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Technisches Gebiet
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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Gleichspannungswandlervorrichtung und ein Verfahren zum Betreiben einer Gleichspannungswandlervorrichtung.
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Stand der Technik
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Ganz oder zumindest teilweise elektrisch angetriebene Fahrzeuge verfügen in der Regel über einen elektrischen Energiespeicher, wie zum Beispiel eine Traktionsbatterie. Diese Traktionsbatterie stellt die zum Antrieb des elektrischen Fahrzeugs erforderliche elektrische Energie bereit. Die Traktionsbatterie liefert in der Regel eine Ausgangsspannung von mehreren Hundert Volt und speist ein sogenanntes Hochvoltnetz des Fahrzeugs. Darüber hinaus umfasst ein solches Fahrzeug in der Regel mehrere elektrische Verbraucher, welche über ein Niedervoltnetz mit einer geringeren elektrischen Spannung versorgt werden. Zur Kopplung des Hochvoltnetzes und des Niedervoltnetzes und insbesondere zur Übertragung elektrischer Energie von dem Hochvoltnetz in das Niedervoltnetz können sogenannten Gleichspannungswandler vorgesehen sein, welche eine elektrische Gleichspannung von dem Hochvoltnetz in eine Gleichspannung für das Niedervoltnetz konvertieren.
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Die Druckschrift
DE 2009 028 147 A1 beschreibt eine Schaltungsanordnung für ein Bordnetz eines Elektrofahrzeugs, wobei ein Gleichspannungswandler (DC/DC-Wandler) zur Kopplung zwischen zwei Bordnetzteilen vorgesehen ist.
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Offenbarung der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung offenbart eine Gleichspannungswandlervorrichtung und ein Verfahren zum Betreiben einer Gleichspannungswandlervorrichtung mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche. Weitere vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche.
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Demgemäß ist vorgesehen:
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Eine Gleichspannungswandlervorrichtung mit mindestens einem Gleichspannungswandler und einer Steuereinrichtung. Der mindestens eine Gleichspannungswandler ist dazu ausgelegt, eine Eingangsgleichspannung in eine Ausgangsgleichspannung zu konvertieren. Die Steuereinrichtung umfasst einen Spannungsregler und einen Stromregler. Der Spannungsregler ist dazu ausgelegt, unter Verwendung eines Sollwertes für die Ausgangsspannung des Gleichspannungswandlers und eines Messwerts für die Ausgangsspannung des Gleichspannungswandlers eine erste Regelgröße für den Gleichspannungswandler zu bestimmen. Der Stromregler umfasst eine erste Regeleinrichtung und eine zweite Regeleinrichtung. Die erste Regeleinrichtung ist dazu ausgelegt, eine erste Stromregelgröße unter Verwendung eines elektrischen Stroms am Eingang des Gleichspannungswandlers zu bestimmen. Die zweite Regeleinrichtung ist dazu ausgelegt eine zweite Stromregelgröße unter Verwendung eines elektrischen Stroms am Ausgang der Gleichspannungswandler zu bestimmen. Der Stromregler ist dazu ausgelegt, eine zweite Regelgröße unter Verwendung der ersten Stromregelgröße und der zweiten Stromregelgröße zu bestimmen; Schließlich ist die Steuereinrichtung dazu ausgelegt, den Gleichspannungswandler unter Verwendung einer Kombination der ersten Regelgröße und der zweiten Regelgröße anzusteuern.
