EP4578092A1 - Verfahren zum betrieb eines sperrwandlers zum laden eines zwischenkreiskondensators - Google Patents

Verfahren zum betrieb eines sperrwandlers zum laden eines zwischenkreiskondensators

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EP4578092A1
EP4578092A1 EP23735322.2A EP23735322A EP4578092A1 EP 4578092 A1 EP4578092 A1 EP 4578092A1 EP 23735322 A EP23735322 A EP 23735322A EP 4578092 A1 EP4578092 A1 EP 4578092A1
Authority
EP
European Patent Office
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voltage
flyback converter
target charging
intermediate circuit
charging
Prior art date
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Pending
Application number
EP23735322.2A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Markus Klein
Daniel Zirkel
Gholamabas Esteghlal
Thomas Kiewnick
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
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Robert Bosch GmbH filed Critical Robert Bosch GmbH
Publication of EP4578092A1 publication Critical patent/EP4578092A1/de
Pending legal-status Critical Current

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    • B60L15/007—Physical arrangements or structures of drive train converters specially adapted for the propulsion motors of electric vehicles
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Definitions

  • a method for operating a flyback converter for charging an intermediate circuit capacitor is provided.
  • the flyback converter can be connected to a low-voltage network on the input side and to a high-voltage network on the output side.
  • the high-voltage network includes the intermediate circuit capacitor to be charged.
  • the flyback converter is preferably connected to the low-voltage network on the input side and to the high-voltage network on the output side.
  • connected or connectable preferably means electrically conductive or galvanically connected, coupled or connected together.
  • the target charging current is reduced before the transition from specifying the target charging current value to specifying the target charging voltage value.
  • the target charging current is reduced, for example to 10% of the predetermined target charging current. This measure advantageously avoids large voltage overshoots when the first voltage value is reached by means of the current control.
  • the duty cycle is continuously adopted during the transition from specifying the target charging current value to specifying the target charging voltage value.
  • the duty cycle that was last present in the current-controlled phase is adopted and used at the beginning of the voltage-controlled phase, in particular by initializing the voltage regulator.
  • the initialization of the voltage regulator leads to a steady transition, which preferably avoids an abrupt change in the steady-state operating state. Overcurrents and overvoltages at the first circuit breaker are thus advantageously avoided.
  • the charging current decreases continuously while the target charging voltage value is specified.
  • a current that characterizes the current through the first diode is determined and the method for operating the flyback converter is ended after the determined current falls below a first predeterminable current value, preferably during the step of providing the target charging voltage.
  • the method for operating the flyback converter is ended.
  • a termination criterion is advantageously provided which reliably prevents overcurrents and overvoltages at the first circuit breaker despite possible energy flow reversal.
  • the method includes a further step before specifying the target charging current value: activating the first power switch using a predeterminable first duty cycle for a predeterminable period of time.
  • an active clamping circuit is preferably provided on the output side of the flyback converter.
  • the active clamping circuit preferably comprises a series connection of a third capacitor and a second power switch, the series connection being connected in parallel to the secondary winding of the transformer.
  • the method includes a further step before providing the target charging current: initializing a current regulator of the flyback converter.
  • Initializing the current controller preferably includes determining the duty cycle to be specified for controlling the first power switch depending on the determined voltage and the target charging current to be set for charging the intermediate circuit capacitor.
  • a method is advantageously provided which enables rapid, non-destructive charging of the intermediate circuit capacitor.
  • a flyback converter is advantageously provided for quickly charging an intermediate circuit capacitor.
  • the invention further relates to a drive train with a described flyback converter and preferably with power electronics and/or an electric drive.
  • a drive train is used, for example, to drive an electric vehicle.
  • the method and the flyback converter enable efficient operation of the drive train.
  • FIG. 2 shows a second schematic representation of a flyback converter for charging an intermediate circuit capacitor
  • Figure 3 shows a schematically illustrated vehicle with a drive train
  • FIG. 1 shows a first schematic representation of a flyback converter 250 or a possible circuit topology for charging an intermediate circuit capacitor 210.
  • the intermediate circuit capacitor 210 is preferably connected to the high-voltage network 205 via the output connections 242_p, 242_n.
  • 1 shows a flyback converter 250, which is set up to carry out a method for operating the flyback converter 250 for charging the intermediate circuit capacitor 210 in a high-voltage network 205.
  • the flyback converter 250 also called a flyback converter, can be connected, preferably connected, to a low-voltage network 295 on the input side and to a high-voltage network 205 on the output side.
  • the high-voltage network 205 includes the intermediate circuit capacitor 210.
  • the flyback converter 250 includes 244_p, 244_n on the input side between the input connections a series connection of a first power switch 252 and a primary winding 254 of a transformer 260.
  • the flyback converter comprises a series connection between the output connections 242_p, 242_n of a secondary winding 256 of the transformer 260 and a first diode 258 connected in the reverse direction, with a first capacitor 262 between the on the output side Output connections 242_p, 242_n are connected.
  • the primary winding 254 and the secondary winding 256 of the transformer 260 are preferably wound in opposite directions to define the current direction on the primary and secondary sides.
  • a second capacitor 264 is preferably connected on the input side between the input connections 244_p, 244_n in order to smooth the voltage between the input connections, even when the flyback converter is operating in reverse.
  • the first diode 258 is preferably designed as a body diode of a third power switch 268.
  • the flyback converter can transmit electrical energy from the output side to the input side by controlling the third power switch 268.
  • the direct voltage of the high-voltage network 205 is preferably converted into an alternating voltage by means of the third power switch 268 so that the transformer 260 transmits it.
