WO2021037540A1 - Regelvorrichtung für einen gleichspannungswandler, gleichspannungswandler und verfahren zur regelung eines gleichspannungswandlers - Google Patents

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Definitions

  • the present invention relates to a control device for a DC-DC converter, a DC-DC converter with such a control and a method for controlling a DC-DC converter.
  • DC voltage converters are used for numerous areas of application.
  • DC voltage converters can be used to transfer electrical energy from a high-voltage network of an electric vehicle to a low-voltage network of the electric vehicle.
  • a transformer can be provided between an input side and an output side of the DC / DC converter in order to galvanically decouple the input side from the output side.
  • the document DE 102016219 740 A1 describes a control for a DC voltage converter with several parallel-connected DC voltage converter modules.
  • a first controlled variable is determined jointly for all DC / DC converter modules and a further controlled variable is determined individually for each DC / DC converter module.
  • the individual DC / DC converter modules are then controlled using a combination of the common controlled variable and the individual controlled variable. Disclosure of the invention
  • the present invention discloses a control device for a DC voltage converter, a DC voltage converter and a method for controlling a DC voltage converter with the features of the independent claims. Further embodiments are the subject of the dependent claims.
  • a control device for a DC voltage converter with a voltage regulator and a pilot control device The voltage regulator is designed to generate a first controlled variable.
  • the first controlled variable is determined in particular using a setpoint value for the output voltage of the DC voltage converter and a determined value of the output voltage of the DC voltage converter.
  • the pilot control device is designed to generate a second controlled variable.
  • the second controlled variable is determined in particular using the setpoint value for the output voltage of the DC voltage converter, a determined value of the input voltage of the DC voltage converter and a determined value of an electrical current in the DC voltage converter.
  • the pilot control device is designed to adapt a control dynamic for generating the second controlled variable as a function of the determined value for the electrical current in the DC / DC converter.
  • the control device is also designed to be coupled to a DC voltage converter and to provide a combination of the first controlled variable and the second controlled variable at the DC voltage converter.
  • the DC voltage converter module and a control device according to the invention.
  • the DC / DC converter module is designed in particular to convert a DC input voltage into a DC output voltage.
  • the DC / DC converter module can convert the Execute direct voltage using the combination of first controlled variable and second controlled variable provided by the control device.
  • a method for controlling a DC-DC converter comprises a step of generating a first controlled variable.
  • the first controlled variable is determined in particular using a setpoint value for the output voltage of the DC voltage converter and a determined value for the output voltage of the DC voltage converter.
  • the method also includes a step for generating a second controlled variable.
  • the second controlled variable is determined in particular using the setpoint value for the output voltage of the DC voltage converter, a determined value of the input voltage of the DC voltage converter and a determined value of an electrical current in the DC voltage converter.
  • the method includes a step of providing a combination of the first controlled variable and the second controlled variable to the DC / DC converter.
  • a control dynamic for determining the second controlled variable can be adapted as a function of the determined value for the electrical current in the DC voltage converter.
  • the present invention is based on the knowledge that numerous electrical disturbances can occur at an output of a DC voltage converter. These electrical disturbances can be caused, for example, by consumers connected to the output side of the DC / DC converter. In addition, other sources of interference are also possible, which can be responsible for interference, for example a current ripple or the like, on the output side of the DC voltage converter. For example, a charger can be connected to a low-voltage network of an electric vehicle in order to charge a battery, for example a 12-volt battery, that is present in the low-voltage network of the electric vehicle. This can lead to high-frequency interference and / or significant voltage fluctuations. Such disturbances can Influence the operating behavior of consumers that are connected to a DC voltage network on the output side of the DC voltage converter.
  • a second controlled variable can be generated, for example by means of a pilot control device, which takes into account the electrical current through the DC voltage converter.
  • the control dynamics of the second control element for example the pilot control device, can be dynamically adapted as a function of the electrical current through the DC voltage converter. In this way, current ripples that occur on the output side of the DC / DC converter can be reliably attenuated.
  • the control dynamics of the pilot control device can in particular specify the dependency of the second controlled variable to be determined on the input voltage and / or the target voltage to be achieved.
  • the pilot control device is designed to generate a controlled variable using the setpoint value of the output voltage of the DC / DC converter and the determined value of the input voltage of the DC / DC converter. Furthermore, this generated controlled variable can be multiplied by a specified factor.
  • the predefined factor can be adapted as a function of the determined value of the electrical current in the DC voltage converter. For example, a relationship between the electrical current in the DC / DC converter and the predetermined factor can be defined. As a result, a suitable factor can be continuously calculated using the predefined function during operation of the DC / DC converter, and the factor calculated in this way can be used to determine the second controlled variable.
  • any other method for determining the factor as a function of the electrical current in the DC voltage converter is also possible. For example, values for the factor can also be calculated in advance and stored in the form of a lookup table or the like.
  • the pilot control device is designed to reduce the control dynamics for generating the second controlled variable when the determined value for the electrical current in the DC voltage converter increases.
  • the pilot control device can be designed to increase the control dynamics for generating the second control variable when the determined value for the electrical current in the DC / DC converter falls.
