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TECHNISCHES GEBIET
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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf fahrzeugeigene Ladegeräte von Elektrofahrzeugen.
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HINTERGRUND
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Ein fahrzeugeigenes Ladegerät (OBC) eines Elektrofahrzeugs wird zum Laden einer Traktionsbatterie des Elektrofahrzeugs verwendet. Das OBC setzt elektrische AC-Leistung, die von dem Elektrizitätsnetz empfangen wird, in elektrische DC-Leistung um und stellt die elektrische DC-Leistung zum Laden für die Traktionsbatterie bereit.
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ZUSAMMENFASSUNG
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Es wird ein fahrzeugeigenes Ladegerät (OBC) geschaffen, um AC-Leistung zum Laden einer Traktionsbatterie eines Elektrofahrzeugs zu verwenden. Das OBC enthält einen DC/DC-Umsetzer und einen Controller. Der DC/DC-Umsetzer ist betreibbar, eine Eingangsleistung mit einer Eingangsspannung zu empfangen. Die Eingangsspannung enthält eine DC-Spannungskomponente und eine Spannungswelligkeit, die mit einer Frequenz der AC-Leistung variiert. Der Controller ist betreibbar, ein Regelsignal zu erzeugen, um den DC/DC-Umsetzer dafür zu regeln, die Eingangsleistung in eine Ausgangsleistung mit einem Ausgangsstrom zum Laden der Traktionsbatterie umzusetzen. Der Controller enthält ein Filter, das einen erfassten Wert des Ausgangsstroms mit der Frequenz erhöht, um einen lokal erhöhten erfassten Wert des Ausgangsstroms zu erzeugen. Der Controller bestimmt eine Differenz zwischen einem Sollwert und dem lokal erhöhten erfassten Wert des Ausgangsstroms und erzeugt auf der Grundlage der Differenz das Regelsignal in der Weise, dass der DC/DC-Umsetzer den Ausgangsstrom beim Umsetzen der Eingangsleistung in die Ausgangsleistung als Reaktion auf das Regelsignal an den Sollwert anpasst.
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Das OBC kann ferner einen DC-Zwischenkreiskondensator enthalten, der mit der AC-Leistung von einem Elektrizitätsnetz geladen wird, damit er die Eingangsspannung besitzt. In diesem Fall sind der DC-Zwischenkreiskondensator und der DC/DC-Umsetzer verbunden, damit der DC/DC-Umsetzer von dem DC-Zwischenkreiskondensator die Eingangsleistung mit der Eingangsspannung empfängt.
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Der Sollwert ist ein DC-Sollwert. Der Ausgangsstrom enthält eine DC-Stromkomponente, die dem DC-Sollwert entspricht, und eine Stromwelligkeit, die mit der Frequenz variiert. Die Stromwelligkeit weist eine kleinere Größe auf, als es sonst der Fall wäre, falls der erfasste Wert des Ausgangsstroms nicht durch das Filter lokal verstärkt würde. Im Betrieb ändert sich der Sollwert langsam, um sich an den Traktionsbatteriespannungsstatus (Energiefluss) anzupassen, und stellt er den geforderten Ladeflusswert bereit. Üblicherweise überwacht eine getrennte Einheit (normalerweise ein Batteriemanagementsystem oder dergleichen) die Traktionsbatterie und sendet die Ladeanforderung an das OBC.
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Das Filter kann ein Analogfilter oder ein Digitalfilter sein.
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Der Controller kann ferner einen Proportional-Integral-Differential- (PID-) Controller enthalten, um auf der Grundlage der Differenz zwischen dem Sollwert und dem lokal erhöhten erfassten Wert des Ausgangsstroms das Regelsignal zu erzeugen.
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Der Controller kann ferner einen Modulationscontroller enthalten, der dafür konfiguriert ist, auf der Grundlage des Regelsignals modulierte Signale zu erzeugen. Die modulierten Signale werden zum Regeln von Schaltern des DC/DC-Umsetzers verwendet, damit der DC/DC-Umsetzer in Übereinstimmung mit dem Regelsignal geregelt wird.
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Das OBC kann ferner einen Stromsensor enthalten, der dafür konfiguriert ist, den Ausgangsstrom zu erfassen, um den erfassten Wert des Ausgangsstroms zu erzeugen.
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Außerdem wird ein Ladegerät zum Laden einer Batterie geschaffen. Das Ladegerät enthält eine Leistungsquelle, einen DC/DC-Umsetzer und einen Controller. Die Leistungsquelle ist dafür konfiguriert, eine Eingangsleistung mit einer Eingangsspannung, die eine DC-Spannungskomponente und eine Spannungswelligkeit, die mit einer Frequenz variiert, enthält, bereitzustellen. Der Controller ist betreibbar, ein Regelsignal zu erzeugen, um den DC/DC-Umsetzer dafür zu regeln, die Eingangsleistung von der Leistungsquelle in eine Ausgangsleistung umzusetzen. Der Controller enthält ein Filter, das einen erfassten Wert des Ausgangsstroms mit der Frequenz erhöht, um einen lokal erhöhten erfassten Wert des Ausgangsstroms zu erzeugen. Der Controller bestimmt eine Differenz zwischen einem Sollwert und dem lokal erhöhten erfassten Wert des Ausgangsstroms und erzeugt auf der Grundlage der Differenz das Regelsignal in der Weise, dass der DC/DC-Umsetzer den Ausgangsstrom beim Umsetzen der Eingangsleistung in die Ausgangsleistung als Reaktion auf das Regelsignal an den Sollwert anpasst.
