DE102022209547A1

DE102022209547A1 - Verfahren zum Bestimmen eines Ansteuersignals zur Ansteuerung eines Schalters eines Aufwärtswandlers, Energieversorgungssystem für ein Fahrzeug und Fahrzeug

Info

Publication number: DE102022209547A1
Application number: DE102022209547.2A
Authority: DE
Inventors: Tristan Braun; Thomas Chiron
Original assignee: ZF Friedrichshafen AG
Current assignee: ZF Friedrichshafen AG
Priority date: 2022-09-13
Filing date: 2022-09-13
Publication date: 2024-03-14
Also published as: WO2024056700A1

Abstract

Ein Verfahren zum Bestimmen eines Ansteuersignals (235) zur Ansteuerung eines Schalters (205) eines Aufwärtswandlers (200) weist einen Schritt des Einlesens eines Stromsignals (315), eines Spannungssignals (320) und zumindest eines Parameters (325) einer Komponente des Aufwärtswandlers (200), einen Schritt des Bestimmens eines Regelparameters (330) und einen Schritt des Ermittelns eines Tastgrads (355) auf. Im Schritt des Einlesens repräsentiert das Stromsignal (315) einen Stromfluss und/oder einen gewünschten Stromfluss in einem Zweig des Aufwärtswandlers (200). Das Spannungssignal (320) repräsentiert im Schritt des Einlesens einen Spannungsabfall und/oder einen gewünschten Spannungsabfall zwischen zwei Abgriffspunkten des Aufwärtswandlers (200). Der Schritt des Bestimmens des Regelparameters (330) wird unter Verwendung des Stromsignals (315), des Spannungssignals (320) und des zumindest einen Parameters (325) der Komponente ausgeführt. Der Schritt des Ermittelns des Tastgrads (355) wird unter Verwendung des Regelparameters (330) ausgeführt, um das Ansteuersignal (235) zur Ansteuerung eines Schalters (205) des Aufwärtswandlers (200) zu bestimmen.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Bestimmen eines Ansteuersignals zur Ansteuerung eines Schalters eines Aufwärtswandlers, auf ein Energieversorgungssystem für ein Fahrzeug und auf ein Fahrzeug.
Bei einem Aufwärtswandler wird meist der Eingangsstrom und die Ausgangsspannung zeitgleich geregelt.
Vor diesem Hintergrund schafft die vorliegende Erfindung ein verbessertes Verfahren zum Bestimmen eines Ansteuersignals zur Ansteuerung eines Schalters eines Aufwärtswandlers, ein verbessertes Energieversorgungssystem für ein Fahrzeug und ein verbessertes Fahrzeug gemäß den Hauptansprüchen. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung.
Die mit dem vorgestellten Ansatz erreichbaren Vorteile bestehen insbesondere darin, dass ein Verfahren geschaffen wird, dass eine zuverlässige Ansteuerung eines Schalters eines Aufwärtswandlers ermöglichen kann.
Ein Verfahren zum Bestimmen eines Ansteuersignals zur Ansteuerung eines Schalters eines Aufwärtswandlers weist einen Schritt des Einlesens eines Stromsignals, eines Spannungssignals und zumindest eines Parameters einer Komponente des Aufwärtswandlers, einen Schritt des Bestimmens eines Regelparameters und einen Schritt des Ermittelns eines Tastgrads auf. Im Schritt des Einlesens repräsentiert das Stromsignal einen Stromfluss und/oder einen gewünschten Stromfluss in einem Zweig des Aufwärtswandlers. Das Spannungssignal repräsentiert im Schritt des Einlesens einen Spannungsabfall und/oder einen gewünschten Spannungsabfall zwischen zwei Abgriffspunkten des Aufwärtswandlers. Der Schritt des Bestimmen des Regelparameters wird unter Verwendung des Stromsignals, des Spannungssignals und des zumindest einen Parameters der Komponente ausgeführt. Der Schritt des Ermittelns des Tastgrads wird unter Verwendung des Regelparameters ausgeführt, um das Ansteuersignal zur Ansteuerung eines Schalters des Aufwärtswandlers zu bestimmen.
Bei dem Aufwärtswandler kann es sich um eine Form eines Gleichspannungswandlers handeln, bei dem die Ausgangsspannung immer größer ist als die Eingangsspannung. Der hier vorgestellte Ansatz kann auch als eine Steuerung eines brennstoffzellengespeisten DC-DC-Boost-Wandlersystems verstanden werden. Der hier vorgestellte Ansatz ermöglicht prinzipiell die Umschaltung in Echtzeit zwischen einer Steuerung über den Strom in eine Steuerung über die Spannung oder umgekehrt.
Im Schritt des Bestimmens kann der Regelparameter unter Verwendung einer Differenz eines ersten Regelungswerts und eines zweiten Regelungswerts bestimmt werden. Dabei kann der erste Regelungswert unter Verwendung des gewünschten Stromflusses und des gewünschten Spannungsabfalls bestimmt werden, und der zweite Regelungswert unter Verwendung des Stromflusses und des Spannungsabfalls bestimmt werden. Vorteilhafterweise kann somit die Leistung des Aufwärtswandlers gesteigert werden. Auch kann eine solches Regelung sehr effizient implementiert werden.
