EP4200963A1 - Verfahren und vorrichtung zur ermittelung eines durchschnittlichen drosselstroms oder einer eingangs oder ausgangsspannung eines hoch- oder tiefsetzstellers - Google Patents

Verfahren und vorrichtung zur ermittelung eines durchschnittlichen drosselstroms oder einer eingangs oder ausgangsspannung eines hoch- oder tiefsetzstellers

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Publication number
EP4200963A1
EP4200963A1 EP21755455.9A EP21755455A EP4200963A1 EP 4200963 A1 EP4200963 A1 EP 4200963A1 EP 21755455 A EP21755455 A EP 21755455A EP 4200963 A1 EP4200963 A1 EP 4200963A1
Authority
EP
European Patent Office
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voltage
time
potential
parameter
current
Prior art date
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Pending
Application number
EP21755455.9A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Markus Michels
Dennis Bura
Michael JIPTNER
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Robert Bosch GmbH
Original Assignee
Robert Bosch GmbH
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Filing date
Publication date
Application filed by Robert Bosch GmbH filed Critical Robert Bosch GmbH
Publication of EP4200963A1 publication Critical patent/EP4200963A1/de
Pending legal-status Critical Current

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    • G01—MEASURING; TESTING
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    • G01R19/25—Arrangements for measuring currents or voltages or for indicating presence or sign thereof using digital measurement techniques
    • G01R19/2503—Arrangements for measuring currents or voltages or for indicating presence or sign thereof using digital measurement techniques for measuring voltage only, e.g. digital volt meters (DVM's)
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M1/00—Details of apparatus for conversion
    • H02M1/0003—Details of control, feedback or regulation circuits
    • H02M1/0009—Devices or circuits for detecting current in a converter
    • G—PHYSICS
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    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
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    • H02M3/155—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only
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    • H02M3/158—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only with automatic control of output voltage or current, e.g. switching regulators including plural semiconductor devices as final control devices for a single load
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    • Y02B70/10—Technologies improving the efficiency by using switched-mode power supplies [SMPS], i.e. efficient power electronics conversion e.g. power factor correction or reduction of losses in power supplies or efficient standby modes

Definitions

  • Method and device for determining a parameter, the parameter characterizing a voltage or a current in a circuit arrangement
  • the invention relates to a method and a device for determining a parameter, the parameter characterizing a current or a voltage in a circuit arrangement. Furthermore, the invention relates to a voltage estimator, a drive train with a corresponding device and a vehicle with a drive train as well as a computer program and a machine-readable storage medium.
  • Circuit arrangements for active voltage converters for use in vehicles are known from the prior art. High demands are placed on the power density and the efficiency of the voltage converters. In order to minimize the size of the passive components, in particular the inductors, chokes or transformers, the voltage converters are operated with high switching frequencies in the range of a few 100 kHz. In order to ensure high efficiency at the same time, the switching elements or power semiconductors used in the active voltage converters are switched on softly, which is also known as "zero voltage switching" (ZVS). The regulation of such systems while at the same time ensuring the ZVS represents a major technical challenge.
  • ZVS zero voltage switching
  • ZCD zero current detection
  • a method for determining a parameter is provided, the parameter characterizing a current or a voltage in a circuit arrangement.
  • the circuit arrangement includes an inductor, with an alternating inductor current flowing through the inductor.
  • the method comprises the steps: determining at least a period of time between two zero crossings of the inductor current or a period of time between a zero crossing and a corner point of the inductor current; Determination of the parameter as a function of the determined period of time.
  • a method is provided in which a parameter is determined, the parameter characterizing a current or a voltage in a circuit arrangement.
  • the circuit arrangement includes an inductor.
  • the inductance is preferably a choke or a primary or secondary winding of a transformer, which is preferably used in a DC voltage converter or in a charging device, preferably for galvanic isolation of the input and output.
  • An alternating choke current flows through the inductance. Alternating means that the inductor current alternately assumes negative and positive values. So that the inductor current alternates, the inductor is connected alternately to a first potential, preferably positive potential, and a second potential, preferably negative potential, at a first connection of the inductor. The result is a choke current through the inductance, which alternately increases linearly up to a positive maximum and then decreases linearly to a negative minimum and so on.
  • the point in time at which the inductor current reaches the positive maximum is referred to below as the positive corner point.
  • the point in time at which the inductor current reaches the negative minimum is referred to below as the negative corner point.
  • the change from linearly increasing to linearly decreasing, or vice versa takes place when changing the one-sided connection of the inductance from the first potential to the second potential, or vice versa.
  • the sign of the inductor current changes from positive to negative at a so-called, preferably first, zero crossing of the inductor current.
  • the first connection of the inductance is preferably connected to the first potential and the second potential by means of a half-bridge with two switching elements, a first switching element being connected to the first potential on the one hand and being connected to a center tap of the half-bridge on the other hand, and a second switching element on the one hand to is connected to the second potential and on the other hand is connected to the center tap of the half-bridge, the inductor being connected on one side to the first terminal with the center tap.
  • one switching element is preferably alternately switched on while the other is switched off.
  • the timing of the triggering erns at least one of the switching elements at one of the points in time at which the inductor current reaches either the positive maximum or the negative minimum.
  • the inductance is preferably connected to a second connection with a third potential. So that the first and the second potential are different, an input voltage between two potentials of the first, second or third potential is preferably present.
  • the input voltage is preferably an AC voltage or a DC voltage.
  • the frequency of the input voltage is preferably very much lower, preferably at least one order of magnitude lower, than the frequency of the alternating inductor current. An approximately constant voltage then preferably results during a period of the alternating inductor current.
  • At least one time period between two zero crossings of the inductor current is determined by means of one step of the method.
  • the time period between a first zero crossing of the inductor current, at which the sign changes from positive to negative, and an immediately following second zero crossing of the inductor current, at which the sign changes from negative to positive or vice versa is preferably determined.
  • a period of time between a zero crossing and a corner point of the inductor current, preferably between a second zero crossing and a positive corner point of the inductor current is determined.
  • a zero crossing is understood as a point in time at which the sign of the alternating inductor current changes from positive to negative or vice versa.
  • the parameter is determined as a function of the determined time period.
  • a method is advantageously provided which makes it possible to determine a parameter as a function of a time variable which is determined in connection with the zero crossings of an inductor current, the parameter characterizing a current or a voltage in a circuit arrangement.
  • No current or voltage sensor is required for this. Instead, the time period between two zero crossings or the time period between the corner point and the zero crossing is advantageously used in order to obtain information such as a mean value or peak values of the inductor current or a voltage internally. to be determined within the circuit arrangement.
  • the parameter to be determined is preferably the mean current value of the inductor current, with the mean current value preferably corresponding to or correlating with the value of the input current of the circuit arrangement.
  • Both ZCD methods make use of the fact that the mean value of the (ripple-prone) inductor current in L is equal to the input current l_avg.
  • a status estimate is preferably set up based on these newly obtained parameters or measured values.
  • one or more whole periods can advantageously elapse before the state estimator reacts. Therefore, a plausibility check and error detection of a ZCD signal can preferably be carried out, which increases the quality.
  • a less expensive microcontroller can advantageously be used since more time is available for the required computing operations.
  • further regulators preferably a voltage regulator, can preferably be used for a number of variables.
  • a regulation for the current reversal points or the switching frequency can preferably also be set up independently of the mean value of the inductor current. Using this method, the inductor current to be regulated can preferably be detected in a highly dynamic manner (every switching period).
  • the current sensor that would otherwise be required can be saved, or a cheaper sensor with a smaller bandwidth can be used. Additional state estimates based on the zero-crossing times advantageously result in potential savings for additional sensors.
  • the parameter for controlling a voltage converter is preferably used as the feedback variable of a control circuit, preferably a voltage regulator.
  • the method in another embodiment, relates to determining a parameter, the parameter characterizing a voltage between a first potential and a second potential in the circuit arrangement.
  • the circuit arrangement includes a half-bridge with a first switching element and a second switching element.
  • the first switching element is connected to a first potential on the one hand and is connected to a center tap of the half-bridge on the other hand.
  • the second switching element is connected to a second potential on the one hand and to the center tap of the half-bridge on the other hand.
  • the inductor is connected to a first connection with the Center tap connected and connected to a second terminal with a third potential. An input voltage is present between the first potential and the third potential.
  • the method comprises the steps: Alternately driving, or switching on and off, the first and the second switching element with a definable duty cycle, resulting in the alternating inductor current through the inductance; Determining a first time period between a first zero crossing of the current and the activation of at least one of the switching elements and determining a second time period between the activation of the at least one switching element and a second zero crossing of the current, determining the parameter as a function of the input voltage, the first time period and the second duration.
  • a method for a circuit arrangement is advantageously provided which makes it possible to determine a parameter as a function of a time variable which is determined in connection with the zero crossings of the inductor current, the parameter characterizing a voltage present in the circuit arrangement.
