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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Wandlervorrichtung mit einer Anzahl von gekoppelten Stromrichtern, insbesondere Gleichstromwandlern eines Kraftfahrzeug-Versorgungsnetzes. Die Erfindung betrifft weiterhin eine nach einem derartigen Verfahren betriebene oder betreibbare Wandlervorrichtung.
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Moderne Kraftfahrzeuge weisen einen zunehmenden elektrischen Leistungsbedarf aufgrund von elektronischen Unterhaltungssystemen sowie anderer Systeme, beispielsweise zur Steigerung des Antriebswirkungsgrads, auf. Das Bord- oder Versorgungsnetz des Kraftfahrzeugs wird typischerweise durch eine Kraftfahrzeugbatterie gespeist, welche eine vergleichsweise ungeregelte Energiequelle darstellt. Für die meisten Anwendungen sind hierbei Wandlervorrichtungen mit mindestens einem Stromrichter und einer Verstärkeranordnung zur Optimierung des Wirkungsgrads vorgesehen.
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Derartige Wandlervorrichtungen wandeln beispielsweise eine 48V-Spannung des Versorgungsnetzes in eine 12V-Betriebsspannung zur Versorgung einer angeschlossenen Last oder eines Verbrauchers. Hierbei sind insbesondere sogenannte „Current Sharing“-Ansätze bekannt, bei welchen die Last auf mehrere Phasen einer Wandlervorrichtung oder auf mehrere Wandler beziehungsweise Stromrichter gleicher Bauart verteilt wird. Einem Wandler beziehungsweise Stromrichter ist hierbei jeweils eine oder mehrere Phasen der Wandlervorrichtung zugeordnet.
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Aus der
US 2006/0239046 A1 ist beispielsweise eine Wandlervorrichtung bekannt, bei welcher die elektrischen Ströme der einzelnen Phasen miteinander abgeglichen werden. Hierzu werden die Ströme der Phasen mittels eines Datenbussystems an einen übergeordneten Controller übertragen, der mittels eines Regelungs-Algorithmus die einzelnen Phasen synchronisierend ansteuert.
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Die Datenkopplung an den Controller erfolgt typischerweise mittels Datenbussysteme in einer sogenannten Daisy-Chain-Anordnung. Nachteiligerweise weisen derartige Daisy-Chains eine verhältnismäßig langsame Reaktionsgeschwindigkeit auf, da sich beispielsweise Berechnungszeiten und Übertragungszeiten sowie gegebenenfalls Tot- und Latenzzeiten im Betrieb aufsummieren. Dies ist oftmals lediglich durch schnellere und somit kostenintensivere Bussysteme kompensierbar.
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Des Weiteren ist bei derartigen leistungsseitigen Daisy-Chain-Bussystemen keine dedizierte Informationsübertragung zwischen den einzelnen Phasen oder Stromrichtern vorhanden. Dadurch werden bei einer Aufteilung der benötigten Leistung auf mehrere Phasen oder Stromrichter innerhalb einer Wandlervorrichtung einzelne (An-)Steuerungen der Stromrichter durch den übergeordneten Controller vernachlässigt. Ferner ist bei einem Ausfall oder einer Degradierung eines einzelnen Stromrichters die Aufteilung der Leistung auf die verbleibenden Stromrichter nicht ohne Weiteres möglich.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein besonders geeignetes Verfahren zum Betreiben einer Wandlervorrichtung mit einer Anzahl von gekoppelten Stromrichtern, insbesondere Gleichstromwandlern eines Kraftfahrzeug-Versorgungsnetzes, anzugeben, welches insbesondere hinsichtlich einer Reaktionsgeschwindigkeit verbessert ist. Der Erfindung liegt weiterhin die Aufgabe zugrunde, eine nach einem derartigen Verfahren betreibbare Wandlervorrichtung anzugeben.
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Bezüglich des Verfahrens zum Betreiben einer Wandlervorrichtung wird die Aufgabe mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und bezüglich einer entsprechenden Wandlervorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 5 erfindungsgemäß gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen sind Gegenstand der jeweiligen Unteransprüche.
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Das erfindungsgemäße Verfahren betrifft das Betreiben einer Wandlervorrichtung mit einer Anzahl von gekoppelten Stromrichtern, insbesondere Gleichstromwandlern eines Kraftfahrzeug-Versorgungsnetzes. Die Stromrichter sind hierbei vorzugsweise an eine Versorgungsleitung des Versorgungsnetzes nach Art eines Mehrphasenwandlers angeschlossen. Dies bedeutet, dass dem jeweiligen Stromrichter eine einzelne oder mehrere zu- und/oder abschaltbare Phasen zugeordnet ist beziehungsweise sind, die im Betrieb einzeln oder gemeinsam eine angeschlossene Last beziehungsweise einen Verbraucher versorgen.