Im Schritt des Bestimmens kann der erste Regelungswert durch eine algebraische Verknüpfung eines vom gewünschten Stromfluss abhängigen ersten Terms mit einem vom gewünschten Spannungsabfall abhängigen zweiten Terms erhalten werden. Der zweite Regelungswert kann durch eine algebraische Verknüpfung eines vom Stromfluss abhängigen ersten Hilfsterms mit einem vom Spannungsabfall abhängigen zweiten Hilfsterms erhalten werden. Vorteilhafterweise kann somit die Leistung des Aufwärtswandlers gesteigert werden. Durch die Verwendung der algebraischen Verknüpfung kann auch hier eine effiziente Implementierung dieser Ausführungsform erreicht werden.
Im Schritt des Bestimmens kann der erste Term durch ein Produkt des quadrierten gewünschten Stromflusses mit zumindest einem Parameter der Komponente des Aufwärtswandlers bestimmt werden. Zusätzlich oder alternativ kann der zweite Term durch ein Produkt des quadrierten gewünschten Spannungsabfalls mit zumindest einem Parameter der Komponente des Aufwärtswandlers bestimmt werden. Zusätzlich oder alternativ kann der erste Hilfsterm durch ein Produkt des quadrierten Stromflusses mit zumindest einem Parameter der Komponente des Aufwärtswandlers bestimmt werden. Zusätzlich oder alternativ kann der zweite Hilfsterm durch ein Produkt des quadrierten Spannungsabfalls mit zumindest einem Parameter der Komponente des Aufwärtswandlers bestimmt werden. Zusätzlich oder alternativ kann die algebraische Verknüpfung eine additive Verknüpfung darstellen. Vorteilhafterweise kann somit die Leistung des Aufwärtswandlers gesteigert werden. Durch die Verwendung der Hilfsterme kann eine sehr präzise Einstellung der Regelungsparameter erreicht werden.
Im Schritt des Einlesens kann als Stromsignal in den Aufwärtswandler fließender Stromfluss und zusätzlich oder alternativ gewünschter Stromfluss eingelesen werden. Zusätzlich oder alternativ kann als Spannungssignal eine am Ausgang des Aufwärtswandlers abgreifbare oder gewünscht abgreifbare Spannung eingelesen werden. Somit kann eine vorteilhafte Regelung des Aufwärtswandlers durch einfach zu erhaltende oder bereitzustellende Größen ermöglicht werden.
Die Schritte des Einlesens, des Bestimmens und des Ermittelns können wiederholt ausgeführt werden. Dabei kann im wiederholt ausgeführten Schritt des Bestimmens gegenüber einem vorausgehend ausgeführten Schritt des Bestimmens entweder ein gewünschter Stromfluss oder ein gewünschter Spannungsabfall gleich gehalten werden. Somit kann eine vorteilhafte feine Regelung des Aufwärtswandlers ermöglicht werden.
Im Schritt des Ermittelns kann als Ansteuersignal ein PWM-Signal auf der Basis des ermittelten Tastgrades ermittelt werden. Die Pulsweitenmodulation, kurz PWM, ist eine Modulationsart, bei der beispielsweise eine elektrische Spannung zwischen zwei festen Pegelwerten wechselt und die Zeitdauer des Pegels der Spannung auf den einzelnen Pegelwerten eine Information über die Regelgröße wiedergibt.. Auf diese Weise kann eine technisch einfache Regelung mit einfach ausgestalteten Schaltern vorgenommen werden.
Der hier vorgestellte Ansatz schafft ferner eine Vorrichtung, die ausgebildet ist, um die Schritte einer Variante eines hier vorgestellten Verfahrens in entsprechenden Einrichtungen durchzuführen, anzusteuern bzw. umzusetzen. Auch durch diese Ausführungsvariante der Erfindung in Form einer Vorrichtung kann die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe schnell und effizient gelöst werden.
Eine Vorrichtung kann ein elektrisches Gerät sein, das elektrische Signale, beispielsweise Sensorsignale verarbeitet und in Abhängigkeit davon Steuersignale ausgibt. Die Vorrichtung kann eine oder mehrere geeignete Schnittstelle aufweisen, die hard- und/oder softwaremäßig ausgebildet sein können. Bei einer hardwaremäßigen Ausbildung können die Schnittstellen beispielsweise Teil einer integrierten Schaltung sein, in der Funktionen der Vorrichtung umgesetzt sind. Die Schnittstellen können auch eigene, integrierte Schaltkreise sein oder zumindest teilweise aus diskreten Bauelementen bestehen. Bei einer softwaremäßigen Ausbildung können die Schnittstellen Softwaremodule sein, die beispielsweise auf einem Mikrocontroller neben anderen Softwaremodulen vorhanden sind.
Von Vorteil ist auch ein Computerprogrammprodukt mit Programmcode, der auf einem maschinenlesbaren Träger wie einem Halbleiterspeicher, einem Festplattenspeicher oder einem optischen Speicher gespeichert sein kann und zur Durchführung des Verfahrens nach einer der vorstehend beschriebenen Ausführungsformen verwendet wird, wenn das Programm auf einem Computer oder einer Vorrichtung ausgeführt wird.
Ein Energieversorgungssystem für ein Fahrzeug weist vorteilhaft eine Energiequelle, insbesondere einer Brennstoffzelle und eine Ausführungsform einer hierin genannten Vorrichtung auf.
Ein Fahrzeug weist vorteilhafterweise eine Ausführungsform eines hierin genannten Energieversorgungssystems auf.
