DE102023128073B3

DE102023128073B3 - Verfahren, Computerprogramm und Vorrichtung zum Steuern mehrerer Einheiten mittels einer übergeordneten Steuerung

Info

Publication number: DE102023128073B3
Application number: DE102023128073.2A
Authority: DE
Inventors: Koenraad Muyllaert; Max Rothenburger
Original assignee: P&e Power&energy GmbH
Current assignee: P&e Power&energy GmbH
Priority date: 2023-10-13
Filing date: 2023-10-13
Publication date: 2025-01-16
Anticipated expiration: 2043-10-14
Also published as: WO2025078331A1

Abstract

Zum Steuern mehrerer Einheiten (2) mittels einer übergeordneten Steuerung (3) werden von der Steuerung (3) Referenzwerte (14) an die Einheiten (2) gesendet, wobei jeder der Referenzwerte (14) einer der Einheiten (2) individuell zugeordnet ist. In jeder der Einheiten (2) wird der zugeordnete Referenzwert (14) empfangen und gespeichert; und in allen Einheiten (2) werden Zählerstände (13) auf einen identischen Initialwert gesetzt. Dann werden von der Steuerung (3) erste Zählsignale (18) und zweite Zählsignale (19) an die Einheiten (2) gesendet, wobei die Zählsignale (18, 19) für alle Einheiten (2) gleich sind. Die Zählsignale (18, 19) werden in jeder der Einheiten (2) empfangen. In jeder der Einheiten (2) wird der Zählerstand (13) beim Empfangen jedes ersten Zählsignals (18) um einen gleichen festen Erhöhungsbetrag erhöht und beim Empfangen jedes zweiten Zählsignals (19) um einen gleichen festen Erniedrigungsbetrag erniedrigt. Ein aktueller Sollzustands jeder der Einheiten (2) wird auf gleiche Weise unter Vergleichen des jeweiligen Referenzwerts (14) mit dem aktuellen Zählerstand (13) in der jeweiligen Einheit (2) ermittelt.

Description

TECHNISCHES GEBIET DER ERFINDUNG
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Steuern mehrerer Einheiten mittels einer übergeordneten Steuerung. Weiterhin bezieht sich die Erfindung auf ein Computerprogramm zum Ausführen und eine Vorrichtung zur Durchführung eines solchen Verfahrens.
Beispielsweise können die Einheiten einzelne Batterien oder andere Spannungsquellen mit zugeordneten Vollbrücken eines modularen Mehrniveauumrichters (englisch: Modular Multi-Level Converter) sein, die miteinander in Reihe geschaltet sind und von der übergeordneten Steuerung angesteuert werden, um eine konstante Gleichspannung oder definierte Wechselspannung auszugeben.
STAND DER TECHNIK
Ein modularer Mehrniveauumrichter ist aus der EP 2 945 273 A1 bekannt. Der Umrichter weist mehrere Einheiten mit jeweils einer leistungselektronischen Schaltung, an die eine von mehreren Spannungsquellen anschließbar ist, und eine zentrale Steuerung auf. Die zentrale Steuerung ordnet den Einheiten aufsteigende Adressen zu und steuert die Einheiten in der Reihenfolge dieser Adressen an. Konkret weisen die leistungselektronischen Schaltungen drei verschiedene Schaltzustände auf, um einen Kondensator der jeweiligen Spannungsquelle zu entladen, zu umgehen oder zu laden. Wenn eine bestimmte Ausgangsspannung gewünscht ist, schaltet die Steuerung beginnend mit der Einheit mit der kleinsten Adresse so viele Einheiten in den Schaltzustand Entladen, wie für das Bereitstellen der bestimmten Ausgangsspannung benötigt werden. Alle anderen leistungselektronischen Schaltungen bleiben in den Schaltzuständen Umgehen oder Aufladen. Wenn anschließend eine andere Ausgangsspannung gewünscht ist, werden die zuletzt in den Schaltzustand Entladen geschalteten leistungselektronischen Schaltungen in den Schaltzustand Umgehen geschaltet, und dann werden so viele Einheiten mit den nächsthöheren Adressen in den Schaltzustand Entladen geschaltet, wie für das Bereitstellen der anderen Ausgangsspannung benötigt wird, und so weiter. Entsprechend werden für das Bereitstellen negativer Ausgangsspannungen jeweils wechselnde ausreichend viele Einheiten in den Schaltzustand Laden geschaltet. Auf diese Weise sollen die angeschlossenen Spannungsquellen gleichmäßig belastet werden. Allerdings ist das auf diese Weise erfolgende Ansteuern der einzelnen Einheiten durch die zentrale Steuerung in der Implementation aufwändig, insbesondere wenn schnell aufeinanderfolgend unterschiedliche Ausgangsspannungen realisiert werden sollen, wie dies beim Wechselrichten der Fall ist oder wenn eine Ausgangsspannung bei stark schwankender Leistungsabnahme konstant gehalten werden soll. Zudem werden die Kondensatoren der einzelnen Spannungsquellen jeweils nur für sehr kurze Zeiträume entladen bzw. geladen, das heißt es fallen sehr viele Lastwechsel an. Diese zahlreichen Lastwechsel sind aufgrund der begrenzten Kapazität der Kondensatoren notwendig.
Aus der WO 2020/065095 A1 ist ein Verfahren zum Steuern von Einheiten eines modularen Mehrniveauumrichters mittels einer zentralen Steuerung bekannt. Die Einheiten weisen jeweils eine leistungselektronische Schaltung zum Anschließen einer Batterie auf. Mehrere sogenannte Konzentratoren sind jeweils zwischen die zentrale Steuerung und mehrere der Einheiten geschaltet, die eine Gruppe von Einheiten bilden. In jeder Gruppe übernimmt eine der Einheiten Steuerfunktionen bei der Umsetzung von Steueranweisungen der zentralen Steuerung. Auf diese Weise sollen Sicherheitsprobleme beseitigt werden, die mit einem zentralisierten Protokoll verbunden seien sollen. Wie jedoch die Steueranweisungen der zentralen Steuerung genau umgesetzt werden, um beispielsweise bestimmte Ausgangsspannungen mit dem Umrichter bereitzustellen, wird nicht angegeben.
Aus der US 2013/0223115 A1 ist eine Stromrichtungsvorrichtung mit einer Mehrzahl von einphasigen Stromrichtern mit lokalen Controllern bekannt, die über einen Ringbus mit einer zentralen Steuerung vernetzt sind. Den Controllern werden entsprechend ihrer Platzierung im Ring aufsteigende Nummern zugewiesen, die als Adresse für die Zuweisung von Sollwerten dienen. Die Kommunikation mit der zentralen Steuerung erfolgt mittels Datenpaketen, in denen die Sollwerte zusammen mit der Nummer des Controllers nacheinander in aufsteigender Reihenfolge übertragen werden.
Aus der DE 10 2020 118 242 B3 ist ein Mehrebenen-Wechselrichter zur Erzeugung einer mehrstufigen Ausgangsspannung bekannt, der eine Zentraleinrichtung und mehrere durch die Zentraleinrichtung steuerbare Spannungsmodule aufweist. Eine Aktivierung der Spannungsmodule basiert auf einem Zählvorgang und dem Vergleich des Zählsignals mit einem vorgegebenen Referenzwert. Das Zählsignal wird auf dem jeweiligen Modul erzeugt und über eine Kommunikationsleitung mit dem Zähler in weiteren Modulen sowie der Zentraleinrichtung synchronisiert. Sowohl das Aktivieren, wie auch das Deaktivieren der Spannungsmodule erfolgt lokal durch Zeitsteuerung.
Emilia Noorsal et al.: Design of FPGA-Based SHE and SPWM Digital Switching Controllers for 21-Level Cascaded H-Bridge Multilevel Inverter Model, Micromachines 2022, 13, 179 offenbaren eine auf Zählen beruhende „Staircase Modulation“ bei einem modularen Stromrichter mit H-Brückenmodulen mittels FPGA. Der als Aufwärtszähler ausgeführte Zähler ist Teil einer zentralen Steuerung.
Aus der US 2010/0185784 A1 ist ein Adressvergabeverfahren bekannt, bei dem ein von einer Steuerung über einen Kommunikationskanal gesendetes Adresssignal in jeder Einheit eines modularen Systems um 1 erhöht wird. Indem das zu der Steuerung zurücklaufende Adresssignal um die Anzahl der Einheiten des modularen Systems erhöht ist, zeigt es der Steuerung an, dass es von allen Einheiten empfangen wurde und diese zukünftig mit dem ihnen zugehörigen Stand des Zählsignal adressiert werden können.
AUFGABE DER ERFINDUNG
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren, ein Computerprogramm und eine Vorrichtung zum Steuern mehrerer Einheiten mittels einer übergeordneten Steuerung aufzuzeigen, bei denen - trotz einer hohen Frequenz beispielsweise beim Einregeln einer gewünschten Ausgangsspannung - die einzelnen Einheiten und insbesondere an leistungselektronische Schaltungen der einzelnen Einheiten angeschlossene Batterien einerseits möglichst selten und andererseits möglichst gleichmäßig durch Lastwechsel beansprucht werden.