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Das Versorgungsnetz ist beispielsweise Teil eines Bordnetzes des Kraftfahrzeugs, oder es ist mit einem Gleichspannungsnetz, einem elektrischen Speicher oder einer mechanischen (zum Beispiel ein Generator) oder ähnlichen Energiequelle des Kraftfahrzeugs gekoppelt. Die Stromrichter sind vorzugsweise mittels einer Datenbusleitung an einen gemeinsamen, übergeordneten Controller als Leistungs- oder Powermanagement gekoppelt.
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Die Wandlervorrichtung weist eine vorzugsweise geschlossene Kopplungsleitung auf, an welche die Stromrichter mit einem jeweiligen Kopplungseingang und mit einem jeweiligen Kopplungsausgang signaltechnisch in einer Reihenschaltung angeschlossen sind. Hierbei ist jedem Stromrichter ein von diesem betätigbares erstes Schaltelement der Kopplungsleitung zugeordnet. Vorzugsweise sind die Stromrichter somit parallel zu den ersten Schaltelementen verschaltet. Mit anderen Worten ist das jeweilige Schaltelement zwischen dem zugeordneten Kopplungseingang und dem zugeordneten Kopplungsausgang in der Kopplungsleitung angeordnet.
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Gemäß dem Verfahren erzeugt ein erster Stromrichter ein seine Ist-Leistung repräsentierendes Auslastungssignal, welches über den jeweiligen Ausgangsanschluss in die Kopplungsleitung eingespeist wird, wenn das erste Schaltelement geöffnet ist. Die Ist-Leistung bezieht sich hierbei insbesondere auf die Leistung oder Auslastung des Stromrichters im Wandelbetrieb, wobei das Auslastungssignal vorzugsweise anhand eines Verhältnisses der Ist-Leistung zu einer vorgegebenen Maximalleistung des Stromrichters erzeugt wird. Das Auslastungssignal wird beispielsweise als ein Analog- oder Digitalsignal in die Kopplungsleitung eingespeist.
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Durch die Kopplungsleitung wird das Auslastungssignal zum Koppeleingang mindestens eines nachgeschalteten zweiten Stromrichters geführt. Anhand des Auslastungssignals wird der mindestens eine zweite Stromrichter bedarfsweise aktiviert und dessen zugeordnetes erstes Schaltelement wird geöffnet.
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Durch die Kopplungsleitung ist eine direkte Hardwareverbindung zur Daten- oder Informationsübermittlung der Stromrichter untereinander realisiert, sodass eine besonders schnelle Regelung und Datenübermittlung ermöglicht ist. Die zweiten Stromrichter werden somit automatisch aktiviert oder zugeschaltet, wenn der erste Stromrichter ein entsprechendes Auslastungssignal generiert. Mit anderen Worten erfolgt ein Informationsaustausch über die Auslastung oder Ist-Leistung des ersten Stromrichters mit den in der Reihenschaltung nachfolgenden zweiten Stromrichtern, anhand welcher der mindestens eine zweite Stromrichter aktiviert oder deaktiviert wird.
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Im Gegensatz zum Stand der Technik erfolgt dieser Informationsaustausch nicht zeitaufwändig über das übergeordnete Powermanagement, sondern direkt von einem Stromrichter zum nächsten Stromrichter. Dadurch ist die Reaktionszeit beziehungsweise die Reaktionsgeschwindigkeit der Wandlervorrichtung im Wesentlichen gleich der internen Reaktionszeit der einzelnen (zweiten) Stromrichter. Dadurch ist eine besonders schnelle Reaktionsgeschwindigkeit der Wandlervorrichtung auf einen Ausfall oder eine Degradation eines einzelnen Stromrichters realisiert. Des Weiteren ist durch die Kopplungsleitung ein redundant zur Datenbusleitung ausgeführter Wirkungspfad der Wandelvorrichtung bereitgestellt.
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Unter einem Stromrichter ist in diesem Zusammenhang insbesondere ein sogenannter „Power Converter“ zur Umwandlung einer eingespeisten Strom- oder Spannungsart in eine jeweils andere zu verstehen. Vorzugsweise sind die Stromrichter als Wandler, insbesondere als Gleichspannungs- und/oder Gleichstromwandler (DC-DC-Converter) ausgeführt und funktionsgemäß an ein Gleichspannungsnetz als Versorgungsnetz angeschlossen. Die Stromrichter sind hierbei vorzugsweise eingangsseitig zwischen einem Pluspfad und einem Minuspfad des Versorgungsnetzes zueinander parallel geschaltet.
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Das Versorgungsnetz ist beispielsweise aus einer Kraftfahrzeug-Batterie gespeist, wobei die angeschlossenen Stromrichter im Betrieb die Versorgungsspannung in eine Betriebsspannung für eine angeschlossene Last wandeln. Mit anderen Worten ist das Versorgungsnetz vorzugsweise auf eine 12V- oder eine 48V-Versorgung der Last ausgelegt, wie sie in Bordnetzen von Kraftfahrzeugen üblich ist.
