DE102012201829A1

DE102012201829A1 - Verfahren zur Stromregelung in einem Gleichspannungsnetz eines Gleichspannungswandlers sowie ein Gleichspannungswandler

Info

Publication number: DE102012201829A1
Application number: DE102012201829A
Authority: DE
Inventors: Thomas Knorpp
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2011-12-14
Filing date: 2012-02-08
Publication date: 2013-06-20
Also published as: US9124179B2; US20130155725A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Regelung eines ersten Stromes (i1) in einem ersten Gleichspannungsnetz welches an einen Gleichspannungswandler (12) angeschlossen ist, wobei mittels einer Übertragungseinheit (23) des Gleichspannungswandlers (12) Energie zwischen einem ersten und einem zweiten Gleichspannungsnetz übertragen wird, wobei eine Stromregelung zur Regelung eines zweiten Stromes (i3) in dem zweiten Gleichspannungsnetz vorgesehen ist. Bei einer kostengünstigen Regelung, welche auf zusätzlichen Einsatz von Hardware verzichtet, wird aus einem ersten Stromsollwert (i1_Soll, IHv Lim) des stromregelungsfreien ersten Gleichspannungsnetzes ein zweiter Stromsollwert (i3_Soll, ILv Lim) mittels einer Übertragungsfunktion der Übertragungseinheit (23) ermittelt, welcher der Stromregelung zugeführt wird, und somit aufgrund des Übertragungsverhältnisses der Übertragungseinheit (23) ein erster Iststrom (i1, IHv Ist) des stromregelungsfreien Gleichspannungsnetzes geregelt.

Description

Stand der Technik
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Stromregelung in einem Gleichspannungsnetz eines Gleichspannungswandlers, welcher Energie zwischen zwei Gleichspannungsnetzen mit unterschiedlicher Gleichspannung überträgt, wobei die Stromregelung einen Strom in einem der Gleichspannungsnetze regelt sowie einen Gleichspannungswandler.
Aus der DE 10 2007 038 587 A1 ist ein Verfahren zum Betrieb eines Gleichstrom-Spannungswandlers in einem Hybridfahrzeug bekannt, welches zwei Bordnetze mit unterschiedlicher Spannung aufweist. Das erste Bordnetz ist das normale Bordnetz des Fahrzeuges, welches für Pkw üblicherweise 12 Volt bereitstellt und zur Versorgung der Steuergeräte und/oder Nebenaggregate des Hybridfahrzeuges dient. Das zweite Bordnetz, welches als Hochvolt-Bordnetz bezeichnet wird, führt zur Spannungsversorgung des in dem Hybridfahrzeug enthaltenen Elektromotors ein höheres Spannungsniveau von z. B. 230 Volt. Der Gleichstrom-Spannungswandler, welcher auch als DC/DC-Wandler bezeichnet wird, überträgt elektrische Leistung zwischen den beiden Bordnetzen. Durch einen solchen Gleichstrom-Spannungswandler kann Energie zwischen den Energiespeichereinheiten, die sowohl im Hochvolt-Gleichspannungsnetz als auch im Niedervolt-Gleichspannungsnetz angeordnet sind, bidirektional übertragen werden.
Es sind Hybridfahrzeuge bekannt, bei welchen der Strom des Niedervolt-Spannungsnetzes regelbar ist, wenn der Gleichspannungswandler Energie aus dem Hochvolt-Gleichspannungsnetz in das Niedervolt-Gleichspannungsnetz überträgt, was als sogenannter Buck-Betrieb bezeichnet wird. Soll aus Konfigurationsgründen des Hybridantriebes des Hybridfahrzeuges der Strom im Hochvolt-Gleichspannungsnetz geregelt werden, muss eine zusätzliche Hardware erstellt werden, was die Kosten für die Herstellung des Hybridantriebes erhöht.