  • a first capacitor is connected to the first and the second potential and the parameter to be determined is a mean voltage value of the voltage that is present at the first capacitor.
  • determining the first time period and the second time period includes determining a first point in time of a first zero crossing of the inductor current and determining a second point in time of a control process of at least one of the switching elements and determining a third point in time of a second zero crossing of the inductor current.
  • Determining the first period of time and the second period of time preferably includes determining the first point in time at which the sign of the inductor current changes from negative to positive, then determining a nes second point in time at which at least one of the switching elements is activated, and the subsequent determination of a third point in time at which the sign of the inductor current changes from positive to negative, or vice versa.
  • the instants of the zero crossings are preferably determined by means of a sensor which detects the zero crossing, preferably by means of a current sensor or by means of a signal obtained inductively.
  • a method for determining the first, second and third points in time is advantageously provided.
  • a counter preferably a microcontroller, is used to determine the first period of time between the first and second points in time and/or the second period of time between the second and third points in time.
  • a time duration that can be determined using simple technical means is the use of a counter, preferably a microcontroller.
  • Each microcontroller has a counter that continues to count at equidistant time intervals. The elapsed time period can consequently be determined from the difference in the counter readings from the second to the first point in time and/or from the third to the second point in time.
  • a method is advantageously provided for determining the length of time between the points in time.
  • the invention also relates to a computer program, comprising instructions which, when the program is executed by a computer, cause the latter to execute the methods described or the steps of the method.
  • the invention relates to a computer-readable storage medium, comprising instructions which, when executed by a computer, cause the latter to carry out the methods described or the steps of the method. Furthermore, the invention relates to a voltage estimator for determining and outputting an estimated voltage between a first potential and a second potential, the voltage estimator comprising a logic unit and an estimator, the logic unit being set up to use a method for determining a parameter according to claims 1 to 5, the estimator being set up to predict a model-based voltage between the first potential and the second potential as a function of input variables, and to determine and output the estimated voltage as a function of the predicted model-based voltage and the determined parameter.
  • a voltage estimator for determining and outputting an estimated voltage.
  • the voltage estimator includes a logic unit for determining a parameter according to the method described.
  • the voltage estimator also includes an estimator, preferably a state estimator, for example using a Kalman filter or a Lüneberger observer, which is based on a preferably dynamic, mathematical model of the circuit arrangement used.
  • a model state is predicted, for example a voltage in the circuit arrangement between a first potential and a second potential.
  • This predicted model state is the predicted model-based stress.
  • the estimator is also set up to adjust or correct this predicted model-based voltage as a function of the parameter determined using the method described, for example using a weighting. The result of this adjustment is the estimated voltage determined by the voltage estimator, which is preferably output by the voltage estimator.
  • a voltage estimator is advantageously provided, which takes into account a parameter determined by means of a time period between zero crossings as a correction variable.
  • An estimated voltage with increased quality is advantageously provided.
  • An extended method for determining the estimated voltage is preferably provided with a state estimator that has a dynamic Contains a model that maps the behavior of the voltage to be estimated and also corrects the voltage calculated by the model, and a logic unit that is set up to execute a described method, the determined parameters being taken into account for the correction step of the state estimator.
  • the invention also relates to a voltage regulator for regulating a voltage between a first potential and a second potential, with a logic unit and a regulator, the logic unit being set up to carry out a described method, the determined parameter being taken into account by the regulator as a feedback variable for the regulation and the current specification in the potentials, the difference between which defines the voltage to be regulated, is output as a controlled variable.
  • Said current specification in the potentials can be converted by a further controller, preferably by means of a subordinate current controller.
  • a voltage regulator is provided for regulating a voltage in the circuit arrangement.
  • the controller takes into account a parameter determined using the methods described as a feedback variable.
  • the current specification is preferably output as a control variable in the potentials whose difference defines the voltage to be controlled.
  • another variable can also be output as a controlled variable, which has an indirect impact on the current in the potentials, the difference between which defines the voltage to be controlled.
  • a voltage regulator is advantageously provided, which takes into account a parameter determined by means of a time period between zero crossings as a feedback variable.
  • a voltage sensor can be dispensed with in this regulation.
  • the invention relates to a device, in particular a DC voltage converter or a charging device, with an inductance, the inductance being arranged in a circuit arrangement, the device being set up to carry out a described method.
  • the parameter determined in this way is used further as a measured variable within the device, for example when checking the plausibility of a determined or calculated, estimated, observed or measured quantity.
  • the parameter determined is transmitted to the outside of the device via an interface, preferably by means of a cable, without contact, by radio or optical waveguide.
  • a device in which the circuit arrangement is integrated and in which the method for determining the parameter is carried out.
  • the determined parameter is either used further within the device for the operation of the device or is transmitted outside for further use outside, preferably in a further device or a control unit.
  • the invention relates to a drive train with a described device and in particular with power electronics and/or an electric drive.
  • a drive train is used, for example, to drive an electric vehicle. Safe operation of the drive train is made possible by means of the method and the device.
  • the invention relates to a vehicle with a described drive train.
  • a vehicle is thus advantageously provided which comprises a device described.
  • FIG. 1 shows a schematic representation of a circuit arrangement
  • FIG. 2 shows a schematic representation of an extended circuit arrangement
  • FIG. 3 shows a schematic current/time diagram with an alternating inductor current
  • FIG. 4 shows a diagrammatically represented voltage regulator or status observer
  • FIG. 5 shows a diagrammatically illustrated device with an inductance, the inductance being located in a circuit arrangement
  • FIG. 6 shows a schematically illustrated vehicle with a drive train
  • FIG. 7 shows a schematically illustrated flowchart for a method for determining a parameter, the parameter characterizing a current or a voltage in a circuit arrangement.
  • FIG. 1 shows a circuit arrangement 200, the circuit arrangement 200 comprising an inductor L through which an alternating inductor current I_L flows.
  • the inductance is preferably a choke or a primary or secondary winding of a transformer, which is preferably used in a DC voltage converter or in a charging device, preferably for galvanic isolation of the input and output.
  • the high-frequency alternating inductor current l_L preferably at a frequency of several 100 kHz, causes a current in the leads of the inductance L.
  • Parameters with which this current is characterized are preferably a mean current value l_avg, negative minimums l_N and/or positive maximums l_P of the inductor current l_L or peak values of the inductor current l_L.
  • the inductor current I_L through the inductance L also causes electrical voltages in the circuit arrangement.
  • a parameter with which an electrical voltage is characterized, preferably when a load or impedance is connected to the inductance L, is preferably a voltage V_c, which is present between the first and the second potential P1, P2.
  • l_avg, l_N, l_P, V_c can be determined depending on the time period TN1 between two zero crossings N_-, N_+ of the inductor current l_L or a time period TN El between a zero crossing N_-, N_+ and a corner point E_-, E_+ des inductor current l_L.
  • the circuit arrangement 200 preferably includes a half-bridge with a first switching element S1 and a second switching element S2.
  • the first switching element S1 is connected on the one hand to a first potential PI and on the other hand to a center tap M of the half-bridge.
  • the second switching element S2 is connected on the one hand to a second potential P2 and on the other hand to the center tap M of the half-bridge.
  • the inductance L is connected to a first connection to the center tap M and to a second connection to a third potential P3.
  • An input voltage VJn is preferably present between the first potential PI and the third potential P3. Alternatively, this input voltage VJn can also be present between the third and the second potential or between the first potential PI and the second potential P2.
  • the alternating inductor current I_L can be generated through the inductance L by suitable activation, preferably high-frequency, of the switching elements S1 and S2.
  • the input voltage VJn is preferably a DC voltage or an AC voltage, the frequency of the input voltage being much lower than the frequency of the inductor current I_L, the frequency preferably being approximately 50 Hz or at least below 1 kHz.
  • An AC voltage is preferably rectified by means of a diode rectifier to form a DC voltage as the input voltage.
  • Figure 2 shows an expanded circuit arrangement 200 of the circuit arrangement 200 shown in Figure 1.
  • the circuit arrangement 200 according to Figure 2 further comprises a first capacitor CI, which is arranged between the first potential PI and the second potential P2 and connected to them respectively.
  • the first capacitor CI is preferably an intermediate circuit capacitor and is preferably designed as an electrolytic capacitor.
  • a parameter that characterizes the voltage V_c at this first capacitor CI can preferably be determined as a function of a period of time TN El and/or TNE2 between a zero crossing N_-, N_+ and a corner point E_-, E_+ of the inductor current l_L (cf. also Figure 3).
  • the circuit arrangement preferably includes a second and/or a third capacitor C2, C3.
  • the second capacitor C2 is connected to the first potential PI on the one hand and to the third potential P3 on the other hand.
  • the third capacitor C3 is connected to the third potential P3 on the one hand and to the second potential P2 on the other hand.
  • These capacitors C2, C3 are used to smooth the current profile of the currents and the voltage profile of the voltages in the circuit arrangement 200, preferably when the switching elements S1 and S2 are alternately closed and opened.