LÖSUNG
Die Erfindung wird durch ein Verfahren zum Steuern mehrerer Einheiten mittels einer übergeordneten Steuerung mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 1 gelöst. Die abhängigen Patentansprüche 1 bis 7 sind auf bevorzugte Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens gerichtet. Patentanspruch 8 betrifft ein Computerprogramm zum Ausführen des erfindungsgemäßen Verfahrens. Patentanspruch 9 betrifft eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens; und die abhängigen Patentansprüche 9 bis 15 sind auf bevorzugte Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Vorrichtung gerichtet.
BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Bei einem erfindungsgemäßen Verfahren zum Steuern mehrerer Einheiten mittels einer übergeordneten Steuerung werden von der Steuerung aus Referenzwerte an die Einheiten gesendet, von denen jeder Referenzwert einer der Einheiten individuell zugeordnet ist. In jeder der Einheiten wird der zugeordnete Referenzwert empfangen und gespeichert. Zählerstände in allen Einheiten werden auf einen identischen Initialwert gesetzt. Dann werden erste Zählsignale und zweite Zählsignale von der Steuerung aus an die Einheiten gesendet, wobei die Zählsignale für alle der Einheiten gleich sind. Die Zählsignale werden in jeder der Einheiten empfangen. Beim Empfangen jedes ersten Zählsignals wird der Zählerstand in jeder der Einheiten um einen gleichen festen Erhöhungsbetrag erhöht; beim Empfangen jedes zweiten Zählsignals wird der Zählerstand in jeder der Einheiten um einen gleichen festen Erniedrigungsbetrag erniedrigt. So sind die Zählerstände in allen Einheiten immer dieselben, stehen aber in jeder der Einheiten zur Verfügung, um einen aktuellen Sollzustand jeder der Einheiten auf gleiche Weise unter Vergleichen des jeweiligen Referenzwerts mit dem aktuellen Zählerstand in der jeweiligen Einheit zu ermitteln. Auf diese Weise gibt die übergeordnete Steuerung die Sollzustände für die Mehrzahl der Einheiten vor. Dabei ändert sich der aktuelle Zählerstand in den Einheiten mit jedem Zählsignal immer nur um den festen Erhöhungsbetrag oder den festen Erniedrigungsbetrag und damit vergleichsweise langsam. Wenn die Spreizung der Gesamtheit der Referenzwerte für die einzelnen Einheiten sehr viel größer ist als diese Beträge, ändert sich daher das Ergebnis des Vergleichs des jeweiligen Referenzwerts mit dem aktuellen Zählerstand in der jeweiligen Einheit jeweils nur für wenige, oft nur eine einzige Einheit. Für die meisten Einheiten ändert sich der Sollzustand nicht, so dass keine Lastwechsel auftreten. Durch ein in gewissen, insbesondere regelmäßigen Abständen wiederkehrendes Senden neuer Referenzwerte kann zugleich dafür Sorge getragen werden, dass die Einheiten, die in der Vergangenheit häufiger einen Wechsel ihres Sollzustands erfahren haben, in nächster Zeit zu den Einheiten gehören, bei denen sich das Ergebnis des Vergleichs zwischen dem ihnen zugeordneten Referenzwert und dem aktuellen Zählerstands und entsprechend ihr Sollzustand nicht ändert. Vor allem aber können die Zählsignale auf sehr einfache Weise mit hoher Frequenz von der Steuerung aus an die Einheiten übertragen, dort registriert und ausgewertet werden, wodurch eine sehr schnelle Ansteuerung der Einheiten und eine sehr hohe Regelfrequenz realisierbar sind.
Typischerweise sind der Erhöhungsbetrag und der Erniedrigungsbetrag bei dem erfindungsgemäßen Verfahren gleich, und die Referenzwerte unterscheiden sich um ganzzahlige Vielfache des Erhöhungsbetrags. Letzteres schließt jedoch nicht aus, dass einzelne der Referenzwerte gleich sind. So kann beispielsweise immer zwei der Einheiten derselbe Referenzwert zugeordnet sein. In diesem Fall ändern diese beiden Einheiten ihren aktuellen Sollzustand immer gemeinsam. Auch jeweils drei oder mehr der Einheiten kann derselbe Referenzwert zugeordnet werden. Vorzugsweise wird jeder Referenzwert aber nur einmal an eine der Einheiten vergeben. Weiterhin ist es bevorzugt, wenn die Referenzwerte und der Initialwert ganzzahlige Vielfache des Erhöhungsbetrags sind. Umgekehrt kann dadurch, dass sich der Referenzwert oder der Initialwert beispielsweise um einen halben Erhöhungsbetrag von einem Vielfachen des Erhöhungsbetrags unterscheidet, dafür gesorgt werden, dass der Zählerstand und der Referenzwert niemals gleich sind, sondern sich immer unterscheiden, so dass beim Vergleichen des jeweiligen Referenzwert mit dem aktuellen Zählerstand immer der Referenzwert oder der Zählerstand größer ist.
In einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens folgen die Referenzwerte in Abständen vom Einfachen des Erhöhungsbetrags aufeinander. Weiterhin erweist es sich als praktisch, wenn die Referenzwerte und die Zählerstände ganzen Zahlen entsprechen, wodurch beispielsweise jegliche Rundungsprobleme vermieden werden. Dies ist insbesondere dann von Vorteil, wenn der jeweilige Referenzwert und der aktuelle Zählerstand auch gleich sein können und dies eindeutig erkannt werden soll.
Bei dem erfindungsgemäßen Vergleichen in der jeweiligen Einheit kann bestimmt werden, ob der aktuelle Zählerstand positiv oder zumindest nicht negativ ist und ob der Referenzwert größer ist als der Zählerstand und/oder ob der Zählerstand größer ist als der Referenzwert und/oder, wenn dies möglich ist, ob der Referenzwert und der Zählerstand gleich sind, um ein erstes Vergleichsergebnis zu erhalten. Abhängig von diesem ersten Vergleichsergebnis kann ermittelt werden, ob der aktuelle Sollzustand der jeweiligen Einheit ein erster Sollzustand oder ein hier als dritter Sollzustand bezeichneter von dem ersten Sollzustand abweichender Sollzustand ist. Dabei kann der Fall, dass der Referenzwert und der Zählerstand gleich sind, wahlweise dem ersten oder dem dritten Sollzustand zugeschlagen werden. Grundsätzlich kann der Fall, dass der Referenzwert und der Zählerstand gleich sind, aber auch einem noch weiteren Sollzustand zugeordnet werden, der hier als vierter Sollzustand bezeichnet wird. Dieser vierte Sollzustand wird jedoch bei der nächsten Änderung des Zählerstands wieder in einen anderen Sollzustand geändert, was tendenziell weniger bevorzugt ist, es sei denn der vierte Sollzustand ist ein spezieller Übergangszustand zwischen dem ersten Sollzustand und dem dritten Sollzustand.
Weiterhin kann bei dem erfindungsgemäßen Vergleichen in der jeweiligen Einheit bestimmt werden, ob der aktuelle Zählerstand negativ oder zumindest nicht positiv ist und ob der mit -1 multiplizierte Referenzwert kleiner ist als der Zählerstand und/oder ob der Zählerstand kleiner ist als der mit -1 multiplizierte Referenzwert und/oder, wenn dies möglich ist, ob der mit -1 multiplizierte Referenzwert und der Zählerstand gleich sind, um ein zweites Vergleichsergebnis zu erhalten. Abhängig von diesem zweiten Vergleichsergebnis kann dann ermittelt werden, ob der aktuelle Sollzustand der jeweiligen Einheit ein zweiter Sollzustand oder der dritte Sollzustand ist. Wie auch bei dem ersten Vergleichsergebnis kann der Fall, dass der mit -1 multiplizierte Referenzwert und der Zählerstand gleich sind, entweder dem zweiten Sollzustand oder dem dritten Sollzustand oder einem noch weiteren, hier als fünfter Sollzustand bezeichneten Sollzustand zugeordnet werden.