  • the control dynamics can be reduced in order to counteract possible disturbances and in particular a current ripple on the output side of the DC voltage converter. For example, with increasing currents through the DC / DC converter, the dependency of the second controlled variable on the input voltage and / or setpoint voltage can be weakened.
  • the pilot control device is designed to generate the second controlled variable using a transformation ratio of a transformer in the DC / DC converter.
  • a transformation ratio of a transformer in the DC / DC converter Given a known transformation ratio in the DC-DC converter, an input voltage at the DC-DC converter can be used to deduce an expected output voltage and this relationship can also be included in the control process.
  • the pilot control device is designed to adapt the second controlled variable as a function of an active operating mode of the DC / DC converter.
  • the calculation of the second controlled variable in a step-up converter mode or boost mode can be carried out differently than in a step-down converter or buck mode.
  • the DC / DC converter comprises a plurality of DC / DC converter modules.
  • the DC / DC converter comprises a plurality of DC / DC converter modules.
  • Figure 1 a schematic representation of a block diagram for a
  • Figure 2 a schematic representation of a block diagram of a
  • Pilot control device for a control device according to one embodiment
  • Figure 3 a flowchart as it is a method for regulating a
  • DC voltage converter is based.
  • FIG. 1 shows a schematic representation of a block diagram of a DC voltage converter with a control device according to an embodiment.
  • the DC / DC converter comprises one or more DC / DC converter modules 4, which convert a DC input voltage into a DC output voltage;
  • the DC / DC converter module 4 can comprise, for example, a transformer (not explicitly shown). This enables, for example, a galvanic separation between the input connection and the output connection.
  • the transformer can have a transformation ratio N between the primary side and the secondary side.
  • such a DC voltage converter can transmit electrical energy from a high-voltage network of an electric vehicle to a low-voltage on-board network of the electric vehicle.
  • any other application cases for a unidirectional or bidirectional DC voltage converter are also possible in principle.
  • the DC / DC converter module 4 is controlled using a controlled variable R.
  • the controlled variable R is formed from the two controlled variables RI and R2.
  • the two controlled variables RI and R2 can be fed to a summing element 3, for example, which generates a combination of the first controlled variable RI and the second controlled variable R2 as controlled variable R and feeds it to the DC / DC converter module 4.
  • the first controlled variable RI is generated by means of a voltage regulator 1, for example.
  • the voltage regulator 1 can, for example, determine the first controlled variable RI from a comparison of a predefined setpoint voltage U_soll and the current output voltage U_sek.
  • the voltage regulator 1 can form a difference between the setpoint voltage U_soll and the current output voltage U_sek.
  • the second variable R2 is formed by means of a pilot control device 2.
  • the second controlled variable R2 is formed in the DC voltage converter module 4 using the input voltage U_prim at the input of the DC voltage converter, the specified setpoint voltage U_soll and the electrical current I_DC.
  • the electrical current can be measured at the input of the DC / DC converter module 4, for example.
  • the pilot control device 2 can adapt the control dynamics for the generation to the second controlled variable R2 as a function of the electrical current I_DC in the DC voltage converter.
  • the control dynamics can be reduced with increasing electrical current I_DC in the DC voltage converter. In this way, the fluctuations in the second controlled variable R2 with a higher current I_DC in the DC voltage converter are smaller than with a relatively low current I_DC in the DC voltage converter.
  • the control dynamics can be adapted as a function of a predetermined factor. This factor can be adapted, for example, based on a function that depends on the electrical current I_DC in the DC / DC converter. In this way, the factor can be calculated at any time using the given function. Alternatively, any other schemes for determining a suitable factor are also possible.
  • the factor can also be determined in the form of a lookup table as a function of the electrical current I_DC through the voltage converter.
  • FIG. 2 shows a schematic representation of a block diagram which describes a possible embodiment of a pilot control device 2 by way of example.
  • step-up converter operation boost Operation
  • buck operation step-down converter operation
  • the electrical voltage on the output side and the product of the electrical voltage on the input side and the transformation ratio of a transformer in the DC voltage converter are fed to a comparison device 21. If this comparison shows that the output voltage U_soll to be achieved is higher than the input voltage U_prim multiplied by the transformation ratio N of the transformer, then the DC / DC converter is operated in step-up converter mode.
  • the DC / DC converter is operated in buck converter mode if the output voltage U_soll to be achieved is less than the product of the input voltage U_prim and the transformation ratio N of the transformer.
  • the result of this comparison from the comparison device 21 is fed to the switching element 22 for this purpose.
  • the switching element 22 can select between the controlled variable for the step-up converter operation and the controlled variable for the step-down converter operation.
  • the pilot control device 2 comprises a device 20 for adapting the control dynamics in the pilot control device 2.
  • the control dynamics of the pilot control device 2 can be adapted as a function of the electrical current I_DC in the DC / DC converter module.
  • the determined electrical current I_DC can be weighted with a multiplier M.
  • the product of the multiplier M and the electrical current I_DC of the DC / DC converter module 4 can then be included in the control process.
