandler 12a eine Leistungsstufe 22 und eine Steuerung 24. Wie dem Fachmann bekannt, umfasst die Leistungsstufe 22 als Beispiel für einen DC/DC-Wandleraufbau ein (nicht dargestelltes) Wechselrichtermodul, ein Gleichrichtermodul und ein Transformatormodul, wobei das Transformatormodul zwischen das Wechselrichtermodul und das Gleichrichtermodul geschaltet ist. Das Wechselrichtermodul ist an das Hochspannungsnetz 14 und das Gleichrichtermodul an das Niederspannungsnetz 16 angeschlossen. Das Wechselrichtermodul enthält eine Hochspannungsbrücke aus Leistungsschaltern. Das Gleichrichtermodul umfasst eine Niederspannungsbrücke aus Leistungsschaltern oder Dioden. Das Transformatormodul umfasst einen Transformator, dessen Primärseite mit der Hochspannungsbrücke des Wechselrichtermoduls und dessen Sekundärseite mit der Niederspannungsbrücke des Gleichrichtermoduls verbunden ist.
Die Steuerung 24 des DC/DC-Wandlers 12a ist so konfiguriert, dass sie den Betrieb der Leistungsstufe 22 des DC/DC-Wandlers 12a steuert, um eine Eingangsgleichspannung (V_IN) mit einem Eingangsgleichstrom (I_IN) in eine niedrigere Ausgangsgleichspannung (V_OUT) mit einem höheren Ausgangsgleichstrom (I_OUT) umzuwandeln. Insbesondere steuert die Steuerung 24 die Leistungsschalter des Wechselrichtermoduls und gegebenenfalls die Leistungsschalter des Gleichrichtermoduls so, dass sie in einem ausgewählten Intervall ein- und ausgeschaltet werden (d. h. die Leistungsschalter werden selektiv aktiviert/deaktiviert), damit der DC/DC-Wandler 12a die Eingangsgleichspannung mit dem Eingangsgleichstrom in eine Soll-Ausgangsgleichspannung mit einem Soll-Ausgangsgleichstrom umwandelt. Beispielsweise steuert die Steuerung 24 die Leistungsschalter, indem sie geeignete pulsweitenmodulierte (PWM) Steuersignale an die Leistungsschalter liefert.
Um die Leistungsschalter des DC/DC-Wandlers 12a angemessen zu steuern, z. B. durch Bereitstellung geeigneter PWM-Steuersignale, verwendet die Steuerung 24 die digitale Verarbeitung der gemessenen Ausgangsspannungen und gemessenen Ausgangsströme der Leistungsstufe 22. In diesem Zusammenhang empfängt die Steuerung 24 Rückkopplungssignale, die die gemessenen Ausgangsspannungen und gemessenen Ausgangsströme der Leistungsstufe 22 anzeigen, wie in 2A dargestellt. Im Allgemeinen vergleicht die Steuerung 24 die gemessene Ausgangsspannung und den gemessenen Ausgangsstrom mit der Soll-Ausgangsspannung und dem Soll-Ausgangsstrom, um die entsprechenden PWM-Steuersignale zur Steuerung der Leistungsschalter der Leistungsstufe 22 zu erzeugen.
Das Flussdiagramm 25 in 2B stellt allgemein den Rückkopplungsregelkreis der Steuerung 24 dar. Wie beschrieben, empfängt die Steuerung 24 Sensorsignale, die der gemessenen Ausgangsgleichspannung (V_OUT) („Gemessene V“ oder „Gemessene V_OUT“) und dem gemessenen Ausgangsgleichstrom (I_OUT) („Gemessener I“ oder „Gemessener I_OUT“) der Leistungsstufe 22 (d. h. des DC/DC-Wandlers 12a) entsprechen. Die Sensorsignale werden in dem Zeitbereich empfangen, in dem sie von der Steuerung 24 in den digitalen Bereich umgewandelt werden, z. B. durch Analog-Digital-Wandler der Steuerung 24. Die Soll-Ausgangsgleichspannung (V_OUT) („Ziel V“ oder „Ziel V_OUT“) des DC/DC-Wandlers 12a ist der Steuerung 24 bekannt.
Der Regelvorgang der Steuerung 24 umfasst einen ersten Komparator (d. h. einen Addierer) 26 der Steuerung 24, der eine digitale Version der gemessenen Ausgangsgleichspannung mit einer digitalen Version der Soll-Ausgangsgleichspannung vergleicht. Der erste Komparator 26 gibt ein Differenzsignal 28 („Spannungsfehler“) aus, das die Differenz zwischen der gemessenen Ausgangsgleichspannung und der Soll-Ausgangsgleichspannung angibt. Ein erstes Proportional-Integral (PI)-Steuermodul 30 der Steuerung 24 integriert das Spannungsfehlersignal 28, um den digitalen Soll-Ausgangsgleichstrom (I_OUT) („Ziel I“ oder „Ziel I_OUT“) zu erzeugen.
Ein zweiter Komparator 32 vergleicht eine digitale Version des gemessenen Ausgangsgleichstroms mit der digitalen Version des Soll-Ausgangsgleichstroms. Der zweite Komparator 32 gibt ein Differenzsignal 34 („Stromfehler“) aus, das die Differenz zwischen dem gemessenen Ausgangsgleichstrom und dem Soll-Ausgangsgleichstrom angibt. Ein zweites PI-Regelmodul 36 der Steuerung 24 integriert das Stromfehlersignal 34, um einen digitalen Gleichstrombefehl (I_REF) zu erzeugen.
Die Steuerung 24 stellt die Art und Weise der Steuerung der Leistungsschalter der Leistungsstufe 22 (z. B. durch PWM-Steuerung der Leistungsschalter) auf der Grundlage des Gleichstrombefehls so ein und/oder passt sie an, dass sich der Wert des Ausgangsgleichstroms der Leistungsstufe 22 dem Wert des Soll-Ausgangsgleichstroms annähert.