Vorzugsweise erfolgt die Zuordnung des ersten und dritten sowie gegebenenfalls vierten Sollzustands symmetrisch zu der Zuordnung des zweiten und dritten sowie gegebenenfalls fünften Sollzustands. Beispielsweise ist bei positivem oder zumindest nicht negativem Zählerstand der aktuelle Sollzustand der erste Sollzustand, wenn der Zählerstand größer oder gleich dem Referenzwert ist, während der aktuelle Sollzustand der dritte Zustand ist, wenn der Referenzwert größer als der Zählerstand ist; und bei negativem oder zumindest nicht positivem Zählerstand ist der aktuelle Sollzustand der zweite Sollzustand, wenn der Zählerstand kleiner oder gleich dem mit -1 multiplizierte Referenzwert ist, während der aktuelle Sollzustand der dritte Sollzustand ist, wenn der mit -1 multiplizierte Referenzwert kleiner als der Zählerstand ist. Wenn dann Referenzwerte mit 1 beginnend um jeweils 1 ansteigen, gibt ein aktueller positiver Zählerstand die Zahl der in dem ersten Sollzustand befindlichen Einheiten vor, während ein negativer Zählerstand die Zahl der aktuell in dem zweiten Sollzustand befindlichen Einheiten vorgibt. Die anderen Einheiten haben jeweils den dritten Sollzustand; bei einem Zählerstand null sind dies alle Einheiten. Passend dazu kann der erste Sollzustand ein in einer Richtung aktiver Zustand, der zweite Sollzustand ein in einer insbesondere zu der einen Richtung entgegengesetzten anderen Richtung aktiver Zustand und der dritte Sollzustand ein passiver Zustand sein.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren kann es auch möglich sein, von der Steuerung aus ein Abschaltsignal an die Einheiten zu senden, wobei der Sollzustand jeder der Einheiten beim Empfangen des Abschaltsignals sofort in einen abgeschalteten Zustand geändert wird. Dies kann bedeuten, dass der Sollzustand jeder der Einheiten unabhängig von dem aktuellen Zählerstand ein Auszustand wird, in dem beispielsweise alle Schalter einer leistungselektronischen Schaltung geöffnet sind.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren können die ersten Zählsignale und die zweiten Zählsignale in beliebiger Reihenfolge aufeinander folgen. Bevorzugt ist es, wenn die Zählsignale in gleichen Abständen aufeinander folgen. Dazu können neben den ersten Zählsignalen und den zweiten Zählsignalen dritte Zählsignalen von der Steuerung aus an die Einheiten gesandt werden, wobei beim Empfangen jedes dritten Zählsignals der aktuelle Zählerstand in jeder der Einheiten konstant gehalten wird. So können die Zählsignale mit einer festen Rate von der Steuerung aus an die Einheiten gesandt werden, ohne dass dadurch an sich unnötige Änderungen von Sollzuständen von Einheiten herbeigeführt werden.
Nach der Ermittlung ihres aktuellen Sollzustands wird die jeweilige Einheit bei dem erfindungsgemäßen Verfahren - soweit dies möglich ist - in einen entsprechenden Istzustand überführt. Diese Überführung wird in der jeweiligen Einheit als Ergebnis des Vergleichs des Referenzwerts mit dem Zählerstand ausgelöst und nicht direkt von der übergeordneten Steuerung vorgegeben.
Konkret kann der aktuelle Sollzustand jeder Einheit ein Schaltzustand einer leistungselektronischen Schaltung der jeweiligen Einheit sein. Beispielsweise kann die leistungselektronische Schaltung der jeweiligen Einheit an eine jeweilige Strom- oder Spannungsquelle und/oder -senke, wie beispielsweise eine Batterie, angeschlossen sein. Weiterhin kann die leistungselektronische Schaltung eine Halbbrücke mit mindestens zwei Leistungsschaltern oder eine Vollbrücke mit mindestens vier Leistungsschaltern, insbesondere in H-Konfiguration, aufweisen. Die leistungselektronischen Schaltungen der einzelnen Einheiten können elektrisch in Reihe geschaltet werden. Dies wäre beispielsweise bei einem modularen Mehrniveau Umrichter regelmäßig der Fall. Einzelne Einheiten - oder bei anderen Anwendungen alle Einheiten - können jedoch parallelgeschaltet sein.
In einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens werden die Referenzwerte von der Steuerung aus über einen ersten Kommunikationskanal an die Einheiten gesendet, während die Zählsignale von der Steuerung aus über einen von dem ersten Kommunikationskanal getrennten zweiten Kommunikationskanal an die Einheiten gesendet werden. Ein Initialisierungssignal zum Triggern des Setzens der Zählerstände in den einzelnen Einheiten auf dem identischen Initialwert kann grundsätzlich auch über diesem zweiten Kommunikationskanal von der Steuerung aus an die Einheiten gesendet werden. Der zweite Kommunikationskanal ist jedoch für die schnell aufeinanderfolgenden Zählsignale spezialisiert und das Initialisierungssignal wird maximal genauso häufig benötigt wie die Referenzwerte, so dass es besser wie die Referenzwerte über den ersten Kommunikationskanal übertragen wird. Alternativ kann jedes Aussenden von Referenzwerten von der Steuerung aus als Initialisierungssignal interpretiert werden, so dass es keines separaten Initialisierungssignals bedarf. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren werden in gewissen Abständen neue Referenzwerte von der Steuerung aus an die Einheiten gesendet, um für eine gleichmäßige Beanspruchung der einzelnen Einheiten bzw. beispielsweise daran angeschlossener Batterien zu sorgen. Eine entsprechende Änderungsrate der Referenzwerte kann im Bereich von 0,1 Hz bis 10 Hz liegen, also auch noch vergleichsweise hoch sein, wobei sie jedoch immer sehr viel niedriger ist als eine Signalrate der Zählsignale, die in einem typischen Bereich von 1 kHz bis 100 kHz liegt. Wenn die Signalrate der Zählsignale deutlich niedriger ist, ist eine noch deutlich niedrigere Änderungsrate der Referenzwerte sinnvoll. Wenn die einzelnen Einheiten hingegen durch Lastwechsel nicht stark beansprucht werden, kann die Änderungsrate der Referenzwerte auch etwas größer sein, wobei sie jedoch immer kleiner bleibt als die Signalrate und regelmäßig nicht mehr als 10 % der Signalrate beträgt.
Über den ersten Kommunikationskanal können von den Einheiten aus Informationen über deren allgemeinen Betriebszustand an die Steuerung gesendet werden. Zu diesen Informationen kann die Spannung und damit der Ladezustand einer angeschlossenen Batterie, deren Temperatur oder auch der aktuelle Istzustand der Einheiten gehören. Der der aktuelle Istzustand einer Einheit kann sich jedoch mit dem Zählerstand sehr viel schneller ändern, als dies per Kommunikation über den ersten Kommunikationskanal dokumentiert werden kann.
Während der erste Kommunikationskanal vielfach problemlos auch drahtlos ausgebildet werden kann, ist es bevorzugt, zumindest den zweiten Kommunikationskanal drahtgebunden auszubilden. Dabei können die einzelnen Einheiten parallel zueinander an den zweiten Kommunikationskanal angeschlossen sein, damit die Zählsignale möglichst gleichzeitig bei ihnen eingehen. Dies ist aber bei verglichen mit der Signalrate der Zählsignale hoher Signalgeschwindigkeit über den zweiten Kommunikationskanal nicht zwingend, wie im Folgenden noch erläutert werden wird.
Die verschiedenen Zählsignale auf dem zweiten Kommunikationssignal können beispielsweise durch unterschiedliche Signalpulsbreiten und/oder Signalflankenphasen kodiert werden, die sehr schnell auf das Vorliegen der unterschiedlichen Zählsignale hin ausgewertet werden können, um den Zählerstand entsprechend zu vergrößern, zu verringern oder konstant zu halten. Entsprechende digitale und auch analoge Schaltungen zur Signalauswertung sind dem Fachmann geläufig.
In einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens verläuft mindestens einer der Kommunikationskanäle und bevorzugt der erste Kommunikationskanal und der zweite Kommunikationskanal von der Steuerung zu einer der Einheiten, dann von Einheit zu Einheit und schließlich von der letzten der Einheiten zurück zu der Steuerung. Wenn der zweite Kommunikationskanal in dieser Weise verläuft, kann in jeder der Einheiten der zweite Kommunikationskanal im Fall einer Störung der jeweiligen Einheit unterbrochen werden und so dieser Störfall an die übergeordnete Steuerung signalisiert werden, die das von ihr ausgesandte Zählsignal nicht zurück erhält. Konkret können die Zählsignale in jeder der Einheiten durch ein UND-Gatter laufen, an dessen anderen Eingang ein Signal anliegt, das den ordnungsgemäßen Zustand der jeweiligen Einheit signalisiert. Am Ausgang des UND-Gatters liegen dann wieder die Zählsignale an, solange die jeweilige Einheit im ordnungsgemäßen Zustand ist, und die Zählsignale werden durch das UND-Gatter aufgefrischt an die nächste Einheit weitergegeben. Wenn jedoch das Signal an dem zweiten Eingang des UND-Gatters wegfällt, weil eine Störung vorliegt, ist der zweite Kommunikationskanal unterbrochen. Sofern das Signal an dem zweiten Eingang des Gatters im Falle einer Störung nicht heruntergesetzt, sondern hochgesetzt werden soll, ist statt des UND-Gatters ein NAND-Gatter zu verwenden. In jedem Fall wird das durchlaufende Zählsignal durch jedes Gatter aufgefrischt, was bei einer Vielzahl von Einheiten vorteilhaft ist. Die Verzögerung des Zählsignals durch die Gatter in den Einheiten liegt im Bereich von 1 ns und ist damit bei den oben genannten Signalraten nicht relevant., d. h. die Zählsignale kommen bezogen auf den durch die Signalrate definierten Zeittakt gleichzeitig in den Einheiten an.
