DE102015110221A1 - Kalibierbarer Mehrphasen-Gleichstromwandler - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Mehrphasen-Gleichspannungswandler mit einem Ausgang
– mit wenigstens zwei Wandlermodulen, wobei jedes Wandlermodul einen Gleichspannungswandler, einen Stromsensor (11 bis 16) und einen Ausgang umfasst,
– wobei mit dem Stromsensor (11 bis 16) in dem Wandlermodul ein Ausgangsstrom des Wandlermoduls messbar ist und ein Stromsignal des Stromsensors (11 bis 16) an einem Sensorausgang des Wandlermoduls abgreifbar ist,
– mit wenigsten einem Additionsglied (3) mit wenigstens einem Eingang pro Wandlermodul und einem Ausgang, wobei jeder Eingang des Additionsglieds (3) mit dem Sensorausgang eines der Wandlermodule verbunden ist und wobei mit dem Additionsglied (3) aus den an den Eingängen anliegenden Stromsignalen ein Summenstromsignal erzeugbar ist,
– wobei der Mehrphasen-Gleichspannungswandler einen Speicher oder mehrere Speicher aufweist, wobei in dem Speicher oder in den Speichern die Datensätze von Kalibrierungsdaten jedes der Stromsensoren (11 bis 16) abgelegt sind.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft einen Mehrphasen-Gleichspannungswandler
    • – mit einem Ausgang,
    • – mit wenigstens zwei Wandlermodulen, wobei jedes Wandlermodul einen Gleichspannungswandler, einen Stromsensor und einen Ausgang umfasst,
    • – wobei mit dem Stromsensor in dem Wandlermodul ein Ausgangstrom des Wandlermoduls messbar ist und ein Stromsignal des Stromsensors an einem Sensorausgang des Wandlermoduls abgreifbar ist, und
    • – mit wenigsten einem Additionsglied mit wenigstens einem Eingang pro Wandlermodul und einem Ausgang, wobei jeder Eingang des Additionsglieds mit dem Sensorausgang eines der Wandlermodule verbunden ist und wobei mit dem Additionsglied aus den an den Eingängen anliegenden Stromsignalen ein Summenstromsignal erzeugbar ist.
  • Mehrphasen-Gleichspannungswandler dieser Art sind zum Beispiel aus Kraftfahrzeugbordnetzen bekannt. Sie werden benutzt, um Teilnetze eines Kraftfahrzeugbordnetzes, die unterschiedliche Nennspannungen haben, miteinander zu koppeln und die Spannungen in den Teilnetzen zu stabilisieren. Mehrphasen-Gleisspannungswandler werden auch als Energieversorgungen von elektrischen Verbrauchern verwendet, die mit einer konstanten Spannung oder einem Strom versorgt werden müssen.
  • Die Gleichspannungswandler der Wandlermodule, sie werden auch DC-DC-Wandler genannt, englisch DC-DC Converter, bezeichnen elektrische Schaltungen, die eine am Eingang zugeführte Gleichspannung in eine Gleichspannung mit höherem, niedrigerem oder invertiertem Spannungsniveau umwandelt. Die Umsetzung erfolgt in jedem Gleichspannungswandler mithilfe eines periodisch arbeitenden elektronischen Schalters und eines oder mehrerer Energiespeicher.
  • Die zur Zwischenspeicherung der Energie benutzte Induktivität (induktiver Wandler) besteht aus einer Spule oder einem Wandler-Transformator.
  • Die Stromregelung des Mehrphasen-Gleichstromwandlers kann in der Art erfolgen, dass die Ausgangsströme der einzelnen Wandlermodule durch die Stromsensoren der Wandlermodule erfasst werden. Die von den Stromsensoren erfassten Werte werden von einem als Additionsglied bezeichneten Hardwarebauteil oder Softwaremodul addiert und für die Regelung des Stroms durch den Mehrphasen-Gleichstromwandler bereitgestellt. Die Regelung des Mehrphasen-Gleichstromwandlers kann auf unterschiedliche Art und Weise erfolgen.
  • Die Stromsensoren weisen Shunt-Widerstände auf. Die über den Shunt-Widerständen abfallend Spannung wird z. B. von Operationsverstärkern erfasst und verstärkt. Auch wenn in den Stromsensoren der Wandlermodule eines des Mehrphasen-Gleichstromwandlers mehrere Operationsverstärker eines gleichen Typs verwendet werden, kann es von Operationsverstärker zu Operationsverstärker zu unterschiedlichen Verhalten kommen, insbesondere aufgrund von unterschiedlichen Offset-Spannungen und Verstärkungsfaktoren. Diese Fehler müssen kompensiert werden. Ein Konzept sieht vor, dass der Mehrphasen-Gleichspannungswandler kalibriert wird, damit der aufgrund der Fehler der Operationsverstäker sich ergebende Gesamtfehler kompensiert werden kann. Damit wird eine Reduzierung des Gesamtfehlers erreicht.
