DE69400211T2 - Leistungswandlungseinrichtung - Google Patents

Description

AUFGABE DER ERFINDUNG
• Diese Erfindung, wie im Titel dieses Schriftstücks angegeben, bezieht sich auf ein Stromversorgungssystem mit einer modularen Konfiguration, das eine Gruppe von Umsetzern umfaßt, deren Ausgänge parallelgeschaltet sind, wobei eine Stromsteuerung eingesetzt wird, um eine Gruppe von Lasten und/oder Batterien zu speisen, und bei dem ein einzelner Fehlerverstärker, der allen Umsetzern gemein ist, verwendet wird, wobei man die Referenzspannung von einer Steuerschaltung aus dein Ergebnis einer Gruppe von Tabellen, die an die Zustandsvariablen angelegt werden, erhält.
• Das erfindungsgemäße Leistungsumwandlungssystem ist insbesondere auf die Speisung von Geräten anwendbar, bei denen sich die erforderliche Abstufung mit der Last und/oder den Batterien, die gespeist wird/werden, in Einklang befinden muß.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
• In den letzten Jahren wurden bei der Entwicklung von modularen Stromversorgungssystemen erhebliche Anstrengungen unternommen, wodurch es möglich geworden ist, ein modulares System zu konfigurieren, das auf die Erfordernisse der Last genau zugeschnitten ist, was in vielerlei Hinsicht zu einer wesentlichen Kostensenkung führt: bei der Herstellung, der Reparatur, der Wartung usw.
• Um das Vorstehende zu erreichen, werden Umsetzer verwendet, die mittels einer Stromsteuerungs-Konfiguration den vom Netz oder von einer beliebigen anderen Quelle erhaltenen Wechselstrom in Gleichstrom umsetzen, so daß Sie mit anderen, ähnlichen Umsetzern parallelgeschaltet werden können, und der von der Gruppe gelieferte Strom die Summe der Ströme ist, die von jedem ein zelnen dieser Module geliefert werden.
• Alles Vorstehende kann in dem Artikel "Intelligent Power Systems for Telecommunications Applications" von L. Ruiz und J. Sancho, veröffentlicht in Proceedings of the XIII International Telecommunications Energy Conference (INTELEC), 1991, Kyoto, Japan, Seiten 544 bis 551, gelesen werden.
• In diesem Artikel ist ein Blockdiagramm eines modularen Stromversorgungssystems, das eine Gruppe von Umsetzern umfaßt, gezeigt, deren Ausgangsströme Id addiert werden, um eine Batterie mit einem Strom Ib und eine Last mit einem Strom Il zu speisen, wobei die Ausgangsspannung Vb ist. Durch den Einsatz eines Fehlerverstärkers in der Ausgangsspannungs-Regelschleife, der allen Umsetzern gemein ist, wird erreicht, daß diese Umsetzer ohne Inkompatibilitätsprobleme bei der Lastteilung parallel arbeiten.
• Eines der Eingangssignale des Fehlerverstärkers ist die Ausgangsspannung der Umsetzer, während das andere eine Referenzspannung ist, die anfangs festgelegt wird und die in dem zuvor erwähnten Schriftstück eine Referenzspannung ist, die man von einer Steuerschaltung durch Anlegen einer Reihe von Batterieladetabellen an die Zustandsvariablen des Systems gemäß einer Reihe von Funktionsstrategien erhält.
• Obwohl dieses System die Referenzspannung Vref auf einen optimalen Wert einstellt, um die Regelung der Ausgangsspannung der Umsetzer durchzuführen, werden die Schwankungen einiger Variablen vom System dennoch nicht geregelt, insofern als zum Beispiel nichts unternommen wird, um die optimalen Ladebedingungen der Batterien festzustellen und so ihre Lebensdauer zu verlängern, oder die Schaltgeschwindigkeit des Regelkreises zuviel Zeit in Anspruch nimmt, wodurch schnelle Änderungen beim Laden eine gewisse Zeit brauchen, um kompensiert zu werden, und die Folgen müssen von anderen Bauelementen wie beispielsweise der Batterie, den Umsetzern usw. aufgefangen werden.