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Die Leistungsregelung der Wandlervorrichtung erfolgt somit im Wesentlichen auf einer Ebene der Stromrichter. Der übergeordnete Controller beziehungsweise das übergeordnete Leistungs- oder Powermanagement wird hingegen beispielsweise zur gesteuerten Degradierung eines Stromrichters eingesetzt. Dies bedeutet, dass im Betrieb beispielsweise eine Leistungsbegrenzung eines Stromrichters gesteuert wird. Diese Steuerung erfolgt insbesondere anhand einer Betriebsstundenüberwachung und/oder unter einer Rücksichtnahme einer Einbausituation der Wandlervorrichtung oder eines Stromrichters. Dies bedeutet, dass die räumliche Nähe der Wandlervorrichtung oder eines Stromrichters zu der angeschlossenen Last, insbesondere hinsichtlich einer im Betrieb auftretenden Wärmeentwicklung, berücksichtigt wird.
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In einer geeigneten Weiterbildung wird das Auslastungssignal vom zweiten Stromrichter mit dem hinterlegten ersten Schwellwert verglichen. Anhand des Vergleichs wird der zweite Stromrichter aktiviert und dessen erstes Schaltelement geöffnet, wenn das Auslastungssignal den ersten Schwellwert überschreitet.
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Vorzugsweise erzeugt ein aktivierter zweiter Stromrichter in der Folge ein seine Ist-Leistung repräsentierendes Auslastungssignal, welches in die Kopplungsleitung eingespeist wird. Dies bedeutet, dass ein aktivierter zweiter Stromrichter als ein erster Stromrichter für die an der Kopplungsleitung nachgeschalteten zweiten Stromrichter wirkt. Mit anderen Worten wird das jeweilige Auslastungssignal von dem jeweiligen Stromrichter insbesondere an den jeweils benachbarten Stromrichter versendet. Jeder Stromrichter empfängt somit im Wesentlichen das Auslastungssignal des in der Kopplungsleitung vorher geschalteten Stromrichters. Dadurch werden ausgehend vom ersten Stromrichter die zweiten Stromrichter entlang der Kopplungsleitung kaskadierend zugeschaltet oder aktiviert, wenn oder sobald die benötigte Leistung für eine angeschlossene Last nicht ausreichend mittels der bereits aktivierten Stromrichter bereitgestellt werden kann.
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Der erste Schwellwert kann hierbei für alle Stromrichter identisch sein, oder aber für jeden Stromrichter individuell gewählt, vorgegeben oder eingestellt werden. Der erste Schwellwert wird vorzugsweise in einem internen Speicher der Stromrichter hinterlegt, sodass im Betrieb keine zusätzliche, zeitaufwändige, Datenübermittlung von den Stromrichtern zum Powermanagement erfolgt. Hierbei ist es beispielsweise denkbar, dass das Powermanagement den ersten Schwellwert anhand von Sensorsystemen, der Betriebsstundenüberwachung oder der Einbausituation der Stromrichter bestimmt, und einzeln an die Stromrichter versendet.
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In einer vorteilhaften Ausführung des Verfahrens ist vorgesehen, dass das Auslastungssignal von einem aktivierten zweiten Stromrichter mit einem jeweiligen zweiten Schwellwert verglichen wird. Unterschreitet das Auslastungssignal den zweiten Schwellwert, so wird das zugeordnete erste Schaltelement geschlossen und der zweite Stromrichter deaktiviert. Unter Deaktivieren ist hierbei insbesondere ein Beenden der Wandlung des zweiten Stromrichters zu verstehen. Vorzugsweise wird der zweite Stromrichter hierbei in einen Standby-Modus umgeschaltet, wobei der zweite Stromrichter das an seinem Koppeleingang eingespeiste Auslastungssignal des ersten Stromrichters überwacht und bei einem Überschreiten des ersten Schwellwertes erneut aktiviert wird.
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Der zweite Schwellwert weist hierbei zweckdienlicherweise einen geringeren Wert als der erste Schwellwert auf. Dadurch ist ein automatisches Abschalten oder Deaktivieren der Stromrichter ermöglicht, wenn die benötigte Leistung für das Betreiben der Last reduziert wird. Durch den ersten und zweiten Schwellwert erfolgt das Zu- und Abschalten der Stromrichter somit mit einer Hysterese, wobei die Schwellwerte hierbei vorzugsweise mit Hinsicht auf die jeweilige Regelreserve gewählt sind.
