DE10301503A1 - Stromversorgungseinrichtung - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Stromversorgungseinrichtung (10a) zur Bereitstellung eines Versorgungsstroms für elektrische Verbraucher, umfassend einen Stromerzeugungsschaltkreis (12a), dem ein Stellsignal eingegeben wird, um abhängig von dem Stellsignal den Versorgungsstrom bereitzustellen, einen Regler (18a), dem ein Führungssignal sowie ein dem Versorgungsstrom entsprechendes Regelsignal eingegeben werden, zur Bereitstellung des Stellsignals, und eine Führungseinrichtung (22a, 26a) zur Bereitstellung des Führungssignals, wobei ein Normalzustand vorgesehen ist, in welchem der Versorgungsstrom für die mit der Nennspannung betriebenen elektrischen Verbraucher bereitgestellt wird und die Eingangssignaldifferenz des Reglers Null ist. DOLLAR A Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass der Regler (18a) eine Regelcharakteristik derart vorsieht, dass ausgehend von dem Normalzustand eine sprunghafte Verringerung der Betriebsspannung von der Nennspannung auf eine für den Betrieb der Verbraucher notwendige Nennmindestspannung zu einem Anstieg des Versorgungsstroms um mindestens 20% des maximal mittels des Stromerzeugungsschaltkreises (12a) bereitstellbaren Versorgungsstroms führt.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine Stromversorgungseinrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
  • Zum besseren Verständnis der Erfindung wird nachfolgend zunächst eine in bekannter Weise aufgebaute Stromversorgungseinrichtung anhand eines in 1 dargestellten Ausführungsbeispiels beschrieben.
  • 1 zeigt eine insgesamt mit 10 bezeichnete Stromversorgungseinrichtung in Form eines Gleichspannung/Gleichspannung (DC/DC)-Wandlers in einem 2-Spannungs-Bordnetz eines Kraftfahrzeugs zur Bereitstellung eines Versorgungsstroms für mit einer Nennspannung von 14 V zu betreibende elektrische Verbraucher ausgehend von einer Bordspannung von 42 V.
  • Der Begriff "Nennspannung", wie hier verwendet, bezeichnet diejenige Betriebsspannung der elektrischen Verbraucher, für die diese spezifiziert sind. Davon zu unterscheiden ist eine "Nennmindestspannung" dieser Verbraucher, welche die zum zuverlässigen Betrieb der Verbraucher mindestens notwendige Betriebsspannung bezeichnet. Für 14 V-Verbraucher im Kraftfahrzeugbereich beträgt die Nennmindestspannung typischerweise etwa 8 V.
  • Die Stromversorgungseinrichtung 10 hat die Aufgabe, ausgehend von einem ersten Bordnetz mit einer ersten Gleichspannung (hier: 42 V) ein zweites Bordnetz mit einer zweiten, davon verschiedenen Gleichspannung (hier: 14 V) bereitzustellen und die zweite Gleichspannung, insbesondere bei Laständerungen im Bereich der Verbraucher, möglichst konstant zu halten.
  • Die Stromversorgungseinrichtung 10 umfasst einen Stromerzeugungsschaltkreis 12, der mit der ersten Gleichspannung von 42 V versorgt wird und dem von einem PWM (Pulsweitenmodulation)-Modulator 14 ein rechteckförmiges PWM-Spannungssignal als ein Stellsignal eingegeben wird, um abhängig von diesem Stellsignal den Versorgungsstrom für die elektrischen Verbraucher bereitzustellen, die mit einer Betriebsspannung von 14 V zu betreiben sind. Wenngleich diese Verbraucher in 1 nicht dargestellt sind, so ist eine Batterie 16 des zweiten Gleichspannungsnetzes (14V) in der Figur ersichtlich. Der Stromerzeugungsschaltkreis 12 ist in an sich bekannter Weise z. B. als Tiefsetzsteller (Leistungsteil) mit Schalttransistoren aufgebaut, die von dem PWM-Stellsignal angesteuert werden und über eine Drossel die Ausgangsspannung an einem Kondensator erzeugen. Bei einem derartigen Aufbau hängt der für ein bestimmtes Stellsignal sich ergebende Versorgungsstrom von der tatsächlichen Betriebsspannung der elektrischen Verbraucher ab. Die Betriebsspannung ändert sich z. B. bei plötzlich auftretenden Laständerungen, wie sie durch Ein- und Ausschalten einzelner Verbraucher hervorgerufen werden. Versorgungsstrom und PWM-Tastverhältnis korrelieren nur indirekt. Beispielsweise kann ein bestimmtes Tastverhältnis einer bestimmten Spannung am Ausgang einer aus zwei Leistungstransistoren (Brückenschaltung) gebildeten Leistungsteil-Treiberstufe entsprechen. Der ausgegebene Strom ist dann in erster Näherung das Integral der Differenz zwischen dieser Treiberausgangsspannung und der (hinter der Drossel) herrschenden Spannung (mit welcher die elektrischen Verbraucher versorgt werden). Bei der nachfolgend beschriebenen Regelung stellt sich für eine vorgegebene Ausgangslast das PWM-Tastverhältnis dann so ein, dass die beiden Spannungen (bis auf den Ausgleich etwaiger Verluste) übereinstimmen.