3 zeigt zwei elektrische Schaltbilder 40 und 42 alternativer Anschlussschaltungen der DC/DC-Wandleranordnung 10, die zwischen einer HV-Batterie (z. B. Traktionsbatterie 18) und einer LV-Batterie (z. B. Hilfsbatterie 20) angeschlossen ist. Der erste DC/DC-Wandler 12a und der zweite DC/DC-Wandler 12b sind somit in der Lage, die LV-Batterie redundant mit der elektrischen Energie der HV-Batterie zu versorgen. Um die Stabilität zu gewährleisten, ist ein Ausgangsstromausgleich zwischen dem ersten und dem zweiten DC/DC-Wandler 12a und 12b an der LV-Batterie erwünscht. Grundsätzlich sollen die beiden elektrischen Schaltbilder 40 und 42 in 3 verdeutlichen, dass die ersten und zweiten Wandler 12a und 12b mit unterschiedlichen Eingangsquellen betrieben werden können, die mit demselben Ausgang verbunden sind.
In 4 ist unter weiterer Bezugnahme auf 1, 2A und 2B ein Blockdiagramm einer DC/DC-Wandleranordnung 50 mit parallel geschalteten Master- und Slave-DC/DC-Wandlern dargestellt. Der Master-DC/DC-Wandler52 und der Slave-DC/DC-Wandler54 sind parallel zwischen einer HV-Batterie (z. B. Traktionsbatterie 18) und einer LV-Batterie (z. B. Hilfsbatterie 20) geschaltet. Die Leistungsstufe 22 und die Steuerung 24 des ersten DC/DC-Wandlers 52 und des zweiten DC/DC-Wandlers 54 sind in 4 dargestellt.
Im Betrieb implementiert die Steuerung 24 des ersten DC/DC-Wandlers 52 die gemessene Ausgangsgleichspannung und den gemessenen Ausgangsgleichstrom als Rückkopplungsregelkreis, die im Flussdiagramm 25 von 2B dargestellt sind, um die Leistungsstufe 22 des ersten DC/DC-Wandlers 52 so zu steuern, dass eine Ausgangsgleichspannung mit einem Ausganggleichstrom (I_{OUT_DC/DC_1}) erzeugt wird. Der Ausgangsgleichstrom des ersten DC/DC-Wandlers 52 soll die Hälfte des Gesamtausgangsstroms der DC/DC-Wandleranordnung 50 betragen (d. h. der Ausgangsgleichstrom des ersten DC/DC-Wandlers 52 und der Ausgangsgleichstrom des zweiten DC/DC-Wandlers 54 sollen gleich sein und ihre Summe soll dem Gesamtausgangsgleichstrom der DC/DC-Wandleranordnung 50 entsprechen; I_{OUT_DC/DC_1} = I_{OUT_DC/DC_2}; und I_{OUT_DC/DC_1} + I_{OUT_DC/DC_2} = I_{OUT_Total}).
Unter Bezugnahme auf das Flussdiagramm 25 in 2B wird die Ausgangsgleichspannung des ersten DC/DC-Wandlers 52 aufgrund von Toleranzen der Komponenten des ersten DC/DC-Wandlers 52 wahrscheinlich zumindest geringfügig von der Soll-Ausgangsgleichspannung abweichen. Ferner wird die Ausgangsgleichspannung des ersten DC/DC-Wandlers 52 aufgrund von Toleranzen der Komponenten des zweiten DC/DC-Wandlers 54 wahrscheinlich zumindest geringfügig von der Ausgangsgleichspannung des zweiten DC/DC-Wandlers 54 abweichen. Insgesamt werden sich die Ausgangsgleichspannungen des ersten und zweiten DC/DC-Wandlers 52 und 54 wahrscheinlich voneinander und/oder von der Soll-Spannung unterscheiden.
Der Unterschied in den Ausgangsgleichspannungen muss bei dem Versuch berücksichtigt werden, die Ausgangsgleichströme der ersten und zweiten DC/DC-Wandler 52 und 54 anzugleichen. Die DC/DC-Wandleranordnung 50 im Hintergrund versucht, diese Aufgabe zu bewältigen, indem sie (i) einen der DC/DC-Wandler als Master (d.h. den ersten DC/DC-Wandler 52) und jeden anderen DC/DC-Wandler als Slave (d.h. den zweiten DC/DC-Wandler 54) fungieren lässt und (ii) dafür sorgt, dass die Steuerung 24 des ersten DC/DC-Wandlers 52 ein Steuersignal, das den Ausgangsgleichstrom des ersten DC/DC-Wandlers 52 angibt, an die Steuerung 24 des zweiten DC/DC-Wandlers 54 weiterleitet. Die Steuerungen 24 der DC/DC-Wandler 52 und 54 sind über eine direkte Verbindungsleitung 56 verbunden, damit die Steuerung des ersten DC/DC-Wandlers 52 das Steuersignal an die Steuerung des zweiten DC/DC-Wandlers 54 weiterleiten kann.
Die Steuerung 24 des ersten DC/DC-Wandlers 54 implementiert den gemessenen Ausgangsgleichstrom-Rückkopplungsregelkreisbetrieb (und nicht den gemessenen Ausgangsgleichspannungs-Rückkopplungsregelkreisbetrieb), der im Flussdiagramm 25 von 2B dargestellt ist, um die Leistungsstufe 22 des ersten DC/DC-Wandlers 52 zu steuern, um eine Ausgangsgleichspannung mit einem Ausgangsgleichstrom (I_{OUT_DC/DC_2}) zu erzeugen. Bei der Implementierung des gemessenen Ausgangsgleichstrom-Rückkopplungsregelkreisbetriebs wird der Wert des Ausgangsgleichstroms des ersten DC/DC-Wandlers 52 (der mit dem über die Direktverbindungsleitung 56 von der Steuerung des ersten DC/DC-Wandlers 52 an die Steuerung des zweiten DC/DC-Wandlers 54 übermittelten Steuersignal bereitgestellt wird) als der Wert des Soll-Ausgangsgleichstroms verwendet.