  • the flyback converter 250 includes an inductive coupling or a transformer and thus electrically isolates the high-voltage network 205 from the low-voltage network 295.
  • the low-voltage network 295 is preferably supplied with electrical energy from the high-voltage network 205.
  • the flyback converter 250 is preferably controlled backwards and in the step-down converter operating mode.
  • the low-voltage network 295 preferably includes a low-voltage energy source 222, for example a battery or accumulator, and other consumers (not shown), for example control devices.
  • a control device 255 is designed and/or set up to determine a voltage Ux, to specify a target charging current value l_L and to specify a corresponding duty cycle Tx and to specify a target charging voltage value U_L.
  • the control device 255 preferably includes a current regulator 270 or a voltage regulator for determining the corresponding duty cycle depending on the target charging current value or the target charging voltage value.
  • the control device 255 and the current regulator 270 are shown outside the flyback converter 250, whereby the control device 255 and the current regulator 270 can also be arranged inside the flyback converter 250.
  • FIG. 3 shows a schematically illustrated vehicle 400 with a drive train 300.
  • the illustration shows an example of a vehicle 400, which can be used equally on land, on water and in the air.
  • the drive train 300 includes the flyback converter 250 and preferably power electronics, a pulse inverter 272.
  • the drive train preferably further comprises an energy source 220, the intermediate circuit capacitor 210, an electrical machine 280 and/or a low-voltage energy source 222.
  • the pulse inverter 272 is preferably used to supply the electrical machine 280 with electrical energy from the energy source 220.
  • the pulse inverter 272 preferably includes the intermediate circuit capacitor 210, so that the flyback converter 250 is connected to the pulse inverter 272 during operation.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Dc-Dc Converters (AREA)

Abstract

Verfahren (100) zum Betrieb eines Sperrwandlers (250) zum Laden eines Zwischenkreiskondensators (210), mit den Schritten: Ermitteln (120) einer Spannung (Ux), die die Spannung am Zwischenkreiskondensator (210) charakterisiert, Vorgeben (140) eines Soll-Ladestromwerts (I_L) zum Laden des Zwischenkreiskondensators (210) und Vorgeben eines entsprechenden Tastverhältnis (Tx) zur Ansteuerung des ersten Leistungsschalters (252) solange die ermittelte Spannung (Ux) einen ersten Spannungswert (U1) unterschreitet, Vorgeben (150) eines Soll-Ladespannungswerts (U_L), solange die ermittelte Spannung (Ux) dem ersten Spannungswert (U1) entspricht oder die ermittelte Spannung (Ux) den ersten Spannungswert (U1) überschreitet und die ermittelte Spannung (Ux) einen zweiten Spannungswert (U2) unterschreitet.

Description

Beschreibung
Titel
Verfahren zum Betrieb eines Sperrwandlers zum Laden eines Zwischenkreiskondensators
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb eines Sperrwandlers zum Laden eines Zwischenkreiskondensators sowie den Sperrwandler zum Laden des Zwischenkreiskondensators. Ferner betrifft die Erfindung einen Antriebsstrang mit einer entsprechenden Vorrichtung und ein Fahrzeug mit einem Antriebsstrang sowie ein Computerprogramm und ein maschinenlesbares Speichermedium.
Stand der Technik
Verfahren und Vorrichtungen zum Laden eines Zwischenkreiskondensators in einem Hochvoltnetz sind aus dem Stand der Technik bekannt. Bevorzugt Fahrzeuge mit einem elektrischen Antriebsstrang umfassen in einem Hochvoltnetz einen Zwischenkreiskondensator, der zwischen einer Energiequelle, bevorzugt einer Gleichspannungs- und/ oder Hochvolt-Energiequelle, und den Leistungsschaltern eines Pulswechselrichters angeordnet ist. Bevorzugt ist der Zwischenkreiskondensator innerhalb des Pulswechselrichters an der Gleichspannungsseite angeordnet. Die Energiequelle, bevorzugt eine Traktionsbatterie, dient der Versorgung einer elektrischen Maschine mit elektrischer Energie. Die elektrische Energie wird hierzu mittels dem Pulswechselrichter gewandelt. Die Gleichspannung der Energiequelle wird in eine Wechselspannung zur Versorgung einer mehrphasigen elektrischen Maschine gewandelt. Wenn das Fahrzeug ausgeschaltet oder abgestellt ist, wird die Energiequelle mittels mindestens einem Schalter von dem Hochvoltnetz abgetrennt und das Hochvoltnetz entladen, damit seitens des Hochvoltnetzes selbst bei Berührung stromleitender Teile keine Gefahr ausgeht. Bei der Wiederinbetriebnahme des Fahrzeugs muss die Energiequelle mit dem Hochvoltnetz leitend verbunden werden. Aufgrund des Spannungsunterschiedes zwischen dem entladenen Hochvoltnetz und der Energiequelle käme es bei einem Zuschalten mittels dem mindestens einen Schalter zu unzulässig hohen Ausgleichsströmen. Zur Reduktion der Spannungsunterschiede vor dem Zuschalten der Energiequelle wird der Zwischenkreiskondensator in dem Hochvoltnetz vorgeladen oder aufgeladen auf eine Spannung, die annähernd der Spannung der Energiequelle entspricht. Bei dem folgenden Zuschalten oder Schließen des mindestens einen Schalter liegen folglich keine wesentlichen Spannungsunterschiede mehr vor, sodass auch keine relevanten Ausgleichsströme auftreten. Das Laden, Aufladen oder Vorladen des Zwischenkreiskondensators erfolgt gewöhnlich mittels einer Zusatzschaltung, die einen parallelen Strompfad zu dem mindestens einen Schalter bereitstellt und ebenfalls einen Schalter und einen Widerstand, Vorladewiderstand oder Serienwiderstand umfasst. Zum Laden wird der Schalter des parallelen Strompfades geschlossen. Der sich ausbildende Ausgleichstrom wird mittels dem Widerstand auf zulässige Werte begrenzt. Wenn der Aufladevorgang beendet ist, wird der mindestens eine Schalter zwischen dem Hochvoltnetz und der Energiequelle geschlossen. Sodann ist der Antriebsstrang wieder einsatzbereit. Der parallele Strompfad mit Schalter und Vorladewiderstand benötigt zusätzliche Komponenten und Raum und führt zu zusätzlichem Gewicht und Kosten. Daher besteht ein Bedarf für alternative Lösungen, die ohne den parallelen Strompfad ein Laden des Zwischenkreiskondensators ermöglichen. Aus der DE 10 2020 206987 Al ist ein Verfahren zum Laden eines Zwischenkreiskondensators in einem Hochvoltnetz bekannt.