Wenn ein Zählwert in einem von der Steuerung aus über den ersten Kommunikationskanal gesendeten Zählbefehl in jeder der Einheiten so erhöht wird, dass der zu der Steuerung zurücklaufende Zählbefehl die Anzahl der Einheiten angibt, was am einfachsten dadurch realisiert wird, dass der Zählwert in jeder der Einheiten um 1 erhöht wird, wird die Anzahl der Einheiten von der Steuerung aus erfasst. So kann sichergestellt werden, dass an jede der Einheiten ein zugeordneter Referenzwert übermittelt wird und durch die regelmäßige Aktualisierung der Referenzwerte alle Einheiten gleichmäßig beansprucht werden.
Ein erfindungsgemäßes Computerprogramm zum Ausführen des erfindungsgemäßen Verfahrens weist ein erstes Programmmodul zum Laden in eine übergeordnete Steuerung auf, wobei das erste Programmmodul beim Abarbeiten die Steuerung zum Ausführen der Schritte des Sendens des erfindungsgemäßen Verfahrens veranlasst. Weiterhin weist das erfindungsgemäße Computerprogramm ein zweites Programmmodul zum Laden in jede der Einheiten auf. Dieses zweite Programmmodul veranlasst beim Abarbeiten die jeweilige Einheit zum Ausführen der Schritte des Empfangens, Speicherns, Setzens, Erhöhens, Erniedrigens, Ermittelns und Vergleichens des erfindungsgemäßen Verfahrens. Das erfindungsgemäße Computerprogramm kann in auf einem Datenträger gespeicherter Form oder in einer beispielsweise über das Internet von einem Datenserver herunterladbaren Form vorliegen.
Bei einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens mit mehreren Einheiten und einer übergeordneten Steuerung ist die Steuerung zum Senden von Referenzwerten an die Einheiten, wobei jede der Referenzwerte einer der Einheiten individuell zugeordnet ist, zum Senden eines Initialisierungssignals und zum Senden von ersten Zählsignalen und zweiten Zählsignalen an die Einheiten, wobei die Zählsignale für alle Einheiten gleich sind, ausgebildet. Das Senden des Initialisierungssignals kann dabei identisch mit dem Senden der Referenzwerte sein. Jede der Einheiten ist zum Empfangen und Speichern des zugeordneten Referenzwerts, zum Empfangen des Initialisierungssignals und Setzen eines Zählerstands auf einen für alle Einheiten identischen Initialwert beim Empfangen des Initialisierungssignals, zum Empfangen der Zählsignale, Erhöhen des Zählerstands um einen gleichen festen Erhöhungsbetrag beim Empfangen jedes ersten Zählsignals und Erniedrigen des Zählerstands um einen gleichen festen Erniedrigungsbetrag beim Empfangen jedes zweiten Zählsignals und zum Ermitteln ihres aktuellen Sollzustands unter Vergleichen des jeweiligen Referenzwerts mit dem aktuellen Zählerstand ausgebildet.
Die Steuerung kann weiterhin zum Senden von dritten Zählsignalen neben den ersten Zählsignalen und den zweiten Zählsignalen ausgebildet sein, wobei dann jede der Einheiten zum Konstanthalten ihres aktuellen Zählerstands beim Empfangen jedes dritten Zählsignals ausgebildet ist.
Jede der Einheiten kann mit der Steuerung mittels eines ersten Kommunikationskanals zum Senden der Referenzwerte an die Einheiten und eines zweiten Kommunikationskanals zum Senden der Zählsignale an die Einheiten verbunden sein. Dabei weist jede der Einheiten eine erste Kommunikationsschnittstelle zur Verbindung mit dem ersten Kommunikationskanal zum Empfangen der Referenzwerte und eine zweite Kommunikationsschnittstelle zur Verbindung mit dem zweiten Kommunikationskanal zum Empfangen der Zählsignale auf. Weiter weist jede Einheit einen Controller und einen Aktor auf, wobei der jeweilige Controller einen den Zählerstand anzeigenden Zähler umfasst und wobei der jeweilige Sollzustand der jeweiligen Einheit ein aktueller Sollzustand ihres Aktors ist.
Mindestens einer und vorzugsweise jeder des ersten und des zweiten Kommunikationskanals verläuft von der Steuerung zu einer der Einheiten, dann von Einheit zu Einheit und von der letzten der Einheiten zu der Steuerung zurück, wobei entsprechend jede erste Kommunikationsschnittstelle beziehungsweise jede zweite Kommunikationsschnittstelle der jeweiligen Einheit sowohl einen Empfänger als auch einen Sender aufweist. Weiterhin ist jede der Einheiten vorzugsweise zum Übermitteln von Informationen über ihren aktuellen Betriebszustand über den ersten Kommunikationskanal an die Steuerung ausgebildet und zum Unterbrechen des zweiten Kommunikationskanals im Störfall. Außerdem kann jede der Einheiten zum Erhöhen eines Zählwerts in einem von der Steuerung aus gesendeten Zählbefehl ausgebildet sein, so dass der zu der Steuerung zurücklaufende Zählbefehl die Anzahl der Einheiten angibt.
Der Aktor jeder der Einheiten kann eine leistungselektronische Schaltung aufweisen. Die leistungselektronische Schaltung kann eine Halb- oder Vollbrücke sein, an die eine Strom- oder Spannungsquelle angeschlossen oder anschließbar ist. Die leistungselektronischen Schaltungen der Einheiten können untereinander in Reihe und/oder parallelgeschaltet sein.
In einer konkreten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung weist die leistungselektronische Schaltung eine Halbbrücke, einen ersten Eingang, einen zweiten Eingang und einen Ausgang auf. Dann kann in einem ersten Sollzustand der Einheit der erste Eingang mit dem Ausgang verbunden sein, während in einem zweiten Sollzustand der Einheit der zweite Eingang mit dem Ausgang verbunden ist.
In einer anderen konkreten Ausführungsform weist die leistungselektronische Schaltung der jeweiligen Einheit eine Vollbrücke, einen ersten Eingang, einen zweiten Eingang, einen ersten Ausgang und einen zweiten Ausgang auf, wobei in einem ersten Sollzustand der erste Eingang mit dem ersten Ausgang und der zweite Eingang mit dem zweiten Ausgang verbunden ist, während in einem zweiten Sollzustand der zweite Eingang mit dem ersten Ausgang und der erste Eingang mit dem zweiten Ausgang verbunden ist und in einem dritten Sollzustand der erste Ausgang mit dem zweiten Ausgang verbunden ist. Dieses Sollzustände entsprechen dem grundsätzlich bekannten Betrieb eines modularen Mehrniveauumrichters.
Der Controller der jeweiligen Einheit kann als FPGA (Field Programmable Gate Array) oder Mikrocontroller ausgebildet sein. Der Aktor kann eine andere leistungselektronische Schaltung als eine Halb- oder Vollbrücke und beispielsweise einen Spannungssteller aufweisen. Der Aktor kann weiterhin ein Stromventil, wie einen Transistor oder Thyristor, aber auch ein hydraulisches Ventil aufweisen. Die an die jeweilige leistungselektronische Schaltung angeschlossene Strom- oder Spannungsquelle kann eine Quelle und/oder eine Senke für den Strom beziehungsweise die Spannung sein. Insbesondere kann die Strom- oder Spannungsquelle sowohl Quelle als auch Senke sein, wie beispielsweise eine Batterie, die sowohl entladbar als auch aufladbar ist. Die leistungselektronischen Schaltungen der Einheiten sind also insbesondere bidirektional ausgeführt und können zudem in einen neutralen, das heißt die Strom- oder Spannungsquelle überbrückenden Zustand geschaltet werden. Zudem können sie einen Abschaltzustand aufweisen, in dem alle ihre Schalter geöffnet sind.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Patentansprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen.
Die in der Beschreibung genannten Vorteile von Merkmalen und von Kombinationen mehrerer Merkmale sind lediglich beispielhaft und können alternativ oder kumulativ zur Wirkung kommen, ohne dass die Vorteile zwingend von erfindungsgemäßen Ausführungsformen erzielt werden müssen.