Die Erfindung wird anhand der beigefügten Zeichnungen beispielhaft näher erläutert. Es zeigen:

1 eine Darstellung eines Ausführungsbeispiels eines Fahrzeugs;
2 eine Darstellung eines Aufwärtswandlers zur Verwendung mit einem Ausführungsbeispiel eines Verfahrens zum Bestimmen eines Ansteuersignals zur Ansteuerung eines Schalters des Aufwärtswandlers;
3 eine Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer Vorrichtung;
4 eine Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer Vorrichtung; und
5 ein Ablaufdiagramm eines Ausführungsbeispiels eines Verfahrens zum Bestimmen eines Ansteuersignals zur Ansteuerung eines Schalters eines Aufwärtswandlers.

In der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden für die in den verschiedenen Figuren dargestellten und ähnlich wirkenden Elemente gleiche oder ähnliche Bezugszeichen verwendet, wobei auf eine wiederholte Beschreibung dieser Elemente verzichtet wird.
Bevor nachfolgend auf bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung eingegangen wird, sollen zunächst Hintergründe und Grundlagen von Ausführungsbeispielen kurz erläutert werden:

Ein Gleichspannungswandler mit Aufwärtsregelung kann durch die folgenden gewöhnlichen Differentialgleichungen beschrieben werden: $L \dot{i} = - (1 - u) v + E$
$C \dot{v} = (1 - u) i - \frac{v}{R},$
wobei L die Induktivität, C die Kapazität, R der Ladewiderstand, E die externe Gleichspannungsquelle, i der Induktionsstrom, v die Spannung des Ausgangskondensators und $u \in {0,1}$
der Steuereingang ist. Zu beachten ist, dass es sich um ein diskretes Signal handelt, das den Wert 0 oder 1 annimmt. Das gemittelte System kann direkt aus dem ODE-System gewonnen werden, indem der Schalteingang u mit der Tastverhältnisfunktion u_av identifiziert wird, wobei gilt: $u_{a v} \in [0,1] .$

Daher ist das gemittelte System mit x₁ := i, x₂ := v, und $a_{11} : = \frac{1}{L}, a_{12} : = \frac{E}{L}, a_{21} : = \frac{1}{C}, a_{22} : = \frac{1}{R C},$
ergibt ${\dot{x}}_{1} = - (1 - u_{a v}) a_{11} x_{2} + a_{12}$
${\dot{x}}_{2} = (1 - u_{a v}) a_{21} x_{1} - a_{22} x_{2},$
oder $(\begin{matrix} {\dot{x}}_{1} \\ {\dot{x}}_{2} \end{matrix}) = (\begin{matrix} 0 & - (1 - u_{a v}) a_{11} \\ (1 - u_{a v}) a_{21} & - a_{22} \end{matrix}) (\begin{matrix} x_{1} \\ x_{2} \end{matrix}) + (\begin{matrix} a_{12} \\ 0 \end{matrix}) .$
Das System weist eine nichtlineare oder genauer gesagt eine bilineare affine Struktur auf, bilinear aufgrund der Produkte aus dem Eingang µ und den Systemvariablen x₁ und x₂, und affin aufgrund des Terms a₂₁).
Dies bedeutet, dass das Modell einer Hochsetzstellerschaltung nicht linear ist und folglich Standardmethoden für den Reglerentwurf, wie zum Beispiel Methoden im Frequenzbereich, hier nicht angewendet werden können.
Das linearisierte Modell über Sollwerte kann für eine Standard-PI-Regelung verwendet werden. Um einen nichtlinearen Regler zu beschreiben, betrachten wir das nichtlineare gemittelte Modell mit Ausgangsleistung: $L \dot{i} = - (1 - μ) v - R_{L} i + E (i)$
$C \dot{v} = (1 - μ) i - \frac{P}{v},$
wobei P die Ausgangsleistung ist, die P = v² / R entspricht, und R_L der Kupferwiderstand der Induktivität ist. Man beachte, dass die Eingangsspannung E eine Funktion des Stroms i ist. Ähnliche Formen gibt es, wenn der letzte Term auf der rechten Seite in (7b) ersetzt wird durch $\frac{P}{v} = \frac{v}{R} = i_{o u t} .$
Aufgrund der Eigenschaft der differentiellen Ebenheit lässt sich das Modell (7) exakt in Form des ebenen Ausgangs linearisieren, und alle Systemvariablen können durch den ebenen Ausgang und eine endliche Anzahl seiner zeitlichen Ableitungen parametrisiert werden. Insbesondere da der Eingang eine Systemvariable ist, ist der Entwurf eines Vorwärtsreglers einfach.
Ein auf der Ebenheit basierender Ansatz lautet $y = \frac{1}{2} (L i^{2} + C v^{2}),$
$\dot{y} = E i - \sqrt{v^{2}} R = E i - P .$
Daher $i = \frac{\dot{y} + P}{E} = : A (\dot{y}),$
$v = \sqrt{\frac{2 y}{C} - \frac{L A^{2} (\dot{y})}{C}} = : B (y, \dot{y}),$
$μ = 1 - \frac{E^{2} L \ddot{y}}{E B (y, \dot{y})} = : C (y, \dot{y}, \ddot{y}) .$
Dies bedeutet, dass, wenn $μ = 1 - \frac{E^{2} - L v}{E B (y, \dot{y})} = C (y, \dot{y}, v) .$
angewendet wird, ergibt das DCDC-Modell (7) $\ddot{y} = v,$
wobei y die gesamte eingesparte Energie in dem Aufwärtswandler ist. Um entweder den Eingangsstrom i oder den Ausgangsstrom v zu regeln, ist ein Rückkopplungsregler v in geeigneter Weise nötig.