Offenbarung der Erfindung
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Stromregelung eines ersten Stromes in einem ersten Gleichspannungsnetz eines Gleichspannungswandlers mit den Merkmalen des Anspruchs 1 weist den Vorteil auf, dass die Stromregelung des stromregelungsfreien ersten Gleichspannungsnetzes ohne eine zusätzlich installierte Hardware durchgeführt werden kann. Dabei wird aus einem ersten Stromsollwert (i1_soll) des regelungsfreien ersten Gleichspannungsnetzes ein zweiter Stromsollwert (i3_soll) des mit der Stromregelung beaufschlagten zweiten Gleichspannungsnetzes ermittelt. Dieser zweite Stromsollwert wird der Stromregelung des mit der Stromregelung beaufschlagten zweiten Gleichspannungsnetzes zugeführt. Somit wird ein zweiter Iststrom (i3) des mit der Stromregelung beaufschlagten zweiten Gleichspannungsnetzes auf den zweiten Stromsollwert geregelt. Mittels des Übertragers, welcher ein konstantes Übertragungsverhältnis aufweist, wird der zweite Iststrom (i3) in einen ersten Iststrom (i1) in dem stromregelungsfreien ersten Gleichspannungsnetzes umgewandelt. Somit wird der erste Iststrom des stromregelungsfreien ersten Gleichspannungsnetzes auf den ersten Stromsollwert geregelt. Somit wird eine kostengünstige und aufwandsreduzierte Lösung für die Regelung des ersten Stroms in dem stromregelungsfreien ersten Gleichspannungsnetz realisiert. Somit kann beim Transfer der Energie zwischen dem stromregelungsfreien ersten Gleichspannungsnetz und dem mit der Stromregelung ausgestatteten zweiten Gleichspannungsnetz direkt auf den ersten Strom geregelt werden, welcher im stromregelungsfreien ersten Gleichspannungsnetz auftritt, ohne das zusätzliche elektrische Bauelemente benötigt werden.
In einer Ausgestaltung wird ein zweites Sollstromlimit (I_LV_Lim) des mit der Stromregelung ausgestatteten zweiten Gleichspannungsnetzes aus einem ersten Sollstromlimit (I_HV_Lim) des stromregelungsfreien ersten Gleichspannungsnetzes ermittelt, welches durch einen Offsetstromwert korrigiert wird. Durch diese Maßnahme werden Schwankungen im Wirkungsgrad des Gleichspannungswandlers ausgeglichen.
In einer Variante wird der Offsetstromwert aus einer Differenz zwischen dem ersten Sollstromlimit (I_HV_Lim) des stromregelungsfreien ersten Gleichspannungsnetzes und dem gemessenen Iststrom (I_HV_Ist) des stromregelungsfreien ersten Gleichspannungsnetzes gebildet, wobei diese Differenz insbesondere einer weiteren Regelstrecke zugeführt wird.
In einer Weiterbildung wird die Differenz in der weiteren Regelung hinsichtlich der zu erwartenden Toleranzen der Stromregelung des mit der Stromregelung beaufschlagten zweiten Gleichspannungsnetzes begrenzt. Daraus resultiert, dass die zusätzliche Regelung nur die zu erwartenden, geringen Toleranzen der Stromregelung für das stromregelungsfreie erste Gleichspannungsnetz ausregelt. Durch eine erhöhte Dynamik des Gleichspannungswandlers bei schnellen Wechseln des Energietransfers wird sichergestellt, dass nicht unplausible Werte des Offsetstromwertes in die Stromregelung eingehen.