Hinsichtlich des Offenbarungsgehalts - nicht des Schutzbereichs - der ursprünglichen Anmeldungsunterlagen und des Patents gilt Folgendes: Weitere Merkmale sind den Zeichnungen - insbesondere den dargestellten Geometrien und den relativen Abmessungen mehrerer Bauteile zueinander sowie deren relativer Anordnung und Wirkverbindung - zu entnehmen. Die Kombination von Merkmalen unterschiedlicher Ausführungsformen der Erfindung oder von Merkmalen unterschiedlicher Patentansprüche ist ebenfalls abweichend von den gewählten Rückbeziehungen der Patentansprüche möglich und wird hiermit angeregt. Dies betrifft auch solche Merkmale, die in separaten Zeichnungen dargestellt sind oder bei deren Beschreibung genannt werden. Diese Merkmale können auch mit Merkmalen unterschiedlicher Patentansprüche kombiniert werden. Ebenso können in den Patentansprüchen aufgeführte Merkmale für weitere Ausführungsformen der Erfindung entfallen, was aber nicht für die unabhängigen Patentansprüche des erteilten Patents gilt.
Die in den Patentansprüchen und der Beschreibung genannten Merkmale sind bezüglich ihrer Anzahl so zu verstehen, dass genau diese Anzahl oder eine größere Anzahl als die genannte Anzahl vorhanden ist, ohne dass es einer expliziten Verwendung des Adverbs „mindestens“ bedarf. Wenn also beispielsweise davon die Rede ist, dass eine Einheit eine Batterie aufweist, so ist dies so zu verstehen, dass die Einheit genau eine Batterie, zwei Batterien oder mehr Batterien aufweist. Die in den Patentansprüchen angeführten Merkmale können durch weitere Merkmale ergänzt werden oder die einzigen Merkmale sein, die der Gegenstand des jeweiligen Patentanspruchs aufweist.
Die in den Patentansprüchen enthaltenen Bezugszeichen stellen keine Beschränkung des Umfangs der durch die Patentansprüche geschützten Gegenstände dar. Sie dienen lediglich dem Zweck, die Patentansprüche leichter verständlich zu machen.
KURZBESCHREIBUNG DER FIGUREN
Im Folgenden wird die Erfindung anhand in den Figuren dargestellter bevorzugter Ausführungsbeispiele weiter erläutert und beschrieben.

1 ist eine schematische Übersicht über eine erfindungsgemäße Vorrichtung.
2 ist eine detailliertere schematische Ansicht einer Einheit der Vorrichtung gemäß 1.
3 zeigt vier verschiedene Schaltzustände eines Aktors der Einheit gemäß 2.
4 ist ein Flussdiagramm von Schritten eines erfindungsgemäßen Verfahrens, die von einer Steuerung der Vorrichtung gemäß 1 aus durchgeführt werden, und entspricht dadurch einem ersten Programmmodul eines erfindungsgemäßen Computerprogramms; und
5 ist ein Flussdiagramm zu den Schritten des erfindungsgemäßen Verfahrens, die in jeder Einheit der Vorrichtung gemäß 1 durchgeführt werden, und entspricht dadurch einem zweiten Programmmodul des erfindungsgemäßen Computerprogramms.

FIGURENBESCHREIBUNG
Eine in 1 dargestellte Vorrichtung 1 weist eine Mehrzahl von Einheiten 2 und eine übergeordnete Steuerung 3 zum Steuern der Einheiten 2 auf. Während in 1 drei Einheiten 2 dargestellt sind, kann deren Zahl sehr viel größer sein und beispielsweise auch 100 überschreiten. Die Steuerung 3 ist mit den Einheiten 2 über zwei Kommunikationskanäle 4 und 5 verbunden. Die Kommunikationskanäle 4 und 5 verlaufen jeweils von der Steuerung 3 zu einer ersten der Einheiten 2, dann von Einheit 2 zu Einheit 2 und schließlich von der letzten der Einheiten 2 zurück zu der Steuerung 3. Die Einheiten 2 umfassen jeweils einen Controller 6 und einen Aktor 7. An die Aktoren 7 ist hier jeweils eine Batterie 8 angeschlossen. Die Batterien 8 sind im vorliegenden Beispiel über die Aktoren 7 mit unterschiedlicher Polarität in Reihe schaltbar beziehungsweise überbrückbar, wie noch näher erläutert werden wird, um über ihre Reihenschaltung 30 hinweg eine Ausgangsspannung U bereitzustellen. Die Ausgangsspannung U wird mit einem Voltmeter 9 erfasst, das zur Bereitstellung eines Rückkopplungswerts an die Steuerung 3 angeschlossen ist. Die Aktoren 7 mit den angeschlossenen Batterien 8 sind nur eine mögliche Ausführungsform. Die Einheiten 2 können stattdessen irgendwelche anderen leistungselektronischen Schaltungen oder beispielsweise auch hydraulische Ventile umfassen. Typisch ist jedoch, dass die Aktoren 7 der Einheiten 2 zur Bereitstellung eines Gesamtergebnisses zusammenwirken und dazu von der übergeordneten Steuerung 3 angesteuert werden.
2 skizziert den inneren Aufbau einer der Einheiten 2 gemäß 1. Die Einheit 2 weist einen Speicher 10 für einen Referenzwert 14 und einen Zähler 11 sowie einen Komparator 12 auf, der einen aktuellen Zählerstand 13 des Zählers 11 mit dem in dem Speicher 10 gespeicherten Referenzwert 14 vergleicht. Abhängig von dem Vergleich wird der Aktor 7 angesteuert. Genauer wird auf Basis des Vergleichs ein Sollzustand des Aktors 7 ermittelt, und der Aktor 7 wird so angesteuert, dass sein Istzustand dem Sollzustand entspricht. Über den auch als erster Kommunikationskanal bezeichneten Kommunikationskanal 4 wird der Referenzwert 14 an die jeweilige Einheit 2 übermittelt und dann in deren Speicher 10 abgespeichert. Dabei ist der Referenzwert 14 ein Wert, der der jeweiligen Einheit 2 individuell zugeordnet ist. Um diese Zuordnung zu ermöglichen, kann vorab über den ersten Kommunikationskanal 4 ein Zählbefehl übermittelt werden. Dieser Zählbefehl enthält eine Variable, die die Anzahl der Einheiten 2 beschreibt, die der Zählbefehl bereits erreicht hat. Wenn dieser Zählbefehl an einer der Einheiten 2 ankommt, setzt die Einheit die Anzahl der Einheiten um eins hoch und registriert die resultierende erhöhte Anzahl als Nummer der Einheit längs des ersten Kommunikationskanals 4 in einem Mikrocontroller 15, der zugleich eine erste Kommunikationsschnittstelle 16 zur Verbindung der ersten Kommunikationskanal 4 darstellt. So kann die übergeordnete Steuerung 3 die jeweilige Einheit 2 über ihre Nummer in der Abfolge der Einheiten 2 adressieren; und die jeweilige Einheit 2 kann umgekehrt Informationen über ihren Betriebszustand, die sie über den Kommunikationskanal 4 übermittelt, sich durch Angabe ihrer Nummer zuordnen. Grundsätzlich kann die übergeordnete Steuerung 3 die einzelnen Einheiten 2 aber auch mit ihren jeweiligen ID-Adressen ansprechen, wenn diese von den einzelnen Einheiten beispielsweise in den über den ersten Kommunikationskanal 4 laufenden Zählbefehl eingetragen werden. Die Informationen über den Betriebszustand der Einheit 2 können zum Beispiel deren Aktor 7 oder die daran angeschlossene Batterie 8 betreffen. Neben dem Referenzwert 14, der der Einheit 2 individuell zugeordnet ist, empfängt die Einheit 2 über den ersten Kommunikationskanal 4 ein Initialisierungssignal 17, um den Zählerstand 13 ihres Zählers 11 auf einen für alle Einheiten 2 gleichen Initialwert zu setzen. Dieses Initialisierungssignal 17 kann ein separates Signal, aber auch das Empfangen des Referenzwerts 14 sein. Nach dieser Vorbereitung sind die Zählerstände 13 aller Einheiten 2 identisch und die Referenzwerte 14 sind für die einzelnen Einheiten 2 individuell und typischerweise sämtlich unterschiedlich festgelegt. Dadurch können sich bereits unterschiedliche Sollzustände für die Aktoren 7 der einzelnen Einheiten 2 ergeben, die dann eingestellt werden.