  • this product can be used together with the input voltage U_prim, which may have been multiplied by the transformation ratio N of the transformer, to determine the controlled variable in step-up converter operation and / or step-down converter operation.
  • the multiplier M can be selected as a function of various framework conditions or state variables. For example, the multiplier M depending on different operating modes of the
  • DC / DC converter module 4 the input or output voltage of the DC-DC converter module or other factors can be selected depending.
  • FIG. 3 shows a schematic representation of a flowchart on the basis of a method for regulating a DC voltage converter according to an embodiment.
  • a first controlled variable RI is generated in step S1.
  • the first controlled variable RI can be determined using a setpoint value U_soll for the output voltage of the DC voltage converter and a determined value U_sek for the output voltage of the DC voltage converter.
  • a second controlled variable R2 is generated in step S2.
  • the second controlled variable R2 can be determined using the setpoint U_soll for the output voltage of the DC voltage converter, a determined value U_prim of the input voltage of the DC voltage converter and a determined value E_DC of an electrical current in the DC voltage converter.
  • the first controlled variable RI and the second controlled variable R2 can be combined and in step S3 the DC / DC converter can be controlled using the combination of the first controlled variable RI and the second controlled variable R2.
  • control dynamics can be adapted as a function of the determined value for the electrical current I_DC in the DC voltage converter.
  • the method can also carry out all the steps as described above in connection with the regulation of the DC voltage converter.
  • the present invention relates to an extended control system for a DC voltage converter.
  • the control dynamics are adapted as a function of an electrical current through the DC voltage converter.
  • the control dynamics of the pilot control device can be dependent on the electrical current can be adjusted by the DC / DC converter. Due to the current-dependent adaptation of the control dynamics, it is possible to minimize any current ripples that may occur on the output side.

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine erweiterte Regelung für einen Gleichspannungswandler. Hierzu wird bei der Ermittlung einer Regelgröße für die Regelung des Gleichspannungswandlers die Regeldynamik in Abhängigkeit eines elektrischen Stroms durch den Gleichspannungswandler angepasst. Insbesondere ist es möglich, die Regelgröße aus einer Kombination einer ersten Regelgröße von einem Spannungsregler und einer zweiten Regelgröße von einer Vorsteuerung zu ermitteln. Hierbei kann insbesondere die Regeldynamik der Vorsteuereinrichtung in Abhängigkeit des elektrischen Stroms durch den Gleichspannungswandler angepasst werden. Durch die stromabhängige Anpassung der Regeldynamik ist es möglich, gegebenenfalls auftretende Stromrippel auf der Ausgangsseite zu minimieren.

Description

Beschreibung
Titel
Regelvorrichtung für einen Gleichspannungswandler, Gleichspannungswandler und Verfahren zur Regelung eines Gleichspannungswandlers
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Regelvorrichtung für einen Gleichspannungswandler, einen Gleichspannungswandler mit einer solchen Regelung sowie ein Verfahren zur Regelung eines Gleichspannungswandlers.
Stand der Technik
Gleichspannungswandler werden für zahlreiche Anwendungsgebiete eingesetzt. Beispielsweise können Gleichspannungswandler eingesetzt werden, um elektrische Energie von einem Hochvoltnetz eines Elektrofahrzeugs in ein Niedervoltnetz des Elektrofahrzeugs zu übertragen. Zwischen einer Eingangsseite und einer Ausgangsseite des Gleichspannungswandlers kann beispielsweise ein Transformator vorgesehen sein, um die Eingangsseite von der Ausgangsseite galvanisch zu entkoppeln. Darüber hinaus existieren verschiedene Regelverfahren, um die elektrische Spannung auf der Ausgangsseite des Gleichspannungswandlers einzustellen und zu regeln.
Die Druckschrift DE 102016219 740 Al beschreibt eine Regelung für einen Gleichspannungskonverter mit mehreren parallelgeschalteten Gleichspannungswandlermodulen. Dabei wird eine erste Regelgröße gemeinsam für alle Gleichspannungswandlermodule ermittelt und eine weitere Regelgröße wird individuell für jedes Gleichspannungswandlermodul bestimmt. Die einzelnen Gleichspannungswandlermodule werden daraufhin unter Verwendung einer Kombination der gemeinsamen Regelgröße und der individuellen Regelgröße angesteuert. Offenbarung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung offenbart eine Regelvorrichtung für einen Gleichspannungswandler, einen Gleichspannungswandler sowie ein Verfahren zur Regelung eines Gleichspannungswandlers mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche. Weitere Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche.
