WO2023217470A1 - Versorgen eines nv-teilbordnetzes eines fahrzeugs aus dessen hv-teilbordnetz - Google Patents

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WO2023217470A1
WO2023217470A1 PCT/EP2023/059258 EP2023059258W WO2023217470A1 WO 2023217470 A1 WO2023217470 A1 WO 2023217470A1 EP 2023059258 W EP2023059258 W EP 2023059258W WO 2023217470 A1 WO2023217470 A1 WO 2023217470A1
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WO
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max
voltage
converter
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gsw2
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PCT/EP2023/059258
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Inventor
Martin Baumann
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Bayerische Motoren Werke Aktiengesellschaft
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    • 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
    • H02M3/00—Conversion of dc power input into dc power output
    • H02M3/22—Conversion of dc power input into dc power output with intermediate conversion into ac
    • H02M3/24—Conversion of dc power input into dc power output with intermediate conversion into ac by static converters
    • H02M3/28—Conversion of dc power input into dc power output with intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode to produce the intermediate ac
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60R—VEHICLES, VEHICLE FITTINGS, OR VEHICLE PARTS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B60R16/00—Electric or fluid circuits specially adapted for vehicles and not otherwise provided for; Arrangement of elements of electric or fluid circuits specially adapted for vehicles and not otherwise provided for
    • B60R16/02—Electric or fluid circuits specially adapted for vehicles and not otherwise provided for; Arrangement of elements of electric or fluid circuits specially adapted for vehicles and not otherwise provided for electric constitutive elements
    • B60R16/03—Electric or fluid circuits specially adapted for vehicles and not otherwise provided for; Arrangement of elements of electric or fluid circuits specially adapted for vehicles and not otherwise provided for electric constitutive elements for supply of electrical power to vehicle subsystems or for

Definitions

  • the invention relates to a method for supplying a LV sub-board network of a vehicle from its HV sub-board network via at least one galvanically isolated DC-DC converter.
  • the invention also relates to a vehicle having an on-board energy network with a HV sub-board network and a LV sub-board network, to which at least one galvanically isolated DC-DC converter is interposed, the vehicle being set up to carry out the method.
  • the invention is particularly advantageously applicable to electric vehicles.
  • VMC Double Integral Sliding Mode Control
  • the task is solved by a method for supplying a LV sub-board network of a vehicle from its HV sub-board network via at least one galvanic separate DC-DC converter with an adjustable value of current saturation, lout, max, at which the DC-DC converter is connected
  • V .th an auxiliary voltage, V .th, which lies between a nominal voltage, Vj n ,nom, of the HV sub-board network and a predetermined minimum input voltage, Vj n ,min, is determined
  • the current saturation is calculated based on the previously determined input power and is set instead of a standard current saturation value
  • This method has the advantage that the supply of the low-voltage on-board energy network can be provided even with a power-limited source (e.g. an aged high-voltage battery, an increased impedance of the HV sub-vehicle network, etc.). This is achieved by adapting the current saturation l ou t,max using a hysteresis depending on the determined input power. This means that even with a small HV-side input voltage Vj n at the DC-DC converter, the LV sub-board network can be supplied with a small voltage.
  • a power-limited source e.g. an aged high-voltage battery, an increased impedance of the HV sub-vehicle network, etc.
  • the low-voltage (“LV”) partial on-board electrical system has a nominal on-board electrical system voltage that is lower than the nominal on-board electrical system voltage Vj n ,nom of the high-voltage (“HV”) partial on-board electrical system.
  • the galvanically isolated DC-DC converter is a DC-DC converter whose input side, which is connected to the HV sub-board network, is galvanically isolated from the output side connected to the LV sub-board network.
  • the galvanic isolation can be implemented in a generally known manner by opposing coils on the input and output sides with respective numbers of turns. A number of turns ratio n is therefore given for the DC-DC converter.
  • the input voltage Vj n present on the input side can be measured by the DC-DC converter itself.
  • the vehicle can be, for example, a motor vehicle with an internal combustion engine, a plug-in hybrid vehicle, PHEV, or a fully electric vehicle, BEV.
  • the vehicle may be a passenger car, truck, motorcycle, aircraft (plane, helicopter, etc.), watercraft (boat, ship, etc.), or a combination thereof.
  • the current saturation l ou t,max corresponds in particular to the current value that can be fed into the LV sub-board network from the respective DC-DC converter on the output side.
  • the value of the current saturation l ou t,max can be set in particular by means of the DC-DC converter itself.
  • the standard value can, for example, correspond to the maximum current value that can be output due to the design.
  • the input power Pj n can also be calculated using the relationship Vout • lout with or without taking into account the power loss of the DC-DC converter.
  • the fact that the DC-DC converter switches off includes, in particular, that it switches off its converter functionality and therefore does not output a signal on the output side.
  • Analog includes that the DC-DC converter switches on, in particular that it switches on its converter functionality.
  • the LV sub-board network is supplied from the HV sub-board network by means of several DC-DC converters.
  • This has the advantage that comparatively simple and inexpensive DC-DC converters can be used and, in addition, a particularly high level of reliability and thus security of supply for the LV sub-board network is achieved.
  • the method is particularly advantageous for this embodiment because it prevents circulating currents between the distributed DC-DC converters or at least noticeably reduces their effects. Otherwise, these circulating currents lead to losses and can also damage the DC-DC converters.
  • the input voltages Vj n at the nodes of the individual DC-DC converters can be different or the total power of DC-DC converters distributed throughout the vehicle can exceed the supply power of the HV partial on-board network.
  • a DC-DC converter can switch off when V n falls below j n ,min. This DC-DC converter switches on again immediately when V n reaches the value Vm.min again.
  • the connected DC-DC converter then supplies the LV sub-board network again, and the available system power of the HV sub-board network is exceeded. This would then be switched off and on again without any further measures, which with further repetitions would lead to a heavy load on the electronics of the DC-DC converters, which in the worst case could even be damaged. This strain on the electronics is avoided by adjusting the current saturation value as described above.