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Außerdem wird ein Verfahren zum Betreiben eines OBC geschaffen, das dafür konfiguriert ist, AC-Leistung zum Laden einer Traktionsbatterie eines Elektrofahrzeugs zu verwenden. Das OBC enthält einen DC/DC-Umsetzer, der betreibbar ist, eine Eingangsleistung mit einer Eingangsspannung zu empfangen. Die Eingangsspannung enthält eine DC-Spannungskomponente und eine Spannungswelligkeit, die mit einer Frequenz der AC-Leistung variiert. Das Verfahren enthält das Erzeugen eines Regelsignals zum Regeln des DC/DC-Umsetzers, um die Eingangsleistung in eine Ausgangsleistung mit einem Ausgangsstrom zum Laden der Traktionsbatterie umzusetzen. Ferner enthält das Verfahren das Filtern eines erfassten Werts des Ausgangsstroms, um den erfassten Wert des Ausgangsstroms mit der Frequenz zu erhöhen, um einen lokal erhöhten erfassten Wert des Ausgangsstroms zu erzeugen. Ferner enthält das Verfahren das Bestimmen einer Differenz zwischen einem Sollwert und dem lokal erhöhten erfassten Wert des Ausgangsstroms. Der Schritt des Erzeugens des Regelsignals enthält das Erzeugen des Regelsignals auf der Grundlage der Differenz in der Weise, dass der DC/DC-Umsetzer den Ausgangsstrom beim Umsetzen der Eingangsleistung in die Ausgangsleistung als Reaktion auf das Regelsignal an den Sollwert anpasst.
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Das OBC kann ferner einen DC-Zwischenkreiskondensator enthalten, der mit der AC-Leistung von einem Elektrizitätsnetz geladen wird, damit er die Eingangsspannung besitzt. In diesem Fall enthält das Verfahren ferner das Empfangen der Eingangsleistung mit der Eingangsspannung von dem DC-Zwischenkreiskondensator durch den DC/DC-Umsetzer.
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Figurenliste
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- 1 stellt einen Blockschaltplan eines elektrischen Systems mit einem fahrzeugeigenen Ladegerät (OBC) zum Laden einer Traktionsbatterie eines Elektrofahrzeugs mit elektrischer Leistung von einem Elektrizitätsnetz dar, wobei das OBC in dieser Ausführungsform eine Leistungsfaktorkorrektureinrichtung (PFC), einen DC-Zwischenkreiskondensator und einen DC/DC-Umsetzer aufweist;
- 2 stellt einen detaillierteren Blockschaltplan des OBC dar, das einen Verstärkungsregelkreis mit dem DC/DC-Umsetzer und mit einem DC/DC-Controller enthält, wobei der DC/DC-Controller zum Regeln des DC/DC-Umsetzers dient und ein Filter zur Verwendung beim Verbessern der Elektrizitätsnetzfrequenzunterdrückung beim Regeln des DC/DC-Umsetzers aufweist;
- 3A stellt einen Graphen dar, der eine erste grafische Darstellung des Verhaltens der Größe in Abhängigkeit von der Frequenz enthält, der eine durch den DC/DC-Controller beim Regeln des DC/DC-Umsetzers bereitgestellte Kreisfehlerkompensationsfunktion zeigt, wenn der DC/DC-Controller das Filter aufweist, und der eine zweite grafische Darstellung des durch den DC/DC-Controller beim Regeln des DC/DC-Umsetzers bereitgestellten Verhaltens der Größe in Abhängigkeit von der Frequenz darstellt, wenn der DC/DC-Controller das Filter nicht aufweist;
- 3B stellt einen Graphen dar, der eine erste grafische Darstellung des Verhaltens der Phase in Abhängigkeit von der Frequenz enthält, der die durch den DC/DC-Controller beim Regeln des DC/DC-Umsetzers bereitgestellte Kreisfehlerkompensationsfunktion zeigt, wenn der DC/DC-Controller das Filter aufweist, und der eine zweite grafische Darstellung des durch den DC/DC-Controller beim Regeln des DC/DC-Umsetzers bereitgestellten Verhaltens der Phase in Abhängigkeit von der Frequenz darstellt, wenn der DC/DC-Controller das Filter nicht aufweist; und
- 4A, 4B, 4C und 4D stellen Blockschaltpläne jeweiliger Varianten des Verstärkungsregelkreises gemäß verschiedenen Ausführungsformen dar.
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AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
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Es sind hier ausführliche Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung offenbart; allerdings sind die offenbarten Ausführungsformen selbstverständlich lediglich beispielhaft für die Erfindung, die in verschiedenen und alternativen Formen verkörpert werden kann. Die Figuren sind nicht notwendig maßstabsgerecht; einige Merkmale können überhöht oder verkleinert sein, um Einzelheiten der Komponenten zu zeigen. Somit sollen spezifische hier offenbarte strukturelle und funktionale Einzelheiten nicht als beschränkend interpretiert werden, sondern lediglich als repräsentative Grundlage, um dem Fachmann auf dem Gebiet zu lehren, die vorliegende Erfindung verschiedenartig zu nutzen.
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In 1 ist nun ein Blockschaltplan eines elektrischen Systems 10 mit einem fahrzeugeigenen Ladegerät (OBC) 12 gemäß einer Ausführungsform gezeigt. Das OBC 12 dient zur Verwendung „an Bord“ eines Elektrofahrzeugs zum Laden einer Traktionsbatterie 22 des Elektrofahrzeugs. Das OBC 12 setzt von einer Netzstromversorgung 20 des Elektrizitätsnetzes empfangene elektrische AC-Leistung in elektrische DC-Leistung um und stellt die elektrische DC-Leistung zum Laden für die Traktionsbatterie 22 bereit. („AC“ steht für Wechselstrom; und „DC“ steht für Gleichstrom.)
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Die Traktionsbatterie 22 ist eine Hochspannungs-DC-Traktionsbatterie („HV“-DC-Traktionsbatterie) für Anforderungen elektrischer Energie für den Vortrieb des Elektrofahrzeugs. Der Ausdruck „Elektrofahrzeug“ umfasst hier irgendein Fahrzeug, das elektrische Leistung von einer Traktionsbatterie für den Fahrzeugvortrieb verwendet, und umfasst reine Batterieelektrofahrzeuge (BEV), Hybridelektrofahrzeuge (HEV), Plug-in-Hybridelektrofahrzeuge (PHEV) und dergleichen.