ZU ÜBERWINDENDES TECHNISCHES PROBLEM
• Das technische Problem, das es zu überwinden gilt, ist, eine schnelle und präzise Regelung einer beliebigen Zustandsvariablen oder einer Kombination von Zustandsvariablen des Systems so zu erreichen, daß sich die Betriebsbedingungen auf ein beliebiges Bauelement in dem System nicht nachteilig auswirken, wodurch seine Lebensdauer verlängert wird und gleichzeitig Schutzfunktionen an ihm ausgeführt werden.
CHARAKTERISIERUNG DER ERFINDUNG
• Diese Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß Sie eine Reihe von Umsetzern hat, deren Ausgänge parallelgeschaltet sind und eine Gruppe von Batterien und/oder Lasten speisen, wofür Sie eine Stromsteuerung einsetzt, die einen ersten Fehlerverstärker, der allen Umsetzern gemein ist, verwendet. Dieser erste Fehlerverstärker verstärkt die Differenz zwischen der Ausgangsspannung der Umsetzer und einer ersten Referenzspannung, die man als Ergebnis der in einem zweiten Fehlerverstärker durchgeführten Verstärkung eines zweiten aktualisierten Referenzsignals, das von einer Gruppe von Tabellen, die aus den Zustandsvariablen des Systems erstellt werden, und von einer der Zustandsvariablen des Systems, die zuvor ausgewählt und gefiltert wurde, kommt, erhält, um auf diese Weise eine zweite Rückkopplungsschleife zu erzeugen, die in der bereits bestehenden enthalten ist, so daß man aufgrund dieser neuen Rückkopplung die Steuerung der Zustandsvariablen, die an das Filter gelegt wird, erhält.
• Auf die gleiche Weise kann der vorhergehende Ablauf für eine Kombination von Zustandsvariablen durchgeführt werden, von denen jede an ein Filter gelegt wird, das gemäß unterschiedlichen Erfordernissen konfiguriert werden kann und dem eine bestimmte Gewichtung zugeordnet wird, die von der Strategie, die es verfolgen soll, abhängt.
• Dieser gesamte Ablauf wird mit Hilfe von Digitalschaltungen möglich gemacht, wobei die Speicherung und die Auswahl der Tabellen unmittelbar erfolgt und die Modifizierung der Filterung der Zustandsvariablen auch wesentlich einfacher und flexibler ist, wenn digitalisierte Versionen dieser Zustandsvariablen verwendet werden, wobei die Digitalisierung von Analog-Digital-Umsetzern vorgenommen wird und die anschließende Digital-Analog-Umsetzung am Ende des oben beschriebenen Prozesses erfolgt und von Digitalschaltungen ausgeführt wird.
• Darüber hinaus erlaubt diese Digitalschaltung die Steuerung der Batterieladesituation, da Sie sowohl eine Aufzeichnung der von den Batterien in der Vergaligenheit aufgenommenen und abgegebenen Ströme vornimmt als auch die vom Hersteller bereitgestellten Daten wie Temperatur usw. speichert.
• Schließlich ist es dank dieser zweiten Rückkopplungsschleife und unter Berücksichtigung des Batterieladezustands möglich, das Laden und die Wartung der Batterien entsprechend optimaler Kriterien, die von den Herstellern vor den im Laufe der Betriebszeit stattfindenden Veränderungen durch die Übernahme von aus tatsächlichen Messungen erhaltenen Daten bereitgestellt wurden, durchzuführen, so daß die Zustandsvariable, die diese Schleife steuert, im Ladezustand der Batterieladestrom ist, der Sie entsprechend der Art von Zelle und ihrer Kapazität exakt auf ihrem Nennwert hält. In dem Fall, in dem sich die Batterie im Leerlauf oder in einem Ladeerhaltungszustand befindet, d.h. der Ladevorgang der Batterie ist abgeschlossen, und Sie hat den Zustand der maximalen Aufladung erreicht (in diesem Zustand muß der Ladestrom auf einem sehr niedrigen Wert, der als Leerlaufgleichstrom bezeichnet wird, gehalten werden, um die Ladungsverluste und die Ladungsableitungen der Batterie auszugleichen, andernfalls nimmt die Batterie schaden), sind die Variablen, die gesteuert werden, die Ausgangsspannung und der Ausgangsstrom, wobei diese auf dem Wert der Leerlaufgleichspannung beziehungsweise des Leerlaufgleichstroms gehalten werden.