  • Der PWM-Modulator 14 dient zur Wandlung eines eingangsseitig von einem Regler 18 eingegebenen analogen Stellsignals in das ausgangsseitig an den Stromerzeugungsschaltkreis 12 abgegebene PWM-Stellsignal. Der dargestellte Modulator 14 enthält zu diesem Zweck in an sich bekannter Weise einen Dreieckoszillator zur Erzeugung eines Dreiecksignals sowie einen Komparator zum Vergleich dieses Dreiecksignals mit dem eingegebenen analogen Signal, so dass das PWM-Signal als Vergleichsergebnis am Ausgang des Komparators erhalten wird. Bei diesem Aufbau ergibt sich ein linearer Zusammenhang zwischen einer Änderung des analogen Signals (Stellsignal) und dem Tastverhältnis des PWM-Signals. Die Frequenz der Dreieckoszillation wird hierbei von einer Taktausgabeeinheit 20 eines Mikrocontrollers 22 vorgegeben, die im Betrieb der Einrichtung 10 ein Taktsignal an den Modulator 14 ausgibt. Diese Frequenz beträgt im dargestellten Beispiel 150 kHz, kann jedoch dem konkreten Anwendungsfall angepasst selbstverständlich andere Werte annehmen. Für die meisten DC/DC-Wandler ist eine Frequenz bis zu einigen kHz zweckmäßig.
  • Der Regler 18 ist als PI (Proportional-Integral)-Regler ausgeführt, dem ein von einem Filter 24 ausgegebenes, analoges, einer vorgegebenen Führungsgröße entsprechendes Führungssignal sowie ein dem bereitgestellten Versorgungsstrom entsprechendes Regelsignal eingegeben werden, um das Stellsignal zu bilden und an den Modulator 14 auszugeben. Das Regelsignal wird als ein Messsignal im Bereich des Stromerzeugungsschaltkreises 12 erzeugt und als analoges, den zur Batterie 16 hin ausgegebenen Strom repräsentierendes Signal zur Regelung des Versorgungsstroms zurückgeführt.
  • In bekannter Weise führt eine Eingangssignaldifferenz des Reglers 18 zu einem dazu proportionalen Stellsignalanteil, und gleichzeitig aufgrund des Integrationsanteils der Reglercharakteristik zu einem Stellsignalanteil, der dem zeitlichen Integral der Eingangssignaldifferenz entspricht. Aufgrund des Integralanteils der Reglercharakteristik ergibt sich im Regelbetrieb eine Angleichung der Regelgröße (hier: Versorgungsstrom) an die vorgegebene Führungsgröße (hier: Versorgungsstrom-Sollwert). Die so genannte Regelabweichung (Eingangssignaldifferenz) wird vorteilhaft vollständig ausgeregelt, so dass die von dem Regler 18, dem Modulator 14 und dem Stromerzeugungsschaltkreis 12 gebildete Regelschleife den abgegebenen Versorgungsstrom praktisch exakt auf die vorgegebene Führungsgröße einstellt. Dies gilt auch dann, wenn eine auf die geregelte Strecke einwirkende Störgröße vorhanden ist.
  • Das Filter 24 dient bei der dargestellte Ausführungsform dazu, das von einer Stromsollwertausgabeeinheit 26 des Mikrocontrollers 22 als PWM-Signal ausgegebene Führungssignal in das analoge, dem Regler 18 eingegebene Führungssignal zu wandeln.