Demgemäß ist vorgesehen:
Eine Regelvorrichtung für einen Gleichspannungswandler mit einem Spannungsregler und einer Vorsteuereinrichtung. Der Spannungsregler ist dazu ausgelegt, eine erste Regelgröße zu generieren. Die erste Regelgröße wird insbesondere unter Verwendung eines Sollwerts für die Ausgangsspannung des Gleichspannungswandlers und einem ermittelten Wert der Ausgangsspannung des Gleichspannungswandlers bestimmt. Die Vorsteuereinrichtung ist dazu ausgelegt, eine zweite Regelgröße zu generieren. Die zweite Regelgröße wird insbesondere unter Verwendung des Sollwerts für die Ausgangsspannung des Gleichspannungswandlers, einem ermittelten Wert der Eingangsspannung des Gleichspannungswandlers und einem ermittelten Wert eines elektrischen Stroms in dem Gleichspannungswandler ermittelt. Dabei ist die Vorsteuereinrichtung dazu ausgelegt, eine Regeldynamik für das Generieren der zweiten Regelgröße in Abhängigkeit des ermittelten Werts für den elektrischen Strom in dem Gleichspannungswandler anzupassen. Die Regelvorrichtung ist ferner dazu ausgelegt, mit einem Gleichspannungswandler gekoppelt zu werden und an dem Gleichspannungswandler eine Kombination der ersten Regelgröße und der zweiten Regelgröße bereitzustellen.
Weiterhin ist vorgesehen:
Ein Gleichspannungswandler mit mindestens einem
Gleichspannungswandlermodul und einer erfindungsgemäßen Regelvorrichtung. Das Gleichspannungswandlermodul ist insbesondere dazu ausgelegt, eine Eingangsgleichspannung in eine Ausgangsgleichspannung zu konvertieren. Dabei kann das Gleichspannungswandlermodul die Konvertierung der Gleichspannung unter Verwendung der von der Regelvorrichtung bereitgestellten Kombination aus erster Regelgröße und zweiter Regelgröße ausführen.
Schließlich ist vorgesehen:
Ein Verfahren zur Regelung eines Gleichspannungswandlers. Das Verfahren umfasst einen Schritt zum Erzeugen einer ersten Regelgröße. Die erste Regelgröße wird insbesondere unter Verwendung eines Sollwerts für die Ausgangsspannung des Gleichspannungswandlers und einem ermittelten Wert für die Ausgangsspannung des Gleichspannungswandlers ermittelt. Weiterhin umfasst das Verfahren einen Schritt zum Erzeugen einer zweiten Regelgröße. Die zweite Regelgröße wird insbesondere unter Verwendung des Sollwerts für die Ausgangsspannung des Gleichspannungswandlers, einem ermittelten Wert der Eingangsspannung des Gleichspannungswandlers und einem ermittelten Wert eines elektrischen Stroms in dem Gleichspannungswandler ermittelt. Schließlich umfasst das Verfahren einen Schritt zum Bereitstellen einer Kombination der ersten Regelgröße und der zweiten Regelgröße an dem Gleichspannungswandler. Hierbei kann eine Regeldynamik für das Bestimmen der zweiten Regelgröße in Abhängigkeit des ermittelten Werts für den elektrischen Stroms in den Gleichspannungswandler angepasst werden.
Vorteile der Erfindung
Der vorliegenden Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass an einem Ausgang eines Gleichspannungswandlers zahlreiche elektrische Störungen auftreten können. Diese elektrischen Störungen können beispielsweise von auf der Ausgangsseite des Gleichspannungswandlers angeschlossenen Verbrauchern verursacht werden. Darüber hinaus sind auch weitere Störquellen möglich, die auf der Ausgangsseite des Gleichspannungswandlers für Störungen, beispielsweise einen Stromrippel oder ähnliches verantwortlich sein können. Zum Beispiel kann in einem Niedervoltnetz eines Elektrofahrzeugs ein Ladegerät angeschlossen werden, um eine in dem Niedervoltnetz des Elektrofahrzeugs vorhandene Batterie, beispielsweise eine 12 Volt- Batterie, aufzuladen. Hierbei kann es zu hochfrequenten Störungen und/oder signifikanten Spannungsschwankungen kommen. Derartige Störungen können das Betriebsverhalten von Verbrauchern beeinflussen, welche an ein Gleichspannungsnetz auf der Ausgangsseite des Gleichspannungswandlers angeschlossen sind.
Auf der Eingangsseite des Gleichspannungswandlers können hierbei Stromrippel, die auf der Ausgangsseite auftreten, aufgrund von großen Kapazitäten an der Eingangsseite nicht oder zumindest nur schwer detektiert werden. Daher ist es eine Idee der vorliegenden Erfindung, dieser Erkenntnis Rechnung zu tragen und eine Regelung für einen Gleichspannungswandler bereitzustellen, welche möglichen Störungen, insbesondere Stromrippein auf der Ausgangsseite eines Gleichspannungswandlers entgegentreten kann.