  • FIG. 3 shows a schematic current/time diagram.
  • the alternating choke current I_L through the choke or inductance L is shown in the diagram.
  • the course of the inductor current I_L shown results when the switching elements S1 and S2 are alternately closed and opened.
  • a period of time S2on is drawn in, during which the second switching element S2 is switched on. Consequently, the first switching element S1 is open during this period of time S2on.
  • a period of time Sion is also drawn in, during which the first switching element S1 is closed and consequently the second switching element S2 is open.
  • This sequence of time durations S2on and Sion is repeated. The switching elements switch over between the time durations S2on and Sion or S2on and Sion.
  • the period duration T results from the sum of the durations S2on and Sion.
  • the ratio of the length of time Sion to T is referred to as the duty cycle al.
  • a current average results for the high-frequency inductor current l_L value l_avg, which can be determined by graphical analysis of the regular, high-frequency inductor current l_L in the diagram as a function of a time period TN1 between two zero crossings N_-, N_+ of the inductor current l_L, preferably as a function of the input voltage V Jn , the size of the inductance L, a Duty cycle al and the time duration TN1 between the zero crossings of the inductor current l_L, and the period duration T.
  • the detection of V_c is simpler than the detection of VJn, the formulas described below can also preferably be set up as a function of V_c.
  • the negative or the positive peak value l_N, l_P of the inductor current l_L can be determined by the inductance L:
  • a highly dynamic "sensor" for the mean value of the switched current is thus preferably implemented by the method.
  • the desired inductor current can be adjusted.
  • the determined average current value l_avg of the inductor current l_L is already available after one switching period, which makes it possible to make the controller acting on it very efficient. This allows to stabilize the fast switched current dynamics.
  • conclusions can be drawn about other states for other topologies on the basis of the measured time durations between the zero crossings or between the zero crossing and the corner point, which leads to a reduction in the number of sensors required and entails direct cost savings.
  • FIG. 4 shows a diagrammatically illustrated voltage estimator 280 for determining and outputting an estimated voltage U_est between a first potential PI and a second potential P2.
  • the parameter is determined in a logic unit 290 as a function of the determined time durations TN E1 and TN E2 and an input voltage VJn.
  • the parameter which is preferably a mean voltage value V_c, determined according to the method described as a function of the durations TNEl and TNE2, is taken into account by the estimator 295 of the voltage estimator 280 as a correction variable for the estimate.
  • the estimator 295 is supplied with input variables U, preferably system inputs and/or the detectable system states, with which the model stored in the estimator 295 predicts a model-based voltage.
  • the model-based voltage is then corrected using the mean voltage value V_c calculated from the logic unit 290, whereupon the estimated voltage U_est is available.
  • This estimated voltage can then be fed to a voltage controller which, on the basis of the difference between the voltage setpoint and U_est, manipulates a control variable which has access to the current in the potentials, the difference between which defines the voltage to be controlled.
  • FIG. 5 shows a diagrammatically illustrated device 300 with an inductance L, the inductance being located in a circuit arrangement 200 .
  • the device 300 is designed in particular as a DC voltage converter and/or as a charging device.
  • Device 300 is set up for this, according to the method described, as a function of a period of time TN1 between two zero crossings N_ ⁇ , N_+ of inductor current I_L or a first period of time TN El and a second period of time TNE2 to determine a parameter, preferably a parameter as a mean current value l_avg, a negative peak value l_N or a positive peak value l_P.
  • the determined parameter l_avg, l_N, l_P, V_c is further used as a measured variable within the device 300 or is transmitted outside of the device 300 via an interface.
  • FIG. 6 shows a schematically illustrated vehicle 500, preferably a motor vehicle, ship or aircraft with a drive train 400.
  • the drive train preferably includes a battery 410, an inverter 420, an electric machine 430 and/or a charging socket 310.
  • the battery 410 supplies the inverter 420 with electric power.
  • the inverter 420 preferably converts the electrical energy of the battery 410 into a multi-phase AC voltage for supplying the electrical machine 430.
  • the device 300 is preferably designed as a DC voltage converter or charging device.
  • the DC-DC converter preferably converts the electrical energy of the battery 410 into a low voltage, preferably for supplying an on-board network of a vehicle 500, and/or vice versa.
  • the charger preferably converts electrical energy supplied via the charging socket 310 into high-voltage energy, preferably for charging the electric battery 410 or vice versa.
  • FIG. 7 shows a schematically illustrated flowchart for a method 100 for determining a parameter I_avg, I_N, I_P, V_c, the parameter I_avg, I_N, I_P, V_c characterizing a current or a voltage in a circuit arrangement 200.
  • the method begins with step 105.
  • the first and the second switching element SI, S2 are preferably driven alternately, so that an alternating inductor current I_L through the inductance L results.
  • step 120 at least one period of time TN1 between two zero crossings N_-, N_+ of the inductor current I_L or a period of time TN El between a zero crossing N_-, N_+ and a corner point E_-, E_+ of the inductor current I_L is determined.
  • step 130 a parameter I_avg, I_N, I_P, V_c is determined as a function of the determined time period TN1, TNEl. With step 135 the method is ended.

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Abstract

Verfahren (100) zur Ermittlung eines Parameters (I_avg, I_N, I_P, V_c), wobei der Parameter (I_avg, I_N, I_P, V_c) einen Strom oder eine Spannung in einer Schaltungsanordnung (200) charakterisiert. Die Schaltungsanordnung (200) umfasst eine Induktivität (L), durch die ein alternierender Drosselstrom (I_L) fließt. Das Verfahren umfasst die Schritte: Ermitteln (120) mindestens einer Zeitdauer (TN1) zwischen zwei Nulldurchgängen (N_-, N_+) des Drosselstromes (I_L) oder einer Zeitdauer (TNE1) zwischen einem Nulldurchgang (N_-, N_+) und einem Eckpunkt (E_-, E_+) des Drosselstromes (I_L); Ermitteln (130) des Parameters (I_avg, I_N, I_P, V_c) in Abhängigkeit der ermittelten Zeitdauer (TN1, TNE1).

Description

VERFAHREN UND VORRICHTUNG ZUR ERMITTELUNG EINES DURCHSCHNITTLICHEN DROSSELSTROMS ODER EINER EINGANGS ODER AUSGANGSSPANNUNG
EINES HOCH- ODER TIEFSETZSTELLERS
Beschreibung
Titel
Verfahren und Vorrichtung zur Ermittlung eines Parameters, wobei der Parameter eine Spannung oder einen Strom in einer Schaltungsanordnung charakterisiert
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Ermittlung eines Parameters, wobei der Parameter einen Strom oder eine Spannung in einer Schaltungsanordnung charakterisiert. Ferner betrifft die Erfindung einen Spannungsschätzer, einen Antriebsstrang mit einer entsprechenden Vorrichtung und ein Fahrzeug mit einem Antriebsstrang sowie ein Computerprogramm und ein maschinenlesbares Speichermedium.
Stand der Technik
Schaltungsanordnungen für aktive Spannungswandler für den Einsatz in Fahrzeugen sind aus dem Stand der Technik bekannt. Es werden hohe Anforderungen an die Leistungsdichte und den Wirkungsgrad der Spannungswandler gestellt. Um die Baugröße der passiven Bauelemente zu minimieren, insbesondere die Induktivitäten, Drosseln oder Transformatoren, werden die Spannungswandler mit hohen Schaltfrequenzen im Bereich einiger 100 kHz betrieben. Um gleichzeitig eine hohe Effizienz sicherzustellen, werden die in den aktiven Spannungswandlern eingesetzten Schaltelemente oder Leistungshalbleiter weich eingeschaltet, was auch „zero voltage switching“ (ZVS) genannt wird. Die Regelung solcher Systeme unter gleichzeitiger Sicherstellung des ZVS stellt eine große technische Herausforderung dar. Häufig wird eine solche Regelung mittels einer Detektion des Nulldurchgangs des Stroms, auch Zero Current Detection (ZCD) genannt, realisiert, wie beispielsweise in der Druckschrift CH 701856 A2 offenbart. Diese Regelungen bieten bezüglich ihrer Dynamik und Stabilität viele Vorteile. Besonders im Hinblick auf die stetig größer werdenden Schaltfrequenzen in der Leistungselektronik und den damit verbundenen kurzen Periodendauern ergeben sich jedoch auch entscheidende Nachteile des klassischen ZCD-Verfahrens: Das unmittelbare Reagieren auf einen ermittelten oder detektierten Nulldurchgang des Stroms stellt sehr hohe Anforderungen an die Steuerungseinheit des Leistungselektronischen Systems (z.B. Mikrokontroller oder ASIC). Dies kommt daher, dass unmittelbar, das heißt noch innerhalb derselben Schaltperiode, auf den Nulldurchgang des Stroms reagiert werden muss, beispielsweise muss bei derartigen Verfahren nach dem Nulldurchgang die verbleibende Einschaltzeit (vgl. Figur 3, S2on+) des eingeschalteten Schalters ermittelt werden. Dabei müssen mehrere Rechenoperationen und Registerzugriffe durchgeführt werden, die nicht länger als einen kleinen Teil der Periode der Schaltfrequenz der Leistungselektronik dauern dürfen. Erschwerend kommt hinzu, dass für eine Plausibilisierung und Fehlerkorrektur des ZCD-Signals keine Zeit bleibt. Darüber hinaus bieten viele Mikrokontroller keine Möglichkeit eines unmittelbaren, äußeren Eingriffs in das PWM-Modul. Des Weiteren ist im klassischen ZCD-Verfahren die Schaltfrequenz üblicherweise nicht kontrollierbar. Das klassische Verfahren stellt auch keine Regelung im eigentlichen Sinn dar, sondern ist eine Steuerung.