Unterschiedliche und zeitlich variable Sollzustände für die einzelnen Aktoren 7 ergeben sich aber vor allem dadurch, dass über den zweiten Kommunikationskanal 5 Zählsignale 18 bis 20 übermittelt werden, die von einer Auswerteeinrichtung 21 darauf analysiert werden, ob es sich um erste Zählsignale 18 handelt, die ein Erhöhen des Zählerstands 13 um einen festen Erhöhungsbetrag zur Folge haben sollen, oder um zweite Zählsignale 19, die eine Erniedrigung des Zählerstands 13 um einen festen Erniedrigungsbetrag zur Folge haben sollen, oder um dritte Zählsignale 20, die keinen Änderung des Zählerstands 13 zur Folge haben sollen. Beispielsweise können sich die Zählsignale 18 bis 20 durch unterschiedliche Pulsbreiten oder Phasenlagen unterscheiden. Die Zählsignale 18 bis 20 liegen in der Einheit 2 an einem Eingang eines UND-Gatters 22 an, an dessem anderen Eingang ein Signal 23 anliegt, welches die ordnungsgemäße Funktion der Einheit 2 signalisiert. So werden die Zählsignale 18 bis 20 auf dem zweiten Kommunikationskanals 5 durch die Einheit 2 durchgeleitet, solange die Einheit 2 ordnungsgemäß funktioniert. Ist dies nicht der Fall, so dass das Signal 23 auf null fällt, blockiert das UND-Gatter 22 die Weiterleitung. Dies wird von der übergeordneten Steuerung 3, an der der Kommunikationskanal 5 endet, sofort registriert, so dass sie den Störfall sofort erkennt. Nähere Informationen über den Störfall können dann als Bestandteil der über den Kommunikationskanal 4 übertragenden Informationen über den Betriebszustand der jeweiligen Einheit 2 übermittelt werden. Solange der zweite Kommunikationskanal 5 in keiner der Einheiten 2 unterbrochen ist, sind die Zählerstände 13 aller Zähler 11 in allen Einheiten 2 identisch, wobei eine im Vergleich zur Rate der Zählsignale 18 bis 20 hohe Geschwindigkeit der Signalübertragung über den zweiten Kommunikationskanal 5 und die UND-Gatter 22 hinweg unterstellt ist. Der schon angesprochene Vergleich des Zählerstands 13 mit dem Referenzwert 14 kann umfassender sein, als hier durch das Schaltbild des Komparators 12 in 2 angedeutet ist. So kann zusätzlich zu dem Vergleich des Zählerstands 13 mit dem Referenzwert 14 der Zählerstand 13 mit dem mit -1 multiplizierten Referenzwert 14 verglichen werden. So kann ein positiver Zählerstand 13 dazu führen, dass die Aktoren 7 einer den Zählerstand 13 entsprechenden Anzahl von Einheiten 2 in einen Istzustand überführt wird, in dem die Spannung der angeschlossenen Batterie 8 die Ausgangsspannung U gemäß 1 erhöht. Die Aktoren der jeweils anderen Einheiten 2 können in einen Istzustand überführt werden, in dem ihre Batterien 8 nichts zu der Ausgangsspannung U beitragen. Bei einem negativen Zählerstand 13 können hingegen die Aktoren 7 von so vielen Einheiten 2, wie es den Betrag den Zählerstands 13 entspricht, in einen solchen Istzustand überführt werden, dass die Ausgangsspannungen der angeschlossenen Batterien 8 einen negativen Beitrag zu der Ausgangsspannung U leisten, während die Aktuatoren 7 der anderen Einheiten 2 in einen solchen Istzustand überführt werden, dass die angeschlossenen Batterien 8 keinen Beitrag zu der Ausgangsspannung U leisten. So kann mit der Mehrzahl der Einheiten 2 ein modularer Mehrniveauumrichter ausgebildet werden.
3 zeigt vier mögliche Schaltzustände einer leistungselektronischen Schaltung 24, die Teil des Aktors 7 gemäß 2 ist. Bei der leistungselektronischen Schaltung 24 handelt es sich um eine Vollbrücke 25 in H-Konfiguration mit zwei Eingängen 26 und 27, zwei Ausgängen 28 und 29. An die Eingänge 26 und 27 ist die Batterie 8 angeschlossen. Zwischen dem Eingang 26 und den Ausgängen 28 und 29 sind zwei Schalter 31 und 32 angeordnet und zwischen dem anderen Eingang 27 und den Ausgängen 28 und 29 sind zwei Schalter 33 und 34 angeordnet. In dem Schaltzustand gemäß 3A sind alle Schalter 31 bis 34 offen und damit ist die Reihenschaltung 30 unterbrochen. Dieser Schaltzustand gemäß 3A kann der Sollzustand des Aktors 7 sein, wenn ein Störfall in der Einheit 2 auftritt oder wenn der Einheit von der Steuerung 3 aus ein Störfall signalisiert wird.
In dem Schaltzustand gemäß 3B sind die Schalter 33 und 34 geschlossen, während die Schalter 31 und 32 offen sind. Dadurch wird die Batterie 8 überbrückt oder umgangen. Dieser Schaltzustand wird auch als Bypass der Batterie 8 bezeichnet. In diesem Schaltzustand trägt die Batterie 8B nicht zur Ausgangsspannung U der Reihenschaltung 30 gemäß 1 bei. Die Reihenschaltung 30 ist aber nicht unterbrochen. Dieser Schaltzustand ist der normale nichtaktive Sollzustand des Aktors 7.
In dem Schaltzustand gemäß 3C sind die Schalter 31 und 34 geschlossen, während die Schalter 32 und 33 offen sind. Dadurch trägt die Batteriespannung der Batterie 8 positiv zur Ausgangsspannung U der Reihenschaltung 30 gemäß 1 bei. Dieser Schaltzustand ist der aktive Sollzustand des Aktors 7, wenn der Referenzwert 14 größer oder gleich dem Zählerstand 13 ist.
In dem Schaltzustand gemäß 3D sind die Schalter 32 und 33 geschlossen, während die Schalter 31 und 34 offen sind. So trägt die Batterie mit ihrer invertierten Spannung zu der Ausgangsspannung U der Reihenschaltung 30 gemäß 1 bei, das heißt, sie leistet einen negativen Beitrag zu der Ausgangsspannung U. Der Schaltzustand gemäß 3D ist beispielsweise dann der Sollzustand des Aktors 7, wenn der mit -1 multiplizierte Referenzwert 14 kleiner oder gleich dem Zählerstand 13 ist.
Das in 4 als Flussdiagramm dargestellte Programmmodul 35 eines Computerprogramms, das zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens in der übergeordneten Vorrichtung 3 abläuft, weist zwei Teilmodule 36 und 37 auf. Das Teilmodul 36 betrifft die Kommunikation über den ersten Kommunikationskanals 4, und das Teilmodul 37 betrifft die Kommunikation über den zweiten Kommunikationskanals 5. Das Teilmodul 36 umfasst einen Schritt 38 des Sendens des Zählbefehls an die längs des ersten Kommunikationskanals 4 hintereinander angeordneten Einheiten 2 und einen Schritt 39 des Empfangens der Anzahl der Einheiten 2 von dem auf dem ersten Kommunikationskanal 4 zurückkommenden Zählbefehl. In einem anschließenden Schritt 40 werden die individuell zugeordneten Referenzwerte 14 über den ersten Kommunikationskanal 4 an die Einheiten 2 gesendet. In einem Schritt 41 werden über den ersten Kommunikationskanal 4 Informationen zum Betriebszustand von den einzelnen Einheiten 2 empfangen. Eine Schleife 42 führt zu dem Schritt 40 zurück, wenn neue Referenzwerte 14 an die Einheiten 2 gesandt werden. Die Schleife 42 und damit die Übermittlung der neuen Referenzwerte 14 erfolgt mit einer typischen Rate in der Größenordnung von 1 Hz, beispielsweise mit einer Rate von 0,5 Hz. Die Referenzwerte 14 werden bei jedem Durchlauf der Schleife 41 derart neu vergeben, dass alle Einheiten 2 und insbesondere die zugehörigen Batterien 8 gleichmäßig beansprucht werden und so beispielsweise gleichmäßig entladen und Lastwechseln unterworfen werden.
Das Teilmodul 37 umfasst einen Schritt 43 des Sendens desselben Initialisierungssignal 17 über den zweiten Kommunikationskanal 5 an alle Einheiten. Nach diesem Schritt 43 bzw. dem Verarbeiten des Initialisierungssignal 17 in allen Einheiten 2 sind die Zählerstände 13 in allen Einheiten 2 gleich. Aber in der Regel sind nach dem Schritt 40 bzw. dem Speichern der Referenzwerte 14 in allen Einheiten 2 unterschiedliche Referenzwerte 14 gespeichert. In einem folgenden Schritt 44 wird ein Zählsignal 18, 19 oder 20 an die Einheiten 2 gesendet. In einem folgenden Schritt 45 wird überwacht, dass die Zählsignale 18, 19 bzw. 20 zu der übergeordneten Steuerung 3 zurückläuft, was signalisiert, dass in keiner der Einheiten ein Störfall vorliegt. Eine Schleife 46 führt zu dem Schritt 44 zurück. Die Schleife 46 und damit das Aussenden der Zählsignale 18 bis 20 über den zweiten Kommunikationskanal 5 erfolgt mit einer vergleichsweise hohen Signalrate einer typischen Größenordnung von 10 kHz. Die Teilmodule 36 und 37 können abwechselnd oder parallel zueinander in der Steuerung 3 abgearbeitet werden.