  • the above procedure is carried out independently for each of the DC-DC converters. This is advantageous because the input voltages n of the individual DC-DC converters can be different, for example when transients occur. It is a further development that the input voltage Vin applied to the DC-DC converters is determined individually for each of the DC-DC converters. This also results in the DC-DC converters being switched on and off individually.
  • the (control) reference voltage corresponds in particular to a target controlled variable of the DC-DC converter at its output-side terminals. It can be set on the vehicle and, for example, adapted to different requirement scenarios. It can generally be higher, lower or equal to the nominal voltage of the LV partial electrical system.
  • the reference voltage V ou t,ref is exchanged between the DC-DC converters on a data line, in particular on a CAN bus. This results in the advantage of a simple adjustment of the reference voltage V ou t,ref via several converters and can also be implemented in practice, for example, because this adjustment is not time-critical within typical transmission times of a bus.
  • the DC-DC converter is a synchronous rectifier. This has the advantage that comparatively low losses occur.
  • This type of rectifier typically does not use components that inherently only allow current to flow in one direction; Instead, MOSFETs are often used, which are controlled by the control electronics of the DC-DC converter so that they act like semiconductor diodes with a very low forward voltage.
  • the synchronous rectifier is a push-pull flux converter with full bridge control. It is an embodiment that the synchronous rectifier is a phase shifter full-bridge DC-DC converter. Such a converter is particularly suitable for higher power classes up to several kilowatts.
  • the rectifier can in particular be constructed analogously to the rectifier described in Fig.1(a) of the article "Deadzone Compensated Double Integral Sliding Mode Control for Distributed Converters".
  • the nominal voltage Vm.nom of the HV sub-board network is between 48 V and 1000 V. It is an embodiment that the nominal voltage VNv.nom of the LV sub-board network is between 12 V and 60 V.
  • the object is also achieved by a vehicle having an on-board energy network with a HV sub-board network and a LV sub-board network, to which at least one galvanically isolated DC-DC converter is interposed, the vehicle being set up to carry out the method as described above.
  • the vehicle can can be designed analogously to the method, and vice versa, and has the same advantages.
  • the vehicle can be a partially or fully electrically powered electric vehicle, for example a plug-in hybrid vehicle or battery-electric vehicle.
  • Fig.1 shows a sketch of a section of an on-board energy network of a vehicle
  • Fig.2 shows a possible sequence of the method according to the invention.
  • Fig. 1 shows a sketch of a section of an on-board energy network EBN of a vehicle F.
  • the on-board energy network EBN has a NV sub-board network NVN, which can be supplied from a HV sub-board network HVN via several galvanically isolated DC-DC converters GSW1, GSW2, GSW3.
  • the DC-DC converters GSW1, GSW2, GSW3 convert a higher voltage Vj n of the HV sub-system HVN into a lower voltage V out ,ref.
  • a respective output voltage V out of the DC-DC converters GSW1, GSW2, GSW3 is applied to a wiring harness KB of the NV sub-board network NVN, optionally via respective resistors Z, which can be the same or different.
  • the DC-DC converters GSW1, GSW2, GSW3 are connected to a communication channel of the vehicle F, here for example a CAN bus CAN, and can communicate with one another via this.
  • the DC-DC converters GSW1, GSW2, GSW3 can be present in a master-slave arrangement, with, for example, the DC-DC converter GSW1 being used as a master and the DC-DC converters GSW2, GSW3 being used as slaves.
  • a desired value of the reference voltage V ou t,ref of the LV sub-board network can be communicated, for example, via the CAN bus CAN and the DC-DC converters GSW1, GSW2, GSW3.
  • Fig. 2 shows a possible sequence of a method for supplying the LV sub-board network NVN from the HV sub-board network HVN based on an adaptation of one of the DC-DC converters GSW1, GSW2 or GSW3. The following applies:
  • the nominal voltage Vj n ,nom of the HV sub-board network HVN is greater than the nominal voltage of the LV sub-board network NVN;
  • an auxiliary voltage Vj n ,th has been specified, which lies between the nominal voltage n.nom of the HV sub-board network HVN and the specified minimum input voltage Vj n ,min of the HV sub-board network HVN,
  • Vj n ,nom 48 V
  • Vj n ,th 40 V
  • Vin.min — n ⁇ Vhiv.nom — 12 V 36 V.
  • the input voltage Vj n is initially above the auxiliary voltage n ,th of 40 V.
  • step S1 a query is made in step S1 as to whether the input voltage Vj n is smaller than the auxiliary voltage n ,th. This is usually not the case in a healthy HV sub-board network HVN without transients ("N"), and in a step S2 it is then asked whether the input voltage Vj n is smaller than the nominal voltage Vjn.nom of the HV sub-board network HVN of 48 V is. If this is the case (“Y”), the system branches back to step S1.
  • step S1 if it is determined in step S1 that the input voltage Vj n is smaller than the auxiliary voltage Vjn, th ("J"), i.e. Vjn ⁇ Vjn, th, a query is made in a step S4 as to whether the current saturation l ou t,max is up the performance-adjusted value l ou t,max i red is set. If this is not the case ("N") and the current saturation l ou t,max is still at the standard value l out,max i def, the process branches to step S5.
  • step S6 Typically l ou t,max
  • the next step is to step S6.
  • step S4 if the answer to step S4 is positive ("Y"), meaning that the current saturation l ou t,max is already set to a power-adjusted value l ou t,max i red, the system branches directly to step S6.
  • This procedure therefore means that the power-adjusted current saturation value lout, max i red is maintained unchanged after it has been set until it is reset to the standard value l out , max i det.
  • step S6 it is checked whether the input voltage j n is even smaller than the minimum input voltage j n ,min, i.e. whether j n ⁇ Vm.min applies.