Offenbarung der Erfindung
Es wird ein Verfahren zum Betrieb eines Sperrwandlers zum Laden eines Zwischenkreiskondensators bereitgestellt. Der Sperrwandler ist eingangsseitig mit einem Niedervoltnetz und ausgangsseitig mit einem Hochvoltnetz verbindbar. Das Hochvoltnetz umfasst den zu ladenden Zwischenkreiskondensator. Bevorzugt ist der Sperrwandler im Betrieb eingangsseitig mit dem Niedervoltnetz und ausgangsseitig mit dem Hochvoltnetz verbunden. Bevorzugt bedeutet verbunden bzw. verbindbar in diesem Zusammenhang elektrisch leitend oder galvanisch verbunden, gekoppelt oder zusammen geschaltet. Der Sperrwandler umfasst eingangsseitig zwischen den Eingangsanschlüssen eine Reihenschaltung aus einem ersten Leistungsschalter und einer Primärwicklung eines Transformators und ausgangsseitig zwischen den Ausgangsanschlüssen eine Reihenschaltung einer Sekundärwicklung des Transformators und einer in Sperrrichtung geschalteten ersten Diode. Ausgangsseitig ist ein erster Kondensator zwischen die Ausgangsanschlüsse geschaltet. Bevorzugt ist eingangsseitig ein zweiter Kondensator zwischen die Eingangsanschlüsse geschaltet. Das Verfahren umfasst die Schritte: Ermitteln einer Spannung, die die Spannung am Zwischenkreiskondensator charakterisiert. Vorgeben eines Soll-Ladestromwerts zum Laden des Zwischenkreiskondensators und Vorgeben eines entsprechenden Tastverhältnis zur Ansteuerung des ersten Leistungsschalters solange die ermittelte Spannung einen ersten Spannungswert unterschreitet. Vorgeben eines Soll-Ladespannungs- werts zum Laden des Zwischenkreiskondensators und Vorgeben eines entsprechenden Tastverhältnis zur Ansteuerung des ersten Leistungsschalters solange die ermittelte Spannung dem ersten Spannungswert entspricht oder die ermittelte Spannung den ersten Spannungswert überschreitet und die ermittelte Spannung einen zweiten Spannungswert unterschreitet. Der erste Spannungswert ist dabei kleiner als der zweite Spannungswert.
Die Ermittlung der Spannung erfolgt über eine Spannungsmesseinrichtung und kann innerhalb oder außerhalb des Sperrwandlers angeordnet sein, bevorzugt ausgangsseitig oder eingangsseitig des Sperrwandlers. Die Ermittlung der Spannung wird so ausgeführt, dass eine Ermittlung, Schätzung oder Berechnung der Spannung über dem Zwischenkreiskondensator anliegenden Spannung erfolgt. Bevorzugt wird mittels einer Steuereinrichtung ein Soll-Ladestromwert ermittelt und vorgegeben, sodass bevorzugt mittels der Steuereinrichtung, bevorzugt mittels einem Stromreglers, bevorzugt in Abhängigkeit der ermittelten Spannung und dem vorgegebenen Soll-Ladestromwert ein Tastverhältnis für die Ansteuerung des ersten Leistungsschalters ermittelt und vorgegeben wird, sodass sich ein dem Soll-Ladestromwert annähernder oder entsprechender Ladestrom ausgangsseitig am Sperrwandler zum Zwischenkreiskondensator einstellt. Bevorzugt wird mittels der Steuereinrichtung ein Soll-Ladespannungswert ermittelt und vorgegeben, sodass bevorzugt mittels der Steuereinrichtung, bevorzugt mittels einem Spannungsregler, bevorzugt in Abhängigkeit der ermittelten Spannung und des vorgegebenen Soll-Ladespannungswerts ein Tastverhältnis für die Ansteuerung des ersten Leistungsschalters ermittelt und vorgegeben wird, sodass sich eine dem Soll-Ladespannungswert annähernde oder entsprechende Ladespannung ausgangsseitig am zu ladenden Zwischenkreiskondensator einstellt. Zum Laden des Zwischenkreiskondensators wird der Sperrwandler als Hochsetzsteller betrieben. Bevorzugt wird eine niedrigere Eingangsspannung, beispielsweise eine Bordnetzspannung eines Fahrzeugs von ca. 12 - 14 Volt oder 48 Volt kontinuierlich hochgesetzt und damit der Zwischenkreiskondensator aufgeladen, bis eine Ausgangsspannung, die einer an das Hochvoltnetz anzuschließenden Energiequelle entspricht, beispielsweise von 200, 400, 800 oder auch 1000 Volt, an dem Zwischenkreiskondensator anliegt. Hierzu wird der eingangsseitige erste Leistungsschalter mit einem vorgegeben Tastverhältnis angesteuert. Bevorzugt soll die Vorladung oder das Laden des Zwischenkreiskondensators auf die zu erreichende Hochvoltspannung möglichst rasch erfolgen. Bevorzugt wird zur Vermeidung von zu hohen Strömen und oder zu hohen Spannungen am ersten Leistungsschalter der Betrieb des Sperrwandlers zum Laden des Zwischenkreiskondensators