  • Mehrphasen-Gleichspannungswandler werden insbesondere dort eingesetzt, wo in einem Netz oder Teilnetz mit konstanter Nennspannung stark schwankende Lasten versorgt werden müssen. Die stark schwankende Last hat bei konstanter Nennspannung stark schwankende Gleichströme zur Folge. Je nach Strombedarf ist es möglich ein, zwei, ... oder alle Wandlermodule zur Erzeugung eines gewünschten Gleichstroms mit einer gewünschten Stromstärke zu benutzen. Besteht ein hoher Strombedarf, werden alle oder nahezu alle Wandlermodule zur Einstellung des gewünschten Stroms verwendet, besteht dagegen ein nur niedriger Strombedarf, wird nur ein Wandlermodul verwendet. Je nach Strombedarf werden alle Wandlermodule an- und ausgeschaltet. Das ist sinnvoll, damit die Wandlermodule möglichst effektiv betrieben werden können.
  • Die beschriebene Kompensierung des Gesamtfehlers aufgrund der Fehler, die bei der Messung der Ausgangsströme durch die Stromsensoren entstehen, führt in einem Teillastbetrieb des Mehrphasen-Gleichspannungswandlers, also in einem Betriebsfall, in dem nicht alle Wandlermodule angeschaltet sind, zu einer Fehlkompensation. Der für die Kompensation benutzte und durch die Kalibrierung ermittelte Gesamtfehler stimmt im Teillastbetrieb nicht mit dem tatsächlichen Fehler des Summenstroms überein.
  • Hier setzt die vorliegende Erfindung an.
  • Der vorliegenden Erfindung liegt das Problem zu Grunde, den eingangs beschriebenen Mehrphasen-Gleichspannungswandler so zu verbessern, dass es im Teillastbetrieb zu keiner Fehlkompensation kommt.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass der Mehrphasen-Gleichspannungswandler einen Speicher oder mehrere Speicher aufweist, wobei in dem Speicher oder in den Speichern die Datensätze von Kalibrierungsdaten jedes der Stromsensoren abgelegt sind.
  • Diese Speicherung der Datensätze von Kalibrierungsdaten jedes der Stromsensoren macht es möglich, die Fehler jedes einzelnen Stromsensors zu kompensieren. Die Kompensation der Fehler jedes Stromsensors kann dann vor der Addition der Werte der von den einzelnen Stromsensoren ermittelten Stromsignale erfolgen. Das kann auf unterschiedliche Art realisiert sein.
  • Ein erfindungsgemäßer Mehrphasen-Gleichspannungswandler kann beispielsweise dadurch realisiert sein, dass ein Speicher vorgesehen ist und in diesem einen Speicher für jeden Stromsensor ein Datensatz abgelegt ist. Dann kann jeder Stromsensor mit dem Speicher verbunden sein und von jedem Stromsensor kann der für ihn im Speicher abgelegte Datensatz der Kalibrierungsdaten aus dem Speicher abgerufen werden.
  • Ebenso ist es möglich, dass in einem erfindungsgemäßen Mehrphasen-Gleichspannungswandler mehrere Speicher vorgesehen sind und in jedem Speicher genau ein Datensatz für einen der Stromsensoren abgelegt ist. Dann kann jeder Stromsensor mit dem Speicher verbunden sein, in dem der Datensatz für diesen Stromsensor gespeichert ist. Von jedem Stromsensor kann der für ihn abgelegte Datensatz aus dem Speicher abgerufen werden. Der Speicher und der mit ihm verbundene Stromsensor können in einer Einheit zusammengefasst sein.
  • Es ist möglich, dass jedem Stromsensor eine Verarbeitungseinheit zugeordnet ist, in welcher ein vom Stromsensor gemessener Wert in Abhängigkeit der Kalibrierdaten oder des Kalibrierdatums des Datensatzes anpassbar ist. Jeder Stromsensor kann mit dem zugeordneten Speicher und dem zugeordneten Verarbeitungsmittel eine Einheit bilden. Ebenso kann jeder einem der Stromsensoren zugeordnete Speicher mit dem diesem Stromsensor zugeordneten Verarbeitungsmittel eine Einheit bildet.