  • step S7 the DC-DC converter GSW1, GSW2 or GSW3 under consideration is switched off individually in step S7, which is indicated by the switching state "OFF".
  • step S6 After switching off, the system branches back to step S6 and the associated query is carried out again.
  • the DC-DC converter GSW1, GSW2 or GSW3 under consideration remains switched off until the input voltage j n becomes greater than or equal to the minimum input voltage j n ,min ("N").
  • the process branches to step S8.
  • step S8 the DC-DC converter GSW1, GSW2 or GSW3 under consideration remains or is switched on, and the system branches back to step S1. If the value of the input voltage Vj n in step S1 is still smaller than the auxiliary voltage Vin.th ("J"), the process branches back to step S4. Since the power-adjusted current saturation value l out ,max i red is still set, the process branches directly from step S4 ("Y") to step S6.
  • step S1 if the value of the input voltage Vj n in step S1 is now greater than or equal to the auxiliary voltage Vm.th ("N"), a query is made again in step S2 as to whether the input voltage Vj n is smaller than the nominal voltage Vj n ,nom of the HV partial electrical system HVN is. If this is the case ("J"), the current power-adjusted current saturation value l ou t,max
  • the conditions “less than or equal to” or “greater” can be queried instead of the conditions “less than” or “greater than or equal to”.
  • a numerical statement can also include exactly the number specified as well as a usual tolerance range, as long as this is not explicitly excluded. Reference symbol list
  • HVN HV sub-board network HVN lout max current saturation lout, max i det Standard value of the current saturation lout, max i red Performance-adjusted value of the current saturation n number of turns ratio
  • Vn Measured input voltage n.min Minimum input voltage n.nom Nominal voltage of the HV sub-board network out.ret Reference voltage

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  • Power Engineering (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Dc-Dc Converters (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren (S1-S8) zum Versorgen eines NV-Teilbordnetzes (NVN) eines Fahrzeugs aus dessen HV-Teilbordnetz (HVN) über mindestens einen galvanisch getrennten Gleichspannungswandler (GSW1, GSW2, GSW3) mit einem einstellbaren Wert (Iout,max | def, Iout,max | red) der Stromsättigung (Iout,max), bei dem an dem Gleichspannungswandler (GSW1, GSW2, GSW3) eine Hilfsspannung (Vin,th), die zwischen einer Nominalspannung (Vin,nom) des HV-Teilbordnetzes (HVN) und einer vorgegebenen minimalen Eingangsspannung (Vin,min) liegt, festgelegt wird (S0), dann, wenn eine an dem Gleichspannungswandler gemessene Eingangsspannung (Vin) unter den Wert der Hilfsspannung (Vin,th) fällt (S1), eine zugehörige Eingangsleistung (Pin) bestimmt wird (S5), ein leistungsangepasster Wert (Iout,max | red) der Stromsättigung (Iout,max) anhand der zuvor bestimmten Eingangsleistung (Pin) berechnet und anstelle eines Standardwerts (Iout,max | def) der Stromsättigung (Iout,max) eingestellt wird (S5) und erst dann, wenn die Eingangsspannung (Vin) die Nominalspannung (Vin,nom) des HV-Teilbordnetzes (HVN) wieder erreicht (S2), die Stromsättigung (Iout,max) auf den Standardwert (Iout,max | def) zurückgestellt wird (S3).

Description

Versorgen eines NV-Teilbordnetzes eines Fahrzeugs aus dessen HV-Teil bord netz
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Versorgen eines NV-Teilbordnetzes eines Fahrzeugs aus dessen HV-Teilbordnetz über mindestens einen galvanisch getrennten Gleichspannungswandler. Die Erfindung betrifft auch ein Fahrzeug, aufweisend ein Energiebordnetz mit einem HV-Teilbordnetz und einem NV-Teilbordnetz, denen mindestens ein galvanisch getrennter Gleichspannungswandler zwischengeschaltet ist, wobei das Fahrzeug dazu eingerichtet ist, das Verfahren durchzuführen. Die Erfindung ist insbesondere vorteilhaft anwendbar auf Elektrofahrzeuge.
M. Baumann, Yue Sun, Bert Haj Ali, C. Weissinger, H. Herzog: "Deadzone Compensated Double Integral Sliding Mode Control for Distributed Converters", IEEE Transportation Electrification Conference & Expo (ITEC), 21. - 25. Juni 2021 offenbart ein Entwurfsverfahren für eine sog. "Double Integral Sliding Mode Control" (DISMC), das auf von Abwärtswandlern abgeleitete Topologien angewendet wird. Die auf der sog. "Voltage Mode Control", VMC, basierende Regelstrategie wird um eine totzonenkompensierte Stromregelung erweitert, um Fehlerzustände wie Kurzschlüsse zu stabilisieren. Ein Regelungskonzept für dezentrale Stromrichter wird abgeleitet und durch prüfstandsbasierte Messungen verifiziert. DISMC wird an einem prototypischen 1-kW-Wandler validiert und mit branchenüblichen Pl-basierten Steuerungsdesigns verglichen. Sowohl die Einschwingzeit als auch die Überschwingamplituden können um bis zu 67 % bzw. 35 % reduziert werden.
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die Nachteile des Standes der Technik zumindest teilweise zu überwinden und insbesondere eine sicherere Versorgung eines NV-Teilbordnetzes ohne chemischen NV-Speicher aus einem HV-Teilbordnetz eines Fahrzeugs bereitzustellen bereitzustellen.
Diese Aufgabe wird gemäß den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen sind insbesondere den abhängigen Ansprüchen entnehmbar.