Ein Problem besteht darin, dass, wenn die DC/DC-Wandler 52 und 54 getrennte Module sind, die Synchronisations-Steuerverbindung, die durch die direkte Verbindungsleitung 56 bereitgestellt wird, relativ teuer ist (z. B. erfordert sie eine schnelle Datenübertragung, hat eine geringe elektromagnetische Kompatibilität, ist wenig robust usw.). Außerdem benötigt der zweite DC/DC-Wandler 54 im Falle einer Fehlfunktion des ersten DC/DC-Wandlers 52 einige Millisekunden, um die Versorgung mit elektrischer Energie im Alleingang aufzunehmen. Wenn keine Hilfsbatterie 20 vorhanden ist (d. h. das Niederspannungsnetz 16 hat keine Batteriequelle), ist diese Versorgungsunterbrechung nicht akzeptabel (z. B. haben elektronische 12-V-Gleichstrom-Steuereinheiten (ECUs) von Verbrauchern im Niederspannungsnetz 16 einen zu langen elektrischen Energieversorgungsverlust).
In 5 ist unter weiterer Bezugnahme auf die 1, 2A und 2B ein weiteres Blockdiagramm der DC/DC-Wandleranordnung 10 gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung dargestellt. Das Blockdiagramm der DC/DC-Wandleranordnung 10 in 5 ist eine detailliertere Version des in 1 gezeigten Blockdiagramms der DC/DC-Wandleranordnung 10.
Gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung weist die DC/DC-Wandleranordnung 10 die folgenden Merkmale auf. Die Steuerung 24 des ersten DC/DC-Wandlers 12a implementiert die gemessene Ausgangsgleichspannung und den gemessenen Ausgangsgleichstrom-Rückkopplungsregelkreisbetrieb, die im Flussdiagramm 25 von 2B dargestellt sind, um die Leistungsstufe 22 des ersten DC/DC-Wandlers 12a zu steuern, um eine Ausgangsgleichspannung mit einem Ausgangsgleichstrom (I_{OUT_DC/DC_1}) zu erzeugen. Ebenso implementiert die Steuerung 24 des zweiten DC/DC-Wandlers 12b die gemessene Ausgangsgleichspannung und den gemessenen Ausgangsgleichstrom-Rückkopplungsregelkreisbetrieb, die im Flussdiagramm 25 von 2B dargestellt sind, um die Leistungsstufe 22 des zweiten DC/DC-Wandlers 12b zu steuern und eine Ausgangsgleichspannung mit einem Ausgangsgleichstrom (I_{OUT_DC/DC_2}) zu erzeugen.
Die Steuerung 24 des ersten DC/DC-Wandlers 12a und die Steuerung 24 des zweiten DC/DC-Wandlers 12b sind über eine Kommunikationsleitung 58, z. B. einen CAN-Bus (Control Area Network), verbunden. Der CAN-Bus ist ein Beispiel, da die Kommunikationsleitung 58 auch als eine andere Art von verdrahteter (oder drahtloser) Kommunikationsleitung ausgeführt werden kann. Der erste DC/DC-Wandler 12a und der zweite DC/DC-Wandler 12b dienen jeweils als Master-DC/DC-Wandler. Da es sich um Master-DC/DC-Wandler handelt, tauschen die Steuerungen 24 des ersten und zweiten DC/DC-Wandlers 12a und 12b die Ausgangsgleichstrommessungen über den CAN-Bus 58 miteinander aus. Insbesondere leitet die Steuerung 24 des ersten DC/DC-Wandlers 12a über den CAN-Bus 58 ein Steuersignal, das den Ausgangsgleichstrom (I_{OUT_DC/DC_1}) des ersten DC/DC-Wandlers 12a angibt, an die Steuerung 24 des zweiten DC/DC-Wandlers 12b weiter. Ebenso leitet die Steuerung 24 des zweiten DC/DC-Wandlers 12b über den CAN-Bus 58 ein Steuersignal, das den Ausgangsgleichstrom (I_{OUT_DC/DC_2}) des zweiten DC/DC-Wandlers 12b angibt, an die Steuerung 24 des ersten DC/DC-Wandlers 12a weiter.
Bei der Implementierung des im Flussdiagramm 25 von 2B dargestellten Regelalgorithmus zur Steuerung der Leistungsstufe 22 des ersten DC/DC-Wandlers 12a zur Erzeugung der Ausgangsgleichspannung mit dem Ausgangsgleichstrom (I_{OUT_DC/DC_1}) bestimmt die Steuerung 24 des ersten DC/DC-Wandlers 12a den Gesamtausgangsgleichstrom (I_{OUT_Total}) der DC/DC-Wandleranordnung 10. Der Gesamtausgangsgleichstrom (I_{OUT_Total}) ist die Summe des Ausgangsgleichstroms (I_{OUT_DC/DC_1}) des ersten DC/DC-Wandlers 12a und des Ausgangsgleichstroms (I_{OUT_DC/DC_2}) des zweiten DC/DC-Wandlers 12b (d. h. I_{OUT_Total} = I_{OUT_DC/DC_1} + I_{OUT_DC/DC_2}). Wie beschrieben, misst die Steuerung 24 des ersten DC/DC-Wandlers 12a den Ausgangsgleichstrom (I_{OUT_DC/DC_1}) des ersten DC/DC-Wandlers 12a; und die Steuerung 24 des ersten DC/DC-Wandlers 12a erhält eine Messung des Ausgangsgleichstroms (I_{OUT_DC/DC_2}) des zweiten DC/DC-Wandlers 12b aus dem Steuersignal, das über den CAN-Bus 58 von der Steuerung 24 des zweiten DC/DC-Wandlers 12b bereitgestellt wird.