in mindestens zwei Phasen eingeteilt. Zunächst wird eine stromgeregelte Phase und anschließend eine spannungsgeregelte Phase durchgeführt. Bevorzugt wird in der stromgeregelten Phase entsprechend eines vorgegebenen maximalen Soll-Ladestromwerts das Tastverhältnis zur Ansteuerung des ersten Leistungsschalters in Abhängigkeit der ermittelten Spannung ermittelt und der erste Leistungsschalter entsprechend angesteuert. Steigt die ermittelte Spannung aufgrund des Betriebs des Sperrwandlers zum Laden des Zwischenkreiskondensators über einen vorgebbaren ersten Spannungswert, beispielsweise 90 % der zu erreichenden Hochvoltspannung, so wird der stromgeregelte Betrieb beendet und die spannungsgeregelte Phase durchgeführt. Bevorzugt wird in der spannungsgeregelten Phase entsprechend dem vorgegebenen Soll-Ladespan- nungswert das Tastverhältnis zur Ansteuerung des ersten Leistungsschalters in Abhängigkeit der ermittelten Spannung ermittelt und der erste Leistungsschalter entsprechend angesteuert. Steigt die ermittelte Spannung aufgrund des Betriebs des Sperrwandlers zum Laden des Zwischenkreiskondensators über einen vorgebbaren zweiten Spannungswert, der beispielsweise der zu erreichenden Hochvoltspannung entspricht, so wird der spannungsgeregelte Betrieb beendet. Vorteilhaft wird somit ein rasches Laden eines Zwischenkreiskondensators ermöglicht unter Begrenzung der maximalen Ströme und Spannungen am ersten Leistungsschalter. In einer anderen Ausgestaltung ist während dem Vorgeben des Soll-Ladestrom- werts das Tastverhältnis größer als ein erstes vorgegebenes Tastverhältnis.
Während dem Vorgeben des Soll-Ladestromwerts wird das Tastverhältnis stets größer vorgegeben als ein erstes vorgegebenes Tastverhältnis oder ein minimales Tastverhältnis. Somit wird eine Energieflussumkehr sicher vermieden. Mit einer Energieflussumkehr könnten Überströme und Überspannungen am ersten Leistungsschalter auftreten. Vorteilhaft werden mit der Vergrößerung des Tastverhältnisses mögliche Überlastungen des Leistungsschalters vermieden.
In einer anderen Ausgestaltung wird vor dem Übergang von dem Vorgeben des Soll-Ladestromwerts zum Vorgeben des Soll-Ladespannungswerts der Soll-Ladestrom reduziert.
Vor dem Übergang von der stromgeregelten Phase zu der spannungsgeregelten Phase, beispielsweise bei Erreichen von 90% des ersten Spannungswertes, wird der Soll-Ladestrom, beispielsweise auf 10% des vorgegebenen Soll-Ladestroms, reduziert. Mittels dieser Maßnahme werden vorteilhaft große Spannungsüberschwinger bei Erreichen des ersten Spannungswertes mittels der Stromregelung vermieden.
In einer anderen Ausgestaltung wird bei dem Übergang von dem Vorgeben des Soll-Ladestromwerts zum Vorgeben des Soll-Ladespannungswerts das Tastverhältnis stetig übernommen.
Bei dem Übergang von der stromgeregelten Phase zu der spannungsgeregelten Phase wird das zuletzt in der stromgeregelten Phase vorliegende Tastverhältnis übernommen und zu Beginn der spannungsgeregelten Phase eingesetzt, insbesondere mittels Initialisierung des Spannungsreglers. Die Initialisierung des Spannungsreglers führt zu einem stetigen Übergang, wodurch bevorzugt ein abrupter Wechsel des stationären Betriebszustands vermieden wird. Vorteilhaft werden somit Überströme und Überspannungen am ersten Leistungsschalter vermieden. In einer anderen Ausgestaltung nimmt während dem Vorgeben des Soll-Lade- spannungswerts der Ladestrom kontinuierlich ab.
Vorteilhaft werden somit große Spannungsüberschwinger bei Erreichen des zweiten Spannungswertes mittels der Spannungsregelung vermieden.
In einer anderen Ausgestaltung wird ein Strom, der den Strom durch die erste Diode charakterisiert, ermittelt und das Verfahren zum Betrieb des Sperrwandlers beendet, nachdem der ermittelte Strom einen ersten vorgebbaren Stromwert unterschreitet, bevorzugt während des Schritts der Bereitstellung der Soll-Lade- spannung.
Wenn der Strom, bevorzugt der ausgangsseitige Strom durch den Stromwandler, bevorzugt während der spannungsgeregelten Phase, einen ersten vorgebbaren Stromwert unterschreitet, wird das Verfahren zum Betrieb des Sperrwandlers beendet. Vorteilhaft wird ein Abbruchkriterium bereitgestellt, welches trotz möglicher Energieflussumkehr, Überströme und Überspannungen am ersten Leistungsschalter sicher unterbindet.