Daher besteht ein Bedarf nach Regelungsverfahren für aktive Spannungswandler, bei denen keine Notwendigkeit besteht, unmittelbar auf einen Nulldurchgang des Stromes zu reagieren.
Offenbarung der Erfindung
Es wird ein Verfahren zur Ermittlung eines Parameters bereitgestellt, wobei der Parameter einen Strom oder eine Spannung in einer Schaltungsanordnung charakterisiert. Die Schaltungsanordnung umfasst eine Induktivität, wobei ein alternierender Drosselstrom durch die Induktivität fließt. Das Verfahren umfasst die Schritte: Ermitteln mindestens einer Zeitdauer zwischen zwei Nulldurchgängen des Drosselstromes oder einer Zeitdauer zwischen einem Nulldurchgang und einem Eckpunkt des Drosselstromes; Ermitteln des Parameters in Abhängigkeit der ermittelten Zeitdauer. Es wird ein Verfahren bereitgestellt, bei dem ein Parameter ermittelt wird, wobei der Parameter einen Strom oder eine Spannung in einer Schaltungsanordnung charakterisiert. Die Schaltungsanordnung umfasst eine Induktivität. Die Induktivität ist bevorzugt Drossel oder eine Primär- oder Sekundärwicklung eines Transformators, welcher bevorzugt in einem Gleichspannungswandler oder in einem Ladegerät, bevorzugt zur galvanischen Trennung des Ein- und Ausgangs, eingesetzt wird. Die Induktivität wird von einem alternierenden Drosselstrom durchflossen. Alternierend bedeutet, dass der Drosselstrom abwechselnd negative und positive Werte annimmt. Damit der Drosselstrom alterniert wird die Induktivität an einem ersten Anschluss der Induktivität abwechselnd mit einem ersten Potential, bevorzugt positiven Potential und einem zweiten Potential, bevorzugt negativen Potential, verbunden. Resultierend ergibt sich ein Drosselstrom durch die Induktivität, welcher abwechselnd linear ansteigt, bis zu einem positiven Maximum, und anschließend linear abfällt bis zu einem negativen Minimum und so weiter. Der Zeitpunkt, zu dem der Drosselstrom das positive Maximum erreicht, wird im Folgenden positiver Eckpunkt genannt. Der Zeitpunkt, zu dem der Drosselstrom das negative Minimum erreicht, wird im Folgenden negativer Eckpunkt genannt. Der Wechsel von dem linear ansteigend zu linear abfallend, oder umgekehrt, erfolgt beim Wechsel der einseitigen Verbindung der Induktivität von dem ersten Potential zu dem zweiten Potential, oder umgekehrt. Während des Abfallens des Drosselstroms von dem positiven Maximum zu dem negativen Minimum wechselt bei einem sogenannten, bevorzugt ersten, Nulldurchgang des Drosselstroms das Vorzeichen des Drosselstroms von positiv auf negativ. Während des Ansteigens des Drosselstroms von dem negativen Minimum zu dem positiven Maximum wechselt bei einem, bevorzugt zweiten, Nulldurchgang des Drosselstroms das Vorzeichen des Drosselstroms von negativ auf positiv. Bevorzugt erfolgt das Verbinden des ersten Anschlusses der Induktivität mit dem ersten Potential und dem zweiten Potential mittels einer Halbbrücke mit zwei Schaltelementen, wobei ein erstes Schaltelement einerseits mit dem ersten Potential verbunden ist und andererseits mit einem Mittelabgriff der Halbbrücke verbunden ist und ein zweites Schaltelement einerseits mit dem zweiten Potential verbunden ist und andererseits mit dem Mittelabgriff der Halbbrücke verbunden ist, wobei die Induktivität einseitig mit dem ersten Anschluss mit dem Mittelabgriff verbunden ist. Hierzu wird bevorzugt abwechselnd jeweils ein Schaltelement eingeschaltet während das andere ausgeschaltet wird. Somit entspricht auch der Zeitpunkt des Ansteu- erns mindestens eines der Schaltelemente jeweils einem der Zeitpunkte, zu dem der Drosselstrom entweder das positive Maximum oder das negative Minimum erreicht. Bevorzugt ist die Induktivität mit einem zweiten Anschluss mit einem dritten Potential verbunden. Damit das erste und das zweite Potential unterschiedlich ist, liegt bevorzugt eine Eingangsspannung zwischen zweien Potentialen des ersten, zweiten oder dritten Potentials an. Die Eingangsspannung ist bevorzugt eine Wechselspannung oder eine Gleichspannung. Bevorzugt ist die Frequenz der Eingangsspannung sehr viel kleiner, bevorzugt mindestens eine Größenordnung geringer, als die Frequenz des alternierenden Drosselstroms. Bevorzugt ergibt sich sodann eine annähernd konstante Spannung während einer Periode des alternierenden Drosselstroms. Mittels einem Schritt des Verfahrens wird mindestens eine Zeitdauer zwischen zwei Nulldurchgängen des Drosselstromes, bevorzugt zwischen einem ersten und einem darauffolgenden zweiten Nulldurchgang des Drosselstroms, ermittelt. Somit wird bevorzugt die Zeitdauer zwischen einem ersten Nulldurchgang des Drosselstroms ermittelt, bei dem das Vorzeichen von positiv auf negativ wechselt und einem unmittelbar darauffolgenden zweiten Nulldurchgang des Drosselstroms ermittelt, bei dem das Vorzeichen von negativ auf positiv wechselt ermittelt oder umgekehrt. Oder es wird eine Zeitdauer zwischen einem Nulldurchgang und einem Eckpunkt des Drosselstromes, bevorzugt zwischen einem zweiten Nulldurchgang und einem positiven Eckpunkt des Drosselstroms, ermittelt. Bei der Formulierung der Ermittlung der Zeitdauer zwischen zwei Nulldurchgängen oder einem Nulldurchgang und einem Eckpunkt wird ein Nulldurchgang als ein Zeitpunkt verstanden, zu dem das Vorzeichen des alternierenden Drosselstroms von positiv auf negativ oder umgekehrt wechselt. In einem weiteren Schritt des Verfahrens wird der Parameter in Abhängigkeit der ermittelten Zeitdauer ermittelt.
Vorteilhaft wird ein Verfahren bereitgestellt, welches es ermöglicht, in Abhängigkeit einer Zeitgröße, welche in Zusammenhang mit den Nulldurchgängen eines Drosselstroms ermittelt wird, einen Parameter zu ermitteln, wobei der Parameter einen Strom oder eine Spannung in einer Schaltungsanordnung charakterisiert. Hierzu wird kein Strom- oder Spannungssensor benötigt. Vorteilhaft wird stattdessen die Zeitdauer zwischen zwei Nulldurchgängen bzw. die Zeitdauer zwischen Eckpunkt und Nulldurchgang verwendet um bevorzugt Informationen wie einen Mittelwert oder Spitzenwerte des Drosselstroms oder einer Spannung in- nerhalb der Schaltungsanordnung zu ermitteln. Bevorzugt ist der zu ermittelnde Parameter der Strommittelwert des Drosselstroms, wobei der Strommittelwert bevorzugt dem Wert des Eingangsstroms der Schaltungsanordnung entspricht oder damit korreliert. Beide ZCD-Verfahren machen sich zu Nutze, dass der Mittelwert des (rippeibehafteten) Drosselstroms in L gleich dem Eingangsstrom l_avg ist.