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Ein weiterer oder zusätzlicher Aspekt des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor, dass der zweite Schwellwert anhand des Auslastungssignals des aktivierten zweiten Stromrichters bestimmt wird. Dies bedeutet, dass der aktivierte Stromrichter mit einer internen Regelung ausgestattet ist, welche die (Ist-)Leistung des aktiven zweiten Stromrichters anhand eines Vergleichs der Auslastung der vorgeschalteten (ersten und/oder zweiten) Stromrichter steuert. Mit anderen Worten vergleicht der aktivierte zweite Stromrichter die Auslastung des vorgeschalteten ersten (oder zweiten) Stromrichters mit seiner eigenen Auslastung. Wird der zweite Schwellwert von der Auslastung des zweiten Stromrichters unterschritten, so schaltet sich der zweite Stromrichter ab. Dies bedeutet, dass vorzugsweise der in der Reihenschaltung als letztes zugeschaltete zweite Stromrichter zuerst deaktiviert oder abgeschaltet wird, also im Vergleich zum Aktivieren oder Zuschalten eine kaskadierende Abschaltung in Gegenrichtung erfolgt.
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Durch die dynamische Anpassung des zweiten Schwellwerts seitens des Stromrichters werden die Wirkungsgradabhängigkeiten der einzelnen Stromrichter berücksichtigt, sodass im Betrieb alle Stromrichter der Wandelvorrichtung als Gesamtsystem einen möglichst hohen Gesamtwirkungsgrad aufweisen.
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Der Wirkungsgrad oder die Ist-Leistung und/oder die Maximalleistung des jeweiligen Stromrichters sind während des Betriebs gewissen Schwankungen ausgesetzt. Insbesondere treten im Betrieb autonome Degradierungen der Stromrichter aufgrund von Temperaturänderungen, beispielsweise aufgrund einer Verlustleistung der Wandelvorrichtung beziehungsweise des jeweiligen Stromrichters und/oder der Verlustleistung der angeschlossenen Last, auf. Durch das Verfahren werden somit während des Betriebs die Schwankungen im Gesamtwirkungsgrad unterdrückt oder vollständig vermieden.
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In einer zusätzlichen oder alternativen Ausführungsform ist es beispielsweise vorgesehen, dass durch das Powermanagement eine Abschaltpriorität der Stromrichter festgelegt wird. Dies bedeutet, dass das Powermanagement eine gezielte Abschaltung der einzelnen Stromrichter ermöglicht. Diese Priorität oder Steuerung ist bevorzugterweise dynamisch einstellbar. Die Verteilung der Leistung auf die Stromrichter ist somit vorzugsweise im Hinblick auf die erwartete Betriebs- oder Lebensdauer der Stromrichter gesteuert. Ein Stromrichter der beispielsweise eine vergleichsweise hohe Betriebsstundenzahl aufweist wird somit vorzugsweise öfters deaktiviert, wobei in der Folge die verbleibenden aktiven Stromrichter, mit einer vergleichsweise geringeren Betriebsstundenzahl, die Wandlung übernehmen. Dadurch wird eine möglichst gleichmäßige Alterung aller Stromrichter sichergestellt, wodurch ein vorzeitiger Ausfall eines einzelnen Stromrichters bestmöglich vermieden wird.
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Bei der erfindungsgemäßen Wandlervorrichtung ist vorgesehen, dass jeder Stromrichter einen internen beziehungsweise integrierten Controller als Steuer- oder Regeleinheit aufweist. Die integrierten Controller der Wandlervorrichtung sind hierbei allgemein – programm- und/oder schaltungstechnisch – zur Durchführung des vorstehend beschriebenen Verfahrens eingerichtet. Dadurch ist eine besonders kostengünstige Integrationslösung für das Verfahren realisiert.
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Die internen Controller sind zumindest im Kern durch jeweils einen Mikrocontroller mit einem Prozessor und einem Datenspeicher gebildet, in dem die Funktionalität zur Durchführung des Verfahrens in Form einer Betriebssoftware (Firmware) programmtechnisch implementiert ist, so dass das Verfahren – gegebenenfalls in Interaktion mit einem Benutzer und/oder dem Powermanagement – bei Ausführung der Betriebssoftware in dem Mikrocontroller automatisch durchgeführt wird.
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Die internen Controller sind in einer möglichen Ausführungsform im Rahmen der Erfindung alternativ aber auch durch programmierbare elektronische Bauteile, zum Beispiel einen anwendungsspezifischen integrierten Schaltkreis (ASIC) gebildet, in dem die Funktionalität zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens mit schaltungstechnischen Mitteln implementiert ist.
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Durch das erfindungsgemäße Verfahren weist die Wandelvorrichtung eine Redundanz aufgrund der Leistungsverteilung auf mehrere Stromrichter auf. Dies ermöglicht die Nutzung der thermischen Reserve der einzelnen Stromrichter, sowie eine Erhöhung der Lebensdauer. Des Weiteren verringern sich die Herstellungskosten der Wandelvorrichtung, da aufgrund der automatischen Leistungsverteilung vergleichsweise leistungsschwache und kostengünstige Stromrichter einsetzbar sind. Fällt ein einzelner Stromrichter aus, oder wird dessen Leistung degradiert, so ist dies im Betrieb problemlos durch die anderen Stromrichter kompensierbar. Dies ist insbesondere vorteilhaft bei einem Einsatz der Wandelvorrichtung in einem Heißland, in welchem aufgrund der vergleichsweise hohen Umgebungstemperatur einzelne Stromrichter erfahrungsgemäß vergleichsweise häufig ausfallen oder degradieren.