Eine weitere Weiterbildung der Erfindung betrifft einen Gleichspannungswandler, welcher zwischen zwei Gleichspannungsnetzen mit unterschiedlicher Gleichspannung angeordnet ist und welcher eine Übertragungseinheit zur Verbindung der beiden Gleichspannungsnetze aufweist, wobei ein zweites der Gleichspannungsnetze eine Stromregelung aufweist. Ein kostengünstig und einfach aufgebauter Gleichspannungswandler weist Mittel auf, welche aus einem ersten Stromsollwert (i1_soll) eines regelungsfreien ersten Gleichspannungsnetzes einen zweiten Stromsollwert (i3_soll) des mit der Stromregelung beaufschlagten zweiten Gleichspannungsnetzes ermitteln. Dieser zweite Stromsollwert wird der Stromregelung des mit der Stromregelung beaufschlagten zweiten Gleichspannungsnetzes zugeführt. Somit wird ein zweiter Iststrom (i3) des mit der Stromregelung beaufschlagten zweiten Gleichspannungsnetzes auf den zweiten Stromsollwert (i3_soll) geregelt. Mittels des Übertragers, welcher ein konstantes Übertragungsverhältnis aufweist, wird der zweite Iststrom (i3) in einen ersten Iststrom (i1) des stromregelungsfreien ersten Gleichspannungsnetzes umgewandelt. Somit wird der erste Iststrom des stromregelungsfreien ersten Gleichspannungsnetzes auf den ersten Stromsollwert geregelt. Somit wird eine kostengünstige und aufwandsreduzierte Lösung für die Regelung des Stroms in dem stromregelungsfreien ersten Gleichspannungsnetz realisiert. Somit kann beim Transfer der Energie zwischen dem stromregelungsfreien ersten Gleichspannungsnetz und dem mit der Stromregelung ausgestatteten zweiten Gleichspannungsnetz direkt auf den ersten Strom geregelt werden, welcher im stromregelungsfreien ersten Gleichspannungsnetz auftritt. Vorteilhaft werden hierzu keine zusätzlichen Hardwareeinheiten für die Stromregelung des stromregelungsfreien ersten Gleichspannungsnetzes benötigt.
In einer Variante ist die Spannungsübertragungseinheit als Transformator ausgebildet.
Die Erfindung lässt zahlreiche Ausführungsformen zu. Eine davon soll anhand der in der Zeichnung dargestellten Figuren näher erläutert werden.
Es zeigt:
1: Prinzipdarstellung eines Antriebsstrangs eines Hybridfahrzeuges
2: ein Ausführungsbeispiel für einen erfindungsgemäßen Gleichspannungswandler
3: schematisches Ablaufdiagramm des erfindungsgemäßen Verfahrens
4: eine Prinzipdarstellung zur Korrektur des zweiten Sollstromwertes des mit der Stromregelung beaufschlagten zweiten Gleichspannungsnetzes
Gleiche Merkmale sind mit gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet.
In 1 ist das Prinzip eines Antriebsstranges 1 eines Hybridfahrzeuges dargestellt, wobei ein Verbrennungsmotor 2 über eine Trennkupplung 3 mit einem Elektromotor 4 verbunden ist. Der Elektromotor 4 ist dabei insbesondere auf der vom Verbrennungsmotor 2 angetriebenen Antriebswelle 5 angeordnet und führt an ein Differenzial 6, welches auf einer Antriebsachse 7 befestigt ist und die Antriebsräder 8 und 9 des Hybridfahrzeuges antreibt. Zwischen dem Elektromotor 4 und dem Differential 6 können hier nicht dargestellte Getriebe und Kupplungen zur Anpassung der Übersetzung und der Drehzahlen zwischen der Antriebswelle 5 und den Antriebsrädern 8 vorgesehen sein.
Zur Energieversorgung ist der Elektromotor 4 über einen Pulswechselrichter 10 mit einem Hochvolt-Energiespeicher 11 verbunden, welcher für den Betrieb des Elektromotors 4 Energie bereitstellt. Der Hochvolt-Energiespeicher 11 weist dabei eine Spannung von beispielsweise 230 Volt auf. Arbeitet der Elektromotor 4, beispielsweise bei einer Bergabfahrt des Hybridfahrzeuges, als Generator, so wird in diesem Betriebszustand die mechanische Energie, welche durch das bergab rollende Hybridfahrzeug erzeugt wird, durch den Elektromotor 4 in elektrische Energie umgewandelt und über den Pulswechselrichter 10 der Hochvolt-Speichereinheit 11 zugeführt.