  • Der vom Verarbeitungsmittel angepasste Wert kann am Ausgang des Verarbeitungsmittels bzw. der das Verarbeitungsmittel umfassenden Einheit abgreifbar sein.
  • Ebenso ist es möglich, dass das Additionsglied eines erfindungsgemäßen Mehrphasen-Gleichspannungswandlers für jedes Wandlermodul eine Verarbeitungseinheit aufweist. Diese Verarbeitungseinheiten können mit dem einzigen Speicher dieses erfindungsgemäßen Mehrphasen-Gleichspannungswandlers verbunden sein. Durch jede der Verarbeitungseinheiten kann der für den Stromsensor des zugeordneten Wandlermoduls im Speicher abgelegte Datensatz aus dem Speicher abgerufen werden. Mit den Verarbeitungseinheiten können die von den Stromsensoren der Wandlermodule bereitgestellten Stromsignale in Abhängigkeit der Kalibrierdaten oder des Kalibrierdatums des Datensatzes angepasst werden.
  • Zu einem in dem oder den Speichern abgelegten Datensatz können ein Offset-Spannungswert und/oder ein Verstärkungsfaktor des zugordneten Stromsensors zählen.
  • Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden anhand der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels deutlich, dass in der Figur schematisch dargestellt ist. Die Figur zeigt
  • 1 eine Anordnung zur Erfassung eines Summenstroms eines erfindungsgemäßen Mehrphasen-Gleichstromwandlers.
  • Die in der 1 schematisch dargestellte Anordnung weist einen Hardwareteil HW und einen Softwareteil SW auf, wobei der durch die Software realisierte Teil auch durch eine entsprechende Hardware realisiert werden kann. Der Softwareteil ist ein Programm oder Programmteil, dass im Beispiel auf einem Mikrocontroller abgearbeitet wird.
  • Die Anordnung umfasst die Hardware zur Erfassung der Ausgangsströme der Wandlermodule des erfindungsgemäßen Mehrphasen-Gleichstromwandlers, zu dem sie gehört. Dieser Mehrphasen-Gleichstromwandler hat sechs Wandlermodule.
  • Jedem der sechs Wandlermodule ist ein Stromsensor 11 bis 16 zugeordnet, der den Ausgangsstrom des Wandlermoduls misst, dem er zugeordnet ist. Dieses gemessene Stromsignal wird an einem Ausgang jedes Stromsensors 11 bis 16 bereitgestellt. Der Ausgang jedes Stromsensors 11 bis 16 ist mit einem Eingang eines Mikrocontrollers verbunden. Über nicht dargestellte AD-Wandler werden die Stromsignale digitalisiert und je einer, durch einen Programmteil realisierten Einheit 21 bis 26 zugeführt. Diese Einheiten umfassen Verarbeitungseinheiten und Speichervariablen, in denen Kalibrierungsdaten gespeichert sind, nämlich eine Offset-Spannung und ein Verstärkungsfaktor des Stromsensors 11 bis 16, dessen Stromsignal der Einheit 3 digitalisiert zugeführt wird. In der Verarbeitungseinheit erfolgt dann mittels der gespeicherten Kalibrierungsdaten eine Kompensation der durch die Offset-Spannung und einen Verstärkungsfaktor hervorgerufenen systematischen Fehler. Das fehlerkompensierte Stromsignal wird dann einem Additionsglied 3 zugeführt, in welchem die durch das kompensierte Stromsignal angegebenen Stromwerte der Ausgangsströme der Wandlermodule addiert werden. Das Summenstromsignal kann dann innerhalb oder außerhalb des Mikrocontrollers weiter verarbeitet werden, zum Beispiel um den Strom am Ausgang des Mehrphasen-Gleichstromwandlers zu regeln.
  • Die Fehlerkompensation jedes einzelnen Fehlers erfordert einen Rechenaufwand, der bei einem langsamen Mikrokontroller dazu führen kann, dass die Verarbeitung der gemessenen Stromsignale und die Erzeugung des Summenstromsignals für den einen oder anderen Zweck zu langsam erfolgt. Daher sind Konzepte denkbar, bei denen für eine ungenau aber schnelle Regelung insbesondere in Fällen großer Dynamik im zu regelnden Prozess verzichtet wird und nur in den Fällen geringer Dynamik eine genaue Regelung gewünscht ist. Das kann dadurch realisiert werden, dass zusätzlich zur Addition von kompensierten Ausgangssignalen auch (innerhalb oder außerhalb des Mikrocontrollers) gemessene und unkompensierte Stromsignale addiert werden und zum Zweck eine schnelle Regelung möglich zu machen, dem Mikrocontroller zugeführt werden.