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In einer denkbaren Ausgestaltung ist der Controller des Stromrichters mittels eines Steueranschlusses an das zugeordnete erste Schaltelement gekoppelt. Das erste Schaltelement ist hierbei insbesondere ein Halbleiterschaltelement, beispielsweise ein Transistor, sodass das erste Schaltelement problemlos mittels des Controllers betätigbar ist.
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In einer bevorzugten Ausbildung ist zwischen dem Kopplungsausgang des jeweiligen Stromrichters und der Kopplungsleitung jeweils ein durch den Stromrichter, insbesondere durch den Controller, betätigbares zweites Schaltelement verschaltet. Das zweite Schaltelement ist hierbei Teil eines Spannungsteilers, wobei das zweite Schaltelement in einer bevorzugten Ausführung an den Koppelausgang des Stromrichters angeschlossen ist.
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Dadurch ist das Auslastungssignal durch eine einfache Schaltung mit dem Spannungsteiler generierbar.
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Der Spannungsteiler weist in einer geeigneten Ausbildungsform insbesondere zwei Widerstände auf, wobei ein erster Widerstand gegen Masse einerseits und die Kopplungsleitung andererseits sowie ein zweiter Widerstand gegen eine Spannungsquelle einerseits und die Kopplungsleitung andererseits verschaltet ist. Das zweite Schaltelement ist hierbei geeigneterweise zwischen der Kopplungsleitung und dem zweiten Widerstand angeordnet. Als Spannungsquelle ist beispielsweise die vom Stromrichter generierte Betriebsspannung vorgesehen, das bedeutet, dass der Spannungsteiler ausgangsseitig an den Stromrichter angebunden ist. Dadurch ist die Amplitude des Auslastungssignals durch ein Schalten des zweiten Schaltelements einstellbar.
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In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung ist das Auslastungssignal hierbei insbesondere mittels einer Pulsweitenmodulation (PWM) generiert. Mit anderen Worten wird das zweite Schaltelement vorzugsweise mittels eines PWM-Treibers angesteuert, sodass das Auslastungssignal digital durch den Spannungsteiler generiert wird. Die Information über die Auslastung des Stromrichters ist somit in dem Pulsweitenverhältnis beziehungsweise dem Tastgrad des Auslastungssignals kodiert. Dadurch ist eine besonders einfache und zweckmäßige Datenübertragung für die Koppelleitung realisiert.
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Die erfindungsgemäße Wandelvorrichtung beziehungsweise das erfindungsgemäße Verfahren sind allgemein unabhängig von der Topologie oder Bauweise der Stromrichter und sind prinzipiell auch für einen Wechselstrombetrieb geeignet. In einer bevorzugten Anwendung sind die Stromrichter beziehungsweise die Gleichspannungswandler jedoch insbesondere als Abwärtswandler beziehungsweise Tiefsetzsteller ausgeführt. Vorzugsweise wird hierbei eine 48V-Versorgungsspannung auf eine 12V-Betriebsspannung beispielsweise zur Versorgung eines Lüftermotors als Last gewandelt.
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Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen:
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1 in einer schematischen Blockdarstellung eine Wandlervorrichtung mit drei Stromrichtern, die an ein Versorgungsnetz eines Kraftfahrzeugs angeschlossen sind,
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2 in einer schematischen Blockdarstellung die Wandlervorrichtung mit einer geschlossenen Koppelleitung, die die Stromrichter signaltechnisch untereinander koppelt, und
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3 in einer schematischen Blockdarstellung eine alternative Ausgestaltung der Wandlervorrichtung.
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Einander entsprechende Teile und Größen sind in allen Figuren stets mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
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Die 1 zeigt schematisch den grundsätzlichen Aufbau einer Wandelvorrichtung 2 als Mehrphasenwandler mit drei gekoppelten Stromrichtern (power converter) 4. Die Stromrichter 4 sind mit jeweils einer (oder mehreren) zugeordneten Phase(n) eingangsseitig an ein Kraftfahrzeug-Versorgungsnetz 6 parallel zueinander angeschlossen. Das Kraftfahrzeug-Versorgungsnetz 6 ist in diesem Ausführungsbeispiel insbesondere ein 48V-Bordnetz eines nicht näher dargestellten Kraftfahrzeugs. Das Bordnetz 6 wird mit einer Gleichspannung, insbesondere einer Versorgungsspannung Vin einer nicht näher dargestellten Energiequelle des Kraftfahrzeugs gespeist. Die Stromrichter 4 sind hierbei eingangsseitig zwischen einem Pluspfad 6a und einem Minuspfad 6b des Bordnetzes 6 verschaltet.