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Das OBC 12 enthält eine Leistungsfaktorkorrektureinrichtung (PFC) 14, einen DC-Zwischenkreiskondensator 16 und einen DC/DC-Umsetzer 18. Das OBC 12 weist einen Eingang auf, der durch eine externe Elektrofahrzeugversorgungsausrüstung (EVSE) (nicht gezeigt) mit einer Netzstromversorgung 20 verbunden ist, um elektrische AC-Leistung von der Netzstromversorgung zu empfangen. Das OBC 12 weist einen Ausgang auf, der mit der Traktionsbatterie 22 verbunden ist. Das OBC 12 setzt elektrische AC-Leistung von der Netzstromversorgung 20 in elektrische DC-Leistung um und stellt die elektrische DC-Leistung zum Laden für die Traktionsbatterie 22 bereit. Auf diese Weise lädt das OBC 12 die Traktionsbatterie 22 unter Verwendung elektrischer AC-Energie von dem Elektrizitätsnetz.
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Die PFC 14, der DC-Zwischenkreiskondensator 16 und der DC/DC-Umsetzer 18 sind in Kaskade geschaltete Stufen des OBC 12. Die PFC 14 setzt elektrische AC-Leistung von der Netzstromversorgung 20 in elektrische DC-Leistung zuzüglich elektrischer AC-Leistung um und liefert die elektrische DC-Leistung zuzüglich der elektrischen AC-Leistung an den DC-Zwischenkreiskondensator 16 und an den DC/DC-Umsetzer 18, während sie den Leistungsfaktor in der Nähe von eins hält. Die PFC 14 wird in der Weise geregelt, dass die Spannung des DC-Zwischenkreiskondensators 16 auf einen gewünschten DC-Spannungspegel reguliert wird. Die Spannung des DC-Zwischenkreiskondensators 16 ist die Eingangsspannung in den DC/DC-Umsetzer 18. Der DC/DC-Umsetzer 18 setzt die Eingangsspannung von dem DC-Zwischenkreiskondensator 16 in Übereinstimmung mit der Ladeanforderung/dem Status der Traktionsbatterie 22 in einen höheren/niedrigeren DC-Spannungspegel um. Dieser DC-Spannungspegel ist die Ausgangsspannung des DC/DC-Umsetzers 18. Die Traktionsbatterie 22 wird mit dem Ausgangsstrom des DC/DC-Umsetzers 18 geladen.
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Wie beschrieben wird, ist die PFC 14 das Netzeingangsteil und passt der DC/DC-Umsetzer 18 die Ausgabe an den Spannungsbereich der Traktionsbatterie 22 an. Insbesondere wird die PFC 14 verwendet, um den von der Netzstromversorgung 20 aufgenommenen elektrischen Strom zu regeln und um die Spannung des DC-Zwischenkreiskondensators 16 zu regeln. Der DC/DC-Umsetzer 18 reguliert den Ladeausgangsstrom, der von der DC-Zwischenkreis- und PFC-Stufe an die Traktionsbatterie 22 geliefert wird.
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Dem OBC 12 ist ein Controller 24 zugeordnet. Der Controller 24 ist eine elektronische Vorrichtung wie etwa ein Prozessor, ein Mikrocontroller oder dergleichen (z. B. ein Computer). Der Controller 24 steht in Kommunikation mit der PFC 14 und mit dem DC/DC-Umsetzer 18, um Operationen der PFC und des DC/DC-Umsetzers zu regeln. Zum Beispiel regelt der Controller 24 die PFC 14 beim Umsetzen elektrischer AC-Leistung von der Netzstromversorgung 20 in elektrische DC-Leistung zuzüglich elektrischer AC-Leistung und beim Liefern der elektrischen DC-Leistung zuzüglich der elektrischen AC-Leistung an den DC-Zwischenkreiskondensator 16 und an den DC/DC-Umsetzer 18. Diesbezüglich regelt der Controller 24 geeignet das Schalten und die Schaltdauer der Leistungstransistorschalter (nicht gezeigt) der PFC 14, um die durch die PFC bereitgestellte Leistungsfaktorkorrektur und den Betrieb der PFC beim Liefern eines gewählten Betrags elektrischer DC-Leistung zuzüglich elektrischer AC-Leistung, die von der elektrischen AC-Leistung der Netzstromversorgung 20 umgesetzt wird, an den DC-Zwischenkreiskondensator 16 zu regeln. Auf diese Weise wird der DC-Zwischenkreiskondensator 16 auf dem gewünschten DC-Spannungspegel reguliert.
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Genauer regelt der Controller 24 die PFC 14 zum Liefern eines gewählten Betrags an elektrischer AC- und DC-Leistung an den DC-Zwischenkreiskondensator 16. Der DC-Zwischenkreiskondensator 16 ist für das Filtern der elektrischen AC-Leistung verantwortlich, während der DC/DC-Umsetzer 18 die elektrische DC-Leistung aufnimmt und sie an die Traktionsbatterie 22 überträgt. Solange die PFC 14 denselben Betrag elektrischer DC-Leistung, den der DC/DC-Umsetzer 18 aufnimmt, bereitstellt und an die Traktionsbatterie 22 liefert, wird die Spannung des DC-Zwischenkreiskondensators 16 geeignet reguliert gehalten.