Hierzu ist es erfindungsgemäß vorgesehen, bei der Regelung des Gleichspannungswandlers die Regeldynamik in Abhängigkeit eines elektrischen Stroms durch den Gleichspannungswandler anzupassen. Insbesondere sind hierzu zwei separate Regelelemente vorgesehen. Ein Spannungsregler kann dabei unabhängig von dem elektrischen Strom durch den
Gleichspannungswandler eine erste Regelgröße erzeugen. Darüber hinaus kann, beispielsweise mittels einer Vorsteuereinrichtung, eine zweite Regelgröße generiert werden, welche den elektrischen Strom durch den Gleichspannungswandler berücksichtigt. Um dabei auftretenden Stromrippein auf der Ausgangsseite des Gleichspannungswandlers entgegenzuwirken, kann die Regeldynamik des zweiten Regelelements, beispielsweise der Vorsteuereinrichtung, in Abhängigkeit des elektrischen Stroms durch den Gleichspannungswandler dynamisch angepasst werden. Hierdurch können auftretende Stromrippel auf der Ausgangsseite des Gleichspannungswandlers zuverlässig abgeschwächt werden. Die Regeldynamik der Vorsteuereinrichtung kann hierbei insbesondere die Abhängigkeit der zu bestimmenden zweiten Regelgröße von der Eingangsspannung und/oder der zu erzielenden Sollspannung spezifizieren.
Durch die stromabhängige Anpassung der Regeldynamik für die Regelung eines Stromreglers ist es möglich, Stromrippel und weitere Störungen auf der Ausgangsseite des Gleichspannungswandlers signifikant zu minimieren. Hierdurch können Funktionsstörungen und Beschädigungen von Baugruppen, insbesondere von elektrischen Baugruppen, die an ein Stromnetz am Ausgang des Gleichspannungswandlers angeschlossen sind, vermieden werden.
Gemäß einer Ausführungsform ist die Vorsteuereinrichtung dazu ausgelegt, eine Regelgröße unter Verwendung des Sollwerts der Ausgangsspannung des Gleichspannungswandlers und dem ermittelten Wert der Eingangsspannung des Gleichspannungswandlers zu generieren. Weiterhin kann diese generierte Regelgröße mit einem vorgegebenen Faktor multipliziert werden. Hierbei kann der vorgegebene Faktor in Abhängigkeit von dem ermittelten Wert des elektrischen Stroms in dem Gleichspannungswandler angepasst werden. Beispielsweise kann eine Beziehung zwischen dem elektrischen Strom in dem Gleichspannungswandler und dem vorgegebenen Faktor definiert werden. Hierdurch kann während des Betriebs des Gleichspannungswandlers kontinuierlich ein geeigneter Faktor unter Verwendung der vorgegebenen Funktion berechnet werden und der so berechnete Faktor zur Bestimmung der zweiten Regelgröße genutzt werden. Darüber hinaus sind auch beliebige andere Verfahren zur Ermittlung des Faktors in Abhängigkeit von dem elektrischen Strom in dem Gleichspannungswandler möglich. Beispielsweise können Werte für den Faktor auch in Form einer Lookup-Tabelle oder ähnlichem vorab berechnet und abgespeichert werden.
Gemäß einer Ausführungsform ist die Vorsteuereinrichtung dazu ausgelegt, die Regeldynamik für das Generieren der zweiten Regelgröße zu verringern, wenn der ermittelte Wert für den elektrischen Strom in dem Gleichspannungswandler ansteigt. Entsprechend kann die Vorsteuereinrichtung dazu ausgelegt sein, die Regeldynamik für das Generieren der zweiten Regelgröße anzuheben, wenn der ermittelte Wert für den elektrischen Strom in dem Gleichspannungswandler sinkt. Auf diese Weise kann mit steigendem elektrischen Strom in dem Gleichspannungswandler die Regeldynamik verringert werden, um auf diese Weise möglichen Störungen und insbesondere einem Stromrippel auf der Ausgangsseite des Gleichspannungswandlers entgegenzuwirken. So kann beispielsweise mit steigenden Strömen durch den Gleichspannungswandler Abhängigkeit der zweiten Regelgröße von Eingangsspannung und/oder Sollspannung abgeschwächt werden. Gemäß einer Ausführungsform ist die Vorsteuereinrichtung dazu ausgelegt, die zweite Regelgröße unter Verwendung eines Übersetzungsverhältnisses eines Transformators in dem Gleichspannungswandler zu generieren. Auf diese Weise kann bei einem bekannten Übersetzungsverhältnis in dem Gleichspannungswandler aus einer Eingangsspannung an dem Gleichspannungswandler auf eine zu erwartende Ausgangsspannung geschlossen werden und dieser Zusammenhang mit in den Regelprozess einbezogen werden.
Gemäß einer Ausführungsform ist die Vorsteuereinrichtung dazu ausgelegt, die zweite Regelgröße in Abhängigkeit eines aktiven Betriebsmodus des Gleichspannungswandlers anzupassen. Insbesondere kann die Berechnung der zweiten Regelgröße in einem Hochsetzsteller-Modus oder Boost-Modus anders ausgeführt werden als in einem Tiefsetzsteller oder Buck-Modus.
In einer Ausführungsform des Gleichspannungswandlers umfasst der Gleichspannungswandler mehrere Gleichspannungskonvertermodule. In diesem Fall kann es möglich sein, neben einer gemeinsamen Berechnung der ersten und zweiten Regelgröße für jedes Modul des Gleichspannungswandlers eine individuelle Stromregelung vorzusehen.