Die Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zum Versorgen eines NV-Teilbordnetzes eines Fahrzeugs aus dessen HV-Teilbordnetz über mindestens einen galvanisch getrennten Gleichspannungswandler mit einem einstellbaren Wert der Strom Sättigung, lout, max, bei dem an dem Gleichspannungswandler ein
- eine Hilfsspannung, V .th, die zwischen einer Nominalspannung, Vjn,nom, des HV- Teilbordnetzes und einer vorgegebenen minimalen Eingangsspannung, Vjn,min, liegt, festgelegt wird,
- dann, wenn eine an dem Gleichspannungswandler gemessene Eingangsspannung, Vin, unter den Wert der Hilfsspannung Vm.th fällt, eine Eingangsleistung, Pin, an dem Gleichspannungswandler bestimmt wird und
- ein "leistungsangepasster" Wert, lout,max i red, der Strom Sättigung anhand der zuvor bestimmten Eingangsleistung berechnet und anstelle eines Standardwerts der Stromsättigung eingestellt wird, und
- erst dann, wenn die Eingangsspannung Vjn die Nominalspannung Vjn,nom des HV- Teilbordnetzes wieder erreicht, die Stromsättigung lout,max auf den Default- oder Standardwert lout,max i def zurückgestellt wird.
Dieses Verfahren ergibt den Vorteil, dass die Versorgung des Niedervolt-Energiebordnetzes auch bei einer leistungslimitierten Quelle (bspw. einer gealterten Hochvoltbatterie, einer erhöhten Impedanz des HV-Teilbordnetzes, usw.) bereitgestellt werden kann. Dies wird dadurch erreicht, dass eine Anpassung der Strom Sättigung lout,max anhand einer Hysterese in Abhängigkeit der ermittelten Eingangsleistung erfolgt. Dadurch kann auch bei einer kleinen HV-seitigen Eingangsspannung Vjn an dem Gleichspannungswandler die Versorgung des NV-Teilbordnetzes mit einer kleinen Spannung erreicht werden kann.
Das Niedrigvolt ("NV")-Teilbordnetz weist eine nominale Bordnetzspannung auf, die geringer ist als die nominale Bordnetzspannung Vjn,nom des Hochvolt ("HV")-Teilbordnetzes.
Der galvanisch getrennte Gleichspannungswandler ist ein Gleichspannungswandler, bei dem dessen an das HV-Teilbordnetz angeschlossene Eingangsseite galvanisch von der an das NV-Teilbordnetz angeschlossenen Ausgangsseite getrennt ist. Die galvanische Trennung kann auf grundsätzlich bekannte Weise durch gegenüberliegende eingangs- und ausgangsseitige Spulen mit jeweiligen Windungszahlen umgesetzt sein. Für den Gleichspannungswandler ist somit ein Windungszahlverhältnis n gegeben. Die an der Eingangsseite anliegende Eingangsspannung Vjn kann durch den Gleichspannungswandler selbst gemessen werden. Das Fahrzeug kann beispielsweise ein Kraftwagen mit Verbrennungsmotor, ein Plug-In- Hybridfahrzeug, PHEV, oder ein vollelektrisch betriebenes Fahrzeug, BEV, sein. Das Fahrzeug ein Personenwagen, Lastwagen, Motorrad, Luftfahrzeug (Flugzeug, Helikopter, usw.), Wasserfahrzeug (Boot, Schiff usw.) oder eine Kombination daraus sein.
Die Stromsättigung lout,max entspricht insbesondere demjenigen Stromwert, der von dem jeweiligen Gleichspannungswandler ausgangsseitig in das NV-Teilbordnetz einspeisbar ist. Der Wert der Stromsättigung lout,max ist insbesondere mittels des Gleichspannungswandlers selbst einstellbar ist. Der Standardwert kann beispielsweise dem bauartbedingt maximal ausgebbaren Stromwert entsprechen.
Es gilt insbesondere in,nom > Vin,th > in,min.
Dass dann, wenn die Eingangsspannung jn unter den Wert der Hilfsspannung Vm.th fällt, die Eingangsleistung Pjn an dem Gleichspannungswandler bestimmt wird, ein neuer, "leistungsangepasster" Stromsättigungswert lout,max | red berechnet und anstelle des Standard-Stromsättigungswerts lout, max i def eingestellt wird, umfasst insbesondere, dass in diesem Szenario, das typischerweise gegeben ist, wenn keine Transienten vorliegen, zunächst gilt und ferner l out,max = lout, max i def gilt. Erst wenn, z.B. beim Auftreten einer T ransiente, jn unter den Wert der Hilfsspannung n,th fällt, wird lout,max auf lout,max i red umgeschaltet, wobei lout,max | red von der zum Erkennungszeitpunkt des Unterschreitens vorliegenden Eingangsspannung Pjn abhängt und typischerweise kleiner als lout,max | def ist, also l out, max i red (Pin) < lout, max i def gilt. Der Gleichspannungswandler führt dann zu einer kleineren Belastung des HV-Teilbordnetzes. Dass die Eingangsspannung V;n unter den Wert der Hilfsspannung Vjn,th fällt, kann - je nach Auslegung - der Beziehung V;n < n,th oder der Beziehung V;n < n,th entsprechen.
Dass die Stromsättigung lout,max erst dann auf den Standardwert lout,max i det zurückgestellt wird, wenn die Eingangsspannung jn die Nominalspannung Vm.nom des HV-Teilbordnetzes wieder erreicht, entspricht einer Hysterese des Werts der Strom Sättigung lout,max im Bereich zwischen Vjn,th und Vjn,nom. Liegt somit die Eingangsspannung Vjn zwischen Vjn,th und n, max, bleibt der aktuelle Wert für lout,max erhalten. Dass die Eingangsspannung Vjn die Nominalspannung Vjn,nom des HV-Teilbordnetzes wieder erreicht, kann - je nach Auslegung - der Beziehung Vjn > Vjn,nom oder der Beziehung Vjn > Vjn,nom entsprechen.