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Der Controller 24 regelt den DC/DC-Umsetzer 18 beim Umsetzen der DC-Eingangsspannung von dem DC-Zwischenkreiskondensator 16 in eine höhere/niedrigere DC-Ausgangsspannung zum Laden der Traktionsbatterie 22. Diesbezüglich regelt der Controller 24 geeignet das Schalten und die Schaltdauer von Leistungstransistorschaltern (nicht gezeigt) des DC/DC-Umsetzers 18, damit der DC/DC-Umsetzer die Eingangsspannung von dem DC-Zwischenkreiskondensator 16 in eine höhere/niedrigere Ausgangsspannung umsetzt. Der Controller 24 ist ebenfalls betreibbar, mit anderen Knoten des elektrischen Systems 10 und des Fahrzeugs einschließlich Knoten, die an den Ladeanwendungen beteiligt sind, zu kommunizieren und sie zu regeln.
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Der DC-Zwischenkreiskondensator 16 ist ein oder mehrere Bulk-Kondensatoren, die zusammen den DC-Zwischenkreiskondensator bilden.
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Die Netzstromversorgung 20 kann eine Ein-, Zwei- oder Dreiphasennetzstromversorgung sein. Somit kann die AC-Netzspannung eine Ein-, Zwei- oder Dreiphasen-AC-Netzspannung sein. Der Einfachheit halber ist angenommen, dass die Netzstromversorgung 20 eine Einphasennetzstromversorgung ist. Somit ist das OBC 12 hier als mit einem einzelnen Satz einer PFC 14, eines DC-Zwischenkreiskondensators 16 und eines DC/DC-Umsetzers 18 beschrieben. Falls die AC-Netzspannung eine Zweiphasen- (Dreiphasen-) AC-Netzspannung wäre, würde das OBC 12 zwei (drei) Sätze der PFC 14, des DC-Zwischenkreiskondensators 16 und des DC/DC-Umsetzers 18 für die zwei (drei) Phasen enthalten.
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Im Idealfall wäre in einer Dreiphasenversorgung mit allen Phasen im Gleichgewicht in einem DC-Zwischenkreiskondensator, der Leistung von einer Dreiphasen-PFC empfängt, keine Niederfrequenz vorhanden. Natürlich erzeugt in dem echten Wirkungsraum irgendein AC-Netzungleichgewicht bei dem DC-Zwischenkreiskondensator eine Verzerrung und eine Spannungswelligkeit. Falls die interne Struktur des OBC auf einem Einphasenmodul beruht, obwohl das Versorgungsnetz ein Dreiphasentyp des Netzes ist, ist die Situation dieselbe, wie wenn es drei getrennte Einphasen-OBCs gäbe. Allerdings würde diese Niederfrequenzoberschwingung wegen der natürlichen Phasenverschiebung von 120° zwischen Phasen bei dem Ausgangsstrom natürlich kompensiert.
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Im stationären Betrieb (z. B. in einer stabilen Betriebsart) des OBC 12 wird die Spannung des DC-Zwischenkreiskondensators 16 verstärkt und bei einem bestimmten DC-Spannungspegel reguliert und wird die Traktionsbatterie 22 über den DC/DC-Umsetzer 18 mit elektrischer DC-Leistung von dem DC-Zwischenkreiskondensator geladen.
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Wie in 1 ferner gezeigt ist, ist die Signalform der elektrischen AC-Leistung von der Netzstromversorgung 20, wie im Block 30 angegeben ist, eine Sinusschwingung mit einer Frequenz von 60 Hz. (Die 60-Hz-Frequenz ist in bestimmten Ländern die Norm für das Elektrizitätsnetz. In anderen Ländern ist eine 50-Hz-Frequenz die Norm für das Elektrizitätsnetz.) Die PFC 14 führt an der empfangenen elektrischen AC-Leistung von der Netzstromversorgung 20 eine Vollwellengleichrichtung aus. Die gleichgerichtete PFC-Ausgabe variiert mit dem Doppelten der Netzstromversorgungsfrequenz. Wie im Block 32 angegeben ist, variiert die gleichgerichtete PFC-Ausgabe somit mit 120 Hz. (Für die Netzstromversorgungsfrequenz von 50 Hz variiert die gleichgerichtete PFC-Ausgabe mit 100 Hz.)
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Obwohl der DC-Zwischenkreiskondensator 16 als ein Zwischenenergiespeicher und Filter (Stabilisator) wirkt, weist die DC-Zwischenkreisspannung des DC-Zwischenkreiskondensators eine Spannungswelligkeit auf. Insbesondere weist die DC-Zwischenkreisspannung des DC-Zwischenkreiskondensators 16 (i) eine DC-Spannungskomponente und (ii) eine Spannungswelligkeit, die, wie im Block 34 angegeben ist, mit 120 Hz variiert, auf. In dem stationären Betrieb des OBC 12 ist die Größe der Spannungswelligkeit der DC-Zwischenkreisspannung im Vergleich zu der Größe der DC-Spannungskomponente der DC-Zwischenkreisspannung verhältnismäßig klein. Die Spannungswelligkeit der DC-Zwischenkreisspannung variiert im Zusammenhang mit der mit 120 Hz variierten gleichgerichteten PFC-Ausgabe, die von dem DC-Zwischenkreiskondensator 16 empfangen wird, mit 120 Hz. (Wenn die Netzstromversorgungsfrequenz 50 Hz beträgt, variiert die Spannungswelligkeit der DC-Zwischenkreisspannung im Zusammenhang mit der gleichgerichteten PFC-Ausgabe, die mit 100 Hz variiert, mit 100 Hz.)