Claims (12)

  1. Mehrphasen-Gleichspannungswandler mit einem Ausgang – mit wenigstens zwei Wandlermodulen, wobei jedes Wandlermodul einen Gleichspannungswandler, einen Stromsensor (11 bis 16) und einen Ausgang umfasst, – wobei mit dem Stromsensor (11 bis 16) in dem Wandlermodul ein Ausgangstrom des Wandlermoduls messbar ist und ein Stromsignal des Stromsensors (11 bis 16) an einem Sensorausgang des Wandlermoduls abgreifbar ist, – mit wenigsten einem Additionsglied (3) mit wenigstens einem Eingang pro Wandlermodul und einem Ausgang, wobei jeder Eingang des Additionsglieds (3) mit dem Sensorausgang eines der Wandlermodule verbunden ist und wobei mit dem Additionsglied (3) aus den an den Eingängen anliegenden Stromsignalen ein Summenstromsignal erzeugbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass – der Mehrphasen-Gleichspannungswandler einen Speicher oder mehrere Speicher aufweist, wobei in dem Speicher oder in den Speichern die Datensätze von Kalibrierungsdaten jedes der Stromsensoren (11 bis 16) abgelegt sind.
  2. Mehrphasen-Gleichspannungswandler nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass ein Speicher vorgesehen ist und dass in dem Speicher für jeden Stromsensor (11 bis 16) ein Datensatz abgelegt ist.
  3. Mehrphasen-Gleichspannungswandler nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Stromsensor (11 bis 16) mit dem Speicher verbunden ist und von jedem Stromsensor (11 bis 16) der für ihn im Speicher abgelegte Datensatz aus dem Speicher abrufbar ist.
  4. Mehrphasen-Gleichspannungswandler nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Speicher vorgesehen sind und in jedem Speicher genau ein Datensatz für einen der Stromsensoren (11 bis 16) abgelegt ist.
  5. Mehrphasen-Gleichspannungswandler nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Stromsensor (11 bis 16) mit dem Speicher verbunden ist, in dem der Datensatz für diesen Stromsensor (11 bis 16) gespeichert ist und dass von jedem Stromsensor (11 bis 16) der für ihn abgelegte Datensatz aus dem Speicher abrufbar ist.
  6. Mehrphasen-Gleichspannungswandler nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass jedem Stromsensor (11 bis 16) eine Verarbeitungseinheit zugeordnet ist, in welcher ein vom Stromsensor (11 bis 16) gemessener Wert in Abhängigkeit der Kalibrierdaten oder des Kalibrierdatums des Datensatzes anpassbar ist.
  7. Mehrphasen-Gleichstromwandler nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Stromsensor (11 bis 16) mit dem zugeordneten Speicher und dem zugeordneten Verarbeitungsmittel eine Einheit bildet.
  8. Mehrphasen-Gleichstromwandler nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass jeder einem der Stromsensoren (11 bis 16) zugeordnete Speicher mit dem diesem Stromsensor (11 bis 16) zugeordneten Verarbeitungsmittel eine Einheit (21 bis 26) bildet.
  9. Mehrphasen-Gleichspannungswandler nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der angepasste Wert am Ausgang des Verarbeitungsmittels bzw. der das Verarbeitungsmittel umfassenden Einheit (21 bis 26) abgreifbar ist.
  10. Mehrphasen-Gleichspannungswandler nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Additionsglied (3) für jedes Wandlermodul eine Verarbeitungseinheit aufweist, dass die Verarbeitungseinheiten mit dem Speicher verbunden sind und dass durch jede der Verarbeitungseinheiten der für den Stromsensor (11 bis 16) des zugeordneten Wandlermoduls im Speicher abgelegte Datensatz aus dem Speicher abrufbar ist.
  11. Mehrphasen-Gleichspannungswandler nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass mit jeder der Verarbeitungseinheiten das von dem Stromsensor (11 bis 16) des zugeordneten Wandlermoduls bereitgestellte Stromsignal in Abhängigkeit der Kalibrierdaten oder des Kalibrierdatums des Datensatzes anpassbar ist.
  12. Mehrphasen-Gleichstromwandler nach einem der Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der in dem oder den Speichern abgelegte Datensatz eine Offset-Spannungswert und/oder einen Verstärkungsfaktor des zugordneten Stromsensors aufweist.
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