Bevorzugt basierend auf diesen neu gewonnenen Parametern oder Messwerten wird eine Zustandsschätzung aufgebaut. Vorteilhaft kann bei diesem Verfahren eine oder mehrere ganze Perioden vergehen, bevor mittels des Zustandsschätzers reagiert wird. Daher kann bevorzugt eine Plausibilisierung und Fehlererkennung eines ZCD-Signals durchgeführt werden, was die Güte erhöht. Vorteilhaft kann ein günstigerer Mikrokontroller verwendet werden, da für die benötigten Rechenoperationen mehr Zeit zur Verfügung steht. Auf Basis der gewonnenen Informationen können bevorzugt weitere Regler, bevorzugt ein Spannungsregler, für mehrere Größen eingesetzt werden. Bevorzugt kann unabhängig vom Mittelwert des Drosselstroms auch eine Regelung für die Stromumkehrpunkte oder die Schaltfrequenz aufgebaut werden. Bevorzugt kann mithilfe dieses Verfahrens der zu regelnde Drosselstrom hochdynamisch (jede Schaltperiode) erfasst werden. Vorteilhaft kann der ansonsten nötige Stromsensor eingespart werden oder es kann ein günstigerer Sensor mit weniger Bandbreite eingesetzt werden. Vorteilhaft ergeben sich durch zusätzliche Zustandsschätzungen basierend auf den Nulldurchgangs-Zeiten Einsparungspotentiale für weitere Sensoren. Vorteilhaft wird bevorzugt der Parameter zur Regelung eines Spannungswandlers als Rückführgröße eines Regelkreises, bevorzugt eines Spannungsreglers, verwendet.
In einer anderen Ausgestaltung der Erfindung bezieht sich das Verfahren auf die Ermittlung eines Parameters, wobei der Parameter eine Spannung zwischen einem ersten Potential und einem zweiten Potential in der Schaltungsanordnung charakterisiert. Die Schaltungsanordnung umfasst eine Halbbrücke mit einem ersten Schaltelement und einem zweiten Schaltelement. Das erste Schaltelement ist einerseits mit einem ersten Potential verbunden und ist andererseits mit einem Mittelabgriff der Halbbrücke verbunden. Das zweite Schaltelement ist einerseits mit einem zweiten Potential verbunden und andererseits mit dem Mittelabgriff der Halbbrücke. Die Induktivität ist mit einem ersten Anschluss mit dem Mittelabgriff verbunden und mit einem zweiten Anschluss mit einem dritten Potential verbunden. Zwischen dem ersten Potential und dem dritten Potential liegt eine Eingangsspannung an. Das Verfahren umfasst die Schritte: Abwechselndes Ansteuern, oder Ein und Ausschalten, des ersten und des zweiten Schaltelementes mit einem vorgebbaren Tastgrad, sodass sich der alternierende Drosselstrom durch die Induktivität ergibt; Ermitteln einer ersten Zeitdauer zwischen einem ersten Nulldurchgang des Stroms und dem Ansteuern mindestens eines der Schaltelemente und Ermitteln einer zweiten Zeitdauer zwischen dem Ansteuern des mindestens einen Schaltelementes und einem zweiten Nulldurchgang des Stroms, Ermitteln des Parameters in Abhängigkeit der Eingangsspannung, der ersten Zeitdauer und der zweiten Zeitdauer.
Vorteilhaft wird ein Verfahren für eine Schaltungsanordnung bereitgestellt, die es ermöglicht, in Abhängigkeit einer Zeitgröße, welche in Zusammenhang mit den Nulldurchgängen des Drosselstroms ermittelt wird, einen Parameter zu ermitteln, wobei der Parameter eine in der Schaltungsanordnung anliegende Spannung charakterisiert.
In einer anderen Ausgestaltung ist ein erster Kondensator mit dem ersten und dem zweiten Potential verbunden und der zu ermittelnde Parameter ein Spannungsmittelwert der Spannung, die am ersten Kondensator anliegt.
Es wird ein Verfahren bereitgestellt bei dem die Schaltungsanordnung weiter einen ersten Kondensator umfasst, der zwischen das erste und das zweite Potential geschaltet ist. Vorteilhaft wird als Parameter ein Spannungsmittelwert der Spannung ermittelt, die an dem ersten Kondensator anliegt.
In einer anderen Ausgestaltung der Erfindung umfasst das Ermitteln der ersten Zeitdauer und der zweiten Zeitdauer das Ermitteln eines ersten Zeitpunktes eines ersten Nulldurchgangs des Drosselstroms und das Ermitteln eines zweiten Zeitpunktes eines Ansteuervorgangs mindestens eines der Schaltelemente und das Ermitteln eines dritten Zeitpunktes eines zweiten Nulldurchgangs des Drosselstroms. Bevorzugt umfasst das Ermitteln der ersten Zeitdauer und der zweiten Zeitdauer das Ermitteln des ersten Zeitpunktes, bei dem das Vorzeichen des Drosselstroms von negativ auf positiv wechselt, das anschließende Ermitteln ei- nes zweiten Zeitpunktes, bei dem mindestens eines der Schaltelemente angesteuert wird, und das anschließende Ermitteln eines dritten Zeitpunktes, bei dem das Vorzeichen des Drosselstroms von positiv auf negativ wechselt, oder jeweils umgekehrt.
Bevorzugt erfolgt das Ermitteln der Zeitpunkte der Nulldurchgänge mittels eines Sensors, welcher den Nulldurchgang erfasst, bevorzugt mittels eines Stromsensors oder mittels eines induktiv gewonnenen Signals.
Vorteilhaft wird ein Verfahren zur Ermittlung des ersten, zweiten und dritten Zeitpunktes bereitgestellt.
In einer anderen Ausgestaltung der Erfindung wird mittels eines Zählers, bevorzugt eines Mikrocontrollers, die erste Zeitdauer zwischen dem ersten und dem zweiten Zeitpunkt und/ oder die zweite Zeitdauer zwischen dem zweiten und dem dritten Zeitpunkt ermittelt.
Eine mittels einfacher technischer Mittel zu realisierende Ermittlung einer Zeitdauer ist die Verwendung eines Zählers, bevorzugt eines Mikrocontrollers. Jeder Mikrocontroller verfügt über einen Zähler, der in äquidistanten Zeitabständen weiterzählt. Aus der Differenz der Zählerstände von dem zweiten zu dem ersten Zeitpunkt und/oder dem dritten zu dem zweiten Zeitpunkt lässt sich folglich die verstrichene Zeitdauer bestimmen.
Vorteilhaft wird ein Verfahren bereitgestellt zur Ermittlung der Zeitdauer zwischen den Zeitpunkten.
Ferner betrifft die Erfindung ein Computerprogramm, umfassend Befehle, die bei der Ausführung des Programms durch einen Computer diesen veranlassen, die beschriebenen Verfahren oder die Schritte des Verfahrens auszuführen.
Ferner betrifft die Erfindung ein computerlesbares Speichermedium, umfassend Befehle, die bei der Ausführung durch einen Computer diesen veranlassen, die beschriebenen Verfahren oder die Schritte des Verfahrens auszuführen. Ferner betrifft die Erfindung einen Spannungsschätzer zur Ermittlung und Ausgabe einer geschätzten Spannung zwischen einem ersten Potential und einem zweiten Potential, wobei der Spannungsschätzer eine Logikeinheit und einen Schätzer umfasst, wobei die Logikeinheit dazu eingerichtet ist, ein Verfahren zur Ermittlung eines Parameters nach den Ansprüchen 1 bis 5 auszuführen, wobei der Schätzer dazu eingerichtet ist, in Abhängigkeit von Eingangsgrößen eine modellbasierte Spannung zwischen dem ersten Potential und dem zweiten Potential zu prädizieren, und die geschätzte Spannung in Abhängigkeit der prädi- zierten modellbasierten Spannung und dem ermittelten Parameter zu ermitteln und auszugeben.
Es wird ein Spannungsschätzer bereitgestellt, zur Ermittlung und Ausgabe einer geschätzten Spannung. Der Spannungsschätzer umfasst eine Logikeinheit zur Ermittlung eines Parameters gemäß der beschriebenen Verfahren. Weiter umfasst der Spannungsschätzer einen Schätzer, bevorzugt einen Zustandsschätzer, beispielsweise mittels einem Kalman-Filter oder einem Lüneberger-Beobachter, welcher auf einem, bevorzugt dynamischen, mathematischen Modells der verwendeten Schaltungsanordnung basiert. Mit Hilfe des mathematischen Modells wird in Abhängigkeit der Eingangsgrößen, bevorzugt der physikalischen Strecke, beispielsweise in Abhängigkeit bekannter Größen wie Eingangsspannung, duty cycle und/ oder der Zeitpunkt der Schalteingriffe, ein Modellzustand prädiziert, beispielsweise eine Spannung in der Schaltungsanordnung zwischen einem ersten Potential und einem zweiten Potential. Dieser prädizierte Modellzustand ist die prädizierte modellbasierte Spannung. Der Schätzer ist weiter dazu eingerichtet, diese prädizierte modellbasierte Spannung in Abhängigkeit des mittels der beschriebenen Verfahren ermittelten Parameters anzupassen oder zu korrigieren, beispielsweise mittels einer Gewichtung. Das Ergebnis dieser Anpassung ist die vom Spannungsschätzer ermittelte geschätzte Spannung, welche vom Spannungsschätzer bevorzugt ausgegeben wird.