  • Das dem Regler 18 zurückgeführte, dem aktuellen Versorgungsstrom entsprechende Regelsignal kann (gestrichelt dargestellt) einem Strommessungseingang 28 des Mikrocontrollers 22 eingegeben werden, beispielsweise um auf Basis dieses Signals eine Plausibilitätsüberprüfung durchzuführen und/oder einen Defekt der Stromversorgungseinrichtung 10 detektieren zu können.
  • Der Mikrocontroller 22 umfasst ferner einen Spannungsmessungseingang 30, dem die aktuelle Betriebsspannung am Ausgang des Leistungsteils 12 als Messgröße eingegeben wird, so dass durch einen programmgesteuerten Betrieb des Mikrocontrollers 22 bei einer Abweichung der Betriebsspannung von der Nennspannung der elektrischen Verbraucher eine entsprechende Veränderung des durch die Stromsollwertausgabeeinheit 26 vorgegebenen Stromsollwerts vorgenommen werden kann. Die Rückführung der Betriebsspannung zu dem Mikrocontroller 22 und die von dieser Betriebsspannung abhängig vorgenommene Stromsollwertvorgabe realisiert somit eine so genannte überlagerte Regelung, die letztlich dafür sorgt, dass die Betriebsspannung der elektrischen Verbraucher auf deren Nennspannung eingeregelt wird.
  • Schließlich weist der Mikrocontroller 22 eine Startsignalausgabeeinheit 32 auf, die bei der Inbetriebnahme der Einrichtung 10 ein Startsignal an den Stromerzeugungsschaltkreis 12 sowie über einen Integratorresetschaltkreis 34 an den Regler 18 ausgibt.
  • Zusammenfassend realisiert die dargestellte Stromversorgungseinrichtung 10 einen aus den beschriebenen Funktionsblöcken (Hardware) aufgebauten Stromregler und einen programmgesteuert (Software) arbeitenden Spannungsregler. Nachteilig ist bei der bekannten Einrichtung 10, dass eine Aufrechterhaltung der Nennspannung am Ausgang des Leistungsteils 12 auch bei Lastschwankungen in der Praxis nur mit einem relativ schnellen Mikrocontroller 22 sicherzustellen ist bzw. dass die Einrichtung mit einem vergleichsweise langsamen Mikrocontroller nur für langsame Betriebsspannungsänderungen zuverlässig arbeitet. Langsame Betriebsspannungsänderungen können durch einen Betrieb der elektrischen Verbraucher über eine mehr oder weniger große Batterie (wie die dargestellte Batterie 16) oder wenigstens einen sehr großen Ausgangskondensator (Doppelschichtkondensator) ansatzweise erreicht werden.
  • Nachfolgend wird eine weitere, nach bekannten Prinzipien aufgebaute Stromversorgungseinrichtung mit Bezug auf 2 beschrieben, wobei für gleichwirkende Komponenten die gleichen Bezugszahlen verwendet werden und diesbezüglich auf die vorangehende Beschreibung verwiesen wird.
  • Die mit 2 veranschaulichte Variante ist für einen Betrieb mit einem relativ langsamen Mikrocontroller 22 und/oder mit einem kleinen Kondensator am Ausgang des Stromerzeugungsschaltkreises 12 geeignet, da der Mikrocontroller 22 im Rahmen der Regelung lediglich einen festen Sollbetriebsspannungswert (Nennspannung) mittels einer Spannungssollwertausgabeeinheit 38 vorgibt. Die Regelung der Betriebsspannung der elektrischen Verbraucher erfolgt bei dieser Ausführung mittels eines dem Stromregler 18 überlagerten Spannungsreglers 40, welchem als Führungsgröße eine von der Ausgabeeinheit 38 als PWM-Signal ausgegebene und mittels eines Filters 42 in ein analoges Signal gewandelte Führungsgröße eingegeben wird. Außerdem wird die am Ausgang des Stromerzeugungsschaltkreises 12 abgegriffene aktuelle Betriebsspannung einem zweiten Eingang des Spannungsreglers 40 zugeführt, der wie der Stromregler 18 als PI-Regler ausgeführt ist und ein analoges Ausgangssignal dem Stromregler 18 als Führungssignal eingibt. Zum Zurücksetzen des Integrators innerhalb des Reglers 40 ist ein zweiter Integratorresetschaltkreis 44 vorgesehen, dem das von der Startsignalausgabeeinheit 32 bereitgestellte Startsignal ebenfalls zugeführt wird.