Das in 5 als Flussdiagramm dargestellte Programmmodul 47 des erfindungsgemäßen Computerprogramms weist ebenfalls zwei Teilmodule 48 und 49 auf, wobei das Teilmodul 48 die Kommunikation über den ersten Kommunikationskanals 4 und das Teilmodul 49 die Kommunikation über den zweiten Kommunikationskanals 5 betrifft. Das Teilmodul 48 beginnt mit einem Schritt 50 des Empfangens des Zählbefehls, des Erhöhens der enthaltenen Anzahl der Einheiten um eins und des Weiterleitens des Zählbefehls. Zusätzlich kann die um eins erhöhte Anzahl der Einheiten in der jeweiligen Einheit 2 als deren Adresse für die Zuordnung von Referenzwerten 14 notiert werden. In einem Schritt 51 folgt das Empfangen der Referenzwerte 14, das Speichern des zu der jeweiligen Einheit 2 gehörigen Referenzwerts 14 und das Weitersenden zumindest der anderen Referenzwerte 14 an die weiteren Einheiten 2. In einem Schritt 52 erfolgt das Erfassen des Betriebszustands der jeweiligen Einheit 2 und das Senden entsprechender Informationen über den ersten Kommunikationskanal 4 an die übergeordnete Steuerung 3. Der Schritt 52 kann wiederholt werden, bevor eine Schleife 53 erneut mit dem Schritt 51 und dem Empfangen und Abspeichern eines neuen Referenzwerts 14 in der jeweiligen Einheit 2 aufsetzt.
Das Teilmodul 49 umfasst einen Schritt 54 des Empfangens des Initialisierungssignals 17, des Setzens des Zählers 11 auf den für alle Einheiten 2 gleichen Initialisierungswert und des Weiterleitens des Initialisierungssignals 17 an die weiteren Einheiten 2. In einem Schritt 55 wird dann eines der Zählsignale 18 bis 20 von der Steuerung 2 empfangen und ausgewertet. Abhängig von dem jeweiligen Zählsignal wird der Zählerstand 13 geändert. Soweit kein Störfall der jeweiligen Einheit 2 vorliegt, wird das Zählsignal 18, 19 oder 20 mit Hilfe des UND-Gatters 22 aufgefrischt und an die nächste Einheit 2 weitergeleitet. Dies geschieht so schnell, dass die Zählsignale 18 bis 20 bezogen auf die Signalrate quasi gleichzeitig an allen Einheiten 2 ankommen. In einem Schritt 56 erfolgt das Vergleichen des aktuellen Zählerstands 13 mit dem Referenzwert 14 und darauf basierend das Ermitteln des Sollzustands des jeweiligen Aktors 7, der dann in diesen Sollzustand überführt wird. Eine Programmschleife 57 setzt dann erneut mit dem Schritt 55 und dem Empfangen des nächsten Zählsignals 18, 19 oder 20 auf.
Über die Zählsignale 18 bis 20 steuert die übergeordnete Steuerung 3 die einzelnen Einheiten 2 auf einfache Weise mit sehr hoher Regelfrequenz bezüglich der Ausgangsspannung U. Hierauf ist der zweite Kommunikationskanal 5 abgestimmt. Die Kommunikation über den ersten Kommunikationskanal 4 erfolgt hingegen mit einer viel niedrigeren Frequenz, die aber für die Aktualisierung der Referenzwerte 14 und die Übermittlung der Informationen zu den Betriebszuständen der einzelnen Einheiten 2 ausreichend ist.
BEZUGSZEICHENLISTE

1: Vorrichtung
2: Einheit
3: Steuerung
4: erster Kommunikationskanal
5: zweiter Kommunikationskanal
6: Controller
7: Aktor
8: Batterie
9: Voltmeter
10: Speicher
11: Zähler
12: Komparator
13: Zählerstand
14: Referenzwert
15: Mikrocontroller
16: Kommunikationsschnittstelle
17: Initialisierungssignal
18: erstes Zählsignal
19: zweites Zählsignal
20: drittes Zählsignal
21: Auswerteeinrichtung
22: UND-Gatter
23: Signal
24: leistungselektronische Schaltung
25: Vollbrücke
26: erster Eingang
27: zweiter Eingang
28: erster Ausgang
29: zweiter Ausgang
30: Reihenschaltung
31: Schalter
32: Schalter
33: Schalter
34: Schalter
35: erstes Programmmodul
36: Teilmodul
37: Teilmodul
38: Schritt
39: Schritt
40: Schritt
41: Schritt
42: Schleife
43: Schritt
44: Schritt
45: Schritt
46: Schleife
47: zweites Programmmodul
48: Teilmodul
49: Teilmodul
50: Schritt
51: Schritt
52: Schritt
53: Schleife
54: Schritt
55: Schritt
56: Schritt
57: Schleife
U: Ausgangsspannung der Reihenschaltung 30

Claims

Verfahren zum Steuern mehrerer Einheiten (2) mittels einer übergeordneten Steuerung (3), mit den Schritten: - Senden von Referenzwerten (14) von der Steuerung aus an die Einheiten (2), wobei jeder der Referenzwerte (14) einer der Einheiten (2) individuell zugeordnet ist, - Empfangen und Speichern des zugeordneten Referenzwerts (2) in jeder der Einheiten (2), - Setzen von Zählerständen (13) in allen Einheiten (2) auf einen identischen Initialwert; - Senden von ersten Zählsignalen (18) und zweiten Zählsignalen (19) von der Steuerung (13) aus an die Einheiten (2), wobei die Zählsignale (18-20) für alle der Einheiten (2) gleich sind; - Empfangen der Zählsignale (18-20) in jeder der Einheiten (2); - Erhöhen des Zählerstands (13) in jeder der Einheiten (2) um einen gleichen festen Erhöhungsbetrag beim Empfangen jedes der ersten Zählsignale (18); - Erniedrigen des Zählerstands (13) in jeder der Einheiten (2) um einen gleichen festen Erniedrigungsbetrag beim Empfangen jedes der zweiten Zählsignale (18); - Ermitteln eines aktuellen Sollzustands jeder der Einheiten (2) auf gleiche Weise unter Vergleichen des jeweiligen Referenzwerts (14) mit dem aktuellen Zählerstand (13) in der jeweiligen Einheit (2).
Verfahren nach Anspruch 1, - wobei der Erhöhungsbetrag und der Erniedrigungsbetrag gleich sind und - wobei sich die Referenzwerte (14) um ganzzahlige Vielfache des Erhöhungsbetrags unterscheiden, - wobei optional die Referenzwerte (14) und der Initialwert ganzzahlige Vielfache des Erhöhungsbetrags sind und/oder - wobei optional die Referenzwerte (14) in Abständen vom Einfachen des Erhöhungsbetrags aufeinander folgen und/oder - wobei optional keiner der Einheiten derselbe Referenzwert (14) zugeordnet wird und/oder - wobei optional die Referenzwerte (14) und die Zählerstände (13) ganzen Zahlen entsprechen.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, - wobei beim Vergleichen in der jeweiligen Einheit bestimmt (2) wird, ob der aktuelle Zählerstand (13) positiv oder zumindest nicht negativ ist und ob der Referenzwert (14) größer ist als der Zählerstand (13) und/oder ob der Zählerstand (13) größer ist als der Referenzwert (14) und/oder ob der Referenzwert (14) und der Zählerstand (13) gleich sind, um ein erstes Vergleichsergebnis zu erhalten, und - wobei beim Vergleichen in der jeweiligen Einheit (2) bestimmt wird, ob der aktuelle Zählerstand (13) negativ oder zumindest nicht positiv ist und ob der mit -1 multiplizierte Referenzwert (14) kleiner ist als der Zählerstand (13) und/oder ob der Zählerstand (13) kleiner ist als der mit -1 multiplizierte Referenzwert (14) und/oder ob der mit -1 multiplizierte Referenzwert (14) und der Zählerstand (13) gleich sind, um ein zweites Vergleichsergebnis zu erhalten, - wobei abhängig von dem ersten Vergleichsergebnis ermittelt wird, ob der aktuelle Sollzustand der jeweiligen Einheit (2) ein erster Sollzustand oder ein dritter Sollzustand ist, und - wobei abhängig von dem zweiten Vergleichsergebnis ermittelt wird, ob der aktuelle Sollzustand der jeweiligen Einheit (2) ein zweiter Sollzustand oder der dritte Sollzustand ist, - wobei optional der erste Sollzustand ein in einer Richtung aktiver Zustand, der zweite Sollzustand ein in einer anderen Richtung aktiver Zustand und der dritte Sollzustand ein passiver Zustand ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, - wobei neben den ersten Zählsignalen (18) und den zweiten Zählsignalen (19) dritte Zählsignale (20) von der Steuerung (3) aus an die Einheiten (2) gesandet werden und - wobei beim Empfangen jedes dritten Zählsignals (20) der aktuelle Zählerstand (13) in jeder der Einheiten (2) konstant gehalten wird, - wobei optional die Zählsignale (18-20) mit einer festen Signalrate von der Steuerung (3) aus an die Einheiten (2) gesandet werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, - wobei jede der Einheiten (2) in einen ihrem aktuellen Sollzustand entsprechenden Istzustand überführt wird, - wobei optional der aktuelle Sollzustand ein Schaltzustand einer leistungselektronischen Schaltung (24) der jeweiligen Einheit (2) ist, - wobei optional - die leistungselektronische Schaltung (24) an eine Strom- oder Spannungsquelle und/oder -senke angeschlossen ist und/oder - die leistungselektronische Schaltung (24) eine Halb- oder Vollbrücke (25) aufweist und/oder - die leistungselektronischen Schaltungen (24) der Einheiten (2) in Reihe und/oder parallel geschaltet sind.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, - wobei die Referenzwerte (14) von der Steuerung (3) aus über einen ersten Kommunikationskanal (4) an die Einheiten (2) gesendet werden, - wobei die Zählsignale (18-20) von der Steuerung (3) aus über einen von dem ersten Kommunikationskanal (4) getrennten zweiten Kommunikationskanal (5) an die Einheiten (2) gesendet werden, - wobei optional ein Initialisierungssignal (17) zum Triggern des Setzens der Zählerstände (13) in allen Einheiten (2) auf den identischen Initialwert von der Steuerung (3) aus über den ersten oder den zweiten Kommunikationskanal (4, 5) gesendet wird, - wobei optional neue Referenzwerte (14) von der Steuerung (3) aus mit einer Änderungsrate im Bereich von 0,1 Hz bis 10 Hz über den ersten Kommunikationskanal (4) an die Einheiten (2) gesendet werden, - wobei optional von den Einheiten (2) aus Informationen zu deren Betriebszustand über den ersten Kommunikationskanal (4) an die Steuerung (3) gesendet werden, - wobei optional Datenpakete über den ersten Kommunikationskanal (4) gesendet werden, - wobei optional zumindest der zweite Kommunikationskanal (5) drahtgebunden ist, - wobei optional die Einheiten (2) parallel zueinander an den zweiten Kommunikationskanal (5) angeschlossen sind, - wobei optional die Zählsignale (18-20) mit einer Signalrate im Bereich von 1kHz bis 100 kHz gesendet werden und - wobei optional die verschiedenen Zählsignale (18-20) auf dem zweiten Kommunikationskanal (5) durch unterschiedliche Signalpulsbreiten und/oder Signalflankenphasen codiert werden.