Unter Bezugnahme auf die nachfolgenden Figuren wird ein verbesserter Aufwärtswandler gemäß Ausführungsbeispielen näher erläutert.
1 zeigt eine Darstellung eines Ausführungsbeispiels eines Fahrzeugs 100. Das Fahrzeug 100 weist ein Energieversorgungssystem 105 auf. Das Energieversorgungssystem 105 weist eine Energiequelle 115 auf, die beispielsweise als eine Brennstoffzelle ausgebildet ist. Ferner weist das Energieversorgungssystem 105 eine Vorrichtung 110 auf, wie sie in den nachfolgenden Figuren näher beschrieben ist.
2 zeigt eine Darstellung eines Aufwärtswandlers 200 für ein Ausführungsbeispiel eines Verfahrens zum Bestimmen eines Ansteuersignals zur Ansteuerung eines Schalters 205 des Aufwärtswandlers 200.
Eine Energie 210, hier E, wird beispielsweise von einer Brennstoffzelle bereitgestellt und in den Aufwärtswandler 200 eingespeist. Der Schalter 205, hier Q, ist gemäß einem Ausführungsbeispiel geschlossen, wodurch der Induktionsstrom 240, hier i, und die gespeicherte Energie 210 in einer Spule 215, hier L, ansteigen. Ein Kondensator 220, hier C, ist ausgebildet, um die Spannung zu glätten. Eine Diode 225, hier D, ist ausgebildet, um ein Entladen des Kondensators 220 über den Schalter 205 zu verhindern. Dabei repräsentiert R einen Lastwiderstand 245.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist der Aufwärtswandler 200 signalübertragungsfähig mit einer Vorrichtung 110 verbunden. Die Vorrichtung 110 ist ausgebildet, um ein Ansteuersignal 235 zur Ansteuerung des Schalters 205 des Aufwärtswandlers 200 zu bestimmen. Die Vorrichtung 110 ist beispielsweise in 3 beschrieben und dargestellt.
3 zeigt eine Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer Vorrichtung 110 zum Bestimmen eines Ansteuersignals 235 zur Ansteuerung eines Schalters 205 eines Aufwärtswandlers 200. Dabei kann es sich um die in 2 beschriebene Vorrichtung handeln. Die Vorrichtung 110 ist beispielsweise eine Komponente eines Energieversorgungssystems für ein Fahrzeug, wie es beispielsweise in 1 beschrieben und dargestellt ist.
Die Vorrichtung 110 weist eine Einleseeinrichtung 300, eine Bestimmungseinrichtung 305 und eine Ermittlungseinrichtung 310 auf.
Die Einleseeinrichtung 300 ist ausgebildet, um ein Stromsignal 315, ein Spannungssignal 320 und beispielsweise einen Parameter 325 einer Komponente des Aufwärtswandlers 200 einzulesen. Das Stromsignal 315 repräsentiert einen Stromfluss i und/oder einen gewünschten Stromfluss i* in einem Zweig des Aufwärtswandlers 200. Das Spannungssignal 320 repräsentiert einen Spannungsabfall v und/oder einen gewünschten Spannungsabfall v* an zwei Abgriffspunkten des Aufwärtswandlers 200.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel liest die Einleseeinrichtung 300 als Stromsignal 315 einen in den Aufwärtswandler 200 fließenden Stromfluss und/oder einen gewünschten Stromfluss ein. Zusätzlich oder alternativ liest die Einleseeinrichtung 300 als Spannungssignal 320 eine am Ausgang des Aufwärtswandlers 200 abgreifbare oder gewünscht abgreifbare Spannung ein.
Die Bestimmungseinrichtung 305 ist ausgebildet, um einen Regelparameter 330, hier v, unter Verwendung des Stromsignals 315, des Spannungssignals 320 und des zumindest einen Parameters 325 der Komponente zu bestimmen.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel weist die Bestimmungseinrichtung 305 eine erste Reglereinheit 335 zum Regeln des Stroms, eine zweite Reglereinheit 340 zum Regeln der Spannung und eine dritte Reglereinheit 345 zum Regeln des Regelparameters 330 auf.
Zwischen den Reglereinheiten 335, 340 ist beispielsweise eine Schaltereinheit 350 angeordnet, die gemäß dem hier gezeigten Ausführungsbeispiel zwei Schalter ausformt. Die Schaltereinheit 350 ist beispielsweise ausgebildet, um die Reglereinheiten 335, 340 getrennt voneinander anzusteuern.
Die Ermittlungseinrichtung 310 ist ausgebildet, um einen Tastgrad 355, hier µ, unter Verwendung des Regelparameters 330 zu ermitteln. Unter Verwendung des ermittelten Tastgrads 355 wird das Ansteuersignal 235 zur Ansteuerung des Schalters 205 des Aufwärtswandlers 200 bestimmt. Gemäß einem Ausführungsbeispiel wird das Ansteuersignal 235 als ein PWM-Signal auf der Basis des ermittelten Tastgrades 355 ermittelt.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel wird in der ersten Reglereinheit 335 der Bestimmungseinrichtung 305 unter Verwendung des gewünschten Stromflusses i* und des gewünschten Spannungsabfalls v* ein erster Regelungswert 360, hier y* bestimmt. Ein zweiter Regelungswert 365, hier y, wird in der zweiten Reglereinheit 340 unter Verwendung des Stromflusses i und des Spannungsabfalls v bestimmt.