In einer anderen Ausgestaltung umfasst das Verfahren einen weiteren Schritt vor dem Vorgeben des Soll-Ladestromwerts: Ansteuern des ersten Leistungsschalters mittels einem vorgebbaren ersten Tastverhältnis für eine vorgebbare Zeitdauer.
Zur Sicherstellung eines zerstörungsfreien Betriebs des Sperrwandlers ist bevorzugt eine Active Clamping Schaltung ausgangsseitig des Sperrwandlers vorgesehen. Bevorzugt umfasst die Active Clamping Schaltung eine Reihenschaltung eines dritten Kondensators und eines zweiten Leistungsschalters, wobei die Reihenschaltung parallel zur Sekundärwicklung des Transformators geschaltet ist. Mittels des Ansteuerns des ersten Leistungsschalters mittels einem vorgebbaren Tastverhältnis für eine vorgebbare Zeitdauer wird die Kapazität der Active Clamping Schaltung gezielt aufgeladen. Dabei wird das Tastverhältnis so vorgegeben, dass keinesfalls zu hohe Ströme und Spannungen an dem ersten Leistungsschalter auftreten. Entsprechend wird das Tastverhältnis sehr klein gewählt, bei- spielsweise 1 bis 10 % von dem Tastverhältnis, welches maximal bei der Bereitstellung des Soll-Ladestroms gewählt wird. Die Zeitdauer wird so gewählt, dass ein Aufladen des dritten Kondensators zuverlässig erfolgt. Nach dem Aufladen des dritten Kondensators kann das rasche Laden des Zwischenkreiskondensators erfolgen, ohne dass zu hohe Ströme und Spannungen an dem ersten Leistungsschalter auftreten. Vorteilhaft wird ein Verfahren bereitgestellt, welches ein rasches, zerstörungsfreies Laden des Zwischenkreiskondensators trotz Active- Clamping Schaltung ermöglicht.
In einer Ausgestaltung umfasst das Verfahren einen weiteren Schritt vor dem Bereitstellen des Soll-Ladestroms: Initialisieren eines Stromreglers des Sperrwandlers.
Bevorzugt umfasst das Initialisieren des Stromreglers die Ermittlung des vorzugebenden Tastverhältnisses zur Ansteuerung des ersten Leistungsschalters in Abhängigkeit der ermittelten Spannung und des einzustellenden Soll-Ladestrom zum Laden des Zwischenkreiskondensators. Vorteilhaft wird ein Verfahren bereitgestellt, welches ein rasches, zerstörungsfreies Laden des Zwischenkreiskondensators ermöglicht.
Ferner betrifft die Erfindung ein Computerprogramm, umfassend Befehle, die bei der Ausführung des Programms durch eine Steuereinrichtung diese veranlassen, die Schritte des beschriebenen Verfahrens auszuführen.
Ferner betrifft die Erfindung ein computerlesbares Speichermedium, umfassend Befehle, die bei der Ausführung durch eine Steuereinrichtung diese veranlassen, die Schritte des beschriebenen Verfahrens auszuführen.
Ferner betrifft die Erfindung einen Sperrwandler zum Laden eines Zwischenkreiskondensators in einem Hochvoltnetz. Der Sperrwandler ist eingangsseitig mit einem Niedervoltnetz und ausgangsseitig mit einem Hochvoltnetz koppelbar. Der Sperrwandler umfasst eine Steuereinrichtung, die dazu eingerichtet ist, ein wie oben beschriebenes Verfahren auszuführen. Es wird ein Sperrwandler zum Laden eines Zwischenkreiskondensators in einem Hochvoltnetz bereitgestellt. Der Sperrwandler umfasst eine Steuereinrichtung, die dazu eingerichtet ist, das beschriebene Verfahren auszuführen. Hierzu umfasst die Steuereinrichtung bevorzugt eingerichtete Ein- und Ausgänge, die das Ermitteln der Spannung und oder des Stroms ermöglichen, bevorzugt mittels Spannungs- und oder Strommesseinrichtungen, sowie bevorzugt einen p-Con- troller zur Stromregelung und Spannungsregelung und zur Ansteuerung des ersten Leistungsschalters.
Vorteilhaft wird ein Sperrwandler zum raschen Laden eines Zwischenkreiskondensators bereitgestellt.
Ferner betrifft die Erfindung einen Antriebsstrang mit einem beschriebenen Sperrwandler und bevorzugt mit einer Leistungselektronik und/ oder einem elektrischen Antrieb. Ein derartiger Antriebsstrang dient beispielsweise dem Antrieb eines elektrischen Fahrzeugs. Mittels des Verfahrens und des Sperrwandlers wird ein effizienter Betrieb des Antriebstrangs ermöglicht.
Ferner betrifft die Erfindung ein Fahrzeug, mit einem beschriebenen Antriebsstrang. Vorteilhaft wird somit ein Fahrzeug bereitgestellt, welches einen Sperrwandler umfasst, mit dem ein rasches Laden des Zwischenkreiskondensators ermöglicht wird.
Es versteht sich, dass die Merkmale, Eigenschaften und Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens entsprechend auf 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 erste schematische Darstellung eines Sperrwandlers zum Laden eines Zwischenkreiskondensators,
Figur 2 eine zweite schematische Darstellung eines Sperrwandlers zum Laden eines Zwischenkreiskondensators,
Figur 3 ein schematisch dargestelltes Fahrzeug mit einem Antriebsstrang,
Figur 4 ein schematisches Diagramm mit einem beispielhaften Verlauf der Spannung und des Stroms während des Verfahrens zum Laden eines Zwischenkreiskondensators.
Figur 5 ein schematisch dargestelltes Ablaufdiagramm für ein Verfahren zum Laden eines Zwischenkreiskondensators.