Vorteilhaft wird ein Spannungsschätzer bereitgestellt, der einen mittels einer Zeitdauer zwischen Nulldurchgängen ermittelten Parameter als Korrekturgröße berücksichtigt. Vorteilhaft wird eine geschätzte Spannung mit erhöhter Güte bereitgestellt. Bevorzugt wird ein erweitertes Verfahren zur Ermittlung der geschätzten Spannung bereitgestellt mit einem Zustandsschätzer, der ein dynamisches Modell beinhaltet, welches das Verhalten der zu schätzenden Spannung abbildet und außerdem eine Korrektur der durch das Modell errechneten Spannung vornimmt, sowie eine Logikeinheit, die dazu eingerichtet ist, ein beschriebenes Verfahren auszuführen, wobei der ermittelte Parameter für den Korrekturschritt des Zustandsschätzers berücksichtigt wird.
Ferner betrifft die Erfindung einen Spannungsregler zur Regelung einer Spannung zwischen einem ersten Potential und einem zweiten Potential, mit einer Logikeinheit und einem Regler, wobei die Logikeinheit dazu eingerichtet ist, ein beschriebenes Verfahren auszuführen, wobei der ermittelte Parameter als Rückführgröße der Regelung von dem Regler berücksichtigt wird und die Strom- Vorgabe in die Potentiale, deren Differenz die zu regelnde Spannung definiert, als Regelgröße ausgegeben wird. Die besagte Strom-Vorgabe in die Potentiale kann dabei durch einen weiteren Regler umgesetzt werden, bevorzugt mittels einer unterlagerten Stromregelung.
Es wird ein Spannungsregler bereitgestellt, zur Regelung einer Spannung in der Schaltungsanordnung. Der Regler berücksichtigt einen mittels der beschriebenen Verfahren ermittelten Parameter als Rückführgröße. Bevorzugt wird die Strom- Vorgabe in die Potentiale, deren Differenz die zu regelnden Spannung definiert, als Regelgröße ausgegeben. Aber auch eine andere Größe kann als Regelgröße ausgegeben werden, die indirekt einen Durchgriff auf den Strom in die Potentiale, deren Differenz die zu regelnden Spannung definiert, hat.
Vorteilhaft wird ein Spannungsregler bereitgestellt, der einen mittels einer Zeitdauer zwischen Nulldurchgängen ermittelten Parameter als Rückführgröße berücksichtigt. Vorteilhaft kann auf einen Spannungssensor bei dieser Regelung verzichtet werden.
Ferner betrifft die Erfindung eine Vorrichtung, insbesondere ein Gleichspannungswandler oder ein Ladegerät, mit einer Induktivität, wobei die Induktivität in einer Schaltungsanordnung angeordnet ist, wobei die Vorrichtung dazu eingerichtet ist, ein beschriebenes Verfahren auszuführen. Der dabei ermittelte Parameter wird als Messgröße innerhalb der Vorrichtung weiterverwendet, beispielsweise bei der Plausibilisierung einer ermittelten oder berechneten, geschätzten, beobachteten oder gemessenen Größe. Oder der ermittelte Parameter wird über eine Schnittstelle, bevorzugt mittels Kabel, berührungslos, per Funk oder Lichtwellenleiter, nach außerhalb der Vorrichtung übertragen.
Es wird eine Vorrichtung bereitgestellt, in der die Schaltungsanordnung integriert ist und in der das Verfahren ausgeführt wird zur Ermittlung des Parameters. Der ermittelte Parameter wird entweder innerhalb der Vorrichtung für den Betrieb der Vorrichtung weiterverwendet oder nach außerhalb übertragen für eine weitere Verwendung außerhalb, bevorzugt in einer weiteren Vorrichtung oder einem Steuergerät.
Ferner betrifft die Erfindung einen Antriebsstrang mit einer beschriebenen Vorrichtung und insbesondere mit einer Leistungselektronik und/ oder einem elektrischen Antrieb. Ein derartiger Antriebsstrang dient beispielsweise dem Antrieb eines elektrischen Fahrzeugs. Mittels des Verfahrens und der Vorrichtung wird ein sicherer Betrieb des Antriebstrangs ermöglicht.
Ferner betrifft die Erfindung ein Fahrzeug, mit einem beschriebenen Antriebsstrang. Vorteilhaft wird somit ein Fahrzeug bereitgestellt, welches eine beschriebene Vorrichtung umfasst.
Es versteht sich, dass die Merkmale, Eigenschaften und Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens entsprechend auf den Spannungsregler, die Vorrichtung bzw. den Antriebsstrang und das Fahrzeug und umgekehrt zutreffen bzw. anwendbar sind.
Weitere Merkmale und Vorteile von Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen.
Kurze Beschreibung der Zeichnung
Im Folgenden soll die Erfindung anhand einiger Figuren näher erläutert werden, dazu zeigen: Figur 1 eine schematische Darstellung einer Schaltungsanordnung,
Figur 2 eine schematische Darstellung einer erweiterten Schaltungsanordnung,
Figur 3 ein schematisch dargestelltes Strom/Zeit- Diagramm mit einem alternierenden Drosselstrom,
Figur 4 einen schematisch dargestellten Spannungsregler oder Zustandsbeobachter,
Figur 5 eine schematisch dargestellte Vorrichtung mit einer Induktivität, wobei sich die Induktivität in einer Schaltungsanordnung befindet,
Figur 6 ein schematisch dargestelltes Fahrzeug mit einem Antriebsstrang,
Figur 7 ein schematisch dargestelltes Ablaufdiagramm für ein Verfahren zur Ermittlung eines Parameters, wobei der Parameter einen Strom oder eine Spannung in einer Schaltungsanordnung charakterisiert.
Ausführungsformen der Erfindung
Die Figur 1 zeigt eine Schaltungsanordnung 200, wobei die Schaltungsanordnung 200 eine Induktivität L umfasst, durch die ein alternierender Drosselstrom l_L fließt. Die Induktivität ist bevorzugt eine Drossel oder eine Primär- oder Sekundärwicklung eines Transformators, welcher bevorzugt in einem Gleichspannungswandler oder in einem Ladegerät, bevorzugt zur galvanischen Trennung des Ein- und Ausgangs, eingesetzt wird. Der hochfrequente alternierende Drosselstrom l_L, bevorzugt bei einer Frequenz von mehreren 100 kHz, bewirkt einen Strom in den Zuleitungen der Induktivität L. Parameter, mit denen dieser Strom charakterisiert wird, sind bevorzugt ein Strommittelwert l_avg, negative Minima l_N und/ oder positive Maxima l_P des Drosselstroms l_L oder Spitzenwerte des Drosselstroms l_L. Der Drosselstrom l_L durch die Induktivität L bewirkt auch elektrische Spannungen in der Schaltungsanordnung. Ein Parameter, mit dem eine elektrische Spannung charakterisiert wird, bevorzugt, wenn eine Last oder Impedanz mit der Induktivität L verbunden ist, ist bevorzugt eine Spannung V_c, welche zwischen dem ersten und dem zweiten Potential Pl, P2 anliegt. Diese Parameter l_avg, l_N, l_P, V_c lassen sich ermitteln in Abhängigkeit der Zeitdauer TN1 zwischen zwei Nulldurchgängen N_-, N_+ des Drosselstromes l_L oder einer Zeitdauer TN El zwischen einem Nulldurchgang N_-, N_+ und einem Eckpunkt E_-, E_+ des Drosselstromes l_L.
Weiter umfasst die Schaltungsanordnung 200 bevorzugt eine Halbbrücke mit einem ersten Schaltelement S1 und einem zweiten Schaltelement S2. Das erste Schaltelement S1 ist einerseits mit einem ersten Potential PI verbunden und andererseits mit einem Mittelabgriff M der Halbbrücke. Das zweite Schaltelement S2 wird einerseits mit einem zweiten Potential P2 verbunden ist und andererseits mit dem Mittelabgriff M der Halbbrücke verbunden. Die Induktivität L ist mit einem ersten Anschluss mit dem Mittelabgriff M verbunden ist und mit einem zweiten Anschluss mit einem dritten Potential P3. Bevorzugt liegt zwischen dem ersten Potential PI und dem dritten Potential P3 eine Eingangsspannung VJn an. Diese Eingangsspannung VJn kann alternativ auch zwischen dem Dritten und dem zweiten Potential anliegen oder auch zwischen dem ersten Potential PI und dem zweiten Potential P2 anliegen. Bei anliegender Eingangsspannung VJn kann über geeignete Ansteuerung, bevorzugt hochfrequente, der Schaltelemente S1 und S2 der alternierende Drosselstrom l_L durch die Induktivität L erzeugt werden. Die Eingangsspannung VJn ist bevorzugt eine Gleichspannung oder eine Wechselspannung, wobei im Vergleich zu der Frequenz des Drosselstroms l_L die Frequenz der Eingangsspannung sehr viel kleiner ist, bevorzugt beträgt die Frequenz ca. 50 Hz oder liegt zumindest unter 1kHz. Bevorzugt wird eine Wechselspannung mittels einem Diodengleichrichter zu einer Gleichspannung als Eingangsspannung gleichgerichtet.