  • Die in 2 dargestellte Stromversorgungseinrichtung lässt sich als so genannte kaskadierte Reglerstruktur betrachten, bei welcher der unterlagerte Regler (Stromregler 18) schnell genug ist, um eine Rückwirkung einer sich verändernden Betriebsspannung auf die unterlagerte Regelung als konstant betrachten zu können. Der unterlagerte Regler 18 führt dabei zu einem Verhalten der Ersatzstrecke 14, 12, das für den überlagerten Regler (Spannungsregler 40) im relevanten Bereich reines P-Verhalten zeigt. Generell wird bei der Einrichtung 10 der unterlagerte Regler 18 so parametriert, dass ein möglichst schnelles Einschwingen auf eine geringe Regelabweichung erzielt wird. Dies ist gleichbedeutend mit einem relativ großen P-Anteil in der Regelcharakteristik des Reglers 18.
  • Zusammenfassend ermöglicht die in 2 dargestellte Einrichtung 10 zwar einen Betrieb mit einem langsamen Mikrocontroller 22, erfordert jedoch einen gesteigerten schaltungstechnischen Aufwand im Hinblick auf die überlagerte Spannungsregelung.
  • Die beiden beschriebenen Stromversorgungseinrichtungen sehen jeweils einen Normalzustand vor, in welchem der Versorgungsstrom für die mit der Nennspannung betriebenen elektrischen Verbraucher bereitgestellt wird und die Eingangssignaldifferenz des Stromreglers Null ist.
  • Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Stromversorgungseinrichtung der eingangs genannten Art bereitzustellen, welche einfach aufgebaut ist und dennoch einen zufriedenstellenden Stromversorgungsbetrieb ermöglicht.
  • Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Stromversorgungseinrichtung mit den in Anspruch 1 angegebenen Merkmalen. Die weiteren Ansprüche betreffen vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung.
  • Gemäß der Erfindung ist vorgesehen, dass der Regler eine Regelcharakteristik derart vorsieht, dass ausgehend von dem Normalzustand eine sprunghafte Verringerung der Betriebsspannung der elektrischen Verbraucher von der Nennspannung auf eine für den Betrieb der Verbraucher notwendige Nennmindestspannung (insbesondere z. B. 40% bis 60% der Nennspannung) zu einem Anstieg des Versorgungsstroms um mindestens 20% des maximal mittels des Stromerzeugungsschaltkreises bereitstellbaren Versorgungsstroms führt.
  • Der Begriff "maximal mittels des Stromerzeugungsschaltkreises bereitstellbarer Versorgungsstrom" bezeichnet einen Strom, der dauerhaft ohne eine Schädigung bzw. Zerstörung von Schaltungskomponenten von dem Stromerzeugungsschaltkreis geliefert werden kann.
  • Die gemäß der Erfindung vorgesehene Bemessung der Regelcharakteristik ist nicht wie bei bekannten Stromversorgungseinrichtungen auf eine möglichst geringe Regelabweichung abgestimmt (z.B. hohe P-Verstärkung). Vielmehr wird bei Verwendung eines P-Reglers z.B. die P-Verstärkung möglichst klein gewählt, jedoch mindestens so groß, dass das System in allen Betriebspunkten gerade ausreichend gedämpft wird. Der P-Anteil der Regelcharakteristik wird also nur zur Dämpfung des unter Umständen schwingungsfähigen Systems (ggf. inklusive überlagerter Strecke) verwendet. Das System reagiert bei dieser Bemessung auf eine Störgröße mit einer proportionalen und von der gewählten P-Verstärkung abhängigen Regelabweichung.
  • Für eine kleine P-Verstärkung entsteht eine große Regelabweichung und, bei vorhandener überlagerter Regelung, eine kleine Reaktion der überlagerten Strecke. Werden geringere Anforderungen an die Genauigkeit der Betriebsspannungsregelung gestellt, so kann unter Umständen eine überlagerte Spannungsregelung ganz entfallen. Da das System gemäß der Erfindung selbständig auf Störungen reagiert, ist die Auslegung eines überlagerten Reglers unkritischer. Er kann insbesondere vergleichsweise langsam ausgelegt sein, wobei bei Übergangsvorgängen (Lastsprünge) dennoch nur Regelabweichungen entstehen, wie sie bei einer herkömmlich verwendeten hohen P-Verstärkung des Stromreglers nur mit einem sehr schnellen überlagerten Spannungsregler erzielt werden könnten.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass das von dem Regler bereitgestellte Stellsignal im Wesentlichen linear mit einer Eingangssignaldifferenz des Reglers variiert. Der Regler kann also im einfachsten Fall als reiner P-Regler (mit niedriger P-Verstärkung) ausgeführt sein. In diesem Fall kann also vorteilhaft ein Integratorrücksetzschaltkreis (vgl. 1 und 2) entfallen.