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Die Stromrichter 4 sind als Gleichspannungswandler, insbesondere als Tiefsetzsteller beziehungsweise Abwärtswandler ausgeführt, welche im Betrieb die 48V-Gleichspannung der Versorgungsspannung Vin des Bordnetzes 6 in eine 12V-Gleichspannung als Betriebsspannung Vout für eine Last oder einen Verbraucher wandeln. Der Verbraucher ist beispielsweise eine Klimaanlage oder ein System zur Erhöhung des Antriebswirkungsgrades des Kraftfahrzeugs.
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Zur Steuerung und Regelung weisen die Stromrichter 4 eine übergeordnete Steuereinheit oder Controller als Powermanagement 8 auf. Das Powermanagement 8 ist in nicht näher dargestellter Weise mittels einer Busleitung mit den einzelnen Stromrichtern 4 gekoppelt, wobei die Stromrichter 4 beispielsweise nach Art einer Daisy-Chain an die Busleitung angeschlossen sind. Im Betrieb überwacht das Powermanagement 8 die Gesamtleistung der Wandelvorrichtung 2 und steuert die einzelnen Stromrichter 4 insbesondere im Zuge einer Betriebsstundenüberwachung.
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Wie insbesondere in 2 ersichtlich ist, sind die Stromrichter 4 weiterhin an eine gemeinsame Kopplungsleitung 10 angeschlossen. Die Kopplungsleitung 10 ist im Wesentlichen geschlossen, das bedeutet, dass ein strichliniert dargestellter Rücklauf oder Rückschluss 10a vorgesehen ist, der hinter dem dritten Stromrichter 4 zum ersten Stromrichter 4 geführt ist. Zum Anschluss an die Kopplungsleitung 10 weist jeder Stromrichter 4 einen Kopplungseingang 12 und einen Kopplungsausgang 14 auf, mit welchen die Stromrichter 4 entlang der Kopplungsleitung 10 in einer Reihenschaltung angeschlossen sind. Jedem Stromrichter 4 ist hierbei ein von diesem betätigbares Schaltelement 16 der Kopplungsleitung 10 zugeordnet, welches den jeweils angeschlossenen Stromrichter 4 parallel geschaltet ist.
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Der Kopplungseingang 12 sowie der Kopplungsausgang 14 sind jeweils an einen in den jeweiligen Stromrichter 4 integrierten Controller 18 geführt. Der Controller 18 ist weiterhin mittels eines Steuerausgangs 20 an das insbesondere als ein Halbleiterschalter ausgeführte Schaltelement 16 des jeweiligen Stromrichters 4 geführt. Des Weiteren ist der Controller 18 signaltechnisch an das Powermanagement 8 angebunden. Zum Zwecke einer Betätigung des Schaltelements 16 wird von dem Controller 18 über den Steuerausgangs oder Steueranschluss 20 ein als Pfeil dargestelltes Steuersignal an einen Steuereingang des Schaltelements 16 versendet.
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Im Betrieb überwacht der Controller 18 sowohl die eingangsseitige Versorgungsspannung Vin als auch die ausgangsseitige Betriebsspannung Vout des jeweiligen Stromrichters 4. Die Spannungen Vin und Vout werden hierbei mit hinterlegten Schwellwerten als Spannungsgrenzen verglichen, wobei anhand eines Vergleichs eine Regelung oder Degradierung der bereitgestellten Ist-Leistung des jeweiligen Stromrichters 4 durch den Controller 18 erfolgt. Zu diesem Zwecke ist es beispielsweise ebenso denkbar, dass der Controller 18 ein Strom- oder Leistungssignal am Eingang und Ausgang des Stromrichters 4 erfasst und mit entsprechenden Schwellwerten vergleicht. Im Betrieb übermittelt der Controller 18 die Betriebsdaten des Stromrichters 4 an das Powermanagement 8.
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Der Controller 18 generiert weiterhin ein Maß für die aktuelle Ist-Leistung des Stromrichters 4. Hierzu erzeugt der Controller 18 in Abhängigkeit der Ist-Leistung ein diese repräsentierendes Auslastungssignal A, welches an den Koppelausgang 14 angelegt wird. Das Auslastungssignal A ist hierbei insbesondere anhand eines Verhältnisses der im Betrieb des Stromrichters 4 auftretenden Ist-Leistung zu der maximal zulässigen Maximalleistung des Stromrichters 4 bestimmt.
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Das Powermanagement 8 ist dazu eingerichtet die Stromrichter 4 in einen Betriebs-Modus und einen Standby-Modus sowie in einen Aus-Modus zu schalten beziehungsweise zwischen diesen umzuschalten.
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Im Betriebs-Modus ist der jeweilige Stromrichter 4 aktiv, das bedeutet, dass der Stromrichter 4 die Versorgungsspannung Vin in die Betriebsspannung Vout wandelt und das Schaltelement 16 geöffnet ist sowie das jeweilige Auslastungssignal A in die Kopplungsleitung 10 eingespeist wird.