Die Steuerung 24 des ersten DC/DC-Wandlers 12a vergleicht ihrerseits den Ausgangsgleichstrom (I_{OUT_DC/DC_1}) des ersten Wandlers 12a mit dem Gesamtausgangsgleichstrom (I_{OUT_To-tal}) der DC/DC-Wandleranordnung 10 (d. h. I_{OUT_DC/DC_1} / I_{OUT_Total}) (z. B. bei einem Verhältnis von 50 %). Die Differenz zwischen dem Ausgangsgleichstrom des ersten Wandlers 12a und dem Gesamtausgangsgleichstrom in Bezug auf das zugewiesene prozentuale Verhältnis (hier als „Stromverhältnis“ des ersten Wandlers 12a bezeichnet) wird in die DC/DC-Leistungsstufensteuerung (PWM-Parameter) des im Flussdiagramm 25 von 2B dargestellten Steueralgorithmus eingespeist, wie unter Bezugnahme auf 6 näher beschrieben wird. Gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung umfasst eine von der Steuerung 24 des ersten DC/DC-Wandlers 12a durchgeführte Ergänzung des Steueralgorithmus im Flussdiagramm 25 von 2B, dass die Steuerung 24 des ersten DC/DC-Wandlers 12a einen Wert des gesamten Ausgangsgleichstroms (I_{OUT_Total}) der DC/DC-Wandleranordnung 10 verwendet, der aus der gemeinsamen Nutzung des gemessenen Ausgangsgleichstroms (I_{OUT_DC/DC_2}) des zweiten DC/DC-Wandlers 12b mit der Steuerung 24 des ersten DC/DC-Wandlers 12a über den CAN-Bus 58 ermittelt wird. Wie unter Bezugnahme auf 6 näher beschrieben wird, stellt die Steuerung 24 des ersten DC/DC-Wandlers 12a den Vergleich zwischen der gemessenen Ausgangs-Gleichspannung und dem Soll-Ausgangsgleichstrom in Abhängigkeit vom Stromverhältnis des ersten Wandlers 12a ein.
Ebenso bestimmt die Steuerung 24 des zweiten DC/DC-Wandlers 12b bei der Implementierung des im Flussdiagramm 25 von 2B dargestellten Regelalgorithmus zur Steuerung der Leistungsstufe 22 des zweiten DC/DC-Wandlers 12b, um die Ausgangsgleichspannung mit dem Ausgangsgleichstrom (I_{OUT_DC/DC_2}) zu erzeugen, den gesamten Ausgangsgleichstrom (I_{OUT_Total}) der DC/DC-Wandleranordnung 10. Wie beschrieben, misst die Steuerung 24 des zweiten DC/DC-Wandlers 12b den Ausgangsgleichstrom (I_{OUT_DC/DC_2}) des zweiten DC/DC-Wandlers 12b; und die Steuerung 24 des zweiten DC/DC-Wandlers 12b erhält eine Messung des Ausgangsgleichstroms (I_{OUT_DC/DC_1}) des ersten DC/DC-Wandlers 12a aus dem Steuersignal, das über den CAN-Bus 58 von der Steuerung 24 des ersten DC/DC-Wandlers 12a bereitgestellt wird.
Die Steuerung 24 des zweiten DC/DC-Wandlers 12b vergleicht ihrerseits den Ausgangsgleichstrom (I_{OUT_DC/DC_2}) des zweiten Wandlers 12b mit dem Gesamtausgangsgleichstrom (I_{OUT_Total}) der DC/DC-Wandleranordnung 10 (d. h. I_{OUT_DC/DC_2} / I_{OUT_Total}). Die Differenz des Ausgangsgleichstroms des zweiten Wandler 12b mit dem Gesamtausgangsgleichstrom in Bezug auf das zugewiesene prozentuale Verhältnis (hier als „Stromverhältnis“ des zweiten Stromrichters 12b bezeichnet) wird in die DC/DC-Leistungsstufensteuerung (PWM-Parameter) des im Flussdiagramm 25 von 2B dargestellten Regelalgorithmus eingespeist, wie unter Bezugnahme auf 6 näher erläutert wird. Gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung umfasst eine von der Steuerung 24 des zweiten DC/DC-Wandlers 12b durchgeführte Ergänzung des Regelalgorithmus im Flussdiagramm 25 von 2B, dass die Steuerung 24 des zweiten DC/DC-Wandlers 12b einen Wert des gesamten Ausgangsgleichstroms (I_{OUT_Total}) der DC/DC-Wandleranordnung 10 verwendet, der aus der gemeinsamen Nutzung des gemessenen Ausgangsgleichstroms (I_{OUT_DC/DC_1}) des ersten DC/DC-Wandlers 12a mit der Steuerung 24 des zweiten DC/DC-Wandlers 12b über den CAN-Bus 58 bestimmt wird. Wie unter Bezugnahme auf 6 näher beschrieben wird, passt die Steuerung 24 des zweiten DC/DC-Wandlers 12b den Vergleich zwischen der gemessenen Ausgangs-Gleichspannung und dem Soll-Ausgangsgleichstrom in Abhängigkeit vom Stromverhältnis des zweiten Wandlers 12b an.
In 6 ist unter weiterer Bezugnahme auf 2B und 5 ein Flussdiagramm 60 dargestellt, das den von jedem der ersten und zweiten DC/DC-Wandler 12a und 12b ausgeführten Regelalgorithmus zeigt. Der im Flussdiagramm 60 dargestellte Regelalgorithmus entspricht dem Flussdiagramm 25 in 2B mit dem Zusatz, dass jeder DC/DC-Wandler zusätzlich einen Wert des gesamten Ausgangsgleichstroms (I_{OUT_Total}) der DC/DC-Wandleranordnung 10 verwendet, um das „Stromverhältnis“ des DC/DC-Wandlers zu bestimmen und dann den Vergleich zwischen der gemessenen Ausgangsgleichspannung des DC/DC-Wandlers und der Soll-Ausgangsgleichspannung als Funktion des Stromverhältnisses einzustellen (d. h. zu gewichten).