  • Es ist jedoch nicht ausgeschlossen, auch einen I-Anteil, insbesondere einen vergleichsweise geringen I-Anteil, in der Reglercharakteristik vorzusehen. Auch in diesem Fall wird bei der oben genannten sprunghaften Verringerung der Betriebsspannung gemäß der Erfindung zunächst ein Anstieg des Versorgungsstroms um mindestens 20% des Maximalversorgungsstroms auftreten.
  • Wenn jedoch kein I-Anteil vorgesehen ist (und auch keine überlagerte Spannungsregelung vorgesehen ist), so führt diese sprunghafte Verringerung dazu, dass der Versorgungsstrom auf einen Wert einschwingt, der um mindestens 20% des Maximalversorgungsstroms größer ist als der Wert des Versorgungsstroms im Normalzustand.
  • Im Hinblick auf die im Rahmen der Erfindung bevorzugte Anwendung als DC/DC-Wandler, insbesondere für ein Kraftfahrzeug, ist eine Ausführung bevorzugt, bei welcher das Führungssignal von einer programmgesteuert betriebenen digitalen Steuereinrichtung (z. B. Mikrocontroller) bereitgestellt wird. Einer solchen Steuereinrichtung lässt sich ein der Betriebsspannung der elektrischen Verbraucher entsprechendes Messsignal eingeben, welches z. B. zur Realisierung einer überlagerten Betriebsspannungsregelung herangezogen werden kann. In diesem Fall ist es bevorzugt, wenn die von dem Spannungsmesssignal abhängige Führungsgröße von der Steuereinrichtung periodisch vorgegeben wird, wobei die Periode kleiner als die Nachstellzeit des durch den Regler und den Stromerzeugungsschaltkreis ausgebildeten Regelkreises ist. Dies führt zu einer stabileren Aufrechterhaltung der durch die Regelung angestrebten Nennspannung am Ausgang des Stromerzeugungsschaltkreises. Erwähnenswert ist in diesem Zusammenhang, dass aufgrund des relativ kleinen P-Anteils des Reglers vergleichsweise geringe Anforderungen an die Geschwindigkeit der Steuereinrichtung gestellt werden.
  • Bei einem erfindungsgemäßen DC/DC-Wandler für den mit Bezug auf 1 beschriebenen Anwendungsfall kann vorteilhaft ohne wesentliche Beeinträchtigung der praktisch relevanten Leistungseigenschaften auf eine Batterie am Ausgang des Stromerzeugungsschaltkreises verzichtet werden.
  • Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels mit Bezug auf 3 näher beschrieben. Hierbei werden für gleichwirkende Komponenten die gleichen Bezugszahlen verwendet, jeweils ergänzt durch den kleinen Buchstaben a. Es wird im Wesentlichen lediglich auf die Unterschiede zu den eingangs hinsichtlich des Stands der Technik beschriebenen Ausführungsformen eingegangen und im Übrigen ausdrücklich auf die Wirkungsweise von bereits beschriebenen Komponenten verwiesen.
  • In den Zeichnungen stellen dar:
  • 1 ein schematisches Blockschaltbild einer Stromversorgungseinrichtung, bei welcher eine überlagerte Spannungsregelung mittels eines Mikrocontrollers realisiert ist,
  • 2 ein schematisches Blockschaltbild einer weiteren Stromversorgungseinrichtung, bei welcher eine überlagerte Spannungsregelung außerhalb eines zur Vorgabe eines Betriebsspannungssollwerts verwendeten Mikrocontrollers vorgesehen ist,
  • 3 ein schematisches Blockschaltbild einer erfindungsgemäßen Stromversorgungseinrichtung,
  • 4 eine Schaltungsanordnung zum Vergleich des Verhaltens einer erfindungsgemäßen niedrig-P-Regelung mit dem Verhalten einer herkömmlichen PI-Regelung, und
  • 5 simulierte Verläufe von Signalen der in 4 dargestellten Schaltungsanordnung.