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Im Standby-Modus ist die Spannungswandlung deaktiviert beziehungsweise inaktiv, der jeweilige Controller 18 überwacht jedoch weiterhin das an dem jeweiligen Kopplungseingang 12 anliegende Auslastungssignal A. In Abhängigkeit des Auslastungssignals A wird der Stromrichter 4 selbstständig, das bedeutet ohne eine aktive Datenübertragung zwischen dem Stromrichter 4 und dem Powermanagement 8, durch den Controller 18 vom Standby-Modus in den Betriebs-Modus oder vom Betriebs-Modus in den Standby-Modus umgeschaltet.
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Im Aus-Modus wird der Stromrichter 4 durch das Powermanagement 8 vollständig abgeschaltet, das bedeutet, dass keine Spannungswandlung erfolgt, das Schaltelement 16 geschlossen ist, und der Controller 18 nicht betrieben wird.
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Im Betrieb der Wandelvorrichtung 2 ist zunächst lediglich ein (erster) Stromrichter 4 zur Versorgung der angeschlossenen Last aktiv. Dies bedeutet, dass der erste Stromrichter 4 die Versorgungsspannung Vin in die Betriebsspannung Vout wandelt, und dass das zugeordnete Schaltelement 16 durch den Controller 18 geöffnet ist. Im Betrieb wird das Auslastungssignal A des aktiven ersten Stromrichters 4 von dem Koppelausgang 14 zu dem Koppeleingang 12 der in der Kopplungsleitung 10 in Reihe nachgeschalteten (zweiten) Stromrichter 4 geführt.
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Der nachgeschaltete zweite Stromrichter 4 ist zunächst im Standby-Modus, das bedeutet, dass er hinsichtlich der Spannungswandlung deaktiviert beziehungsweise inaktiv ist. Der Controller 18 des zweiten Stromrichters 4 erfasst das an seinen Koppeleingang 12 geführte Auslastungssignal A und vergleicht es mit einem hinterlegten ersten Schwellwert. Der erste Schwellwert ist hierbei insbesondere hinsichtlich eines verbesserten Gesamtwirkungsgrades der drei Stromrichter 4 im Hinblick auf einen Mehrphasenbetrieb der Wandlervorrichtung 2 gewählt.
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Wird der erste Schwellwert überschritten, so wird der zweite Stromrichter 4 aktiviert, das bedeutet, dass der Stromrichter 4 von dem Standby-Modus in den Betriebs-Modus geschaltet wird und die Spannungswandlung beginnt. Im Zuge der Aktivierung wird das Schaltelement 16 durch den Controller 18 geschlossen, und das Ausgangssignal A an den Koppelausgang 12 angelegt, wodurch der dritte Stromrichter 4 an seinem Koppeleingang 14 das Auslastungssignal A des zweiten Stromrichters 4 empfängt und seinerseits mit dem ersten Schwellwert vergleicht. Überschreitet das Auslastungssignal A des zweiten Stromrichters 4 den ersten Schwellwert beim dritten Stromrichter 4, so wird auch der dritte Stromrichter 4 aktiv, sodass die Stromrichter 4 gemeinsam die Last versorgen.
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Im Betrieb der Stromrichter 4, das bedeutet im Betriebs-Modus oder aktiven Zustand, werden die Auslastungssignale A durch die Controller 18 der jeweils nachgeschalteten Stromrichter 4 kontinuierlich überwacht. Die Auslastungssignale A werden hierbei mit einem jeweiligen zweiten Schwellwert verglichen. Der zweite Schwellwert ist hierbei insbesondere anhand der jeweiligen Ist-Leistung beziehungsweise der jeweiligen Auslastung bestimmt. Mit anderen Worten vergleicht der Controller 18 des Stromrichters 4 die Auslastung des vorgeschalteten Stromrichters 4 mit seiner eigenen Auslastung. Unterschreitet das Auslastungssignal A den zweiten Schwellwert, das bedeutet, dass der vorgeschaltete Stromrichter 4 weniger stark ausgelastet ist, so wird der Stromrichter 4 deaktiviert, das bedeutet, in den Standby-Modus überführt und dabei das jeweilige Schaltelement 16 geschlossen.
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Die ersten und zweiten Schwellwerte sind insbesondere hinsichtlich einer Wirkungsgradabhängigkeit der Stromrichter 4 gewählt, so dass alle Stromrichter 4 als Gesamtsystem im Betrieb der Wandlervorrichtung 2 stets einen möglichst hohen Gesamtwirkungsgrad erzielen. In diesem Ausführungsbeispiel sind die Auslastungssignale A vorzugsweise als analoge Signale, beispielsweise als Spannungssignale, ausgeführt, wobei die Schwellwerte insbesondere als Spannungsgrenzen ausgeführt sind.