Verfahren nach Anspruch 6, - wobei der erste Kommunikationskanal (4) und/oder der zweite Kommunikationskanal (5) von der Steuerung (3) zu einer der Einheiten (2), dann von Einheit (2) zu Einheit (2) und von der letzten der Einheiten (2) zurück zu der Steuerung (3) verläuft, - wobei optional in jeder der Einheiten (2) der zweite Kommunikationskanal (5) im Störfall unterbrochen werden und - wobei optional ein Zählwert in einem von der Steuerung (3) aus über den ersten Kommunikationskanal (4) gesendeten Zählbefehl in jeder der Einheiten (2) so erhöht wird, dass der zu der Steuerung (3) zurücklaufende Zählbefehl die Anzahl der Einheiten (2) angibt.
Computerprogramm zum Ausführen des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche, mit - einem ersten Programmmodul (35) zum Laden in eine übergeordnete Steuerung (3), wobei das erste Programmmodul (35) beim Abarbeiten die Steuerung (3) zum Ausführen der Schritte (38, 40, 43, 44) des Sendens veranlasst, und - einem zweiten Programmmodul (36) zum Laden in jede der Einheiten (2), wobei das zweite Programmmodul (42) beim Abarbeiten die jeweilige Einheit (2) zum Ausführen der Schritte (54-56) des Empfangens, Speicherns, Setzens, Erhöhens, Erniedrigens, Ermittelns und Vergleichens veranlasst.
Vorrichtung (1) zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 7, mit mehreren Einheiten (2) und einer übergeordneten Steuerung (3), - wobei die Steuerung (3) ausgebildet ist - zum Senden von Referenzwerten (14) an die Einheiten (2), wobei jeder der Referenzwerte (14) einer der Einheiten (2) individuell zugeordnet ist, - zum Senden eines Initialisierungssignals (17) und - zum Senden von ersten Zählsignalen (18) und zweiten Zählsignalen (19) an die Einheiten (2), wobei die Zählsignale (18-20) für alle der Einheiten (2) gleich sind; - wobei jede der Einheiten (2) ausgebildet ist - zum Empfangen und Speichern des zugeordneten Referenzwerts (14), - zum Empfangen des Initialisierungssignals (17) und Setzen eines Zählerstands (13) auf einen für alle Einheiten (2) identischen Initialwert beim Empfangen des Initialisierungssignals (17), - zum Empfangen der Zählsignale (18-20), Erhöhen des Zählerstands (13) um einen gleichen festen Erhöhungsbetrag beim Empfangen jedes ersten Zählsignals (18) und Erniedrigen des Zählerstands (13) um einen gleichen festen Erniedrigungsbetrag beim Empfangen jedes zweiten Zählsignals (19) und - zum Ermitteln ihres aktuellen Sollzustands unter Vergleichen des jeweiligen Referenzwerts (14) mit dem aktuellen Zählerstand (13).
Vorrichtung (1) nach Anspruch 9, - wobei die Steuerung (3) ausgebildet ist zum Senden von dritten Zählsignalen (20) neben den ersten Zählsignalen (18) und den zweiten Zählsignalen (19) und - wobei jede der Einheiten (2) ausgebildet ist zum Konstanthalten ihres aktuellen Zählerstands (13) beim Empfangen jedes dritten Zählsignals (20).
Vorrichtung (1) nach Anspruch 9 oder 10, - wobei jede der Einheiten (2) mit der Steuerung (3) mittels eines ersten Kommunikationskanals (4) zum Senden der Referenzwerte (14) an die Einheiten (2) und eines zweiten Kommunikationskanals (5) zum Senden der Zählsignale (18-20) an die Einheiten (2) verbunden ist, - wobei jede der Einheiten (2) eine erste Kommunikationsschnittstelle (16) zur Verbindung mit dem ersten Kommunikationskanal (4) zum Empfangen der Referenzwerte (14) und eine zweite Kommunikationsschnittstelle zur Verbindung mit dem zweiten Kommunikationskanal (5) zum Empfangen der Zählsignale, einen Controller (7) und einen Aktor (8) aufweist, wobei der jeweilige Controller (7) einen den Zählerstand (13) anzeigenden Zähler (11) umfasst und wobei der aktuelle Sollzustand der jeweiligen Einheit (2) ein aktueller Sollzustand ihres Aktors (8) ist.
Vorrichtung (1) nach Anspruch 11, wobei der erste Kommunikationskanal (4) und/oder der zweite Kommunikationskanal (5) von der Steuerung (3) zu einer der Einheiten (2), dann von Einheit (2) zu Einheit (2) und von der letzten der Einheiten (2) zu der Steuerung (3) zurück führt, - wobei optional jede der Einheiten (2) ausgebildet ist zum Senden von Informationen zu ihrem Betriebszustand über den ersten Kommunikationskanal (4) an die Steuerung (3), - wobei optional jede der Einheiten (2) ausgebildet ist zum Unterbrechen des zweiten Kommunikationskanals (5) im Störfall und - wobei optional jede der Einheiten (2) ausgebildet ist zum Erhöhen eines Zählwerts in einem von der Steuerung (3) ausgesendeten Zählbefehl, so dass der zu der Steuerung (3) zurücklaufende Zählbefehl die Anzahl der Einheiten (2) angibt.
Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 9 bis 12, wobei der Aktor (8) jeder der Einheiten (2) eine leistungselektronische Schaltung (24) aufweist, - wobei optional die leistungselektronische Schaltung (24) eine Halb- oder Vollbrücke (25) aufweist, an die eine Strom- oder Spannungsquelle angeschlossen oder anschließbar ist, und - wobei optional die leistungselektronischen Schaltungen (24) der Einheiten (2) in Reihe und/oder parallel geschaltet sind.
Vorrichtung (1) nach Anspruch 13, wobei die leistungselektronische Schaltung eine Halbbrücke, einen ersten Eingang, einen zweiten Eingang und einen Ausgang aufweist und wobei in einem ersten Sollzustand der erste Eingang mit dem Ausgang verbunden ist und wobei in einem zweiten Sollzustand der zweite Eingang mit dem Ausgang verbunden ist.
Vorrichtung (1) nach Anspruch 13, wobei die leistungselektronische Schaltung eine Vollbrücke (25), einen ersten Eingang (26), einen zweiten Eingang (27), einen ersten Ausgang (28) und einen zweiten Ausgang (29) aufweist, wobei in einem ersten Sollzustand der erste Eingang (26) mit dem ersten Ausgang (28) und der zweite Eingang (27) mit dem zweiten Ausgang (29) verbunden ist, wobei in einem zweiten Sollzustand der zweite Eingang (27) mit dem ersten Ausgang (28) und der erste Eingang (26) mit dem zweiten Ausgang (29) verbunden ist und wobei in einem dritten Sollzustand der erste Ausgang (28) mit dem zweiten Ausgang (29) verbunden ist.