Was den ersten DC/DC-Wandler 12a betrifft, so vergleicht der erste Komparator 26 der Steuerung 24 des ersten DC/DC-Wandlers 12a die gemessene Ausgangsgleichspannung des ersten DC/DC-Wandlers 12a, die in Block 62 angegeben ist, mit der Soll-Ausgangsgleichspannung der DC/DC-Wandleranordnung 10, die in Block 64 angegeben ist. Auf der Grundlage der Spannungsdifferenz erzeugt die Steuerung 24 des ersten DC/DC-Wandlers 12a den Soll-Ausgangsgleichstrom, der in Block 66 angegeben ist. Der Soll-Ausgangsgleichstrom wird also auf der Grundlage des Vergleichs der Spannungsdifferenz gegenüber seinem vorherigen Wert „angepasst“. Auf diese Weise wird der Block 66 mit „Wert anpassen“ (Adjust Value) bezeichnet. Der zweite Komparator 32 des ersten DC/DC-Wandlers 12a vergleicht den gemessenen Ausgangsgleichstrom des ersten DC/DC-Wandlers 12a, der in Block 68 angegeben ist, mit dem Soll-Ausgangsgleichstrom. Auf der Basis der Stromdifferenz bestimmt die Steuerung 24 des ersten DC/DC-Wandlers 12a einen Gleichstrombefehl und legt die Art und Weise fest und/oder passt die Art und Weise an, in der die Leistungsschalter der Leistungsstufe 22 des ersten DC/DC-Wandlers 12a gemäß dem Gleichstrombefehl gesteuert werden, so dass sich der Wert des Ausgangsgleichstroms des ersten DC/DC-Wandlers 12a dem Wert des Soll-Ausgangsgleichstroms nähert, wie in Block 70 angegeben.
Wie bereits erwähnt, passt die Steuerung 24 des ersten DC/DC-Wandlers 12a den Vergleich zwischen der gemessenen Ausgangsgleichspannung und dem Soll-Ausgangsgleichstrom in Abhängigkeit vom Stromverhältnis des ersten DC/DC-Wandlers 12a an. In dieser Hinsicht vergleicht ein dritter Komparator 72 des ersten DC/DC-Wandlers 12a nach Verwendung des über den CAN-Bus 58 erhaltenen Wertes des Ausgangsgleichstroms des zweiten DC/DC-Wandlers 12b zur Bestimmung des Gesamtausgangsgleichstroms der DC-Wandleranordnung 10 das in Block 74 angegebene Verhältnis zwischen dem Ausgangsgleichstrom des ersten Wandlers 12a und dem Gesamtausgangsgleichstrom der DC/DC-Wandleranordnung 10 mit einem zugewiesenen Prozentsatz, z. B. 50 %, der in Block 76 angegeben ist, um das „Stromverhältnis“ des ersten DC/DC-Wandlers 12a zu bestimmen.
Die Steuerung 24 passt den Vergleich zwischen der gemessenen Ausgangsgleichspannung und dem Soll-Ausgangsgleichstrom in Abhängigkeit vom Stromverhältnis an, wie in Block 78 angegeben. Auf diese Weise wird die Differenz des Ausgangsgleichstroms des ersten DC/DC-Wandlers 12a mit dem Ausgangsgleichstrom des zweiten DC/DC-Wandlers 12b (unter der Annahme, dass der zugewiesene Prozentsatz 50 % beträgt) in die Steuerung der Leistungsstufe 22 des ersten DC/DC-Wandlers 12a als PWM-Parameter eingespeist, um zu bewirken, dass sich der Wert des Ausgangsgleichstroms des ersten DC/DC-Wandlers 12a dem Wert des Ausgangsgleichstroms des zweiten DC/DC-Wandlers 12b annähert (d.h., den Ausgangsgleichstrom des ersten DC/DC-Wandlers 12a an den Ausgangsgleichstrom des zweiten DC/DC-Wandlers 12b anzugleichen).
Wird zum Beispiel angenommen, dass der Ausgangsgleichstrom des ersten DC/DC-Wandlers 12a um einen bestimmten ersten Prozentsatz größer ist als der Ausgangsgleichstrom des zweiten DC/DC-Wandlers 12b. In diesem Fall passt die Steuerung 24 die Spannungsdifferenz zwischen der gemessenen Ausgangsgleichspannung und dem Soll-Ausgangsgleichstrom als Funktion des gegebenen ersten Prozentsatzes so an, dass der auf der Spannungsdifferenz basierende Soll-Ausgangsgleichstrom als Funktion des gegebenen ersten Prozentsatzes kleiner ist. Umgekehrt wird angenommen, dass der Ausgangsgleichstrom des ersten DC/DC-Wandlers 12a um einen bestimmten zweiten Prozentsatz geringer ist als der Ausgangsgleichstrom des zweiten DC/DC-Wandlers 12b. In diesem Fall passt die Steuerung 24 die Spannungsdifferenz zwischen der gemessenen Ausgangsgleichspannung und dem Soll-Ausgangsgleichstrom als Funktion des vorgegebenen zweiten Prozentsatzes so an, dass der auf der Spannungsdifferenz basierende Soll-Ausgangsgleichstrom als Funktion des vorgegebenen zweiten Prozentsatzes größer ist.
Ebenso führt der zweite DC/DC-Wandler 12b den Regelalgorithmus des in 6 dargestellten Flussdiagramms 60 aus. So wird die Differenz des Ausgangsgleichstroms des zweiten DC/DC-Wandlers 12b mit dem Ausgangsgleichstrom des ersten DC/DC-Wandlers 12a (unter der Annahme, dass der zugewiesene Prozentsatz 50 % beträgt) in die Steuerung der Leistungsstufe 22 des zweiten DC/DC-Wandlers 12b als PWM-Parameter eingespeist, um zu bewirken, dass sich der Wert des Ausgangsgleichstroms des zweiten DC/DC-Wandlers 12b dem Wert des Ausgangsgleichstroms des ersten DC/DC-Wandlers 12a annähert (d. h., den Ausgangsgleichstrom des zweiten DC/DC-Wandlers 12b an den Ausgangsgleichstrom des ersten DC/DC-Wandlers 12a anzugleichen).