  • 3 zeigt schematisch eine erfindungsgemäße Stromversorgungseinrichtung 10a, umfassend einen Stromerzeugungsschaltkreis 12a, einen Regler 18a und eine aus einer Stromsollwertvorgabeeinheit 26a und einem Filter 24a gebildete Führungseinrichtung zur Bereitstellung eines Führungssignals für den Regler 18a. Im Gegensatz zu der mit Bezug auf 1 beschriebenen Stromversorgungseinrichtung ist bei der in 3 dargestellten Ausführungsform kein Integratorresetschaltkreis zum Zurücksetzen eines Integrators innerhalb des Reglers 18a vorgesehen. Der Regler 18a ist als reiner P-Regler ausgebildet, so dass im dargestellten Beispiel eine Regelabweichung am Eingang des Reglers nicht ausgeregelt wird. Eine weiterer Unterschied zu der mit Bezug auf 1 beschriebenen Ausführungsform besteht darin, dass die P-Verstärkung des Reglers 18a relativ klein bemessen ist, nämlich so, dass ausgehend von einem Normalzustand, in welchem der Versorgungsstrom am Ausgang des Stromerzeugungsschaltkreises 12a für die mit der Nennspannung betriebenen elektrischen Verbraucher bereitgestellt wird, eine sprunghafte Verringerung dieser Ausgangsspannung auf 50% der Nennspannung zu einem Anstieg des Versorgungsstroms (und damit zu einer Regelabweichung) führt, der durch die Verstellung des Stellsignals (PWM-Signal) durch den Regler 18a auf ca. 90% bis 100% des maximal mittels des Stromerzeugungsschaltkreises 12a bereitstellbaren Versorgungsstroms einschwingt.
  • Die P-Verstärkung wird nur zur Schwingungsdämpfung verwendet und nicht für eine möglichst schnelle Stromregelung wie bei der Ausführung nach 1.
  • Bevorzugt ist eine überlagerte Spannungsregelung mittels des Mikrocontrollers 22a vorgesehen, bei welcher wie dargestellt die aktuelle Betriebsspannung dem Mikrocontroller 22a (bei 30a) eingegeben wird und zur periodischen Nachstellung des von der Einheit 26a vorgegebenen Sollwerts herangezogen wird. Diese überlagerte Regelung kann vorteilhaft vergleichsweise langsam ausgelegt sein, so dass der schaltungstechnische Aufwand sowohl im Hinblick auf die außerhalb des Mikrocontrollers 22a angeordneten Komponenten als auch im Hinblick auf den Mikrocontroller 22a selbst reduziert ist. Trotz dieser Vereinfachung ist die dargestellte Einrichtung 10a in der Praxis z. B. geeignet, einen DC/DC-Wandler mit ausreichender Regelgenauigkeit und Regelgeschwindigkeit für ein Kraftfahrzeug zu realisieren, selbst wenn das damit versorgte Bordnetz nicht durch eine Batterie oder einen besonders großen Kondensator gepuffert wird.
  • 4 zeigt eine Simulationsschaltungsanordnung, mit welcher verschiedene Stromversorgungseinrichtungen simuliert und miteinander verglichen wurden. Links oben erkennt man einen Modulator 52 bestehend aus einem Dreieckoszillator und einem Komparator zum Vergleich des Dreiecksignals mit einem aus einem Rückkopplungspfad 54 stammenden Regelsignal. Vom Ausgang des Komparators wird das als Stellgröße generierte PWM-Signal über ein Verzögerungsglied 56 an den Eingang einer spannungsgesteuerten Spannungsquelle ("vcvs") 58 gegeben, welche die üblicherweise aus Schalttransistoren aufgebaute Leistungsstufe eines Stromerzeugungsschaltkreises simuliert. Ferner erkennt man in der Simulationsanordnung eine Drossel 60, über welche ein Strom zu einer Parallelanordnung 62 von im Rahmen der Simulation einzeln zuschaltbaren Verbraucherwiderständen geliefert wird. VB14 bezeichnet die an den simulierten Verbrauchern anliegende Betriebsspannung, die in gefilteter Form als Usense auch durch ein parallel geschaltetes Filter 64 bereitgestellt wird. Ein Shuntwiderstand 66 dient zum Abgriff einer zum Versorgungsstrom proportionalen Spannung, die über eine weitere spannungsgesteuerte Spannungsquelle 68 einem weiteren Filter 70 zugeführt wird, an welchem eine zum Versorgungsstrom proportionale Spannung Isense dargestellt wird. 72 bezeichnet den im Rahmen der Simulation verwendeten Regelverstärker mit einem Integrationskondensator 74 und einem Widerstandsnetzwerk 76 zur Definition der Regelcharakteristik des Verstärkers 72. Zur Simulation reinen P-Verhaltens wurde die Kapazität des Kondensators 74 auf einen sehr großen Wert gesetzt, so das ein Integrationsanteil (im simulierten Zeitraum) vernachlässigbar ist.