Ausführungsformen der Erfindung
Die Figur 1 zeigt eine erste schematische Darstellung eines Sperrwandlers 250 oder einer möglichen Schaltungstopologie zum Laden eines Zwischenkreiskondensators 210. Bevorzugt ist der Zwischenkreiskondensator 210 zum Laden mit dem Hochvoltnetz 205 über die Ausgangsanschlüsse 242_p, 242_n verbunden. Die Figur 1 zeigt einen Sperrwandler 250, der dazu eingerichtet ist, ein Verfahren zum Betrieb des Sperrwandlers 250 zum Laden des Zwischenkreiskondensators 210 in einem Hochvoltnetz 205 auszuführen. Der Sperrwandler 250, auch Fly- back-Wandler genannt, ist eingangsseitig mit einem Niedervoltnetz 295 und ausgangsseitig mit einem Hochvoltnetz 205 verbindbar, bevorzugt verbunden. Das Hochvoltnetz 205 umfasst den Zwischenkreiskondensator 210. Der Sperrwandler 250 umfasst eingangsseitig zwischen den Eingangsanschlüssen 244_p, 244_n eine Reihenschaltung aus einem ersten Leistungsschalter 252 und einer Primärwicklung 254 eines Transformators 260. Ausgangsseitig umfasst der Sperrwandler zwischen den Ausgangsanschlüssen 242_p, 242_n eine Reihenschaltung einer Sekundärwicklung 256 des Transformators 260 und einer in Sperrrichtung geschalteten ersten Diode 258, wobei ausgangsseitig ein erster Kondensator 262 zwischen die Ausgangsanschlüsse 242_p, 242_n geschaltet ist. Bevorzugt sind die Primärwicklung 254 und die Sekundärwicklung 256 des Transformators 260 zur primärseitigen und sekundärseitigen Definition der Stromrichtung gegensinnig gewickelt. Bevorzugt ist eingangsseitig ein zweiter Kondensator 264 zwischen die Eingangsanschlüsse 244_p, 244_n geschaltet, zur Glättung der Spannung zwischen den Eingangsanschlüssen, auch bei einem Rückwärtsbetrieb des Sperrwandlers. Bevorzugt ist die erste Diode 258 als eine Body-Diode eines dritten Leistungsschalters 268 ausgestaltet. Bevorzugt kann der Sperrwandler mittels Ansteuerung des dritten Leistungsschalters 268 elektrische Energie von der Ausgangsseite zur Eingangsseite übertragen. Bevorzugt wird mittels des dritten Leistungsschalters 268 die Gleichspannung des Hochvoltnetzes 205 zu einer Wechselspannung umgeformt, damit der Transformator 260 diese überträgt. Bevorzugt zur vollständigen Darstellung der Schaltungstopologie ist die Streuinduktivität 265 des Transformators 260 zwischen der Sekundärwicklung 256 des Transformators 260 und der ersten Diode 258 dargestellt. Bevorzugt umfasst der Sperrwandler 250 eine Active Clamping Schaltung, oder Überspannungsschutzschaltung, die als eine Reihenschaltung eines dritten Kondensators 263 und eines zweiten Leistungsschalters 261 ausgebildet ist. Die Reihenschaltung der Active Clamping Schaltung ist parallel zur Sekundärwicklung 256 des Transformators 260, bevorzugt parallel zur Sekundärwicklung 256 und der Streuinduktivität 265, geschaltet. Die Active Clamping Schaltung reduziert mittels dem dritten Kondensator 263 aufgrund der Streuinduktivität 265 entstehende Spannungsspitzen über der Primärwicklung 254 des Transformators 260. Zwischen den Ausgangsanschlüssen 242_p, 242_n fällt eine Spannung ab, bevorzugt die Spannung Ux, die beispielhaft die Spannung an einem angeschlossenen Zwischenkreiskondensator 210 charakterisiert. Zum Laden des Zwischenkreiskondensators 210 fließt ein Strom Ix durch den Sperrwandler 250 und über Ausgangsanschlüsse 242_p, 242_n in den Kondensator. Figur 2 zeigt eine zweite schematische Darstellung eines Sperrwandlers 250 zum Laden eines Zwischenkreiskondensators 210. Das Hochvoltnetz 205 ist mittels mindestens einem Schalter 230 mit einer Energiequelle 220 verbindbar. Das Hochvoltnetz 205 ist mittels dem Gleichspannungswandler oder Sperrwandler 250 mit einem Niedervoltnetz 295 gekoppelt. Der Sperrwandler 250 umfasst eine induktive Kopplung oder einen Transformator und trennt somit das Hochvoltnetz 205 galvanisch vom Niederspannungsnetz 295. Bevorzugt wird das Niederspannungsnetz 295 aus dem Hochvoltnetz 205 mit elektrischer Energie versorgt. Bevorzugt wird der Sperrwandler 250 dazu rückwärts und in dem Betriebsmodus Tiefsetzsteller angesteuert. Das Niederspannungsnetz 295 umfasst bevorzugt eine Niederspannungsenergiequelle 222, beispielsweise eine Batterie oder einen Akkumulator und weitere (nicht dargestellte) Verbraucher, beispielsweise Steuergeräte. Eine Steuereinrichtung 255 ist dazu ausgelegt und oder eingerichtet, eine Spannung Ux zu ermitteln, einen Soll-Ladestromwert l_L vorzugeben und ein entsprechendes Tastverhältnis Tx vorzugeben und einen Sollladespannungswert U_L vorzugeben. Bevorzugt umfasst die Steuereinrichtung 255 zur Ermittlung des entsprechenden Tastverhältnis in Abhängigkeit des Soll-Ladestromwerts oder des Soll-Ladespannungswerts einen Stromregler 270 oder einen Spannungsregler. In dieser Darstellung ist die Steuereinrichtung 255 und der Stromregler 270 außerhalb des Sperrwandlers 250 dargestellt, wobei die Steuereinrichtung 255 und der Stromregler 270 ebenso innerhalb des Sperrwandlers 250 angeordnet sein können.