Die obigen Ausgestaltungen und Weiterbildungen lassen sich, soweit sinnvoll, beliebig miteinander kombinieren. Weitere Ausgestaltungen, Weiterbildungen und Implementierungen der Erfindung umfassen auch nicht explizit genannte Kombinationen von zuvor oder im Folgenden bezüglich den Ausführungsbeispielen beschriebenen Merkmalen der Erfindung. Insbesondere wird der Fachmann dabei auch Einzelaspekte als Verbesserungen oder Ergänzungen zu den jeweiligen Grundformen der Erfindung hinzufügen.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend anhand der Figuren erläutert. Dabei zeigen: Figur 1: eine schematische Darstellung eines Blockschaubildes für eine
Regelvorrichtung eines Gleichspannungswandlers gemäß einer Ausführungsform;
Figur 2: eine schematische Darstellung eines Blockschaltbildes einer
Vorsteuereinrichtung für eine Regelvorrichtung gemäß einer Ausführungsform; und
Figur 3: ein Flussdiagramm, wie es einem Verfahren zur Regelung eines
Gleichspannungswandlers zugrunde liegt.
Ausführungsformen der Erfindung
Figur 1 zeigt eine schematische Darstellung eines Blockschaltbilds eines Gleichspannungswandlers mit einer Regelvorrichtung gemäß einer Ausführungsform. Der Gleichspannungswandler umfasst eines oder mehrere Gleichspannungswandlermodule 4, welche eine Eingangsgleichspannung in eine Ausgangsgleichspannung konvertieren, das Gleichspannungswandlermodul 4 kann dabei beispielsweise einen Transformator (nicht explizit dargestellt) umfassen. Dies ermöglicht zum Beispiel eine galvanische Trennung zwischen Eingangsanschluss und Ausgangsanschluss. Der Transformator kann dabei ein Übersetzungsverhältnis N zwischen Primärseite und Sekundärseite aufweisen. Beispielsweise kann ein solcher Gleichspannungswandler elektrische Energie von einem Hochvoltnetz eines Elektrofahrzeugs in ein Niedervoltbordnetz des Elektrofahrzeugs übertragen. Aber auch beliebige andere Anwendungsfälle für einen unidirektionalen oder bidirektionalen Gleichspannungswandler sind grundsätzlich möglich.
Wie in Figur 1 zu erkennen ist, wird das Gleichspannungswandlermodul 4 unter Verwendung einer Regelgröße R geregelt. Die Regelgröße R wird aus den beiden Regelgrößen RI und R2 gebildet. Hierzu können die beiden Regelgrößen RI und R2 zum Beispiel einem Summierglied 3 zugeführt werden, welche als Regelgröße R eine Kombination der ersten Regelgröße RI und der zweiten Regelgröße R2 erzeugt und dem Gleichspannungswandlermodul 4 zuführt. Die erste Regelgröße RI wird beispielsweise mittels eines Spannungsreglers 1 generiert. Hierzu kann der Spannungsregler 1 beispielsweise aus einem Vergleich einer vorgegebenen Sollspannung U_soll und der aktuellen Ausgangsspannung U_sek die erste Regelgröße RI bestimmen. Beispielsweise kann hierzu der Spannungsregler 1 eine Differenz zwischen Sollspannung U_soll und aktueller Ausgangsspannung U_sek bilden.
Die zweite Größe R2 wird mittels einer Vorsteuereinrichtung 2 gebildet. Insbesondere wird die zweite Regelgröße R2 unter Verwendung der Eingangsspannung U_prim am Eingang des Gleichspannungswandlers, der vorgegebenen Sollspannung U_soll sowie dem elektrischen Strom l_DC in dem Gleichspannungswandlermodul 4 gebildet. Hierzu kann der elektrische Strom zum Beispiel am Eingang des Gleichspannungswandlermoduls 4 gemessen werden.
Die Vorsteuereinrichtung 2 kann hierbei die Regeldynamik für die Erzeugung zu der zweiten Regelgröße R2 in Abhängigkeit des elektrischen Stroms l_DC in dem Gleichspannungswandler anpassen. Beispielsweise kann mit steigendem elektrischen Strom l_DC in dem Gleichspannungswandler die Regeldynamik verringert werden. Auf diese Weise sind die Schwankungen der zweiten Regelgröße R2 bei höherem Strom l_DC in dem Gleichspannungswandler geringer, als bei relativ niedrigem Strom l_DC in dem Gleichspannungswandler. Beispielsweise kann die Regeldynamik in Abhängigkeit eines vorgegebenen Faktors angepasst werden. Dieser Faktor kann zum Beispiel basierend auf einer Funktion angepasst werden, die von dem elektrischen Strom l_DC in dem Gleichspannungswandler abhängt. Auf diese Weise kann der Faktor jederzeit mittels der vorgegebenen Funktion berechnet werden. Alternativ sind auch beliebige andere Schemata zur Bestimmung eines geeigneten Faktors möglich. Beispielsweise kann der Faktor auch in Form einer Lookup-Tabelle in Abhängigkeit von dem elektrischen Strom l_DC durch den Spannungswandler ermittelt werden.