Der Pulswechselrichter 10, die Hochvolt-Speichereinheit 11 und die dazwischen geschalteten Verbindungsleitungen sind Komponenten eines Hochvolt-Gleichspannungsnetz des Hybridfahrzeuges. Weiter ist an das Hochvolt-Gleichspannungsnetz ein Gleichspannungswandler 12 zwischen dem Hochvolt-Energiespeicher 11 und dem Pulswechselrichter 10 angeschlossen. Dieser wird auch als DC/DC-Wandler bezeichnet. Mittels des Gleichspannungswandlers 12 wird eine Verbindung zwischen dem Hochvolt-Gleichspannungsnetz und einem Niedervolt-Gleichspannungsnetz des Hybridfahrzeuges geschaffen. Somit wird beispielsweise ein Energieaustausch zwischen dem Hochvolt-Energiespeicher 11 und einem Niedervolt-Energiespeicher 13 möglich. Bei dem Niedervolt-Energiespeicher 13 handelt es sich üblicherweise um eine Batterie, welche beispielsweise im Personenkraftwagen 12 Volt und im Nutzkraftwagen 24 Volt bereitstellt. Dieser Niedervolt-Energiespeicher 13 versorgt Nebenaggregate des Kraftfahrzeuges und insbesondere dessen Steuergeräte 14, 15 mit Energie. Der Gleichspannungswandler 12 wird zur Einstellung der elektrischen Parameter (Spannung, Strom) des Gleichspannungswandlers 12 durch eine Hardwareeinheit 16 angesteuert. In dieser Hardwareeinheit 16 kann auch der Stromregler zur Stromregelung des zweiten Stromes in dem zweiten Gleichspannungsnetz des Gleichspannungswandlers 12 aus Hardware aufgebaut sein.
In 2 ist ein Ausführungsbeispiel für den erfindungsgemäßen Gleichspannungswandler 12 dargestellt. Der Gleichspannungswandler 12 ist mit seinen Anschlüssen bzw. Anschlussklemmen 17 und 18 mit dem beschriebenen Hochvolt-Gleichspannungsnetz verbunden, wobei zwischen den Anschlüssen 17 und 18 eine erste im Hochvolt-Gleichspannungsnetz anliegende Hochvoltspannung U₁ anliegt. Eine Übertragungseinheit 23 dient der Umwandlung der Hochvoltspannung U₁ und des im Hochvolt-Gleichspannungsnetzes fließenden ersten Stromes i₁ in eine zweite Spannung U3 und einen zweiten Strom i3 in dem beschriebenen zweiten Niedervolt-Gleichspannungsnetz auf der anderen Seite der Übertragungseinheit 23. Die Übertragungseinheit kann beispielsweise mittels eines Transformators realisiert sein.
Die Übertragungseinheit 23 weist insbesondere ein konstantes Übertragungsverhältnis auf. Im Niedervolt-Gleichspannungsnetz liegt somit die Spannung U₃ an.
Ein schematisches Ablaufdiagramm des erfindungsgemäßen Verfahrens ist in 3 dargestellt. Im Block 101 wird ein erster Stromsollwert (i1_soll) für das stromregelungsfreie Hochvolt-Gleichspannungsnetz festgelegt, welcher im Block 102 in einen zweiten Sollstromwert (i2_soll) des Niedervolt-Gleichspannungsnetzes gemäß der Übertragungsfunktion G_S(S) der Übertragungseinheit 23 umgerechnet wird.
Dieser zweite Stromsollwert (i2_soll) wird im Block 103 einer Stromregelung des Niedervolt-Gleichspannungsnetzes zugeführt, mit der der im Niedervolt-Gleichspannungsnetz fließende zweite Iststrom i₃ geregelt wird. Dieser geregelte zweite Iststrom i₃ des Niedervolt-Gleichspannungsnetzes wird mittels der Übertragungseinheit 23, die ein konstantes Übertragungsverhältnis aufweist, in einen ersten Iststrom i₁ des Hochvolt-Gleichspannungsnetzes umgewandelt (Block 104). Da sich der erste Iststrom i₁ des Hochvolt-Gleichspannungsnetzes auf Grund des konstanten Übertragungsverhältnisses im wesentlichen proportional zum zweiten Iststrom i₃ innerhalb des Niedervolt-Gleichspannungsnetzes verhält, wird der erste Iststrom i₁ des Hochvolt-Gleichspannungsnetzes auf den ersten Stromsollwert (i1_soll) des Hochvolt-Gleichspannungsnetzes geregelt.