Die Figur 2 zeigt eine erweiterte Schaltungsanordnung 200 der in Figur 1 dargestellten Schaltungsanordnung 200. Die Schaltungsanordnung 200 nach Figur 2 umfasst weiter einen ersten Kondensator CI, der zwischen dem ersten Potential PI und dem zweiten Potential P2 angeordnet und mit diesen jeweils verbunden ist. Der erste Kondensator CI ist bevorzugt ein Zwischenkreiskondensator und bevorzugt als Elektrolyt-Kondensator ausgestaltet. Bevorzugt lässt sich ein Parameter, welcher die Spannung V_c an diesem ersten Kondensator CI charakterisiert, in Abhängigkeit einer Zeitdauer TN El und/ oder TNE2 zwischen einem Nulldurchgang N_-, N_+ und einem Eckpunkt E_-, E_+ des Drosselstromes l_L ermitteln (vgl. auch Figur 3).
Beispielsweise gilt:
Während TNE1:
Ferner umfasst die Schaltungsanordnung bevorzugt einen zweiten und/ oder einen dritten Kondensator C2, C3. Der zweite Kondensator C2 ist einerseits mit dem ersten Potential PI und andererseits mit dem dritten Potential P3 verbunden. Der dritte Kondensator C3 ist einerseits mit dem dritten Potential P3 und andererseits mit dem zweiten Potential P2 verbunden. Diese Kondensatoren C2, C3 dienen der Glättung des Stromverlaufs der Ströme und des Spannungsverlaufs der Spannungen in der Schaltungsanordnung 200, bevorzugt, wenn die Schaltelemente S1 und S2 wechselseitig geschlossen und geöffnet werden.
ERSATZBLATT (REGEL 26)
Die Figur 3 zeigt ein schematisch dargestelltes Strom-/Zeit-Diagramm. In das Diagramm ist der alternierende Drosselstrom l_L durch die Drossel oder Induktivität L eingezeichnet. Der dargestellte Verlauf des Drosselstroms l_L resultiert, wenn die Schaltelemente S1 und S2 wechselseitig geschlossen und geöffnet werden. Beispielsweise ist eine Zeitdauer S2on eingezeichnet, während der das zweite Schaltelement S2 eingeschaltet ist. Während dieser Zeitdauer S2on ist folglich das erste Schaltelement S1 geöffnet. Weiter ist eine Zeitdauer Sion eingezeichnet, während der der das erste Schaltelement S1 geschlossen ist und folglich das zweite Schaltelement S2 geöffnet ist. Diese Abfolge der Zeitdauern S2on und Sion wiederholen sich. Zwischen der Zeitdauern S2on und Sion oder S2on und Sion erfolgt das Umschalten der Schaltelemente. Die Periodendauer T ergibt sich aus der Summe der Zeitdauern S2on und Sion. Das Verhältnis der Zeitdauer Sion zu T wird als Tastgrad al bezeichnet. Zu den Umschaltzeitpunkten der Schaltelemente ergeben sich die Eckpunkte E_-, E_+ und negativen und positiven Spitzenwerte, also das negative Minimum l_N und das positive Maximum l_P des Drosselstroms l_L durch die Induktivität L. Im Mittel ergibt sich für den hochfrequenten Drosselstrom l_L ein Strom mittel wert l_avg, welcher sich mittels graphischer Analyse des regelmäßigen hochfrequenten Drosselstroms l_L in dem Diagramm in Abhängigkeit einer Zeitdauer TN1 zwischen zwei Nulldurchgängen N_-, N_+ des Drosselstromes l_L ermitteln lässt, bevorzugt in Abhängigkeit der Eingangsspannung V Jn, der Größe der Induktivität L, einem Tastgrad al und der Zeitdauer TN1 zwischen den Nulldurchgängen des Drosselstromes l_L, und der Periodendauer T. Falls die Erfassung von V_c einfacher als die Erfassung von VJn ist lassen sich die unten beschriebenen Formeln auch bevorzugt in Abhängigkeit von V_c aufstellen.
Mittels dem Strahlensatz der Elementargeometrie ergibt sich aus dem geometrischen Verlauf des Drosselstroms:
Und für den steigenden Strom mit di/dt= Vin/L während der Zeitdauer Sion gilt:
ERSATZBLATT (REGEL 26)
Weiter lassen sich auch der negative oder der positive Spitzenwert l_N, l_P des Drosselstroms l_L durch die Induktivität L ermitteln:
Aus dem gesamten Stromrippel etzen I N und I P bestimmen:
Die Formeln gelten nur für diese Schaltung im stationären, eingeschwungenen Zustand, jedoch lassen sich auch für andere Topologien ähnliche Formeln herleiten. Der große Vorteil des Verfahrens wird hier noch einmal deutlich: Die Berechnung der Ströme und des darauf basierenden Regeleingriffs in die Schaltung kann bevorzugt nach der Zeitdauer TN1 erfolgen und kann sich bevorzugt auch noch über die nächsten Perioden erstrecken. Beim klassischen ZCD-Verfahren müsste in diesem Fall auf das Signal des Nulldurchgangs N_- unmittelbar reagiert werden. Dies reduziert bevorzugt die Anforderungen an die Hardware und bietet genug Zeit für eine Plausibilisierung der Messung.
So wird bevorzugt durch das Verfahren ein hochdynamischer „Sensor“ für den Mittelwert des geschalteten Stromes realisiert. Mit einer klassischen Regelungs-
ERSATZBLATT (REGEL 26) Struktur kann der gewünschte Drosselstrom eingestellt werden. Der ermittelte Strommittelwert l_avg des Drosselstromes l_L steht bereits nach einer Schaltperiode zur Verfügung, was es möglich macht den darauf agierenden Regler sehr performant zu machen. Das ermöglicht, die schnelle geschaltete Stromdynamik zu stabilisieren. Analog lassen sich für andere Topologien auf Basis der gemessenen Zeitdauern zwischen den Nulldurchgängen bzw. zwischen Nulldurchgang und Eckpunkt Rückschlüsse auf andere Zustände treffen, was zu einer Reduktion der benötigten Sensoren führt und eine direkte Kostenersparnis mit sich bringt.
Figur 4 zeigt einen schematisch dargestellten Spannungsschätzer 280 zur Ermittlung und Ausgabe einer geschätzten Spannung U_est zwischen einem ersten Potential PI und einem zweiten Potential P2. In einer Logikeinheit 290 wird in Abhängigkeit der ermittelten Zeitdauern TN El und TN E2 und einer Eingangsspannung VJn der Parameter ermittelt. Der gemäß dem beschriebenen Verfahren in Abhängigkeit der Zeitdauern TN El und TNE2 ermittelte Parameter, welcher bevorzugt ein Spannungsmittelwert V_c ist, wird als Korrekturgröße der Schätzung von dem Schätzer 295 des Spannungsschätzers 280 berücksichtigt. Dem Schätzer 295 werden hierzu Eingangsgrößen U, bevorzugt Systemeingänge und/ oder die erfassbaren Systemzustände, zugeführt, mit welchen das im Schätzer 295 hinterlegte Modell eine modellbasierte Spannung prädiziert. Anschließend wird die modellbasierte Spannung mit dem aus der Logikeinheit 290 errechneten Spannungsmittelwert V_c korrigiert, woraufhin die geschätzte Spannung U_est zur Verfügung steht. Diese geschätzte Spannung kann anschließend einer Spannungsregelung zugeführt werden, die auf Basis der Differenz zwischen Spannungssollwert und U_est eine Regelgröße manipuliert, die Durchgriff auf den Strom in die Potentiale hat, deren Differenz die zu regelnde Spannung definiert.
Figur 5 zeigt eine schematisch dargestellte Vorrichtung 300 mit einer Induktivität L, wobei sich die Induktivität in einer Schaltungsanordnung 200 befindet. Die Vorrichtung 300 ist insbesondere als ein Gleichspannungswandler und/ oder als ein Ladegerät ausgestaltet. Die Vorrichtung 300 ist dazu eingerichtet, gemäß der beschriebenen Verfahren in Abhängigkeit einer Zeitdauer TN1 zwischen zwei Nulldurchgängen N_-, N_+ des Drosselstromes l_L oder einer ersten Zeitdauer TN El und einer zweiten Zeitdauer TNE2, einen Parameter zu ermitteln, bevorzugt einen Parameter als einen Strommittelwert l_avg, einen negativen Spitzenwert l_N oder einen positiven Spitzenwert l_P. Der ermittelte Parameter l_avg, l_N, l_P, V_c wird als Messgröße innerhalb der Vorrichtung 300 weiterverwendet oder über eine Schnittstelle nach außerhalb der Vorrichtung 300 übertragen.