Wie beschrieben, stellt ein Verfahren und System zum Abgleich paralleler DC/DC-Wandler gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung einen Algorithmus bereit, um Daten zwischen zwei (oder mehr) unabhängigen DC/DC-Wandlern über einen CAN-Bus auszutauschen und die Zusammenschaltung der Ausgänge der DC/DC-Wandler zu ermöglichen. Gemäß dem Algorithmus empfängt jeder DC/DC-Wandler den Wert des Ausgangsgleichstroms des anderen DC/DC-Wandlers über einen CAN-Bus und verwendet diesen Wert im Ausgangsgleichspannungsvergleich, um die PWM-Steuerung der Leistungsschalter des DC/DC-Wandlers anzupassen. Das Verfahren und das System lösen mit optimierten Kosten die Probleme, die mit der Synchronisierung paralleler DC/DC-Wandler verbunden sind, wenn diese DC/DC-Wandler in getrennten Einheiten sind. Das Verfahren und das System finden Anwendung in DC/DC-Wandlern für die Elektrifizierung, die Redundanz erfordern (z.B. zwei parallel arbeitende DC/DC-Wandler), z.B. wegen des hohen Integritätsniveaus für die Fahrzeugsicherheit (Automotive Safety Integrity Level - ASIL) der bereitgestellten Funktionen.
Das Verfahren und das System zum Abgleich paralleler DC/DC-Wandler gemäß den Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung kann Folgendes beinhalten: Sicherstellung der Systemstabilität (Unterschiede aufgrund von Toleranzen, Verbindungspfad usw.); keine Versorgungsunterbrechung im Falle einer Fehlfunktion eines DC/DC-Wandlers; gleiche Reaktion im Falle eines Wechsels der Betriebsrichtung (HV → LV zu LV → HV in der Verbindungsschaltung, die im elektrischen Schaltbild 40 von 3 gezeigt ist; kein Hochgeschwindigkeitsdatenaustausch über den bereits vorhandenen digitalen Bus (CAN), also keine zusätzlichen Kosten; und im Falle von 800-V-Gleichstrombatterien, bei denen jeder DC/DC-Wandler an eine 400-V-Hälfte angeschlossen ist (die im elektrischen Schaltbild 42 von 3 gezeigte Verbindungsschaltung), kann das prozentuale Verhältnis des gelieferten Stroms (abweichend von 50 %) in Abhängigkeit vom Lade- und Gesundheitszustand der HV-Batteriehälften angepasst werden.
Während zuvor beispielhafte Ausführungsformen beschrieben wurden, ist es nicht beabsichtigt, dass diese Ausführungsformen alle möglichen Formen der vorliegenden Erfindung beschreiben. Vielmehr sind die in der Beschreibung verwendeten Wörter eher erläuternd als einschränkend, und es versteht sich, dass verschiedene Änderungen vorgenommen werden können, ohne vom Geist und Umfang der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Darüber hinaus können die Merkmale der verschiedenen Ausführungsformen kombiniert werden, um weitere Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung zu bilden.

Claims

DC/DC-Wandleranordnung, umfassend: eine Vielzahl von parallel geschalteten DC/DC-Wandlern, wobei jeder DC/DC-Wandler eine Steuerung aufweist und die Steuerungen der DC/DC-Wandler über eine Kommunikationsleitung miteinander in Verbindung stehen; wobei die Steuerung jedes DC/DC-Wandlers so konfiguriert ist, dass sie an die Steuerung jedes anderen DC/DC-Wandlers über die Kommunikationsleitung einen Wert eines Ausgangsstroms des DC/DC-Wandlers überträgt; und wobei die Steuerung jedes DC/DC-Wandlers konfiguriert ist, um den DC/DC-Wandler zu steuern, um zu bewirken, dass sich der Ausgangsstrom des DC/DC-Wandlers einem gewünschten Verhältnis eines Ausgangsstroms des DC/DC-Wandlers zu einem Gesamtausgangsstrom aller DC/DC-Wandler annähert.
DC/DC-Wandleranordnung nach Anspruch 1, wobei das gewünschte Verhältnis des Ausgangsstroms des DC/DC-Wandlers zu dem Gesamtausgangsstrom so ist, dass jeder DC/DC-Wandler gleiche Ausgangsströme liefert.
DC/DC-Wandleranordnung nach Anspruch 1, wobei das gewünschte Verhältnis des Ausgangsstroms des DC/DC-Wandlers zu dem Gesamtausgangsstrom derart ist, dass einer der DC/DC-Wandler einen größten Ausgangsstrom und ein anderer der DC/DC-Wandler einen kleinsten Ausgangsstrom zur Verfügung stellen soll.
DC/DC-Wandleranordnung nach Anspruch 1, wobei die Kommunikationsleitung ein Control Area Network (CAN)-Bus ist.