  • 5 zeigt Simulationsergebnisse, aus denen ersichtlich ist, dass bei Verwendung des Regelverstärkers 72 als reiner P-Verstärker mit vergleichsweise niedriger P-Verstärkung ein zufriedenstellendes Verhalten der Stromversorgungseinrichtung erzielt werden kann.
  • In den 5a5d sind jeweils verschiedene Signale gegen die Zeit aufgetragen, wobei zum Zeitpunkt t=0,001s eine sprunghafte Erhöhung der Last simuliert ist.
  • 5a zeigt den Verlauf der Betriebsspannung VB14 für einen schnellen PI-Regler (faster PI), einen langsamen PI-Regler (slow PI), einen P-Regler mit hoher Verstärkung (high P) und einen P-Regler mit niedriger Verstärkung (lowP). Hieraus ist ersichtlich, dass eine größere Stabilität der Betriebsspannung mit der reinen P-Charakteristik, insbesondere mit niedriger Verstärkung, erhalten wird.
  • 5b zeigt die entsprechenden Verläufe der dem Versorgungsstrom entsprechenden Spannung Isense für dieselben Regelcharakteristiken. Daraus ist ersichtlich, dass bei den reinen P-Charakteristiken eine Regelabweichung hinsichtlich des Versorgungsstroms vorliegt, wohingegen diese Regelabweichung bei Verwendung der PI-Charakteristiken im Zeitverlauf ausgeregelt wird.
  • Die 5c und 5d zeigen Verläufe der mittels des Filters 64 geglätteten Betriebsspannung (5c) und des mittels des Filters 70 geglätteten Versorgungsstroms (5d), jeweils aufgetragen für verschiedene Dimensionierungen des Widerstandsnetzwerks 76, die in den Figuren durch den Parameter Ir.r11 spezifiziert sind, wobei ein kleiner Wert eine kleine P-Verstärkung angibt. Die Verläufe wurden für fünf verschiedene P-Verstärkungen simuliert, wobei für jede Verstärkung auch eine Variation des esr ("equivalent series resistance", effektiver Serienwiderstand)-Werts eines Ausgangskondensators 78 des simulierten Stromerzeugungsschaltkreises vorgenommen wurde. Aus diesen Verläufen ist ersichtlich, dass für eine sehr niedrige P-Verstärkung (Ir.r11=1) eine Schwingung sowohl im Betriebsspannungsverlauf als auch im Versorgungsstromverlauf auftritt, die vermieden werden sollte und durch eine etwas höhere P-Verstärkung (Ir.r11=1000) vermieden wird.
  • Zusammenfassend kann mit einem PI-Regler der Stromfehler gering gehalten werden, wohingegen der P-Regler zu einem vergleichsweise hohen Stromfehler führt. Demzufolge fällt bei Verwendung des PI-Reglers die Spannung sehr stark ab, wohingegen dieser Abfall der Spannung bei Verwendung des P-Reglers mit einer geringen P-Verstärkung weitgehend vermieden wird. Wenn die P-Verstärkung des Reglers zu gering gewählt wird, so ist eine Schwingung des Systems nicht ausreichend gedämpft, insbesondere wenn der esr-Wert des Ausgangskondensators gering ist. Bevorzugt ist die P-Verstärkung gerade so groß gewählt, dass die Schwingung gedämpft wird aber der spannungsstabilisierende Effekt noch groß ist.
  • Eine bevorzugte Anwendung der Erfindung ist die DC/DC-Wandlung für ein 2-Spannungs-Netz, insbesondere 42 V/14 V-Netz eines Kraftfahrzeugs, wobei das ausgangsseitige Netz nicht durch eine Fahrzeugbatterie gepuffert ist. Hierbei ist es möglich, den Wandler auch ohne eine zusätzliche Spannungsregelungsschleife durch Verwendung eines Reglers mit P-Charakteristik niedriger Verstärkung zu betreiben.