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Wie beschrieben ist, stellt der DC/DC-Umsetzer 18 den (in 1 als „IBat“ bezeichneten) von dem DC/DC-Umsetzer ausgegebenen Ausgangsstrom für die Traktionsbatterie 22 in Übereinstimmung mit dem Bedarf/Status der Traktionsbatterie ein. Wie im Block 36 angegeben ist, weist der Ausgangsstrom (i) eine DC-Stromkomponente und (ii) eine Stromwelligkeit auf. Wie im Block 36 ferner angegeben ist, ist die Größe der Stromwelligkeit im Vergleich zu der Größe der DC-Stromkomponente beim stationären Betrieb des OBC 12 verhältnismäßig klein. Wie im Block 36 ferner angegeben ist, variiert die Stromwelligkeit mit 120 Hz. Die Stromwelligkeit variiert im Zusammenhang mit der mit 120 Hz variierten Spannungswelligkeit der durch den DC/DC-Umsetzer 18 von dem DC-Zwischenkreiskondensator 16 empfangenen DC-Zwischenkreisspannung mit 120 Hz. (Wenn die Netzstromversorgungsfrequenz 50 Hz beträgt, variiert die Stromwelligkeit im Zusammenhang mit der Spannungswelligkeit der DC-Zwischenkreisspannung, die mit 100 Hz variiert, mit 100 Hz.)
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Wegen Unvollkommenheiten der verschiedenen Elemente in dem System, das die AC-Eingangsversorgung enthält, kann die Stromwelligkeit andere Stromwelligkeitskomponenten (Oberschwingungen) enthalten. Somit variiert die Stromwelligkeit „hauptsächlich“ mit 120 Hz (oder 100 Hz), da die 120-Hz- (oder 100-Hz-) Stromwelligkeitskomponente die größte Stromwelligkeitskomponente der Stromwelligkeit ist.
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Die Stromwelligkeit des Ausgangsstroms kann veranlassen, dass die Traktionsbatterie 22 überhitzt, und dadurch die Systemlebensdauer der Traktionsbatterie verringern. Folglich kann ein Maximalwert für die Größe der Stromwelligkeit auferlegt werden.
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Die Größe der Stromwelligkeit kann dadurch verringert werden, dass der DC-Zwischenkreiskondensator 16 physisch vergrößert wird. Da das OBC 14 an Bord eines Elektrofahrzeugs ist, ist es allerdings erwünscht, das Gesamtvolumen, das Gewicht und die Kosten des OBC zu verringern. Üblicherweise werden das Gesamtvolumen, das Gewicht und die Kosten des OBC 12 dadurch verringert, dass der DC-Zwischenkreiskondensator 16 physisch verkleinert wird, was somit die 120-Hz-Welligkeitsfilterung in Abhängigkeit von der physischen Größe des DC-Zwischenkreiskondensators gefährdet.
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Der DC/DC-Umsetzer 18 ist Teil eines Verstärkungsregelkreises mit einem DC/DC-Controller. Der DC/DC-Controller ist dafür ausgelegt, den DC/DC-Umsetzer 18 zum Einstellen des Ausgangsstroms auf einen Sollwert in Übereinstimmung mit dem Bedarf/Status der Traktionsbatterie 22 zu regeln. Der DC/DC-Controller stellt eine gewisse Welligkeitsfilterung bereit. Allerdings ist die Verstärkung des DC/DC-Controllers (bei dem Tiefpassfrequenzband, das 120 Hz enthält), damit er stabil ist, beschränkt und kann die durch den DC/DC-Controller bereitgestellte Welligkeitsfilterung für die erhöhte 120-Hz-Welligkeit nicht ausreichend sein.
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Nun in 2 ist weiter anhand von 1 ein detaillierterer Blockschaltplan des OBC 12 gezeigt. Der Blockschaltplan des OBC 12 ist dahingehend detaillierter, dass in 2 ein Verstärkungsregelkreis 38 gezeigt ist. Der Verstärkungsregelkreis 38 enthält einen DC/DC-Umsetzer 18 und einen DC/DC-Controller 49 zum Regeln des DC/DC-Umsetzers 18. Der DC/DC-Controller 49 ist durch den Controller 24 implementiert, kann aber ein getrennter Controller sein, der nur dem DC/DC-Umsetzer 18 zugeordnet ist.
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Der DC/DC-Controller 49 regelt den DC/DC-Umsetzer 18, um den Ausgangsstrom (IBat) auf einen Sollwert (Iref) für den Ausgangsstrom einzustellen. Der Sollwert für den Ausgangsstrom gibt einen Ausgangsstrom mit einer DC-Stromkomponente und keiner Stromwelligkeit an. Die Größe dieser DC-Stromkomponente ist der Sollwert.
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Allgemein empfängt der DC/DC-Controller 49 den Sollwert (Iref) für den Ausgangsstrom und einen erfassten Wert (IBat sense) des Ausgangsstroms, bestimmt er ein Fehlersignal, das die Differenz zwischen dem Soll- und dem erfassten Ausgangsstromwert angibt, erzeugt er in Abhängigkeit von dem Fehlersignal ein Regelsignal und regelt er die Leistungstransistorschalter des DC/DC-Umsetzers 18 in Übereinstimmung mit dem Regelsignal, um zu veranlassen, dass der DC/DC-Umsetzer einen Ausgangsstrom ausgibt, der durch das OBC 12 dem Sollwert so nahe wie möglich gemacht werden kann. Somit fungiert der DC/DC-Controller 49 dafür, die Differenz zwischen (i) dem Ausgangsstrom und (ii) dem Sollwert für den Ausgangsstrom zu minimieren.
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Der DC/DC-Controller 49 enthält ein Subtrahierglied 40, einen Analog-Digital-Umsetzer (ADC) 42, einen PID- (Proportional-Integral-Differential-) Controller 44 und einen Pulsbreitenmodulations- (PWM-) Controller 46. Wie in 2 gezeigt ist, kann der PWM-Controller 46 ein digitaler PWM-Controller (DWPM) sein. Obwohl PWM-basierte Controller üblicherweise mit konstanter Frequenz und variablem Tastgrad arbeiten, beruht der PWM-Controller 46 in dieser Ausführungsform auf einer variablen Schaltfrequenz, aber einem konstanten Tastgrad.
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Ferner enthält der Verstärkungsregelkreis 38 einen Stromsensor 48 zum Erfassen des Ausgangsstroms (IBat) des DC/DC-Umsetzers 18.