Es ist eine Weiterbildung, dass die Eingangsleistung Pjn = Vjn • n mit lin dem an der Eingangsseite durch den Gleichspannungswandler fließenden elektrischen Strom berechnet wird. Diese Eingangsleistung entspricht unter Vernachlässigung der Verlustleistung des Gleichspannungswandlers der Ausgangsleistung Vout • lout an der Ausgangsseite des Gleichspannungswandlers. Die Eingangsleistung Pjn kann also auch anhand der Beziehung Vout • lout mit oder ohne Berücksichtigung der Verlustleistung des Gleichspannungswandlers berechnet werden.
Es ist eine Ausgestaltung, dass dann, wenn die Eingangsspannung Vjn unter die vorgegebene minimale Eingangsspannung Vjn,min fällt (d.h., je nach Umsetzung , Vjn < Vjn,min oder n < Vjn,min gilt), sich der Gleichspannungswandler abschaltet und dann, wenn die Eingangsspannung Vjn die minimale Eingangsspannung Vjn,min wieder erreicht (d.h., je nach Umsetzung , Vjn > Vjn,min bzw. Vjn > Vjn,min gilt), sich der Gleichspannungswandler wieder einschaltet. Dass sich der
Dass sich der Gleichspannungswandler abschaltet, umfasst insbesondere, dass er seine Wandlerfunktionalität abschaltet und also ausgangsseitig kein Signal ausgibt. Analog umfasst, dass sich der Gleichspannungswandler einschaltet, insbesondere, dass er seine Wandlerfunktionalität einschaltet. Andere Funktionen und/oder Komponenten des Gleichspannungswandlers wie sein Überwachen der Eingangsspannung, das Erkennen eines Erreichens verschiedener Schwellwerte und folgendes Reagieren (z.B. das Ab- und Einschalten der Wandlerfunktionalität) bleiben davon insbesondere unberührt.
Es ist eine Ausgestaltung, dass das NV-Teilbordnetz mittels mehrerer Gleichspannungswandler aus dem HV-Teilbordnetz versorgt wird. Dies ergibt den Vorteil, dass vergleichsweise einfache und preiswerte Gleichspannungswandler einsetzbar sind und zudem eine besonders hohe Ausfallsicherheit und damit Versorgungssicherheit der Versorgung des NV-Teilbordnetzes erreicht wird. Das Verfahren ist für diese Ausgestaltung besonders vorteilhaft, weil es Kreisströme zwischen den verteilten Gleichspannungswandler verhindert oder zumindest deren Auswirkungen merklich reduziert. Diese Kreisströme führen ansonsten zu Verlusten und können außerdem die Gleichspannungswandler schädigen. Denn während einer transienten Belastung können die Eingangsspannungen Vjn an den Knoten der einzelnen Gleichspannungswandler unterschiedlich bzw. kann die Summenleistung von verteilt im Fahrzeug angeordneten Gleichspannungswandler die Versorgungsleistung des HV-Teilbordnetzes übersteigen. In dem letztgenannten Fall kann sich dann ein Gleichspannungswandler abschalten, wenn Vn unter jn,min fällt. Dieser Gleichspannungswandler schaltet sich unmittelbar folgend wieder ein, wenn Vn den Wert Vm.min wieder erreicht. Der zugeschaltete Gleichspannungswandler versorgt dann wieder das NV-Teilbordnetz, und die verfügbare Systemleistung des HV-Teilbordnetz wird überschritten. Es würde dann ohne weitere Maßnahmen ein erneutes Ab- und Zuschalten folgen, das mit weiteren Wiederholungen zu einer starken Belastung der Elektronik der Gleichspannungswandler führt, die im schlimmsten Fall sogar Schaden nehmen können. Diese Belastung der Elektronik wird durch die oben beschriebene Anpassung des Stromsättigungswerts vermieden.
Es ist eine Weiterbildung, dass das obige Verfahren für jeden der Gleichspannungswandler eigenständig durchgeführt wird. Dies ist vorteilhaft, da die Eingangsspannungen n der einzelnen Gleichspannungswandler unterschiedlich sein können, beispielsweise bei Auftreten von Transienten. Es ist eine Weiterbildung, dass die an den Gleichspannungswandlern anliegende Eingangsspannung Vin für jeden der Gleichspannungswandler individuell bestimmt wird. Dadurch ergibt sich auch ein individuelles Einschalten und Ausschalten der Gleichspannungswandler.
Es ist eine Ausgestaltung, dass die minimale Eingangsspannung Vjn,min gemäß n.min = n • Vout,ref mit n einem Windungszahlverhältnis des Gleichspannungswandlers und Vout.ref einer Regelreferenzspannung berechnet wird. Die (Regel-) Referenzspannung entspricht insbesondere einer Zielregelgröße des Gleichspannungswandlers an seinen ausgangsseitigen Klemmen. Sie kann fahrzeugseitig eingestellt werden und so z.B. an verschiedene Anforderungsszenarien angepasst werden. Sie kann allgemein höher, niedriger oder gleich der Nominalspannung des NV-Teilbordnetzes sein.
Es ist eine Ausgestaltung, dass die Referenzspannung Vout,ref auf einer Datenleitung, insbesondere auf einem CAN-Bus, zwischen den Gleichspannungswandlern ausgetauscht wird. Dies ergibt den Vorteil einer einfachen Anpassung der Referenzspannung Vout,ref über mehrere Wandler und ist beispielsweise auch deshalb praktisch umsetzbar, weil diese Anpassung innerhalb typischer Übertragungszeiten eines Busses nicht zeitkritisch ist.
Es ist eine Ausgestaltung, dass der leistungsangepasste Stromsättigungswert lout,max | red gemäß lOut,max i red = Pjn • n / Vin.th berechnet wird.
Es ist eine Ausgestaltung, dass der Gleichspannungswandler ein Synchrongleichrichter ist. Dies ergibt den Vorteil, dass vergleichsweise geringe Verluste auftreten. Bei dieser Art von Gleichrichtern werden typischerweise keine Bauteile verwendet, die von sich aus einen Stromfluss nur in eine Richtung zulassen; stattdessen werden häufig MOSFETs verwendet, die durch eine Ansteuerelektronik des Gleichspannungswandlers so gesteuert werden, dass sie wie Halbleiterdioden mit sehr kleiner Durchlassspannung wirken.