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Weiterhin ist vorgesehen:
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Ein Verfahren zum Betreiben einer Gleichspannungswandlervorrichtung mit mindestens einem Gleichspannungswandler. Das Verfahren umfasst einen Schritt zum Ermitteln einer ersten Regelgröße unter Verwendung eines Sollwertes für die Ausgangsspannung des Gleichspannungswandlers und eines Messwerts für die Ausgangsspannung des Gleichspannungswandlers. Weiter umfasst das Verfahren einen Schritt zum Ermitteln einer ersten Stromregelgröße unter Verwendung eines elektrischen Stroms am Eingang des Gleichspannungswandlers. Darüber hinaus umfasst das Verfahren einen Schritt zum Ermitteln einer zweiten Stromregelgröße unter Verwendung eines elektrischen Stroms am Ausgang des Gleichspannungswandlers, einen Schritt zum Ermitteln einer zweiten Regelgröße für den Gleichspannungswandler unter Verwendung der ersten Stromregelgröße und der zweiten Stromregelgröße und einen Schritt Ansteuern des mindestens einen Gleichspannungswandlers unter Verwendung einer Kombination der ersten Regelgröße und der zweiten Regelgröße.
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Vorteile der Erfindung
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass für eine Regelung des Gleichspannungswandlers auch der elektrische Strom auf der Ausgangs- bzw. Sekundärseite mit in Betracht gezogen werden kann. Insbesondere wenn in dem Gleichspannungswandler ein Transformator vorgesehen ist, so muss für die Berechnung der Ausgangsstromgrenze eine Umrechnung unter Berücksichtigung des Übersetzungsverhältnisses des Transformators erfolgen. Eine solche Umrechnung erfordert jedoch eine gewisse Rechenzeit, sodass es zu Verzögerungen bei der Regelung kommen kann. Derartige Verzögerungen können gegebenenfalls zu Schwingungen in dem System führen.
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Es ist daher eine Idee der vorliegenden Erfindung, dieser Erkenntnis Rechnung zu tragen und eine Reglerstruktur für eine Gleichspannungswandleranordnung zu schaffen, welche ein robustes Regelverhalten aufweist. Hierzu ist es erfindungsgemäß vorgesehen, in der Regelstruktur zwei separate Teile für die Stromregelung vorzusehen. Insbesondere wird eine separate Stromregelung für den eingangs- bzw. primärseitigen Strom und den ausgangs- bzw. sekundärseitigen Strom vorgesehen. Auf diese Weise können die erfassten Stromwerte direkt den jeweiligen Regelstrukturen zugeführt werden, ohne dass eine rechenintensive Umwandlung ausgeführt werden muss.
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Insbesondere können die elektrischen Ströme auf der Primär- bzw. Eingangsseite sowie der Sekundär- bzw. Ausgangsseite unabhängig voneinander für die Stromregelung berücksichtigt werden.
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Durch eine solche Regelstruktur mit separaten Stromregler für die Primär- bzw. Eingangsseite sowie Sekundär- bzw. Ausgangsseite können somit beispielsweise die Anforderungen bezüglich des Hardwareschutzes, wie zum Beispiel der dabei erforderlichen Strombegrenzungen einfacher umgesetzt werden. Insbesondere haben dabei die Sensor- und Bauteiltoleranzen weniger Einfluss auf das Systemverhalten.
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Gemäß einer Ausführungsform ist der Stromregler dazu ausgelegt, als zweite Regelgröße den kleineren Wert aus erster Stromregelgröße und zweiter Stromregelgröße auszuwählen. Mit anderen Worten, der Stromregler wählt als Regelgröße jeweils das Minimum aus den beiden Stromregelgrößen aus, welche jeweils in Bezug auf die Primär-bzw. Sekundärseite des Gleichspannungswandlers ermittelt worden sind. Hierdurch wird gewährleistet, dass der Gleichspannungswandler stets unterhalb des maximal zulässigen Stromes betrieben wird.