Die Figur 3 zeigt ein schematisch dargestelltes Fahrzeug 400 mit einem Antriebsstrang 300. Die Darstellung zeigt beispielhaft ein Fahrzeug 400, welches gleichermaßen zu Lande, zu Wasser und in der Luft einsetzbar ist. Der Antriebsstrang 300 umfasst den Sperrwandler 250 und bevorzugt eine Leistungselektronik, einen Pulswechselrichter 272. Bevorzugt umfasst der Antriebsstrang weiter eine Energiequelle 220, den Zwischenkreiskondensator 210, eine elektrische Maschine 280 und/ oder eine Niederspannungsenergiequelle 222. Der Pulswechselrichter 272 dient bevorzugt der Versorgung der elektrischen Maschine 280 mit elektrischer Energie aus der Energiequelle 220. Bevorzugt umfasst der Pulswechselrichter 272 den Zwischenkreiskondensator 210, sodass im Betrieb der Sperrwandler 250 mit dem der Pulswechselrichter 272 verbunden ist. Die Figur 4 zeigt ein schematisches Diagramm mit einem beispielhaften Verlauf von Spannungen während dem Betrieb eines Sperrwandlers 250 zum Laden eines Zwischenkreiskondensators 210. Die Spannung U an den Ausgangsanschlüssen des Sperrwandlers 250 oder an dem Zwischenkreiskondensator 210 und der Strom I durch den Sperrwandler 250 oder in den Zwischenkreiskondensator 210 ist in dem Diagramm auf der y-Achse über der Zeit t auf der x-Achse dargestellt. Vor dem Beginn des Verfahrens liegt eine geringe Spannung Ux an den Ausgangsanschlüssen an. Der Zwischenkreiskondensator ist noch nicht aufgeladen. Es fließt auch kein nennenswerter Strom Ix durch den Sperrwandler 250 oder den Zwischenkreiskondensator 210. Zum Zeitpunkt tl empfängt die Steuereinrichtung 255 das Signal zum Laden des Zwischenkreiskondensators 210. Bevorzugt steuert die Steuereinrichtung 255 den ersten Leistungsschalters 252 mittels einem vorgebbaren ersten Tastverhältnis Tl für eine vorgebbare Zeitdauer Zx bis zum Zeitpunkt t2 zum Vorladen des dritten Kondensators 263 der Active Clamping Schaltung. In diesem Zeitraum steigt der Ladestrom Ix und die Spannung Ux leicht an. Anschließend gibt die Steuereinrichtung einen Soll-Lade- stromwert l_L vor, zum Laden des Zwischenkreiskondensators 210 mittels Vorgeben eines Tastverhältnis Tx zur Ansteuerung des ersten Leistungsschalters 252 bereit, solange die ermittelte Spannung Ux einen ersten Spannungswert Ul unterschreitet. Mittels der Stromregelung steigt der Ladestrom Ix rasch auf das Niveau des vorgegebenen Soll-Ladestromwerts l_L an und entsprechend steigt die Spannung Ux an den Ausgangsanschlüssen an. Zum Zeitpunkt t3 gibt die Steuereinrichtung einen Soll-Ladespannungswert U_L vor, solange die ermittelte Spannung Ux dem ersten Spannungswert Ul entspricht oder die ermittelte Spannung Ux den ersten Spannungswert Ul überschreitet und die ermittelte Spannung Ux einen zweiten Spannungswert U2 unterschreitet. Wenn die ermittelte Spannung Ux den zweiten Spannungswert U2 erreicht, ist der Zwischenkreiskondensator aufgeladen und es ergibt sich der Zeitpunkt t4. Mittels der Spannungsregelung steigt in dem Zeitraum zwischen t3 und t4 die Spannung Ux weiter an, bis sie das Niveau der vorgegebenen Soll-Ladespannung erreicht. Entsprechend fällt der Ladestrom Ix wieder ab. Bevorzugt wird das Verfahren 100 zum Betrieb des Sperrwandlers 250 beendet, nachdem der ermittelte Strom Ix einen ersten vorgebbaren Stromwert II unterschreitet. Die Figur 5 zeigt ein schematisch dargestelltes Ablaufdiagramm für ein Verfahren 100 zum Betrieb eines Sperrwandlers 250 zum Laden eines Zwischenkreiskondensators 210. Mit Schritt 105 beginnt das Verfahren. In Schritt 120 wird eine Spannung Ux ermittelt, die die Spannung am Zwischenkreiskondensator 210 charakterisiert. Bevorzugt wird in Schritt 130 der erste Leistungsschalter 252 mittels einem vorgebbaren ersten Tastverhältnis TI für eine vorgebbare Zeitdauer Zx angesteuert. Bevorzugt wird in Schritt 132 ein Stromregler 270 des Sperrwandlers 250 initialisiert. In Schritt 140 wird ein Soll-Ladestromwert l_L zum Laden des Zwischenkreiskondensators 210 vorgegeben und ein Tastverhältnis Tx zur Ansteuerung des ersten Leistungsschalters 252 solange die ermittelte Spannung Ux einen ersten Spannungswert Ul unterschreitet. In Schritt 150 wird ein Soll-Ladespannungswert U_L vorgegeben, solange die ermittelte Spannung Ux dem ersten Spannungswert Ul entspricht oder die ermittelte Spannung Ux den ersten Spannungswert Ul überschreitet und die ermittelte Spannung Ux einen zweiten Spannungswert U2 unterschreitet. Bevorzugt wird in Schritt 160 ein Strom Ix ermittelt, der den Strom durch die erste Diode 258 charakterisiert, wobei das Verfahren 100 zum Betrieb eines Sperrwandlers 250 beendet wird, nachdem der ermittelte Strom Ix einen ersten vorgebbaren Stromwert II unterschreitet. Mit Schritt 175 endet das Verfahren.