Es ist eine Weiterbildung, dass der Synchrongleichrichter ein Gegentaktflusswandler mit Vollbrückenansteuerung ist. Es ist eine Ausgestaltung, dass der Synchrongleichrichter ein Phasenschieber-Vollbrücken-Gleichspannungswandler ist. Ein solcher Wandler eignet sich besonders gut für auch bei höheren Leistungsklassen bis hin zu mehreren Kilowatt.
Der Gleichrichter kann insbesondere analog zu dem in Fig.1(a) des Artikels "Deadzone Compensated Double Integral Sliding Mode Control for Distributed Converters" beschriebenen Gleichrichter aufgebaut sein.
Es ist eine Ausgestaltung, dass die Nominalspannung Vm.nom des HV-Teilbordnetzes zwischen 48 V und 1000 V liegt. Es ist eine Ausgestaltung, dass die Nominalspannung VNv.nom des NV-Teilbordnetzes zwischen 12 V und 60 V liegt. Dabei gilt allgemein, dass die Nominalspannung des HV-Teilbordnetzes größer ist als die Nominalspannung des HV-Teilbordnetzes. Mögliche Beispiele umfassen Vjn,nom = 48 V, 60 V oder 120 V und V iv.nom = 12 V; Vjn.nom = 120 V, 400 V oder 800 V und VNv.nom = 48 V oder 60 V; usw.
Die Aufgabe wird auch gelöst durch ein Fahrzeug, aufweisend ein Energiebordnetz mit einem HV-Teilbordnetz und einem NV-Teilbordnetz, denen mindestens ein galvanisch getrennter Gleichspannungswandler zwischengeschaltet ist, wobei das Fahrzeug dazu eingerichtet ist, das Verfahren wie oben beschrieben durchzuführen. Das Fahrzeug kann analog zu dem Verfahren ausgebildet werden, und umgekehrt, und weist die gleichen Vorteile auf.
So kann das Fahrzeug in einer Ausgestaltung ein teil- oder vollelektrisch angetriebenes Elektrofahrzeug sein, z.B. ein Plug-In-Hybridfahrzeug bzw. Batterieelektrisches Fahrzeug.
Die oben beschriebenen Eigenschaften, Merkmale und Vorteile dieser Erfindung sowie die Art und Weise, wie diese erreicht werden, werden klarer und deutlicher verständlich im Zusammenhang mit der folgenden schematischen Beschreibung eines Ausführungsbeispiels, das im Zusammenhang mit den Zeichnungen näher erläutert wird.
Fig.1 zeigt eine Skizze eines Ausschnitts eines Energiebordnetzes eines Fahrzeugs; und
Fig.2 zeigt einen möglichen Ablauf des erfindungsgemäßen Verfahrens.
Fig.1 zeigt eine Skizze eines Ausschnitts eines Energiebordnetzes EBN eines Fahrzeugs F. Das Energiebordnetz EBN weist ein NV-Teilbordnetz NVN, das aus einem HV- Teilbordnetz HVN über hier mehrere galvanisch getrennte Gleichspannungswandler GSW1 , GSW2, GSW3 versorgbar ist. Die Gleichspannungswandler GSW1 , GSW2, GSW3 wandeln eine höhere Spannung Vjn des HV-Teilbordnetzes HVN in eine niedrigere Spannung Vout,ref um. Eine jeweilige Ausgangsspannung Vout der Gleichspannungswandler GSW1 , GSW2, GSW3 wird an einen Kabelbaum KB des NV-Teilbordnetzes NVN angelegt, optional über jeweilige Widerstände Z, die gleich oder unterschiedlich sein können.
Die Gleichspannungswandler GSW1 , GSW2, GSW3 sind an einen Kommunikationskanal des Fahrzeugs F, hier z.B. einen CAN-Bus CAN, angeschlossen und können darüber miteinander kommunizieren. Insbesondere können die Gleichspannungswandler GSW1 , GSW2, GSW3 in einer Master-Slave-Anordnung vorliegen, wobei z.B. der Gleichspannungswandler GSW1 als Master verwendet wird und die Gleichspannungswandler GSW2, GSW3 als Slaves eingesetzt werden. Ein gewünschter Wert der Referenzspannung Vout,ref des NV-Teilbordnetzes kann z.B. über den CAN-Bus CAN and die Gleichspannungswandler GSW1 , GSW2, GSW3 kommuniziert werden.
Fig.2 zeigt einen möglichen Ablauf eines Verfahrens zum Versorgen des NV- Teilbordnetzes NVN aus dem HV-Teilbordnetz HVN anhand einer Anpassung eines der Gleichspannungswandler GSW1 , GSW2 bzw. GSW3. Dabei gilt, dass
- die Nominalspannung Vjn,nom des HV-Teilbordnetzes HVN größer ist als die Nominalspannung des NV-Teilbordnetzes NVN;
- es ist eine Hilfsspannung Vjn,th vorgegeben worden, die zwischen der Nominalspannung n.nom des HV-Teilbordnetzes HVN und der vorgegebenen minimalen Eingangsspannung Vjn,min des HV-Teilbordnetzes HVN liegt,
- ein Standard- oder Default-Wert der Stromsättigung lout,max liegt bei lout,max i def.
Vorliegend werden zur weiteren Beschreibung des Verfahrens rein beispielhaft folgende Werte angenommen: Vjn,nom = 48 V, Vjn,th = 40 V, VNv.nom und Vout,ref = 12 V und n = 3. Daraus folgt, dass Vin.min — n ■ Vhiv.nom — 12 V = 36 V beträgt. Es gilt auch n.nom > n,th > n.min. Ferner sei angenommen, dass zu Beginn des Verfahrens in Schritt SO keine Transienten oder andere Störungen vorliegen und die Gleichspannungswandler GSW1 , GSW2, GSW3 angeschaltet sind, was durch deren Zustand "ON" beschrieben wird. Die Eingangsspannung Vjn liegt anfänglich über der Hilfsspannung n,th von 40 V.