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Gemäß einer Ausführungsform ist die erste Regeleinrichtung dazu ausgelegt, die erste Stromregelgröße unter Verwendung eines Vergleichs des elektrischen Stroms am Eingang des Gleichspannungswandlers mit einem vorbestimmten Sollwert für den elektrischen Strom am Eingang des Gleichspannungswandlers zu bestimmen. Entsprechend kann die zweite Regeleinrichtung dazu ausgelegt sein, die zweite Stromregelgröße unter Verwendung eines Vergleichs des elektrischen Stroms am Ausgang des Gleichspannungswandlers mit einem vorbestimmten Sollwert für den elektrischen Strom am Ausgang des Gleichspannungswandlers zu bestimmen. Ferner kann in diesem Fall der Stromregler dazu ausgelegt sein, die zweite Regelgröße unter Verwendung des Minimums der ersten Stromregelgröße und der zweiten Stromregelgröße zu bestimmen. Auf diese Weise kann der Stromregler besonders einfach und effizient implementiert werden
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Gemäß einer Ausführungsform sind die erste Regeleinrichtung und die zweite Regeleinrichtung des Stromrichters jeweils dazu ausgelegt, ein Steuersignal auszugeben, falls die entsprechende Regeleinrichtung in einem Betriebsmodus aktiv ist, in dem ein maximaler Strom in dem Gleichspannungswandler begrenzt wird. Hierbei ist der
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Spannungsregler dazu ausgelegt, die erste Regelgröße unter Verwendung des Steuersignals von dem Stromregler einzustellen. Auf diese Weise ist es möglich, die Spannungsregelung in dem Spannungsregler einzuschränken oder auszusetzen, falls durch die Stromregelung in dem Stromregler eine Begrenzung des Gleichspannung Wandlers erfolgt.
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Gemäß einer Ausführungsform umfasst die Gleichspannungswandlervorrichtung mehrere Gleichspannungswandler. Für jeden Gleichspannungswandler der Gleichspannungswandlervorrichtung ist dabei ein separater Stromregler vorgesehen. Ferner ist für alle Gleichspannungswandler der Gleichspannungswandlervorrichtung ein gemeinsamer Spannungsregler vorgesehen. Auf diese Weise kann durch eine Parallelschaltung mehrerer Gleichspannungswandler die Leistung der Gleichspannungswandlervorrichtung erhöht werden. Dabei kann durch die separate Stromregelung für jeden Gleichspannungswandler die Gesamtleistung auf einfache Weise zwischen den einzelnen Spannungsreglern aufgeteilt werden.
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Gemäß einer Ausführungsform umfasst der Gleichspanungswandler einen Flyback-Gleichspannungswandler. Da derartige Flyback-Gleichspannung in ihrer Beschallung einen Transformator aufweisen, kann durch die separate Stromregelung für Primär- bzw. Eingangsseite sowie Sekundär- bzw. Ausgangsseite das Übersetzungsverhältnis der hierbei verwendeten Transformatoren auf einfache und effiziente Weise mit in die Stromregelung einfließen.
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Gemäß einer Ausführungsform ist die Steuereinrichtung dazu ausgelegt, als Regelgröße für die Ansteuerung des Gleichspannungskonverters ein Tastverhältnis für eine Pulsbreitenmodulation auszugeben. Hierdurch ist auf einfache Weise eine pulsbreitenmodulierte (PWM) Ansteuerung der Gleichspannungskonverter möglich.
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Die obigen Ausgestaltungen und Weiterbildungen lassen sich, soweit sinnvoll, beliebig miteinander kombinieren. Weitere Ausgestaltungen, Weiterbildungen und Implementierungen der Erfindung umfassen auch nicht explizit genannte Kombinationen von zuvor oder im Folgenden bezüglich den Ausführungsbeispielen beschriebenen Merkmalen der Erfindung. Insbesondere wird der Fachmann auch Einzelaspekte als Verbesserungen oder Ergänzungen zu den jeweiligen Grundformen der Erfindung hinzufügen.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung werden nachfolgend anhand der Figuren erläutert. Dabei zeigen:
- 1: eine schematische Darstellung einer Gleichspannungswandlervorrichtung mit einer Steuervorrichtung gemäß einer Ausführungsform;
- 2 eine schematische Darstellung einer Gleichspannungswandlervorrichtung mit einer Steuervorrichtung gemäß einer weiteren Ausführungsform, und
- 3: ein Ablaufdiagramm, wie es einem Verfahren gemäß einer Ausführungsform zugrunde liegt.