Der Regelparameter 330 wird beispielsweise in der dritten Reglereinheit 345 unter Verwendung einer Differenz des ersten Regelungswerts 360 und des zweiten Regelungswerts 365 bestimmt.
Der erste Regelungswert 360 wird beispielsweise in der ersten Reglereinheit 335 durch eine algebraische Verknüpfung eines vom gewünschten Stromfluss abhängigen ersten Terms 370 mit einem vom gewünschten Spannungsabfall abhängigen zweiten Terms 375 erhalten. Der zweite Regelungswert 365 wird beispielsweise in der zweiten Reglereinheit 340 durch eine algebraische Verknüpfung eines vom Stromfluss abhängigen ersten Hilfsterms 380 mit einem vom Spannungsabfall abhängigen zweiten Hilfsterms 385 erhalten.
Genauer gesagt wird der erste Term 370 gemäß eines Ausführungsbeispiels durch ein Produkt des quadrierten gewünschten Stromflusses mit zumindest einem Parameter 325 der Komponente des Aufwärtswandlers 200 bestimmt. Zusätzlich oder alternativ wird der zweite Term 375 durch ein Produkt des quadrierten gewünschten Spannungsabfalls mit zumindest einem Parameter 325 der Komponente des Aufwärtswandlers 200 bestimmt. Zusätzlich oder alternativ wird der erste Hilfsterm 380 durch ein Produkt des quadrierten Stromflusses mit zumindest einem Parameter 325 der Komponente des Aufwärtswandlers 200. Zusätzlich oder alternativ wird der zweite Hilfsterm 380 durch ein Produkt des quadrierten Spannungsabfalls mit zumindest einem Parameter 325 der Komponente des Aufwärtswandlers 200 bestimmt. Die algebraische Verknüpfung stellt beispielsweise eine additive Verknüpfung dar.
Der in der dritten Reglereinheit 345 erhaltene Regelparameter 330 wird an die Ermittlungseinrichtung 310 ausgegeben, sodass die Ermittlungseinrichtung 310 unter Verwendung des Regelparameters 330 den Tastgrad 355 ermittelt. Ansprechend auf den ermittelten Tastgrad 355 wird das Ansteuersignal 235 zum Ansteuern des Schalters 205 des Aufwärtswandlers 200 bestimmt. Die Ermittlungseinrichtung 310 ist beispielsweise als ein Vorwärtsregler und ein Rückkopplungsregler ausgebildet.
In anderen Worten ausgedrückt zeigt der hier vorgestellte Ansatz einen brennstoffzellengespeisten Aufwärtswandler 200, der auch als DCDC-Aufwärtsregler bezeichnet werden kann. Der Aufwärtswandler 200 ermöglicht die Regelung der ersten Reglereinheit 335, die auch als Eingangsstrom bezeichnet werden kann und die Regelung der zweiten Reglereinheit 340, die auch als Ausgangsspannung bezeichnet werden kann, wobei zwischen den Regelungsmodi in Echtzeit umgeschaltet wird und wobei jeder Schalter der Schaltereinheit 350, die auch als Rückkopplungsregler bezeichnet werden können, mit gleichen oder unterschiedlichen Regelungsparametern parametriert werden, und wobei die Schalter der Schaltereinheit 350 die gleiche Struktur haben, so dass sowohl bei der Strom- als auch bei der Spannungsregelung die zugrunde liegende nichtlineare Dynamik des brennstoffzellengespeisten Aufwärtswandlers 200 exakt in Bezug auf eine Basisgröße linearisiert wird, was wiederum sowohl für die Strom- als auch für die Spannungsregelung ermöglicht, dass nur brauchbare physikalische Trajektorien durch den Regler erzwungen werden.
Die Größen v, i, P, R, i_out, E sind gemessene, geschätzte oder berechnete Werte für Ausgangsspannung, Eingangsstrom, Ausgangsleistung, Lastwiderstand, Ausgangs- oder Laststrom, Eingangsspannung bzw. Brennstoffzellenspannung. Die Größen v*, i*, P*, R* i*_out, E* sind gewünschte vorgegebene oder berechnete Größen für Ausgangsspannung, Eingangsstrom, Ausgangsleistung, Lastwiderstand, Ausgangs- oder Laststrom, Eingangsspannung bzw. Brennstoffzellenspannung. Die Größe y ist eine Basisleistung. Die Größen y, y sind erste und zweite zeitliche Ableitungen von y. Die Größe v ist ein virtueller Eingang. Die Größe µ bezieht sich auf einen gemittelten Reglerausgang und ist zwischen 0 und 1 normiert. Sie bezieht sich auch auf ein Tastverhältnis. Die Parameter L, C, R_L sind die Induktivität, die Kapazität bzw. die Spulenwiderstände. Jede Variable kann über die Zeit konstant oder zeitlich variabel/zeitabhängig sein. Die Parameter K_p, k_p, K_i, k_i, K_d, k_d sind die Verstärkungen des Rückkopplungsreglers.
Die verfügbaren Lastparameter P, R, i_out können ineinander übersetzt werden. Wenn der Strom geregelt werden soll, d.h. wenn i* gegeben ist, dann $v * = \sqrt{P * R},$
wobei $P * = E i * .$
Daher $y * = \frac{L}{2} i *^{2} + \frac{C}{2} v *^{2}$
und $\dot{y} * = E i * - P * .$
Wenn die Spannung kontrolliert werden soll, d.h. wenn v* gegeben ist, dann $i * = \frac{P *}{E},$
wobei $P * = \frac{v *^{2}}{R} .$
Daher $y * = \frac{L}{2} i *^{2} + \frac{C}{2} v *^{2}$
und $\dot{y} * = E i * - P * .$
Siehe auch die Darstellung in 3.