In 4 ist eine Prinzipdarstellung zur Korrektur des zweiten Sollstromwertes des mit der Stromregelung beaufschlagten zweiten Gleichspannungsnetzes dargestellt. Dabei wird ein vorgegebener Stromsollwert I_HvLim des Hochvolt-Gleichspannungsnetzes mittels der Übertragungsfunktion G_S(S), die der Übersetzung der Übertragungseinheit 23 entspricht, in ein Stromsollwert I_LvLim1 im Niedervolt-Gleichspannungsnetz umgerechnet.
Da der Wirkungsgrad des Gleichspannungswandlers 12 aufgrund von Sättigungseffekten und Temperaturabhängigkeiten seiner elektrischen Bauteile schwankt, wird zusätzlich ein Offsetstromwert L_LvLimOffs im Punkt 25 zu dem Stromlimit I_LvLim1 des Niedervolt-Gleichspannungsnetzes hinzuaddiert. Dieser Offsetstromwert I_LvLimOffs wird aus einer Differenz des vorgegebenen Stromlimits I_Hvlim auf der Hochvolt-Gleichspannungsnetzseite und dem Iststrom I_HvIst, der aktuell auf der Hochvolt-Gleichspannungsnetzseite auftritt, gebildet. Diese Differenz x_dHv wird einer parallel ausgebildeten, zweiten Regelstrecke zugeführt, welche die Übertragungsfunktionen G_R(S) und G_S(S) aufweist (Blöcke 30 und 31). Der Reglerausgang y_Hv des Reglers G_R(S) (Block 30) stellt dabei einen Wert eines Offsetstromwertes bezogen auf das erste Gleichspannungsnetz bereit, mit welchem die Hardwaretoleranzen der Hardwareeinheit 16 beseitigt werden.
Bevor der Offsetstromwert I_LvLimOffs dem Punkt 25 zugeführt wird und dort zu dem Stromlimit I_LvLim1 des Niedervolt-Gleichspannungsnetzes hinzuaddiert wird, wird der am Ausgang von Block 30 vorliegende Wert y_Hv im Block 30 mittels der Übertragungsfunktion G_S(S) (Block 31) transformiert und im Block 27 einem Begrenzer zugeführt. Dieser Begrenzer hat die Aufgabe, sicherzustellen, dass der Regler des Offsetstromwertes I_LvLimOffs nur die zu erwartenden, geringen Toleranzen der Hardwareeinheit 16 der Niedervolt-Gleichspannungsnetz-Stromregelung begrenzt. Durch eine erhöhte Dynamik des Gleichspannungswandlers 12 bei schnellem Wechsel wird sichergestellt, dass unplausible Werte des Offsetstromwertes I_LvLimOffs nicht berechnet werden können. Der Begrenzer 27 verhindert somit Überschwinger.
Das Stromlimit I_LvLim, welches der Stromregelung im Niedervolt-Gleichspannungsnetz zugeführt wird und das sich aus der Addition des Stromlimits I_LvLim1 und dem Offsetstromwert I_LvLimOffs im Punkt 25 ergibt, wird aus dem Stromlimit I_HvLim, ermittelt, welches für das Hochvolt-Gleichspannungsnetz vorgegeben ist. Somit wird das im Hochvolt-Gleichspannungsnetz anliegende Stromlimit I_Hvlim, welches dem ersten Stromsollwert des Hochvolt-Gleichspannungsnetzes entspricht, in den gewünschten zweiten Stromsollwert I_LvLim umgewandelt, welcher der Stromregelung des Niedervolt-Gleichspannungsnetzes zugeführt wird. Auf diesen zweiten Stromsollwert I_Lvlim kann die Hardwareeinheit 16 nun den Strom i3 direkt regeln. Betrachtet man das Verhalten des Gleichspannungswandlers 12 an seinen Anschlüssen 17, 18 zum Hochvolt-Gleichspannungsnetz bzw. 28, 29 zum Niedervolt-Gleichspannungsnetz, so entsteht der Eindruck, dass der Strom i1 im Hochvolt-Gleichspannungsnetz auf den vorgegebenen Stromsollwert I_Hvlim geregelt wird.