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In den Figuren bezeichnen dieselben Bezugszeichen gleiche oder funktionsgleiche Komponenten, soweit nichts Gegenteiliges angegeben ist.
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Beschreibung von Ausführungsformen
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1 zeigt ein schematisches Blockschaubild, wie es einer Gleichspannungswandlervorrichtung mit einer Steuervorrichtung 1 und einem Gleichspannungswandler 2 gemäß einer Ausführungsform zugrunde liegen kann. Der Gleichspannungswandler 2 wandelt hierbei eine eingangsseitig bereitgestellte Gleichspannung U_in in eine Ausgangsgleichspannung U_out. Hierbei kann dem Gleichspannungswandler 2 eine Regelgröße R, beispielsweise in Form eines Tastverhältnisses für eine pulsbreitenmodulierte (PWM) Ansteuerung bereitgestellt werden. Das Grundprinzip eines Gleichspannungswandlers mit pulsbreitenmodulierte Ansteuerung wird hierbei als bekannt vorausgesetzt und nicht näher erläutert.
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Die Regelgröße R für den Gleichspannungswandler 2 kann zum Beispiel mittels der Steuereinrichtung 1 bereitgestellt werden. Die Steuereinrichtung 1 kann hierzu einen Spannungsregler 11 und einen Stromregler 12 umfassen.
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Der Spannungsregler 11 generiert eine erste Regelgröße R1.Hierzu vergleicht der Spannungsregler 11 einen Wert der Ausgangsgleichspannung U_out mit einem vorgegebenen Sollwert U_soll. Bei diesen Sollwert U_soll kann es sich beispielsweise um einen Wert für die Zielspannung handeln, auf welche der Zwischenkreiskondensators 4 aufgeladen werden soll. Neben dem eigentlichen Spannungsregler 11a kann der Spannungsregler 11 darüber hinaus auch einen weiteren Vorregler 11b umfassen. Dieser Vorregler 11b kann zum Beispiel eine Reglerkomponente auf Grundlage der Eingangsgleichspannung U_in, der Sollspannung U_soll, sowie gegebenenfalls auch auf Grundlage elektrischer Ströme am Eingang und/oder Ausgang des Gleichspannungswandlers 2 ermitteln. Diese Regelkomponente kann, wie in 1 dargestellt, mit der Regelkomponente des eigentlichen Spannungsreglers 11a kombiniert werden, um die erste Regelgröße R1 zu erhalten.
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Der Stromregler 12 generiert eine zweite Regelgröße R2, welche beispielsweise auf Grundlage des elektrischen Stromes in dem Gleichspannungswandlers 2 ermittelt wird. Hierbei kann sowohl der primärseitige Strom I_p am Eingang des Gleichspannungswandlers 2, als auch der sekundärseitige Strom I_s am Ausgang des Gleichspannungswandler 2 für die Stromregelung in Betracht gezogen werden. Für eine solche Stromregelung sind in dem Stromregler 12 zwei separate Regeleinrichtungen 12a und 12b vorgesehen.
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Eine erste Regeleinrichtung 12a kann eine erste Stromregelgröße R_i_1 ermitteln. Hierbei erfolgt die Ermittlung dieser ersten Stromregelgröße R_i_1 auf Grundlage des primärseitigen Stroms I_p an dem Gleichspannungswandler 2. Beispielsweise kann durch diese erste Stromregelgröße R_i_1 ein elektrischer Strom am Eingang des Gleichspannungswandlers 2 auf einen vorgegebenen maximalen Wert limitiert werden. Dieser limitierende Wert kann gegebenenfalls unter Berücksichtigung weiterer Parameter, wie beispielsweise der Temperatur in oder an dem Gleichspannungswandler 2, angepasst werden.