Nach Beginn des Verfahrens in Schritt SO wird in einem Schritt S1 abgefragt, ob die Eingangsspannung Vjn kleiner als die Hilfsspannung n,th ist. Dies ist in einem gesunden HV-Teilbordnetz HVN ohne Transienten üblicherweise nicht der Fall ("N"), wobei dann in einem Schritt S2 angefragt wird, ob die Eingangsspannung Vjn kleiner als die Nominalspannung Vjn.nom des HV-Teilbordnetzes HVN von 48 V ist. Ist dies der Fall ("J") wird zu Schritt S1 zurückverzweigt.
Wird in Schritt S1 jedoch festgestellt, dass die Eingangsspannung Vjn kleiner als die Hilfsspannung Vjn, th ist ("J"), also Vjn < Vjn, th gilt, wird in einem Schritt S4 abgefragt, ob die Stromsättigung lout,max auf den leistungsangepassten Wert lout,max i red gesetzt ist. Ist dies nicht der Fall ("N") und befindet sich die Stromsättigung lout,max also noch auf dem Standardwert lout,max i def, wird zu Schritt S5 verzweigt. In Schritt S5 wird eine aktuell vorliegende Eingangsleistung Pjn = Vjn ■ an der Eingangsseite des Gleichspannungswandlers GSW1 , GSW2, GSW3 berechnet und daraus ein leistungsangepasster Stromsättigungswert lout,max = lout, max i red := (n ■ Pin) I Vm.th, welcher nun anstelle des Standardwerts lout, max i det an diesem Gleichspannungswandler GSW1 , GSW2, GSW3 eingestellt wird. Dabei gilt typischerweise lout,max | red < lout, max i det, so dass ein maximaler Leistungsübertrag von dem HV-Teilbordnetz HVN auf das NV-Teilbordnetz NVN über den Gleichspannungswandler GSW1 , GSW2 bzw. GSW3 und damit auch insgesamt abgesenkt wird. Folgend wird zu Schritt S6 übergeleitet.
Wird Schritt S4 jedoch positiv beantwortet ("J"), d.h., dass die Stromsättigung lout,max bereits auf einen leistungsangepassten Wert lout,max i red eingestellt ist, wird direkt zu Schritt S6 verzweigt. Dieses Vorgehen umfasst also, dass der leistungsangepasste Stromsättigungswert lout, max i red nach seinem Einstellen so lange unverändert beibehalten wird, bis wieder auf den Standardwert lout,max i det zurückgestellt wird.
Folgend wird in Schritt S6 überprüft, ob die Eingangsspannung jn sogar kleiner als die minimale Eingangsspannung jn,min ist, also ob jn < Vm.min gilt.
Ist dies der Fall ("J") , wird der betrachtete Gleichspannungswandler GSW1 , GSW2 oder GSW3 in Schritt S7 individuell ausgeschaltet, was durch den Schaltzustand "OFF" angedeutet ist.
Nach dem Ausschalten wird zu Schritt S6 zurückverzweigt und die damit verbundene Anfrage erneut durchgeführt. Dadurch bleibt der betrachtete Gleichspannungswandler GSW1 , GSW2 oder GSW3 so lange ausgeschaltet, bis die Eingangsspannung jn wieder größer oder gleich der minimalen Eingangsspannung jn,min wird ("N"). In diesem Fall oder wenn schon bei der ersten Abfrage in Schritt S6 festgestellt wurde, dass die Eingangsspannung jn größer oder gleich der minimalen Eingangsspannung jn,min ist, wird zu Schritt S8 verzweigt.
In Schritt S8 bleiben oder wird der betrachtete Gleichspannungswandler GSW1 , GSW2 oder GSW3 angeschaltet, und es wird zu Schritt S1 zurückverzweigt. Ist der Wert der Eingangsspannung Vjn in Schritt S1 weiterhin kleiner als die Hilfsspannung Vin.th ("J"), wird wieder zu Schritt S4 verzweigt. Da immer noch der leistungsangepasste Stromsättigungswert lout,max i red eingestellt ist, wird von Schritt S4 direkt ("J") zu Schritt S6 verzweigt.
Ist der Wert der Eingangsspannung Vjn in Schritt S1 aber nun größer oder gleich der Hilfsspannung Vm.th ("N"), wird in Schritt S2 erneut abgefragt, ob die Eingangsspannung Vjn kleiner als die Nominalspannung Vjn,nom des HV-Teilbordnetzes HVN ist. Ist dies der Fall ("J"), wird der aktuelle leistungsangepasste Stromsättigungswert lout,max | red beibehalten und zu Schritt S1 zurückverzweigt.
Nur wenn der Wert der Eingangsspannung Vjn die Nominalspannung Vjn,nom wieder erreicht hat ("N"), wird die Stromsättigung lout,max auf den Standardwert lout,max i def zurückgesetzt bzw. zurückgestellt.
Selbstverständlich ist die vorliegende Erfindung nicht auf das gezeigte Ausführungsbeispiel beschränkt.
So können auch nur ein Gleichspannungswandler GSW1, nur zwei Gleichspannungswandler GSW1, GSW2 oder mehr als drei Gleichspannungswandler GSW1, GSW2, GSW3 vorhanden sein.
Ferner können allgemein, und in dem Ausführungsbeispiel beispielsweise in den Schritten S1 , S2 und/oder S6, anstelle der Bedingungen "kleiner" bzw. "größer gleich" die Bedingungen "kleiner gleich" bzw. "größer" abgefragt werden.