DC/DC-Wandleranordnung, umfassend: einen ersten DC/DC-Wandler mit einer ersten Steuerung; einen zweiten DC/DC-Wandler, der parallel zu dem ersten DC/DC-Wandler geschaltet ist und eine zweite Steuerung aufweist, die über eine Kommunikationsleitung mit der ersten Steuerung kommuniziert; wobei die erste Steuerung so konfiguriert ist, dass sie der zweiten Steuerung über die Kommunikationsleitung einen Wert eines Ausgangsstroms des ersten DC/DC-Wandlers übermittelt und die zweite Steuerung so konfiguriert ist, dass sie der ersten Steuerung über die Kommunikationsleitung einen Wert des Ausgangsstroms des zweiten DC/DC-Wandlers übermittelt; und wobei die erste Steuerung konfiguriert ist, den ersten DC/DC-Wandler zu steuern, um zu bewirken, dass sich der Wert des Ausgangsstroms des ersten DC/DC-Wandlers dem Wert des Ausgangsstroms des zweiten DC/DC-Wandlers annähert, und die zweite Steuerung konfiguriert ist, den zweiten DC/DC-Wandler zu steuern, um zu bewirken, dass sich der Wert des Ausgangsstroms des zweiten DC/DC-Wandlers dem Wert des Ausgangsstroms des ersten DC/DC-Wandlers annähert.
DC/DC-Wandleranordnung nach Anspruch 5, ferner umfassend: einen dritten DC/DC-Wandler, der parallel zu dem ersten und dem zweiten DC/DC-Wandler geschaltet ist und eine dritte Steuerung aufweist, die mit der ersten und der zweiten Steuerung über die Kommunikationsleitung kommuniziert; wobei die dritte Steuerung so konfiguriert ist, dass sie über die Kommunikationsleitung einen Wert eines Ausgangsstroms des dritten DC/DC-Wandlers an die erste und zweite Steuerung überträgt, und die erste und zweite Steuerung jeweils so konfiguriert sind, dass sie über die Kommunikationsleitung die Werte der Ausgangsströme des ersten und zweiten DC/DC-Wandlers an die dritte Steuerung übertragen; und wobei die erste Steuerung ist ferner so konfiguriert, dass sie den ersten DC/DC-Wandler steuert, um zu bewirken, dass sich der Wert des Ausgangsstroms des ersten DC/DC-Wandlers dem Wert des Ausgangsstroms des dritten DC/DC-Wandlers annähert, die zweite Steuerung ist so konfiguriert, dass sie den zweiten DC/DC-Wandler steuert, um zu bewirken, dass sich der Wert des Ausgangsstroms des zweiten DC/DC-Wandlers dem Wert des Ausgangsstroms des dritten DC/DC-Wandlers annähert, und die dritte Steuerung so konfiguriert ist, dass sie den dritten DC/DC-Wandler steuert, um zu bewirken, dass sich der Wert des Ausgangsstroms des dritten DC/DC-Wandlers den Werten der Ausgangsströme des ersten und zweiten DC/DC-Wandlers annähert.
DC/DC-Wandleranordnung nach Anspruch 5, wobei die erste Steuerung den ersten DC/DC-Wandler in Abhängigkeit von einem Verhältnis des Wertes des Ausgangsstroms des ersten DC/DC-Wandlers zu einem Wert eines Gesamtausgangsstroms der DC/DC-Wandleranordnung steuert, indem sie bewirkt, dass sich der Wert des Ausgangsstroms des ersten DC/DC-Wandlers dem Wert des Ausgangsstroms des zweiten DC/DC-Wandlers annähert, wobei der Gesamtausgangsstrom der DC/DC-Wandleranordnung eine Summierung des Ausgangsstroms des ersten DC/DC-Wandlers und des Ausgangsstroms des zweiten DC/DC-Wandlers ist.
DC/DC-Wandleranordnung nach Anspruch 7, wobei die zweite Steuerung den zweiten DC/DC-Wandler in Abhängigkeit von einem Verhältnis des Wertes des Ausgangsstroms des zweiten DC/DC-Wandlers zum Wert des Gesamtausgangsstroms der DC/DC-Wandleranordnung steuert, um zu bewirken, dass sich der Wert des Ausgangsstroms des zweiten DC/DC-Wandlers dem Wert des Ausgangsstroms des ersten DC/DC-Wandlers annähert.
DC/DC-Wandleranordnung nach Anspruch 5, wobei die erste Steuerung den ersten DC/DC-Wandler basierend auf einer Differenz zwischen einer Ausgangsspannung des ersten DC/DC-Wandlers und einer Soll-Spannung der DC/DC-Wandleranordnung und basierend auf einer Differenz zwischen dem Ausgangsstrom des ersten DC/DC-Wandlers und einem Soll-Ausgangsstrom des ersten DC/DC-Wandlers für den ersten DC/DC-Wandler steuert, um den Ausgangsstrom des ersten DC/DC-Wandlers zu erzeugen.
DC/DC-Wandleranordnung nach Anspruch 9, wobei die erste Steuerung die Differenz zwischen der Ausgangsspannung des ersten DC/DC-Wandlers und der Soll-Spannung der DC/DC-Wandleranordnung als eine Funktion eines Verhältnisses des Wertes des Ausgangsstroms des ersten DC/DC-Wandlers zu einem Wert eines Gesamtausgangsstroms der DC/DC-Wandleranordnung gewichtet, wobei der Gesamtausgangsstrom der DC/DC-Wandleranordnung eine Summierung des Ausgangsstroms des ersten DC/DC-Wandlers und des Ausgangsstroms des zweiten DC/DC-Wandlers ist.
DC/DC-Wandleranordnung nach Anspruch 10, wobei die erste Steuerung den Soll-Ausgangsstrom des ersten DC/DC-Wandlers auf der Grundlage der gewichteten Differenz zwischen der Ausgangsspannung des ersten DC/DC-Wandlers und der Soll-Spannung der DC/DC-Wandleranordnung einstellt.
DC/DC-Wandleranordnung nach Anspruch 9, wobei die zweite Steuerung den zweiten DC/DC-Wandler basierend auf einer Differenz zwischen einer Ausgangsspannung des zweiten DC/DC-Wandlers und der Soll-Spannung der DC/DC-Wandleranordnung und basierend auf einer Differenz zwischen dem Ausgangsstrom des zweiten DC/DC-Wandlers und einem Soll-Ausgangsstrom des zweiten DC/DC-Wandlers für den zweiten DC/DC-Wandler steuert, um den Ausgangsstrom des zweiten DC/DC-Wandlers zu erzeugen.