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Eine zweite Regeleinrichtung 12b kann ferner eine zweite Stromregelgröße R_i_2 ermitteln. Hierbei erfolgt die Ermittlung dieser zweiten Stromregelgröße R_i_2 auf Grundlage des sekundärseitigen Stroms I_s am Ausgang des Gleichspannungswandlers 2. Beispielsweise kann durch diese zweite Stromregelgröße R_i_2 ein elektrischer Strom am Ausgang des Gleichspannungswandlers 2 auf einen vorgegebenen maximalen Wert limitiert werden. Auch dieser limitierende Wert kann gegebenenfalls unter Berücksichtigung weiterer Parameter, wie beispielsweise der Temperatur an dem Gleichspannungswandler 2, angepasst werden.
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Daraufhin kann der Stromregler 12 die zweite Regelgröße R2 aus den ermittelten Stromregelgrößen R_i_1 und R_i_2 bestimmen. Beispielsweise kann die zweite Regelgröße R2 aus dem Minimum der ersten Stromregelgröße R_i_1 und der zweite Stromregelgröße R_i_2 gebildet werden. Auf diese Weise ist gewährleistet, dass die elektrischen Ströme in dem Gleichspannungswandler 2 die Begrenzung durch die Stromregelgrößen R_i_1 und R_i_2 nicht überschreiten.
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Erfolgt durch den Stromregler 2 eine Limitierung des elektrischen Stromes in dem Gleichspannungswandlers 2, so kann dies durch ein entsprechendes Signal C_1 von der ersten Regeleinrichtung 12a sowie ein Signal C_2 von der zweiten Regeleinrichtung 12b
an dem Stromregler 11 signalisiert werden. In diesem Fall kann die Regelung des Stromregler 11 in geeigneter Weise angepasst oder deaktiviert werden. Diese Weise kann sichergestellt werden, dass die Regelung des Stromregelung 11 der Stromregelung von dem Stromregler 12 nicht entgegenwirkt.
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Die erste Regelgröße R1 von dem Spannungsregler 11 und die zweite Regelgröße R2 von dem Stromregler 12 können miteinander kombiniert, beispielsweise addiert werden, und das Resultat kann als Regelgröße R dem Gleichspannungswandlers 2 bereitgestellt werden.
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Bei dem Gleichspannungswandler 2 kann es sich beispielsweise um einen sogenannten Flyback-Gleichspannungswandler handeln. Da der grundsätzliche Aufbau derartiger Gleichspannungswandler, insbesondere auch von Flyback-Gleichspannungswandler bekannt ist, wird hierauf jedoch nicht näher eingegangen.
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Weiterhin ist es auch möglich, in der Gleichspannungswandleranordnung mehrere Gleichspannungswandler 2 parallel anzuordnen. In einem solchen Fall kann für jeden der Gleichspannungswandler 2 ein separater Stromregler 12 vorgesehen sein, wie er zuvor beschrieben worden ist. Ferner kann für die gesamte Gleichspannungswandleranordnung ein gemeinsamer Stromregler 11 vorgesehen sein.
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2 zeigt ein schematisches Blockschaubild, wie es einer Gleichspannungswandlervorrichtung mit einer Steuervorrichtung 1 und einem Gleichspannungswandler 2 gemäß einer weiteren Ausführungsform zugrunde liegen kann. Hierbei gelten grundsätzlich auch, soweit sinnvoll, die zuvor gemachten Ausführungen zur Gleichspannungswandlervorrichtung, wie sie in Zusammenhang mit 1 bereits beschrieben worden ist.
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Die Gleichspannungswandlervorrichtung gemäß 2 unterscheidet sich von der zuvor beschriebenen Gleichspannungswandlervorrichtung insbesondere dadurch, dass in der ersten Regeleinrichtung 12a zunächst der primärseitige Strom I_p mit einem vorgegebenen Sollwert I_p_soll verglichen wird. Hierzu kann beispielsweise eine Differenz zwischen dem primärseitige Strom I_p und dem vorgegebenen Sollwert I_p_soll gebildet werden. Gegebenenfalls kann das Resultat dieses Vergleichs noch mit einem Gewichtungsfaktor g1 gewichtet werden. Als Ausgangswert kann die erste Regeleinrichtung 12a die erste Stromregelgröße R_i_1 bereitstellen.