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Im Betrieb empfängt das Subtrahierglied 40 den Sollwert (Iref) für den Ausgangsstrom, der durch den DC/DC-Umsetzer 18 ausgegeben werden soll. Der Sollwert für den Ausgangsstrom wird z. B. durch den Controller 24 auf der Grundlage des Ladebedarfs/Ladestatus der Traktionsbatterie 22 erzeugt. Das Subtrahierglied 40 empfängt von dem Stromsensor 48 den erfassten Wert des Ausgangsstroms, der von dem DC/DC-Umsetzer 18 ausgegeben wird. Das Subtrahierglied 40 erzeugt ein Fehlersignal, das die Differenz zwischen dem Sollwert für den Ausgangsstrom und dem erfassten Wert des Ausgangsstroms angibt. Das Fehlersignal ist ein analoges Signal.
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Der ADC 42 empfängt von dem Subtrahierglied 40 das Fehlersignal. Der ADC 42 setzt das analoge Fehlersignal in ein digitales Fehlersignal um und stellt dasselbe für den PID-Controller 44 bereit. Der PID-Controller 44 erzeugt in Abhängigkeit von dem Fehlersignal ein Regelsignal. Das durch den PID-Controller 44 erzeugte Regelsignal ist eine Korrektur, die das Fehlersignal durch Einstellen des Schaltens der Leistungstransistorschalter des DC/DC-Umsetzers 18 im Zeitverlauf zu minimieren versucht (d. h., das Regelsignal ist eine Korrektur, die zu veranlassen versucht, dass der DC/DC-Umsetzer 18 in der Weise geregelt wird, dass die Differenz zwischen dem Ausgangsstrom und dem Sollwert für den Ausgangsstrom im Zeitverlauf minimiert wird). Der PWM-Controller 46 empfängt das Regelsignal von dem PID-Controller 44. Der PWM-Controller 46 regelt die Leistungsschalter des DC/DC-Umsetzers 18 in Übereinstimmung mit dem Regelsignal. Der Prozess wird im Zeitverlauf in der Weise fortgesetzt, dass der DC/DC-Controller 49 veranlasst, dass der von dem DC/DC-Umsetzer 18 ausgegebene Ausgangsstrom dem Sollwert in Abhängigkeit von den Fähigkeiten des OBC 12 so nahe wie möglich wird und bleibt.
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Wie oben beschrieben wurde, weist der von dem DC/DC-Umsetzer 18 ausgegebene Ausgangsstrom mit dem Verstärkungsregelkreis 38, der den DC/DC-Controller 49 nicht aufweist, eine Stromwelligkeit auf. Die Stromwelligkeit variiert hauptsächlich mit dem Doppelten der Frequenz des Elektrizitätsnetzes (d. h., bei einer 60-Hz-Netzstromversorgung variiert die Stromwelligkeit hauptsächlich mit 120 Hz). Die Stromwelligkeit ist eine Welligkeit, die in der DC-Ladeausgabe des DC/DC-Umsetzers 18 vorhanden ist. Insbesondere repräsentiert die Stromwelligkeit das Elektrizitätsnetzfrequenzrauschen in der DC-Ladeausgabe des DC/DC-Umsetzers 18. Ein solches Elektrizitätsnetzfrequenzrauschen in der DC-Ladeausgabe des DC/DC-Umsetzers 18 veranlasst, dass die Traktionsbatterie 22 in Abhängigkeit von der Stromwelligkeitsgröße überhitzt. Somit wird üblicherweise ein Stromwelligkeitsschwellenwert definiert, bei dem sich die Überhitzung auf die Traktionsbatterie 22 auswirkt und verringert werden sollte.
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Damit der DC/DC-Controller 49 des Verstärkungsregelkreises 38, wie er bisher anhand von 2 beschrieben worden ist, stabil ist, wird seine Verstärkung bei einem Tiefpassfrequenzband, das 100-120 Hz umfasst, begrenzt. Folglich kann die durch den DC/DC-Controller 49 bereitgestellte Welligkeitsfilterung, wie sie bisher anhand von 2 beschrieben ist, für die vorhandene 120-Hz- (oder 100-Hz-) Stromwelligkeit nicht ausreichend sein. Somit kann der von dem DC/DC-Umsetzer 18 ausgegebene Ausgangsstrom immer noch einen unerwünschten Betrag an Stromwelligkeit aufweisen.
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Gemäß der vorliegenden Offenbarung enthält der DC/DC-Controller 49 des Verstärkungsregelkreises 38 ferner ein Filter 50. Das Filter 50 ermöglicht, dass der DC/DC-Controller 49 die Stromwelligkeit des von dem DC/DC-Umsetzers 18 ausgegebenen Ausgangsstroms weiter verringert. Dadurch wird durch den DC/DC-Controller 49 veranlasst, dass der Ausgangsstrom näher zu dem Sollwert für den Ausgangsstrom passt.
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Wie in 2 gezeigt ist, ist das Filter 50, das ein Analogfilter oder ein Digitalfilter sein kann, zwischen dem Subtrahierglied 40 und dem Stromsensor 48 eingefügt. Somit empfängt anstelle des Subtrahierglieds 40 das Filter 50 von dem Stromsensor 48 den erfassten Wert des Ausgangsstroms, der von dem DC/DC-Umsetzer 18 ausgegeben wird. Das Filter 50 ist dafür konfiguriert, die 120-Hz- (oder 100-Hz-) Stromwelligkeit des Ausgangsstroms bei der Erfassungsrückkopplung von dem Stromsensor 48 lokal zu erhöhen. Das Filter 50 weist Filterparameter auf, die in der Weise gewählt sind, dass die Gesamtverstärkung nur bei der relevanten 100-Hz-Frequenz, der relevanten 120-Hz-Frequenz oder dem relevanten 100-120-Hz-Frequenzband beeinflusst wird. Das heißt, das Filter 50 weist ein Band von Frequenzen auf, bei denen die Energie verstärkt wird, während der Rest der Frequenzen „so wie sie sind“ (Verstärkung = 1) gelassen wird. Somit erzeugt das Filter 50 eine gefilterte Version des erfassten Werts des Ausgangsstroms, in dem die 120-Hz- (oder 100-Hz-) Komponente des erfassten Werts des Ausgangsstroms verhältnismäßig erhöht ist.