Claims

Ansprüche
1. Verfahren (100) zum Betrieb eines Sperrwandlers (250) zum Laden eines Zwischenkreiskondensators (210), wobei der Sperrwandler (250) eingangsseitig mit einem Niedervoltnetz (295) und ausgangsseitig mit einem Hochvoltnetz (205) verbindbar ist, wobei das Hochvoltnetz (205) den Zwischenkreiskondensator (210) umfasst, wobei der Sperrwandler (250) eingangsseitig zwischen den Eingangsanschlüssen (244_p, 244_n) eine Reihenschaltung aus einem ersten Leistungsschalter (252) und einer Primärwicklung (254) eines Transformators (260) umfasst und ausgangsseitig zwischen den Ausgangsanschlüssen (242_p, 242_n) eine Reihenschaltung einer Sekundärwicklung (256) des Transformators (260) und einer in Sperrrichtung geschalteten ersten Diode (258), wobei ausgangsseitig ein erster Kondensator (262) zwischen die Ausgangsanschlüsse (242_p, 242_n ) geschaltet ist, mit den Schritten:
Ermitteln (120) einer Spannung (Ux), die die Spannung am Zwischenkreiskondensator (210) charakterisiert,
Vorgeben (140) eines Soll-Ladestromwerts (l_L) zum Laden des Zwischenkreiskondensators (210) und Vorgeben eines entsprechenden Tastverhältnis (Tx) zur Ansteuerung des ersten Leistungsschalters (252) solange die ermittelte Spannung (Ux) einen ersten Spannungswert (Ul) unterschreitet, Vorgeben (150) eines Soll-Ladespannungswerts (U_L) zum Laden des Zwischenkreiskondensators (210) und Vorgeben eines entsprechenden Tastverhältnis (Tx) zur Ansteuerung des ersten Leistungsschalters (252), solange die ermittelte Spannung (Ux) dem ersten Spannungswert (Ul) entspricht oder die ermittelte Spannung (Ux) den ersten Spannungswert (Ul) überschreitet und die ermittelte Spannung (Ux) einen zweiten Spannungswert (U2) unterschreitet, wobei der erste Spannungswert (Ul) kleiner als der zweite Spannungswert (U2) ist. Verfahren nach Anspruch 1, wobei während dem Vorgeben (140) des Soll-Ladestromwerts (l_L) das Tastverhältnis (Tx) größer als ein vorgegebenes erstes Tastverhältnis (TI) ist. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei vor dem Übergang von dem Vorgeben (140) des Soll-Ladestromwerts (l_L) zu dem Vorgeben der Soll-Ladespannung (U_L) der Soll-Ladestrom (l_L) reduziert wird. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei beim Übergang von dem Vorgeben (140) des Soll-Ladestromwerts (l_L) zu dem Vorgeben des Soll-Ladespannungswerts (U_L) das Tastverhältnis (Tx) stetig übernommen wird. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei während dem Vorgeben (150) des Soll-Ladespannungswerts (U_L) der Ladestrom (Ix) kontinuierlich abnimmt. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, mit dem Schritt:
Ermitteln (160) eines Stroms (Ix), der den Strom durch die erste Diode (258) charakterisiert, wobei das Verfahren (100) zum Betrieb eines Sperrwandlers (250) beendet wird, nachdem der ermittelte Strom (Ix) einen ersten vorgebbaren Stromwert (II) unterschreitet. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, mit dem Schritt vor dem Vorgeben (140) des Soll-Ladestromwerts (l_L): Ansteuern (130) des ersten Leistungsschalters (252) mittels einem vorgebbaren ersten Tastverhältnis (TI) für eine vorgebbare Zeitdauer (Zx). Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, mit dem Schritt vor dem Vorgeben (140) des Soll-Ladestromwerts (l_L): Initialisieren (132) eines Stromreglers (270) des Sperrwandlers (250). Computerprogramm, umfassend Befehle, die bei der Ausführung des Programms durch eine Steuereinrichtung (255), diese veranlassen, das Verfah- ren/die Schritte des Verfahrens (100) nach Anspruch 1 bis 8 auszuführen. Computerlesbares Speichermedium, umfassend Befehle, die bei der Ausführung durch eine Steuereinrichtung (255) diese veranlassen, das Verfah- ren/die Schritte des Verfahrens (100) nach Anspruch 1 bis 8 auszuführen. Sperrwandler (250) zum Laden eines Zwischenkreiskondensators (210) in einem Hochvoltnetz (205), wobei der Sperrwandler (250) eingangsseitig mit einem Niedervoltnetz (295) und ausgangsseitig mit einem Hochvoltnetz (205) gekoppelt ist, wobei der Sperrwandler (250) einer Steuereinrichtung (255) umfasst und dazu eingerichtet ist, ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8 auszuführen. Antriebsstrang (300) mit einem Sperrwandler (250) gemäß Anspruch 11. Fahrzeug (400) mit einem Antriebsstrang (300) nach Anspruch 12.
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