DC/DC-Wandleranordnung nach Anspruch 12, wobei die zweite Steuerung die Differenz zwischen der Ausgangsspannung des zweiten DC/DC-Wandlers und der Soll-Spannung der DC/DC-Wandleranordnung als eine Funktion eines Verhältnisses des Wertes des Ausgangsstroms des zweiten DC/DC-Wandlers zu einem Wert eines Gesamtausgangsstroms der DC/DC-Wandleranordnung gewichtet, wobei der Gesamtausgangsstrom der DC/DC-Wandleranordnung eine Summierung des Ausgangsstroms des ersten DC/DC-Wandlers und des Ausgangsstroms des zweiten DC/DC-Wandlers ist.
DC/DC-Wandleranordnung nach Anspruch 13, wobei die zweite Steuerung den Soll-Ausgangsstrom des zweiten DC/DC-Wandlers auf der Grundlage der gewichteten Differenz zwischen der Ausgangsspannung des zweiten DC/DC-Wandlers und der Soll-Spannung der DC/DC-Wandleranordnung einstellt.
DC/DC-Wandleranordnung nach Anspruch 5, wobei der erste DC/DC-Wandler und der zweite DC/DC-Wandler dazu dienen, eine Eingangsspannung mit einem Eingangsstrom einer Traktionsbatterie eines Elektrofahrzeugs in eine Ausgangsspannung mit einem Gesamtausgangsstrom zum Laden einer Hilfsbatterie des Elektrofahrzeugs umzuwandeln, wobei der Gesamtausgangsstrom eine Summierung des Ausgangsstroms des ersten DC/DC-Wandlers und des Ausgangsstroms des zweiten DC/DC-Wandlers ist.
Verfahren zum Abgleichen von Ausgangsströmen von parallel geschalteten ersten und zweiten DC/DC-Wandlern einer DC/DC-Wandleranordnung, wobei das Verfahren umfasst: Übertragen eines Wertes eines Ausgangsstroms des ersten DC/DC-Wandlers von einer ersten Steuerung des ersten DC/DC-Wandlers zu einer zweiten Steuerung des zweiten DC/DC-Wandlers über eine Kommunikationsleitung, die zwischen der ersten Steuerung und der zweiten Steuerung angeschlossen ist; Übertragen eines Wertes des Ausgangsstroms des zweiten DC/DC-Wandlers von der zweiten Steuerung zu der ersten Steuerung über die Kommunikationsleitung; Steuern des ersten DC/DC-Wandlers durch die erste Steuerung, um zu bewirken, dass sich der Wert des Ausgangsstroms des ersten DC/DC-Wandlers dem Wert des Ausgangsstroms des zweiten DC/DC-Wandlers annähert; und Steuern des zweiten DC/DC-Wandlers durch die zweite Steuerung, um zu bewirken, dass sich der Wert des Ausgangsstroms des zweiten DC/DC-Wandlers dem Wert des Ausgangsstroms des ersten DC/DC-Wandlers annähert.
Verfahren nach Anspruch 16, ferner umfassend: Steuern des ersten DC/DC-Wandlers durch die erste Steuerung in Abhängigkeit von einem Verhältnis des Wertes des Ausgangsstroms des ersten DC/DC-Wandlers zu einem Wert eines Gesamtausgangsstroms der DC/DC-Wandleranordnung, um zu bewirken, dass sich der Wert des Ausgangsstroms des ersten DC/DC-Wandlers dem Wert des Ausgangsstroms des zweiten DC/DC-Wandlers annähert, wobei der Gesamtausgangsstrom der DC/DC-Wandleranordnung eine Summierung des Ausgangsstroms des ersten DC/DC-Wandlers und des Ausgangsstroms des zweiten DC/DC-Wandlers ist.
Verfahren nach Anspruch 17, ferner umfassend: Steuern des zweiten DC/DC-Wandlers durch die zweite Steuerung in Abhängigkeit von einem Verhältnis des Wertes des Ausgangsstroms des zweiten DC/DC-Wandlers zum Wert des Gesamtausgangsstroms der DC/DC-Wandleranordnung, um zu bewirken, dass sich der Wert des Ausgangsstroms des zweiten DC/DC-Wandlers dem Wert des Ausgangsstroms des ersten DC/DC-Wandlers annähert.
Verfahren nach Anspruch 16, ferner umfassend: Steuern des ersten DC/DC-Wandlers durch die erste Steuerung auf der Basis einer Differenz zwischen einer Ausgangsspannung des ersten DC/DC-Wandlers und einer Soll-Spannung der DC/DC-Wandleranordnung und auf der Basis einer Differenz zwischen dem Ausgangsstrom des ersten DC/DC-Wandlers und einem Soll-Ausgangsstrom des ersten DC/DC-Wandlers für den ersten DC/DC-Wandler, um den Ausgangsstrom des ersten DC/DC-Wandlers zu erzeugen.
Verfahren nach Anspruch 19, ferner umfassend: Gewichten der Differenz zwischen der Ausgangsspannung des ersten DC/DC-Wandlers und der Soll-Spannung der DC/DC-Wandleranordnung durch die erste Steuerung als Funktion eines Verhältnisses des Wertes des Ausgangsstroms des ersten DC/DC-Wandlers zu einem Wert eines Gesamtausgangsstroms der DC/DC-Wandleranordnung, wobei der Gesamtausgangsstrom der DC/DC-Wandleranordnung eine Summierung des Ausgangsstroms des ersten DC/DC-Wandlers und des Ausgangsstroms des zweiten DC/DC-Wandlers ist; und Einstellen des Soll-Ausgangsstroms des ersten DC/DC-Wandlers durch die erste Steuerung auf der Grundlage der gewichteten Differenz zwischen der Ausgangsspannung des ersten DC/DC-Wandlers und der Soll-Spannung der DC/DC-Wandleranordnung.