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Das Filter 50 stellt die gefilterte Version des erfassten Werts des Ausgangsstroms für das Subtrahierglied 40 bereit. Das Subtrahierglied 40 erzeugt das Fehlersignal, das die Differenz zwischen dem Sollwert für den Ausgangsstrom und der gefilterten Version des erfassten Werts des Ausgangsstroms angibt. Da die gefilterte Version des erfassten Werts des Ausgangsstroms einen erhöhten Wert der Stromwelligkeit enthält, enthält das Fehlersignal eine erhöhte Komponente, die die Stromwelligkeit angibt. Somit berücksichtigt der PID-Controller 44 die Stromwelligkeit verhältnismäßig stärker, wenn er auf der Grundlage des Fehlersignals das Regelsignal erzeugt. Folglich ist das Regelsignal eine genauere Korrektur zum Verringern der Stromwelligkeit. Der PWM-Controller 46 regelt den DC/DC-Umsetzer 18 in Übereinstimmung mit dem Regelsignal wie oben beschrieben, mit dem Ergebnis, dass der Ausgangsstrom einen verhältnismäßig verringerten Betrag der Stromwelligkeit aufweist. Somit ähnelt der Ausgangsstrom näher dem Sollwert für den Ausgangsstrom (d. h. der Ausgangsstrom weist (i) eine DC-Stromkomponente, die an die DC-Stromkomponente des Sollwerts für den Ausgangsstrom angepasst ist, und (ii) wenig oder keine Stromwelligkeit auf).
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Auf diese Weise detektiert der DC/DC-Controller 49 mit dem Filter 50 leichter die Stromwelligkeit des Ausgangsstroms und reagiert er besser, um die Stromwelligkeit zu beseitigen. Somit weist der Ausgangsstrom unter Verwendung des DC/DC-Controllers 49 mit dem Filter 50 verhältnismäßig wenig oder keine Stromwelligkeit auf. Das Filter 50 ist in dem DC/DC-Controller 49 vorgesehen, um das Elektrizitätsnetzfrequenzrauschen in der DC-Ladeausgabe des OBC 12 zu minimieren. Somit verbessert der DC/DC-Controller 49 mit dem Filter 50 die Elektrizitätsnetzfrequenzunterdrückung des OBC 12. Eine solche Elektrizitätsnetzfrequenzfilterung bei der DC/DC-Umsetzerstufe in einem OBC optimiert die Anforderungen für den DC-Zwischenkreiskondensator (wobei z. B. ein physisch kleinerer und somit preiswerterer DC-Zwischenkreiskondensator verwendet werden kann).
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3A stellt einen Graphen 60 dar, der eine erste grafische Darstellung 62 des Verhaltens der Größe in Abhängigkeit von der Frequenz enthält, der eine durch den DC/DC-Controller 49 bereitgestellte Kreisfehlerkompensationsfunktion beim Regeln des DC/DC-Umsetzers 18 zeigt, wenn der DC/DC-Controller das Filter 50 aufweist. Ferner stellt 3A eine zweite grafische Darstellung 64 des durch den DC/DC-Controller 49 beim Regeln des DC/DC-Umsetzers 18 bereitgestellten Verhaltens der Größe in Abhängigkeit von der Frequenz dar, wenn der DC/DC-Controller das Filter 50 nicht aufweist.
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Anfangs geben die grafischen Darstellungen 62 und 64 an, dass der erfasste Wert der DC-Stromkomponente (d. h. bei 0 Hz) des Ausgangsstroms mit oder ohne die Anwesenheit des Filters 50 zum Vergleich mit dem Sollwert zu dem Subtrahierglied 40 geht. Allerdings gibt die grafische Darstellung 62 ferner an, dass der erfasste Wert der Stromwelligkeit (d. h. bei 120 Hz oder 100 Hz) mit der Anwesenheit des Filters 50 verhältnismäßig erhöht ist. Im Gegensatz dazu ist der erfasste Wert der Stromwelligkeit (d. h. bei 120 Hz oder 100 Hz) ohne die Anwesenheit des Filters 50, wie durch die grafische Darstellung 64 angegeben ist, nicht verhältnismäßig erhöht. Somit zeigt 3A eine Banderhöhung, die durch das Filter 50 erfolgt (das wie hier beschrieben analog oder digital sein kann), die daraufhin von dem Referenzsignal subtrahiert wird. Das heißt, dass dieses Band von Frequenzen am Ende verkleinert ist (die Fehlerdifferenz erhöht ist, so dass der PID-Controller 44 damit reagiert, sie zu minimieren).
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Zur weiteren Bezugnahme stellt 3B einen Graphen 70 dar, der eine erste grafische Darstellung 72 des Verhaltens der Phase in Abhängigkeit von der Frequenz enthält, der die durch den DC/DC-Controller 49 bereitgestellte Kreisfehlerkompensationsfunktion beim Regeln des DC/DC-Umsetzers 18 zeigt, wenn der DC/DC-Controller das Filter 50 aufweist. Ferner stellt 3B eine zweite grafische Darstellung 74 des durch den DC/DC-Controller 49 bereitgestellten Verhaltens der Phase in Abhängigkeit von der Frequenz beim Regeln des DC/DC-Umsetzers 18 dar, wenn der DC/DC-Controller das Filter 50 nicht aufweist.