Figur 2 zeigt eine schematische Darstellung eines Blockschaubilds, welches eine mögliche Ausführungsform einer Vorsteuereinrichtung 2 exemplarisch beschreibt. Zunächst einmal kann zwischen einem Hochsetzstellerbetrieb (Boost- Betrieb) und einem Tiefsetzstellerbetrieb (Buck- Betrieb) unterschieden werden. Hierzu werden einer Vergleichseinrichtung 21 die elektrische Spannung auf der Ausgangsseite sowie das Produkt der elektrischen Spannung auf der Eingangsseite und dem Übersetzungsverhältnis eines Transformators in dem Gleichspannungswandler zugeführt. Ergibt sich bei diesem Vergleich, dass die zu erzielende Ausgangsspannung U_soll höher ist, als die Eingangsspannung U_prim multipliziert mit dem Übersetzungsverhältnis N des Transformators, so wird der Gleichspannungswandler im Hochsetzstellerbetrieb betrieben. Alternativ wird der Gleichspannungswandler im Tiefsetzstellerbetrieb betrieben, wenn die zu erzielende Ausgangsspannung U_soll kleiner ist als das Produkt der Eingangsspannung U_prim und dem Übersetzungsverhältnis N des Transformators. Das Ergebnis dieses Vergleichs von der Vergleichseinrichtung 21 wird hierzu dem Schaltelement 22 zugeführt. Das Schaltelement 22 kann entsprechend dem Ergebnis des Vergleichs zwischen der Regelgröße für den Hochsetzstellerbetrieb und der Regelgröße für den Tiefsetzstellerbetrieb auswählen.
Darüber hinaus umfasst die Vorsteuereinrichtung 2 eine Einrichtung 20 zur Anpassung der Regeldynamik in der Vorsteuereinrichtung 2. Wie in Figur 2 zu erkennen ist, kann die Regeldynamik der Vorsteuereinrichtung 2 in Abhängigkeit des elektrischen Stroms l_DC in dem Gleichspannungswandlermodul angepasst werden. Hierzu kann der ermittelte elektrische Strom l_DC mit einem Multiplikator M gewichtet werden. Das Produkt aus Multiplikator M und elektrischem Strom l_DC des Gleichspannungswandlermoduls 4 kann daraufhin mit in den Regelprozess einbezogen werden. Beispielsweise kann dieses Produkt gemeinsam mit der Eingangsspannung U_prim, die gegebenenfalls mit dem Übersetzungsverhältnis N des Transformators multipliziert wurde, für die Ermittlung der Regelgröße im Hochsetzstellerbetrieb und/oder Tiefsetzstellerbetrieb verwendet werden.
Der Multiplikator M kann von verschiedenen Rahmenbedingungen oder Zustandsgrößen abhängig gewählt werden. Beispielsweise kann der Multiplikator M in Abhängigkeit von verschiedenen Betriebsmodi des
Gleichspannungswandlermoduls 4, der Eingangs- oder Ausgangsspannung des Gleichspannungswandlermoduls oder auch anderen Faktoren abhängig gewählt werden.
Figur 3 zeigt eine schematische Darstellung eines Ablaufdiagramms, wie es einem Verfahren zur Regelung eines Gleichspannungswandlers gemäß einer Ausführungsform zugrunde liegt. In Schritt S1 wird eine erste Regelgröße RI erzeugt. Die erste Regelgröße RI kann unter Verwendung eines Sollwerts U_soll für die Ausgangsspannung des Gleichspannungswandlers und einem ermittelten Wert U_sek der Ausgangsspannung des Gleichspannungswandlers ermittelt werden. In Schritt S2 wird eine zweite Regelgröße R2 erzeugt. Die zweite Regelgröße R2 kann unter Verwendung des Sollwerts U_soll für die Ausgangsspannung des Gleichspannungswandlers, einem ermittelten Wert U_prim der Eingangsspannung des Gleichspannungswandlers und einem ermittelten Wert E_DC eines elektrischen Stroms in dem Gleichspannungswandler ermittelt werden. Die erste Regelgröße RI und die zweite Regelgröße R2 können kombiniert werden und in Schritt S3 kann der Gleichspannungswandler unter Verwendung der Kombination der ersten Regelgröße RI und der zweiten Regelgröße R2 angesteuert werden.
Zur Ermittlung der zweiten Regelgröße R2 kann die Regeldynamik in Abhängigkeit des ermittelten Werts für den elektrischen Strom l_DC in dem Gleichspannungswandler angepasst werden.
Darüber hinaus kann das Verfahren auch alle Schritte ausführen, wie sie zuvor im Zusammenhang mit der Regelung des Gleichspannungswandlers beschrieben worden sind.
Zusammenfassend betrifft die vorliegende Erfindung eine erweiterte Regelung für einen Gleichspannungswandler. Hierzu wird bei der Ermittlung einer Regelgröße für die Regelung des Gleichspannungswandlers die Regeldynamik in Abhängigkeit eines elektrischen Stroms durch den Gleichspannungswandler angepasst. Insbesondere ist es möglich, die Regelgröße aus einer Kombination einer ersten Regelgröße von einem Spannungsregler und einer zweiten Regelgröße von einer Vorsteuerung zu ermitteln. Hierbei kann insbesondere die Regeldynamik der Vorsteuereinrichtung in Abhängigkeit des elektrischen Stroms durch den Gleichspannungswandler angepasst werden. Durch die stromabhängige Anpassung der Regeldynamik ist es möglich, gegebenenfalls auftretende Stromrippel auf der Ausgangsseite zu minimieren.