Claims (10)

  1. Stromversorgungseinrichtung (10a) zur Bereitstellung eines Versorgungsstroms für mit einer Nennspannung zu betreibende elektrische Verbraucher, umfassend – einen Stromerzeugungsschaltkreis (12a), der mit einer vorgegebenen von der Nennspannung verschiedenen Spannung versorgt wird und dem ein Stellsignal eingegeben wird, um abhängig von dem Stellsignal den Versorgungsstrom für die elektrischen Verbraucher bereitzustellen, – einen Regler (18a), dem ein einer vorgegebenen Führungsgröße entsprechendes Führungssignal sowie ein dem bereitgestellten Versorgungsstrom entsprechendes Regelsignal eingegeben werden, zur Bereitstellung des Stellsignals mit einem Stellsignalanteil, der linear mit einer Eingangssignaldifferenz des Reglers variiert, und – eine Führungseinrichtung (22a, 26a) zur Bereitstellung des Führungssignals, wobei die Stromversorgungseinrichtung (10a) einen Normalzustand vorsieht, in welchem der Versorgungsstrom für die mit der Nennspannung betriebenen elektrischen Verbraucher bereitgestellt wird und die Eingangssignaldifferenz des Reglers Null ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Regler (18a) eine Regelcharakteristik derart vorsieht, dass ausgehend von dem Normalzustand eine sprunghafte Verringerung der Betriebsspannung der elektrischen Verbraucher von der Nennspannung auf eine für den Betrieb der Verbraucher notwendige Nennmindestspannung zu einem Anstieg des Versorgungsstroms um mindestens 20% des maximal mittels des Stromerzeugungsschaltkreises (12a) bereitstellbaren Versorgungsstroms führt.
  2. Stromversorgungseinrichtung (10a) nach Anspruch 1, wobei das von dem Regler (18a) bereitgestellte Stellsignal im Wesentlichen linear mit einer Eingangssignaldifferenz des Reglers variiert.
  3. Stromversorgungseinrichtung (10a) nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Stromerzeugungsschaltkreis (12a) als eine PWM-gesteuerte Schaltstromversorgung ausgebildet ist.
  4. Stromversorgungseinrichtung (10a) nach Anspruch 1, 2 oder 3, wobei das von dem Regler (18a) bereitgestellte Stellsignal dem Stromerzeugungsschaltkreis (12a) als PWM-Signal eingegeben wird.
  5. Stromversorgungseinrichtung (10a) nach Anspruch 4, wobei das Stellsignal von dem Regler (18a) als analoges Signal bereitgestellt wird und mittels eines dem Regler nachgeschalteten PWM-Modulators (14a) in das PWM-Signal gewandelt wird.
  6. Stromversorgungseinrichtung (10a) nach einem der Ansprüche 1 – 5, wobei das Führungssignal von einer Steuereinrichtung (22a), insbesondere einer programmgesteuert betriebenen digitalen Steuereinrichtung, als PWM-Signal bereitgestellt wird.
  7. Stromversorgungseinrichtung (10a) nach einem der Ansprüche 1 – 6, wobei das von der Steuereinrichtung (22a) be reitgestellte Führungssignal mittels eines der Steuereinrichtung nachgeschalteten Filters (24a) in ein analoges Führungssignal gewandelt und als analoges Signal dem Regler (18a) eingegeben wird.
  8. Stromversorgungseinrichtung (10a) nach Anspruch 6 oder 7, wobei der Steuereinrichtung (22a) ein der Betriebsspannung der elektrischen Verbraucher entsprechendes Messsignal eingegeben wird.
  9. Stromversorgungseinrichtung (10a) nach Anspruch 8, wobei die Steuereinrichtung (22a) dazu ausgebildet ist, die Führungsgröße zur Realisierung einer überlagerten Betriebsspannungsregelung abhängig von dem eingegebenen Messsignal vorzugeben.
  10. Stromversorgungseinrichtung (10a) nach Anspruch 9, wobei die von dem Messsignal abhängige Führungsgröße von der Steuereinrichtung (22a) periodisch vorgegeben wird, wobei die Periode kleiner als die Nachstellzeit des durch den Regler (18a) und den Stromerzeugungsschaltkreis (12a) ausgebildeten Regelkreises ist.
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