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Analog kann in der zweiten Regeleinrichtung 12b der sekundärseitige Strom I_s mit einem vorgegebenen Sollwert I_s_soll verglichen werden. Hierzu kann ebenfalls eine Differenz zwischen dem sekundärseitigen Strom I_s und dem entsprechenden vorgegebenen Sollwert I_s_soll gebildet werden. Gegebenenfalls kann auch dieses Resultat dieses Vergleichs noch mit einem Gewichtungsfaktor g2 gewichtet werden. Als Ausgangswert kann die zweite Regeleinrichtung 12b die zweite Stromregelgröße R_i_2 bereitstellen.
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Daraufhin kann aus der ersten Stromregelgröße R_i_1 und der zweiten Stromregelgröße R_i_2 eines der beiden Stromregelgrößen R_i_1 oder R_i_2 ausgewählt werden. Beispielsweise kann die kleinere der beiden R_i_1 oder R_i_2 ausgewählt und an der gemeinsamen Reglerlogik 12c bereitgestellt werden. Die Reglerlogik ermittelt daraufhin die zweite Regelgröße R2. Diese zweite Regelgröße R2 kann mit der ersten Regelgröße R1 kombiniert werden, wie dies bereits in Zusammenhang mit 1 beschrieben worden ist.
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3 zeigt ein Ablaufdiagramm, wie es einem Verfahren zum Betreiben einer Gleichspannungswandlervorrichtung gemäß einer Ausführungsform zugrunde liegt. Das Verfahren kann grundsätzlich beliebige Schritte umfassen, wie sie zuvor bereits in Zusammenhang mit den Gleichspannungswandlervorrichtungen gemäß 1 und 2 beschrieben worden sind. Analog kann auch die oben beschriebene Gleichspannungswandlervorrichtung beliebige geeignete Komponenten aufweisen, wie sie zur Implementierung des nachfolgend beschriebenen Verfahrens erforderlich sind.
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In einem ersten Schritt S1 erfolgt zunächst ein Ermitteln einer ersten Regelgröße R1. Diese erste Regelgröße R2 kann unter Verwendung eines Sollwertes U_soll für die Ausgangsspannung des Gleichspannungswandlers 2 und eines Messwerts U_out für die Ausgangsspannung des Gleichspannungswandlers 2 ermittelt werden.
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In Schritt S2 erfolgt ein Ermitteln einer ersten Stromregelgröße R_i_1 unter Verwendung eines elektrischen Stroms I_p am Eingang des Gleichspannungswandlers 2.
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In Schritt S3 erfolgt ein Ermitteln einer zweiten Stromregelgröße R_i_2 unter Verwendung eines elektrischen Stroms I_s am Ausgang des Gleichspannungswandlers 2.
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Daraufhin erfolgt in Schritt S4 ein Ermitteln einer zweiten Regelgröße R2 für den Gleichspannungswandler 2 unter Verwendung der ersten Stromregelgröße R_i_1 und der zweiten Stromregelgröße R_i_2.
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Schließlich kann in Schritt S5 der Gleichspannungswandlers 2 unter Verwendung einer Kombination der ersten Regelgröße R1 und der zweiten Regelgröße R2 angesteuert werden.
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Zusammenfassend betrifft die vorliegende Erfindung eine Gleichspannungswandleranordnung mit mindestens einem Gleichspannungswandler, wobei der Gleichspannungswandler eine Strom -und eine Spannungsregelung aufweist. Hierbei ist für die Stromregelung eine erste Komponente für eine Regelung auf Grundlage des primärseitigen Stroms am Gleichspannungswandler vorgesehen, und eine zweite Komponente für eine Regelung auf Grundlage des sekundärseitigen Stroms am Gleichspannungswandler.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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