Figur 6 zeigt ein schematisch dargestelltes Fahrzeug 500, bevorzugt ein Kraftfahrzeug, Schiff oder Flugzeug mit einem Antriebsstrang 400. Der Antriebsstrang umfasst neben der Vorrichtung 300 bevorzugt eine Batterie 410, einen Inverter 420, eine elektrische Maschine 430 und/ oder eine Ladebuchse 310. Bevorzugt versorgt die Batterie 410 den Inverter 420 mit elektrischer Energie. Bevorzugt wandelt der Inverter 420 die elektrische Energie der Batterie 410 in eine mehrphasige Wechselspannung zur Versorgung der elektrischen Maschine 430. Bevorzugt ist die Vorrichtung 300 als Gleichspannungswandler oder Ladegerät ausgestaltet. Bevorzugt wandelt der Gleichspannungswandler die elektrische Energie der Batterie 410 in eine Niederspannung, bevorzugt zur Versorgung eines Bordnetzes eines Fahrzeuges 500, und/ oder umgekehrt. Bevorzugt wandelt das Ladegerät eine über die Ladebuchse 310 zugeführte elektrische Energie in eine Hochspannungsenergie, bevorzugt zum Laden der elektrischen Batterie 410 oder umgekehrt.
Figur 7 zeigt ein schematisch dargestelltes Ablaufdiagramm für ein Verfahren 100 zur Ermittlung eines Parameters l_avg, l_N, l_P, V_c, wobei der Parameter l_avg, l_N, l_P, V_c einen Strom oder eine Spannung in einer Schaltungsanordnung 200 charakterisiert. Das Verfahren beginnt mit Schritt 105. In Schritt 110 werden bevorzugt das erste und das zweite Schaltelement SI, S2 abwechselnd angesteuert, sodass sich ein alternierender Drosselstrom l_L durch die Induktivität L ergibt. In Schritt 120 wird mindestens eine Zeitdauer TN1 zwischen zwei Nulldurchgängen N_-, N_+ des Drosselstromes l_L oder eine Zeitdauer TN El zwischen einem Nulldurchgang N_-, N_+ und einem Eckpunkt E_-, E_+ des Drosselstromes l_L ermittelt. In Schritt 130 wird ein Parameter l_avg, l_N, l_P, V_c in Abhängigkeit der ermittelten Zeitdauer TN1, TN El ermittelt. Mit Schritt 135 wird das Verfahren beendet.

Claims

Ansprüche
1. Verfahren (100) zur Ermittlung eines Parameters (l_avg, l_N, l_P, V_c), wobei der Parameter (l_avg, l_N, l_P, V_c) einen Strom oder eine Spannung in einer Schaltungsanordnung (200) charakterisiert, wobei die Schaltungsanordnung (200) eine Induktivität (L) umfasst, wobei ein alternierender Drosselstrom (l_L) durch die Induktivität (L) fließt, mit den Schritten:
Ermitteln (120) mindestens einer Zeitdauer (TN1) zwischen zwei Nulldurchgängen (N_-, N_+) des Drosselstromes (l_L) oder einer Zeitdauer (TN El) zwischen einem Nulldurchgang (N_-, N_+) und einem Eckpunkt (E_-, E_+) des Drosselstromes (l_L) (Nulldurchgang, Eckpunkt, Umschaltzeitpunkt in Beschreibung definieren);
Ermitteln (130) des Parameters (l_avg, l_N, l_P, V_c) in Abhängigkeit der ermittelten Zeitdauer (TN1, TN El).
2. Verfahren (100) nach Anspruch 1 zur Ermittlung eines Parameters (V_c), wobei der Parameter (V_c) eine Spannung zwischen einem ersten Potential (PI) und einem zweiten Potential (P2) in der Schaltungsanordnung (200) charakterisiert, wobei die Schaltungsanordnung (200) mindestens eine Halbbrücke mit einem ersten Schaltelement (Sl) und einem zweiten Schaltelement (S2) umfasst, wobei das erste Schaltelement (Sl) einerseits mit dem ersten Potential (PI) verbunden ist und andererseits mit einem Mittel abgriff (M) der Halbbrücke verbunden ist, wobei das zweite Schaltelement (S2) einerseits mit dem zweiten Potential (P2) verbunden ist und andererseits mit dem Mittelabgriff (M) der Halbbrücke verbunden ist, wobei die Induktivität (L) mit einem ersten Anschluss mit dem Mittelabgriff (M) verbunden ist und mit einem zweiten Anschluss mit einem dritten Poten- tial (P3) verbunden ist, wobei zwischen dem ersten Potential (PI) und dem dritten Potential (P3) eine Eingangsspannung (VJn) anliegt, mit den Schritten:
Abwechselndes Ansteuern (110) des ersten und des zweiten Schaltelementes (SI, S2) mit einem vorgebbaren Tastgrad (al), sodass sich der alternierende Drosselstrom (l_L) durch die Induktivität (L) ergibt;
Ermitteln (120) einer ersten Zeitdauer (TN El) zwischen einem ersten Nulldurchgang (N_+) des Stroms und dem Ansteuern mindestens eines der Schaltelemente (SI, S2) und
Ermitteln einer zweiten Zeitdauer (TNE2) zwischen dem Ansteuern des mindestens einen Schaltelementes (SI, S2) und einem zweiten Nulldurchgang (N_-) des Stroms;
Ermitteln (130) des Parameters (V_c) in Abhängigkeit der Eingangsspannung (VJn), der ersten Zeitdauer (TN El) und der zweiten Zeitdauer (TNE2). Verfahren (100) nach Anspruch 2, wobei ein erster Kondensator (CI) mit dem ersten und dem zweiten Potential verbunden ist und der Parameter (V_c) ein Spannungsmittelwert der Spannung ist, die an dem ersten Kondensator (CI) anliegt. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Ermitteln der ersten Zeitdauer (TN El) und der zweiten Zeitdauer (TNE2) das Ermitteln eines ersten Zeitpunktes eines ersten Nulldurchgangs (N_-) des Drosselstroms (l_L) und das Ermitteln eines zweiten Zeitpunktes eines Ansteuervorgangs mindestens eines der Schaltelemente (SI, S2) und das Ermitteln eines dritten Zeitpunktes eines zweiten Nulldurchgangs (N_+) des Drosselstroms (l_L) umfasst, insbesondere umfasst das Ermitteln der ersten Zeitdauer (TN El) und der zweiten Zeitdauer (TNE2) das Ermitteln eines ersten Zeitpunktes, bei dem das Vorzeichen des Drosselstroms (l_L) von negativ auf positiv wechselt, das anschließende Ermitteln eines zweiten Zeitpunktes, bei dem mindestens eines der Schaltelemente (SI, S2) angesteuert wird und das anschließende Ermitteln eines dritten Zeitpunktes, bei dem das Vorzei- chen des Drosselstroms (l_L) von positiv auf negativ wechselt oder jeweils umgekehrt. Verfahren nach Anspruch 4, wobei mittels eines Zählers, bevorzugt eines Mikrocontrollers, die erste Zeitdauer (TN El) zwischen dem ersten und dem zweiten Zeitpunkt und/ oder die zweite Zeitdauer (TN E2) zwischen dem zweiten und dem dritten Zeitpunkt ermittelt wird. Computerprogramm, umfassend Befehle, die bei der Ausführung des Programms durch einen Computer diesen veranlassen, das Verfahren/die Schritte des Verfahrens (100) nach Anspruch 1 bis 5 auszuführen. Computerlesbares Speichermedium, umfassend Befehle, die bei der Ausführung durch einen Computer diesen veranlassen, das Verfahren/die Schritte des Verfahrens (100) nach Anspruch 1 bis 5 auszuführen. Spannungsschätzer (280) zur Ermittlung und Ausgabe einer geschätzten Spannung (U_est) zwischen einem ersten Potential (PI) und einem zweiten Potential (P2), wobei der Spannungsschätzer eine Logikeinheit (290) und einen Schätzer (295) umfasst, wobei die Logikeinheit (290) dazu eingerichtet ist, ein Verfahren zur Ermittlung eines Parameters (V_c) nach den Ansprüchen 1 bis 5 auszuführen, wobei der Schätzer (295) dazu eingerichtet ist, in Abhängigkeit von Eingangsgrößen (U) eine modellbasierte Spannung zwischen dem ersten Potential (PI) und dem zweiten Potential (P2) zu prädizieren, und die geschätzte Spannung (U_est) in Abhängigkeit der modellbasierten Spannung und dem ermittelten Parameters (V_c) zu ermitteln und auszugeben. Vorrichtung, insbesondere ein Gleichspannungswandler oder ein Ladegerät, mit einer Induktivität (L), wobei die Induktivität (L) in einer Schaltungsanordnung (200) angeordnet ist, wobei die Vorrichtung (300) dazu eingerichtet ist, ein Verfahren (100) nach den Ansprüchen 1 bis 5 auszuführen, wobei der ermittelte Parameter (l_avg, l_N, l_P, V_c) als Messgröße innerhalb der Vorrichtung (300) weiterverwendet wird oder über eine Schnittstelle - 21 - nach außerhalb der Vorrichtung (300) übertragen wird.
10. Antriebsstrang (400) mit einer Vorrichtung (300) gemäß Anspruch 9. 11. Fahrzeug (500) mit einem Antriebsstrang (400) nach Anspruch 10.
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