In dem Ausführungsbeispiel wurde der Fall betrachtet, dass das Niedervolt-Gleichspannungsnetz eine Stromregelung aufweist. Die Erfindung ist aber auch auf den Fall anwendbar, dass das Hochvolt-Gleichspannungsnetz eine Stromregelung für den Strom i1 mit dem ersten Stromsollwert (I_1Soll) aufweist. Wenn nun der erste Stromsollwert (I_1_Soll) aus dem zweiten Stromsollwert (I_3_Soll) berechnet wird, kann in diesem Fall der Strom i3 des Niedervolt-Gleichspannungsnetzes geregelt werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102007038587 A1 [0002]

Claims

Verfahren zur Regelung eines ersten Stromes (i1) in einem ersten Gleichspannungsnetz welches an einen Gleichspannungswandler (12) angeschlossen ist, wobei mittels einer Übertragungseinheit (23) des Gleichspannungswandlers (12) Energie zwischen einem ersten und einem zweiten Gleichspannungsnetz übertragen wird, wobei eine Stromregelung zur Regelung eines zweiten Stromes (6) in dem zweiten Gleichspannungsnetz vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass aus einem ersten Stromsollwert (i1_Soll, I_{Hv Lim}) des stromregelungsfreien ersten Gleichspannungsnetzes ein zweiter Stromsollwert (i3_Soll, I_{Lv Lim}) mittels einer Übertragungsfunktion der Übertragungseinheit (23) ermittelt wird, welcher der Stromregelung zugeführt wird, und somit der erste Iststrom (i₁, I_{Hv Ist}) des stromregelungsfreien Gleichspannungsnetzes geregelt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein zweites Sollstromlimit (I_{Lv Lim}) des mit der Stromregelung ausgestatteten Gleichspannungsnetzes aus einem ersten Sollstromlimit (I_{Hv Lim}) des stromregelungsfreien Gleichspannungsnetzes ermittelt wird, welches mittels eines Offsetstromwertes korrigiert wird.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Offsetstromwert (I_LvLimOffs) aus einer Differenz zwischen dem ersten Sollstromlimit (I_{Hv Lim}) und dem Iststrom (I_HvIst) des stromregelungsfreien Gleichspannungsnetzes gebildet wird, wobei diese Differenz insbesondere einer weiteren Regelung unterworfen wird.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass diese Differenz in der weiteren Regelung hinsichtlich der zu erwartenden Toleranzen der Stromregelung des mit der Stromregelung beaufschlagten Gleichspannungsnetzes begrenzt wird.
Gleichspannungswandler (12) mit einer Übertragungseinheit (23), der ein erstes Gleichspannungsnetz mit einem zweiten Gleichspannungsnetz verbindet, wobei mittels der Übertragungseinheit (23) des Gleichspannungswandlers (12) Energie zwischen dem ersten und dem zweiten Gleichspannungsnetz übertragen wird und wobei eine Stromregelung zur Regelung eines zweiten Stromes (i₃) in dem zweiten Gleichspannungsnetz vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass Mittel (16) vorhanden sind, die aus einem ersten Stromsollwert (i1_Soll, I_{Hv Lim}) des stromregelungsfreien ersten Gleichspannungsnetzes einen zweitern Stromsollwert (i3_Soll, I_{Lv Lim}) mittels einer Übertragungsfunktion der Übertragungseinheit (23) ermitteln, welcher der Stromregelung zugeführt wird, und somit ein erster Iststrom (i₁ _, I_{Hv Ist}) des stromregelungsfreien Gleichspannungsnetzes geregelt wird.
Gleichspannungswandler nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Übertragungseinheit (23) als Transformator ausgebildet ist.