Die obige Parametrierung ermöglicht es, den gewünschten Strom und die Spannung getrennt zu steuern, indem die gesamte gespeicherte Energie kontrolliert wird: Der Steuereingang ist definiert als $μ = 1 - \frac{E^{2} - L v}{E B (y *, \dot{y} *)},$
woraus sich für y = y* y = y* die Form $\ddot{y} = v .$
ergibt.
Dabei ist v der Regler. Ein geeigneter zeitkontinuierlicher Regler ist definiert als $v = k_{p} e + k_{i} \int_{t_{0}}^{t} e d τ {+k}_{d} \frac{d e}{d t},$
wobei $e = y * - y$
$\dot{e} = \dot{y} * - \dot{y},$
mit $y = \frac{1}{2} (L i^{2} + C v^{2})$
und $\dot{y} = E i - \sqrt{v^{2}} R = E i - P .$
Die Reglerverstärkungen können wie oben beschrieben so ausgelegt werden, dass das geschlossene Regelsystem $\ddot{e} = - k_{p} e - k_{i} \int_{t_{0}}^{t} e d τ {-k}_{d} \frac{d e}{d t}$
exponentiell stabil ist.
Alternativ dazu kann der zeitdiskrete Regler $v_{k} = v_{k - 1} + K_{i} e_{k} - K_{p} (e_{k} = e_{k - 1}) + K_{d} (e_{k} - 2 e_{k - 1} + e_{k - 2})$
angewendet werden. Siehe auch 4.
Der hier vorgestellte Ansatz ermöglicht die Steuerung eines brennstoffzellengespeisten Aufwärtswandlers 200, wobei nur der Eingangsstrom des DCDC-Aufwärtswandlers geregelt wird und/oder nur die Ausgangsspannung des DCDC- Aufwärtswandlers geregelt wird. Ferner wird in Echtzeit zwischen Strom- und Spannungsregelung umgeschaltet. Der Aufwärtswandler 200 wird von einer Brennstoffzelle gespeist. Die Ausgangsspannung der Brennstoffzelle, also die Eingangsspannung des Aufwärtswandlers 200, ist abhängig vom Eingangsstrom des Aufwärtswandlers 200, also dem Ausgangsstrom der Brennstoffzelle. Die Brennstoffzelle kann vernachlässigt werden und die Eingangsspannung wird durch eine konstante Spannungsquelle festgelegt. Der Aufwärtswandler 200 besteht aus mindestens einer DC/DC-Wandlerschaltung. Der Ausgang des Reglers ist pulsweitenmoduliert. Das PWM-Signal kann verschachtelt oder nicht verschachtelt sein, wenn der Aufwärtswandler 200 aus mehr als einem DC/DC-Wandlerschaltkreis besteht.
Die Vorrichtung 110 führt zyklisch, oder bei jeder Probe, oder ereignisorientiert die folgenden Schritte durch, siehe auch 4:

Warten auf eine Änderung eines gewünschten Sollwerts, für Strom i oder Spannung v, und Messen oder Schätzen der physikalischen Signale, Strom i oder Spannung v, Eingangsspannung E, Ausgangsstrom i_out.
Parametrierung des Reglers in Abhängigkeit von der Strom- oder Spannungsregelung und Berechnung des Regelausgangs µ.
PWM von µ und Ausgabe an den Aufwärtswandler 200.

Der hier vorgestellte Ansatz ist für alle Varianten von Aufwärtswandler 200 verwendbar, zum Beispiel für brennstoffzellenbetriebene, batteriebetriebene, mehrphasige und einphasige DCDC-Aufwärtswandler. DC/DC-Aufwärtswandlersysteme sind in Fahrzeugen, wie schweren Nutzfahrzeugen, Lastkraftwagen und Fahrzeugsystemen einsetzbar.
4 zeigt eine Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer Vorrichtung 300. Dabei kann es sich um die in den vorangegangenen Figuren beschriebene Vorrichtung handeln.
Ein Stromsollwert 400 und ein Spannungssollwert 405 werden beispielsweise zu einer Schnittstelle 410 geleitet, die den Stromsollwert 400 und den Spannungssollwert 405 als gewünschte Sollwerte 415 an die Ermittlungseinrichtung 310 leiten. Ein Stromsignal 315, ein Spannungssignal 320, ein Lade- bzw. Ausgangsstrom 420 und eine Leistung 425 werden an eine weitere Schnittstelle 430 geleitet und als Messsignal 435 an die Ermittlungseinrichtung geleitet.
Die erste Reglereinheit 335 und die zweite Reglereinheit 340 werden mittels der Schaltereinheit 350 getrennt voneinander angesteuert, sodass die Energie aus den Reglereinheiten 335, 340 an die dritte Reglereinheit 345 weitergeleitet und von der dritten Reglereinheit 345 an die Ermittlungseinrichtung 310 geleitet wird. Der in der Ermittlungseinrichtung 310 ermittelte Tastgrad 355 wird schließlich ausgegeben.
5 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Ausführungsbeispiels eines Verfahrens 500 zum Bestimmen eines Ansteuersignals zur Ansteuerung eines Schalters eines Aufwärtswandlers. Das Verfahren 500 weist einen Schritt 505 des Einlesens, einen Schritt 510 des Bestimmens und einen Schritt 515 des Ermittelns auf.