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In der 3 ist ein zweites Ausführungsbeispiel der Wandelvorrichtung 2 dargestellt. In diesem Ausführungsbeispiel werden die Auslastungssignale A der Stromrichter 4 insbesondere als pulsweitenmodulierte Digitalsignale generiert, das bedeutet, die Information über die Auslastung des Stromrichters 4 wird in einem Pulsweitenverhältnis beziehungsweise einem Tastgrad kodiert. Die Controller 18 weisen hierzu geeigneterweise einen PWM-Treiber auf, der die Auslastungssignale A in dem Pulsweitenverhältnis beziehungsweise dem Tastgrad auf den Koppelausgang 14 beaufschlagt. Der Koppelausgang 14 ist hierbei an ein zweites Schaltelement 22 geführt, wobei das Schaltelement 22 insbesondere ein Halbleiterschalter ist, welcher mittels des Auslastungssignals A getaktet geöffnet beziehungsweise geschlossen wird.
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Das Schaltelement 22 ist hierbei Teil eines Spannungsteilers 24 mit einem ersten Widerstand 24a und einem zweiten Widerstand 24b. Der erste Widerstand 24a ist mit dem Potential der Betriebsspannung Vout gekoppelt, wobei der zweite Widerstand 24a gegen Masse geschaltet ist. Das Schaltelement 22 ist zwischen den Widerständen 24a und 24b verschaltet, wobei der masseseitige Anschluss, das bedeutet der dem Widerstand 24b zugewandte Anschluss, hinter dem Schaltelement 16 in die Kopplungsleitung 10 verschaltet ist. In der 3 sind die Stromrichter 4 und die Spannungsteiler 24 zur Verbesserung der Übersichtlichkeit lediglich beispielhaft mit Bezugszeichen versehen.
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Im Betrieb wird somit das Auslastungssignal A mittels des Schaltelements 22 in ein entsprechendes Auslastungssignal A‘ konvertiert. Das Auslastungssignal A‘ ist hierbei hinsichtlich des Pulsweitenverhältnisses beziehungsweise des Tastgrades, und somit hinsichtlich der Information über die Auslastung des Stromrichters 4, identisch zum Auslastungssignal A. Der Wesentliche Unterschied zwischen den Auslastungssignalen A und A‘ ist die (Signal-)Amplitude. Die Amplitude des Auslastungssignals A‘ ist im Wesentlichen konstant, und über das Verhältnis der Widerstände 24a und 24b bestimmt.
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Die Erfindung ist nicht auf die vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt. Vielmehr sind auch andere Varianten der Erfindung von dem Fachmann hieraus ableitbar, ohne den Gegenstand der Erfindung zu verlassen. Insbesondere sind ferner alle im Zusammenhang mit den Ausführungsbeispielen beschriebenen Einzelmerkmale auch auf andere Weise miteinander kombinierbar, ohne den Gegenstand der Erfindung zu verlassen.
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Insbesondere sind im Wesentlichen beliebig viele Stromrichter 4 im Zuge einer Wandelvorrichtung miteinander durch die Koppelleitung 10 koppelbar und nach dem erfindungsgemäßen Verfahren betreibbar. Wesentlich ist, dass die Stromrichter 4 anhand der Auslastungssignale A der aktiven Stromrichter 4 automatisch zu- oder abgeschaltet werden, ohne dass eine zusätzliche Kommunikation zum Powermanagement 8 notwendig ist.
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Des Weiteren ist es denkbar, dass das Schaltelement 16 und/oder der Spannungsteiler 24 in den jeweiligen Stromrichter 4 beziehungsweise in den jeweils zugeordneten Controller 18 integriert sind. In einer derartigen Ausgestaltung werden die Stromrichter 4 somit lediglich mittels der Kopplungsanschlüsse 12 und 14 an die Kopplungsleitung 10 verschaltet, wobei die Elemente zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens in den Stromrichtern 4 selbst angeordnet sind. Dadurch wird der Verschaltungsaufwand der Wandlervorrichtung 2 wesentlich reduziert. In einer solchen Ausgestaltung verläuft die Kopplungsleitung 10 zumindest abschnittsweise durch die Stromrichter 4.
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Bezugszeichenliste
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- 2
- Wandlervorrichtung
- 4
- Stromrichter
- 6
- Kraftfahrzeug-Versorgungsnetz / Bordnetz
- 8
- Powermanagement
- 10
- Kopplungsleitung
- 10a
- Rückschluss
- 12
- Kopplungseingang
- 14
- Kopplungsausgang
- 16
- Schaltelement
- 18
- Controller
- 20
- Steuerausgang / Steueranschluss
- 22
- Schaltelement
- 24
- Spannungsteiler
- 24a, 24b
- Widerstand
- Vin
- Versorgungsspannung
- Vout
- Betriebsspannung
- A, A‘
- Auslastungssignal
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 2006/0239046 A1 [0004]