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Das Filter 50 kann ein passives elektronisches Filter sein, das aus passiven elektrischen Bauelementen wie etwa induktiven Bauelementen und Kondensatoren besteht. Alternativ kann das Filter 50 ein aktives elektronisches Filter sein, das aus aktiven elektrischen Komponenten wie etwa Verstärkern besteht.
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Wie hier beschrieben ist, weist das OBC 12 eine verbesserte 100-120-Hz-Band-Unterdrückung durch das Filter 50 auf, das als Teil des DC/DC-Controllers 49 des Verstärkungsregelkreises 38 implementiert ist. Das Filter 50 kann dafür ausgelegt sein, eine 100-120-Hz-Band-Unterdrückung, eine 100-Hz-Unterdrückung oder eine 120-Hz-Unterdrückung bereitzustellen.
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Das OBC 12 ist für alle Typen von Elektrofahrzeugen einschließlich HEVs, PHEVs und EVs verwendbar. Das OBC 12 kann ebenfalls für andere Hochleistungsanwendungen verwendet werden.
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Das OBC 12 gemäß der in 1 und 2 gezeigten Ausführungsform und das hier beschrieben ist, weist den DC-Zwischenkreiskondensator 16 auf. In anderen Ausführungsformen weist das OBC 12 den DC-Zwischenkreiskondensator 16 nicht auf. In diesen anderen Ausführungsformen empfängt der DC/DC-Umsetzer 18 ein Eingangsleistungssignal mit der Eingangsspannung von einer anderen Leistungsquelle.
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Nun anhand von 4A, 4B, 4C und 4D sind jeweils Blockschaltpläne jeweiliger Varianten des Verstärkungsregelkreises 38 gemäß verschiedenen Ausführungsformen gezeigt.
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4A stellt einen Verstärkungsregelkreis 38 gemäß einer ersten Variante dar. In dieser ersten Variante enthält der DC/DC-Controller 49 des Verstärkungsregelkreises 38 das Subtrahierglied 40, den ADC 42, den PID-Controller 44, den PWM-Controller 46 und das Filter 50. Die Komponenten des DC/DC-Controllers 49 sind, wie in 4A gezeigt ist, in derselben Anordnung, wie sie in 2 gezeigt ist, angeordnet. In dieser ersten Variante ist das Filter 50 ein Analogfilter, ist der PID-Controller 44 ein digitaler PID-Controller und ist der PWM-Controller 46 ein digitaler PWM-Controller. Somit ist der Verstärkungsregelkreis 38 in dieser ersten Variante ein Verstärkungsregelkreis mit Analogfilter und digitaler PID.
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4B stellt einen Verstärkungsregelkreis 38 gemäß einer zweiten Variante dar. In dieser zweiten Variante enthält der DC/DC-Controller 49 des Verstärkungsregelkreises 38 das Subtrahierglied 40, den ADC 42, den PID-Controller 44, den PWM-Controller 46 und das Filter 50. Die Komponenten des DC/DC-Controllers 49 sind, wie in 4B gezeigt ist, angeordnet, wobei der ADC 42 zwischen dem Subtrahierglied 40 und dem Filter 50 eingefügt ist. In dieser zweiten Variante ist das Filter 50 ein Analogfilter, ist der PID-Controller 44 ein digitaler PID-Controller und ist der PWM-Controller 46 ein digitaler PWM-Controller. Somit ist der Verstärkungsregelkreis 38 in dieser zweiten Variante ein Verstärkungsregelkreis mit digitaler Subtraktion des Analogfilters und PID.
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4C stellt einen Verstärkungsregelkreis 38 gemäß einer dritten Variante dar. In dieser dritten Variante enthält der DC/DC-Controller 49 des Verstärkungsregelkreises 38 ein Subtrahierglied 40, einen ADC 42, einen PID-Controller 44, einen PWM-Controller 46 und ein Filter 50. Die Komponenten des DC/DC-Controllers 49 sind, wie in 4C gezeigt ist, angeordnet, wobei der ADC 42 zwischen dem Stromsensor 48 und dem Filter 50 eingefügt ist. In dieser dritten Variante ist das Filter 50 ein Digitalfilter, ist der PID-Controller 44 ein digitaler PID-Controller und ist der PWM-Controller 46 ein digitaler PWM-Controller. Somit ist der Verstärkungsregelkreis 38 in dieser dritten Variante ein Verstärkungsregelkreis, bei dem alle Stufen digital sind.
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4D stellt einen Verstärkungsregelkreis 38 gemäß einer vierten Variante dar. In dieser vierten Variante enthält der DC/DC-Controller 49 des Verstärkungsregelkreises 38 ein Subtrahierglied 40, einen PID-Controller 44, einen PWM-Controller 46 und ein Filter 50, enthält er aber nicht den ADC 42. Abgesehen davon, dass der ADC 42 anwesend ist, sind die Komponenten des DC/DC-Controllers 49, wie in 4D gezeigt ist, in derselben Anordnung angeordnet, wie sie in 2 gezeigt ist. In dieser vierten Variante ist das Filter 50 ein Analogfilter, ist der PID-Controller 44 ein analoger PID-Controller und ist der PWM-Controller 46 ein analoger PWM-Controller. Somit ist der Verstärkungsregelkreis 38 in dieser vierten Variante ein Verstärkungsregelkreis, bei dem alle Stufen analog sind.
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Obwohl oben beispielhafte Ausführungsformen beschrieben worden sind, sollen diese Ausführungsformen nicht alle möglichen Formen der vorliegenden Erfindung beschreiben. Vielmehr sind die in der Beschreibung verwendeten Wörter Wörter der Beschreibung anstatt der Begrenzung und können selbstverständlich verschiedene Änderungen vorgenommen werden, ohne von dem Erfindungsgedanken und Schutzumfang der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Außerdem können die Merkmale verschiedener implementierender Ausführungsformen kombiniert werden, um weitere Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung zu bilden.