Im Schritt 505 des Einlesens wird ein Stromsignal, ein Spannungssignal und zumindest eine Parameter einer Komponente des Aufwärtswandlers eingelesen. Dabei repräsentiert das Stromsignal einen Stromfluss und/oder einen gewünschten Stromfluss in einem Zweig des Aufwärtswandlers. Das Spannungssignal repräsentiert dabei einen Spannungsabfall und/oder einen gewünschten Spannungsabfall an zwei Abgriffspunkten des Aufwärtswandlers.
Im Schritt 510 des Bestimmens wird ein Regelparameter unter Verwendung des Stromsignals, des Spannungssignals und des zumindest einen Parameters der Komponente bestimmt.
Im Schritt 515 des Ermittelns wird ein Tastgrad unter Verwendung des Regelparameters ermittelt, um das Ansteuersignal zur Ansteuerung eines Schalters des Aufwärtswandlers zu bestimmen. Gemäß einem Ausführungsbeispiel wird im Schritt 515 des Ermittelns als Ansteuersignal ein PWM-Signal auf der Basis des ermittelten Tastgrades ermittelt.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel wird im Schritt 510 des Bestimmens der Regelparameter unter Verwendung einer Differenz eines ersten Regelungswerts und eines zweiten Regelungswerts bestimmt. Dabei wird der erste Regelungswert unter Verwendung des gewünschten Stromflusses und des gewünschten Spannungsabfalls bestimmt, und der zweite Regelungswert unter Verwendung des Stromflusses und des Spannungsabfalls bestimmt.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel wird im Schritt 510 des Bestimmens der erste Regelungswert durch eine algebraische Verknüpfung eines vom gewünschten Stromfluss abhängigen ersten Terms mit einem vom gewünschten Spannungsabfall abhängigen zweiten Terms erhalten und wobei der zweite Regelungswert durch eine algebraische Verknüpfung eines vom Stromfluss abhängigen ersten Hilfsterms mit einem vom Spannungsabfall abhängigen zweiten Hilfsterms erhalten wird.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel wird im Schritt 510 des Bestimmens der erste Term durch ein Produkt des quadrierten gewünschten Stromflusses mit zumindest einem Parameter der Komponente des Aufwärtswandlers bestimmt. Zusätzlich oder alternativ wird der zweite Term durch ein Produkt des quadrierten gewünschten Spannungsabfalls mit zumindest einem Parameter der Komponente des Aufwärtswandlers bestimmt. Zusätzlich oder alternativ wird der erste Hilfsterm durch ein Produkt des quadrierten Stromflusses mit zumindest einem Parameter der Komponente des Aufwärtswandlers bestimmt. Zusätzlich oder alternativ wird der zweite Hilfsterm durch ein Produkt des quadrierten Spannungsabfalls mit zumindest einem Parameter der Komponente des Aufwärtswandlers bestimmt. Zusätzlich oder alternativ wird die algebraische Verknüpfung eine additive Verknüpfung darstellt.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel wird im Schritt 505 des Einlesens als Stromsignal in den Aufwärtswandler fließender Stromfluss und/oder gewünschter Stromfluss eingelesen und/oder als Spannungssignal eine am Ausgang des Aufwärtswandlers abgreifbare oder gewünscht abgreifbare Spannung eingelesen.
Die Schritte 505, 510, 515 werden beispielsweise wiederholt ausgeführt. Dabei wird beispielsweise im wiederholt ausgeführten Schritt des Bestimmens gegenüber einem vorausgehend ausgeführten Schritt des Bestimmens entweder ein gewünschter Stromfluss oder ein gewünschter Spannungsabfall gleich gehalten.
Die beschriebenen und in den Figuren gezeigten Ausführungsbeispiele sind nur beispielhaft gewählt. Unterschiedliche Ausführungsbeispiele können vollständig oder in Bezug auf einzelne Merkmale miteinander kombiniert werden. Auch kann ein Ausführungsbeispiel durch Merkmale eines weiteren Ausführungsbeispiels ergänzt werden.
Ferner können erfindungsgemäße Verfahrensschritte wiederholt sowie in einer anderen als in der beschriebenen Reihenfolge ausgeführt werden.
Umfasst ein Ausführungsbeispiel eine „und/oder“ Verknüpfung zwischen einem ersten Merkmal und einem zweiten Merkmal, so kann dies so gelesen werden, dass das Ausführungsbeispiel gemäß einer Ausführungsform sowohl das erste Merkmal als auch das zweite Merkmal und gemäß einer weiteren Ausführungsform entweder nur das erste Merkmal oder nur das zweite Merkmal aufweist.