Allgemein kann unter "ein", "eine" usw. eine Einzahl oder eine Mehrzahl verstanden werden, insbesondere im Sinne von "mindestens ein" oder "ein oder mehrere" usw., solange dies nicht explizit ausgeschlossen ist, z.B. durch den Ausdruck "genau ein" usw.
Auch kann eine Zahlenangabe genau die angegebene Zahl als auch einen üblichen Toleranzbereich umfassen, solange dies nicht explizit ausgeschlossen ist. Bezugszeichenliste
CAN CAN-Bus
EBN Energiebordnetz
F Fahrzeug
KB Kabelbaum
GSW1 Gleichspannungswandler
GSW2 Gleichspannungswandler
GSW3 Gleichspannungswandler n Eingangsseitiger Strom durch den Gleichspannungswandler
HVN HV-Teilbordnetz HVN lout, max Stromsättigung lout, max i det Standardwert der Strom Sättigung lout, max i red Leistungsangepasster Wert der Stromsättigung n Windungszahlverhältnis
NVN NV-Teilbordnetz
OFF Abgeschalteter Zustand
ON Eingeschalteter Zustand
P Eingangsleistung
S0-S8 Verfahrensschritte
Vn Gemessene Eingangsspannung n.min Minimale Eingangsspannung n.nom Nominalspannung des HV-Teilbordnetzes out.ret Referenzspannung
Vin.th Hilfsspannung

Claims

Patentansprüche Verfahren (S1 - S8) zum Versorgen eines NV-Teilbordnetzes (NVN) eines Fahrzeugs aus dessen HV-Teilbordnetz (HVN) über mindestens einen galvanisch getrennten Gleichspannungswandler (GSW1 , GSW2, GSW3) mit einem einstellbaren Wert
(lout, max i def, lout, max i red) der Stromsättigung (lout, max) , bei dem an dem Gleichspannungswandler (GSW1 , GSW2, GSW3)
- eine Hilfsspannung ( n,th), die zwischen einer Nominalspannung (Vjn,nom) des HV- Teilbordnetzes (HVN) und einer vorgegebenen minimalen Eingangsspannung ( n.min) liegt, festgelegt wird (SO),
- dann, wenn eine an dem Gleichspannungswandler (GSW1 , GSW2, GSW3) gemessene Eingangsspannung (Vjn) unter den Wert der Hilfsspannung (Vjn,th) fällt (S1), eine zugehörige Eingangsleistung (Pjn) bestimmt wird (S5),
- ein leistungsangepasster Wert (lout,max i red) der Strom Sättigung (lout,max) anhand der zuvor bestimmten Eingangsleistung (Pjn) berechnet und anstelle eines Standardwerts (lout,max | def) der Stromsättigung (lout,max) eingestellt wird (S5) und
- erst dann, wenn die Eingangsspannung (Vjn) die Nominalspannung (Vm.nom) des HV-Teilbordnetzes (HVN) wieder erreicht (S2), die Strom Sättigung (lout,max) auf den Standardwert (lout,max i def) zurückgestellt wird (S3). Verfahren (S1 - S8) nach Anspruch 1 , bei dem dann, wenn die Eingangsspannung (Vjn) unter die minimale Eingangsspannung (Vm.min) fällt (S6), sich der Gleichspannungswandler (GSW1 , GSW2, GSW3) abschaltet (S7) und dann, wenn die Eingangsspannung ( n) die minimale Eingangsspannung (Vm.min) wieder erreicht (S6), sich der Gleichspannungswandler (GSW1 , GSW2, GSW3) wieder einschaltet (S8). Verfahren (S1 - S8) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das NV- Teilbordnetz (NVN) mittels mehrerer Gleichspannungswandler (GSW1 , GSW2, GSW3) aus dem HV-Teilbordnetz (HVN) versorgt wird. Verfahren (S1 - S8) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die minimale Eingangsspannung (Vm.min) gemäß Vm.min = n • Vout,ref mit n einem Windungszahlverhältnis des Gleichspannungswandlers (GSW1 , GSW2, GSW3) und Vout,ref einer Regelreferenzspannung an der Ausgangsseite des Gleichspannungswandlers (GSW1 , GSW2, GSW3) berechnet wird. Verfahren (S1 - S8) nach einem der Ansprüche 3 bis 4, bei dem die Referenzspannung (Vout.ref) auf einer Datenleitung, insbesondere auf einem CAN-Bus (CAN), zwischen den Gleichspannungswandlern (GSW1 , GSW2, GSW3) ausgetauscht wird. Verfahren (S1 - S8) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der leistungsangepasste Stromsättigungswert (lout,max) gemäß lout,max = Pin / Vjn,th • n mit Pjn dem Wert der Eingangsleistung (Pjn) und Vjn,th dem Wert der Hilfsspannung (Vjn,th) berechnet wird. Verfahren (S1 - S8) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem mindestens ein Gleichspannungswandler (GSW1 , GSW2, GSW3) ein Synchrongleichrichter ist. Verfahren (S1 - S8) nach Anspruch 7, bei dem der Synchrongleichrichter ein Phasenschieber-Vollbrücken- Gleichspannungswandler ist. Verfahren (S1 - S8) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Nominalspannung (Vm.nom) des ersten HV-Teilbordnetzes (HVN) zwischen 48 V und 1000 V liegt. Verfahren (S1 - S8) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Nominalspannung des NV-Teilbordnetzes (NVN) zwischen 12 V und 60 V liegt. Fahrzeug (F), aufweisend ein Energiebordnetz (EBN) mit einem HV-Teilbordnetz (HVN) und einem NV-Teilbordnetz (NVN), denen mindestens ein galvanisch getrennter Gleichspannungswandler (GSW1 , GSW2, GSW3) zwischengeschaltet ist, wobei das Fahrzeug (F) dazu eingerichtet ist, das Verfahren (S1 - S8) nach einem der vorhergehenden Ansprüche durchzuführen. Fahrzeug (F) nach Anspruch 11 , wobei das Fahrzeug (F) ein Elektrofahrzeug ist.
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