Claims

Ansprüche
1. Regelvorrichtung für einen Gleichspannungswandler, mit: einem Spannungsregler (1), der dazu ausgelegt ist, eine erste Regelgröße (RI) unter Verwendung eines Sollwerts (U_soll) für die Ausgangsspannung des Gleichspannungswandlers und eines ermittelten Werts (U_sek) der Ausgangsspannung des Gleichspannungswandlers zu generieren; und einer Vorsteuereinrichtung (2), die dazu ausgelegt ist, eine zweite Regelgröße (R2) unter Verwendung des Sollwerts (U_soll) für die Ausgangsspannung des Gleichspannungswandlers, eines ermittelten Werts (U_prim) der Eingangsspannung des Gleichspannungswandlers und einem ermittelten Wert (l_DC) eines elektrischen Stroms in den Gleichspannungswandler zu generieren, wobei die Vorsteuereinrichtung (2) dazu ausgelegt ist, eine Regeldynamik für das Generieren der zweiten Regelgröße (R2) in Abhängigkeit des ermittelten Werts (l_DC) für den elektrischen Strom in den Gleichspannungswandler anzupassen; und wobei die Regelvorrichtung dazu ausgelegt ist, an dem Gleichspannungswandler eine Kombination (R) der ersten Regelgröße (RI) und der zweiten Regelgröße (R2) bereitzustellen.
2. Regelvorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Vorsteuereinrichtung (2) dazu ausgelegt ist, eine interne Regelgröße unter Verwendung des Sollwert (U_soll) für die Ausgangsspannung des Gleichspannungswandlers und dem ermittelten Wert (U_prim) der Eingangsspannung des Gleichspannungswandlers zu generieren, und die generierte interne Regelgröße mit einem vorgegebenen Faktor zu multiplizieren, wobei der vorgegebene Faktor in Abhängigkeit von dem ermittelten Wert (l_DC) des elektrischen Stroms in den Gleichspannungswandler angepasst wird.
3. Regelvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Vorsteuereinrichtung (2) dazu ausgelegt ist, die Regeldynamik für das Generieren der zweiten Regelgröße (R2) zu verringern, wenn der ermittelte Wert (l_DC) für den elektrischen Strom in den Gleichspannungswandler ansteigt.
4. Regelvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Vorsteuereinrichtung (2) dazu ausgelegt ist, die zweite Regelgröße (R2) unter Verwendung eines Übersetzungsverhältnisses eines Transformators in dem Gleichspannungswandler zu generieren.
5. Regelvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Vorsteuereinrichtung (2) dazu ausgelegt ist, die zweite Regelgröße (R2) in Abhängigkeit eines aktiven Betriebsmodus des Gleichspannungswandlers anzupassen.
6. Gleichspannungswandler, mit: einem Gleichspannungswandlermodul (4), das dazu ausgelegt ist, eine Eingangsgleichspannung in eine Ausgangsgleichspannung zu konvertieren, und einer Regelvorrichtung für den Gleichspannungswandler nach einem der Ansprüche 1 bis 5, der dazu ausgelegt ist, die Kombination (R) der ersten Regelgröße (RI) und der zweiten Regelgröße (R2) an dem Gleichspannungswandlermodul (4) bereitzustellen.
7. Gleichspannungswandler nach Anspruch 6, wobei der Gleichspannungswandler mehrere Gleichspannungswandlermodule (4) umfasst.
8. Verfahren zur Regelung eines Gleichspannungswandlers, mit den Schritten:
Erzeugen (Sl) einer ersten Regelgröße (RI) unter Verwendung eines Sollwerts (U_soll) für die Ausgangsspannung des Gleichspannungswandlers und eines ermittelten Werts (U_sek) der Ausgangsspannung des Gleichspannungswandlers;
Erzeugen (S2) einer zweiten Regelgröße (R2) unter Verwendung des Sollwerts (U_soll) für die Ausgangsspannung des Gleichspannungswandlers, eines ermittelten Werts (U_prim) der Eingangsspannung des Gleichspannungswandlers und einem ermittelten Wert (l_DC) eines elektrischen Stroms in den Gleichspannungswandler; und
Bereitstellen (S3) einer Kombination (R) der ersten Regelgröße (RI) und der zweiten Regelgröße (R2) an dem Gleichspannungswandler, wobei eine Regeldynamik für das Bestimmen der zweiten Regelgröße (R2) in Abhängigkeit des ermittelten Werts (l_DC) für den elektrischen Strom in den Gleichspannungswandler angepasst wird.
9. Verfahren nach Anspruch 8, wobei die erste Regelgröße (RI) durch einen Spannungsregler (1) erzeugt wird, und die zweite Regelgröße (R2) durch eine Vorsteuereinrichtung (2) erzeugt wird.
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