Bezugszeichen

100: Fahrzeug
105: Energieversorgungssystem
110: Vorrichtung
115: Energiequelle
200: Aufwärtswandler
205: Schalter
210: Energie
215: Spule
220: Kondensator
225: Diode
235: Ansteuersignal
240: Induktionsstrom
245: Lastwiderstand
300: Einleseeinrichtung
305: Bestimmungseinrichtung
310: Ermittlungseinrichtung
315: Stromsignal
320: Spannungssignal
325: Parameter
330: Regelparameter
335: erste Reglereinheit
340: zweite Reglereinheit
345: dritte Reglereinheit
350: Schaltereinheit
355: Tastgrad
360: erster Regelungswert
365: zweiter Regelungswert
370: erster Term
375: zweiter Term
380: erster Hilfsterm
385: zweiter Hilfsterm
400: Stromsollwert
405: Spannungssollwert
410: Schnittstelle
415: gewünschte Sollwerte
420: Lade- bzw. Ausgangsstrom
425: Leistung
430: weitere Schnittstelle
435: Messsignal
500: Verfahren zum Bestimmen eines Ansteuersignals zur Ansteuerung eines Schalters eines Aufwärtswandlers
505: Schritt des Einlesens
510: Schritt des Bestimmens
515: Schritt des Ermittelns

Claims

Verfahren (500) zum Bestimmen eines Ansteuersignals (235) zur Ansteuerung eines Schalters (205) eines Aufwärtswandlers (200), wobei das Verfahren (500) die folgenden Schritte umfasst: Einlesen (505) eines Stromsignals (315), eines Spannungssignals (320) und zumindest eines Parameters (325) einer Komponente des Aufwärtswandlers (200), wobei das Stromsignal (315) einen Stromfluss und/oder einen gewünschten Stromfluss in einem Zweig des Aufwärtswandlers (200) repräsentiert, und das Spannungssignal (320) einen Spannungsabfall und/oder einen gewünschten Spannungsabfall zwischen zwei Abgriffspunkten des Aufwärtswandlers (200) repräsentiert; Bestimmen (510) eines Regelparameters (330) unter Verwendung des Stromsignals (315), des Spannungssignals (320) und des zumindest einen Parameters (325) der Komponente; und Ermitteln (515) eines Tastgrads (355) unter Verwendung des Regelparameters (330), um das Ansteuersignal (235) zur Ansteuerung des Schalters (205) des Aufwärtswandlers (200) zu bestimmen.
Verfahren (500) gemäß Anspruch 1, wobei im Schritt (510) des Bestimmens der Regelparameter (330) unter Verwendung einer Differenz eines ersten Regelungswerts (360) und eines zweiten Regelungswerts (365) bestimmt wird, wobei der erste Regelungswert (360) unter Verwendung des gewünschten Stromflusses und des gewünschten Spannungsabfalls bestimmt wird, und der zweite Regelungswert (365) unter Verwendung des Stromflusses und des Spannungsabfalls bestimmt wird.
Verfahren (500) gemäß Anspruch 2, wobei im Schritt (510) des Bestimmens der erste Regelungswert (360) durch eine algebraische Verknüpfung eines vom gewünschten Stromfluss abhängigen ersten Terms (370) mit einem vom gewünschten Spannungsabfall abhängigen zweiten Term (375) erhalten wird und wobei der zweite Regelungswert (365) durch eine algebraische Verknüpfung eines vom Stromfluss abhängigen ersten Hilfsterms (380) mit einem vom Spannungsabfall abhängigen zweiten Hilfsterms (385) erhalten wird.
Verfahren (500) gemäß Anspruch 3, wobei im Schritt (510) des Bestimmens der erste Term (370) durch ein Produkt des quadrierten gewünschten Stromflusses mit zumindest einem Parameter (325) der Komponente des Aufwärtswandlers (200) bestimmt wird und/oder der zweite Term (375) durch ein Produkt des quadrierten gewünschten Spannungsabfalls mit zumindest einem Parameter (325) der Komponente des Aufwärtswandlers (200) bestimmt wird und/oder wobei der erste Hilfsterm (380) durch ein Produkt des quadrierten Stromflusses mit zumindest einem Parameter (325) der Komponente des Aufwärtswandlers (200) bestimmt wird und/oder der zweite Hilfsterm (385) durch ein Produkt des quadrierten Spannungsabfalls mit zumindest einem Parameter (325) der Komponente des Aufwärtswandlers (200) bestimmt wird und/oder wobei die algebraische Verknüpfung eine additive Verknüpfung darstellt.
Verfahren (500) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei im Schritt des Einlesens (505) als Stromsignal (315) in den Aufwärtswandler (200) fließender Stromfluss und/oder gewünschter Stromfluss eingelesen wird und/oder als Spannungssignal (320) eine am Ausgang des Aufwärtswandlers (200) abgreifbare oder gewünscht abgreifbare Spannung eingelesen wird.
Verfahren (500) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei die Schritte des Einlesens (505), des Bestimmens (510) und des Ermittelns (515) wiederholt ausgeführt werden, wobei im wiederholt ausgeführten Schritt des Bestimmens gegenüber einem vorausgehend ausgeführten Schritt des Bestimmens entweder ein gewünschter Stromfluss oder ein gewünschter Spannungsabfall gleich gehalten werden.
Verfahren (500) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei im Schritt (515) des Ermittelns als Ansteuersignal (235) ein PWM-Signal auf der Basis des ermittelten Tastgrades (355) ermittelt wird.
Vorrichtung (110), die ausgebildet ist, um die Schritte des Verfahrens (500) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche 1 bis 7 in entsprechenden Einheiten auszuführen und/oder anzusteuern.
Computer-Programmprodukt mit Programmcode zur Durchführung des Verfahrens (500) nach einem der vorangegangenen Ansprüche 1 bis 7, wenn das Computer-Programmprodukt auf einer Vorrichtung (110) ausgeführt wird.
Maschinenlesbares Speichermedium, auf dem das Computerprogramm nach Anspruch 9 gespeichert ist.
Energieversorgungssystem (105) für ein Fahrzeug (100) mit einer Energiequelle (115), insbesondere einer Brennstoffzelle und einer Vorrichtung (110) gemäß Anspruch 8.
Fahrzeug (110) mit einem Energieversorgungssystem (105) gemäß Anspruch 11.