• Dank der eingehenden Kontrolle, die es an jedem Parameter oder an jeder Kombination von Parametern (Zustandsvariable) durchführt, bietet das System der Erfindung eine große Zuverlässigkeit, eine Verlängerung der Lebensdauer jedweder Bestandteile und folglich eine wesentliche Senkung der Kosten.
KURZE ANMERKUNGEN ZU DEN FIGUREN
• Eine ausführlichere Erklärung der Erfindung findet sich in der nachstehenden Beschreibung, die auf den Begleitzeichnungen beruht, in denen:
• - Figur 1 ein Blockdiagramm eines Stromversorgungssystems zeigt, das einen gemeinsamen Fehlerverstärker verwendet, dessen Referenzspannung von einer Gruppe von Zustandsvariablen des Systems abhängt,
• - Figur 2 das Verfahren zum Erhalt der Referenzspannung zeigt, die gemäß dem Stand der Technik an den Fehlerverstärker von Figur 1 gelegt wird,
• - Figur 3 ein Blockdiagramm des Teils zeigt, in dem man die Referenzspannung für das erfindungsgemäße Leistungsumwandlungssystem erhält, und
• - Figur 4 ein ausführlicheres Blockdiagramm einer möglichen Ausführung des Diagramms in Figur 3 gemäß der Erfindung zeigt.
BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
• Das Blockdiagramm von Figur 1 zeigt ein Leistungsumwandlungssystem gemäß dem aktuellen Stand der Technik. In ihm gibt es eine Reihe von Umsetzern 1, die stromgesteuert sind, so daß es möglich ist, ihre Ausgänge direkt parallel zu schalten. Um einen Steuerungsprozeß durchzuführen, der allen Umsetzern 1 ein korrektes Arbeiten ermöglicht, ist es notwendig, einen ersten Fehlerverstärker 4 zu verwenden, der allen vorstehend erwähnten Umsetzern 1 gemein ist und der für alle Komparatoren, die in dem analogen, stromgesteuerten Regelkreis der Umsetzer 1 enthalten sind, dasselbe Fehlersignal liefert.
• Wenn die Verstärkung des ersten Fehlerverstärkers 4 groß ist, tendiert die Rückkopplungsschleife zur Festlegung einer Ausgangsspannung Vb, die gleich der ersten Referenzspannung Vref1 ist, welche am anderen Eingang dieses ersten Fehlerverstärkers 4 verwendet wird.
• Da die Betriebsbedingungen der Batterien wie beispielsweise die Temperatur, der Lade- oder Entladestrom, der Zustand der Last usw. ihre Lebensdauer beeinflussen, ist es notwendig, diese Parameter bei der Festlegung der ersten Referenzspannung Vref1 und folglich der Ausgangsspannung, die auftreten sollte, zu berücksichtigen. Dies geschieht, indem verschiedene Tabellen 7 in Übereinstimmung mit festgelegten Strategien an eine Steuerschaltung 5 gelegt werden, die den gemäß Herstellerangaben optimalen Wert dieser ersten Referenzspannung Vref1 erzeugen. Dieser Prozeß kann mittels des Blockdiagramms von Figur 2 durchgeführt werden.
• Durch Verwendung einer zweiten digitalen Rückkopplungsschleife, wie zum Teil in Figur 3 gezeigt ist, ist es möglich, die gewünschte Zustandsvariable exakt und in der gewünschten Form zu steuern, um die optimalen Betriebsbedingungen des Systems zu erreichen.
• Zu diesem Zweck wird die Steuer- oder Zustandsvariable mittels eines Selektors 11 entsprechend einer festgelegten Strategie, die ebenfalls von den Zustandsvariablen 6 abhängt, ausgewählt.
• Die ausgewählte Zustandsvariable wird in einem Rückkopplungsfilter 10 gefiltert, dessen Übertragungsfunktion auch in bezug auf die ausgewählte Zustandsvariable geändert werden kann. Sein Ausgangssignal wird an einen zweiten Fehlerverstärker 9 gelegt, der die Differenz zwischen dem Ausgangssignal des Rückkopplungsfilters 10 und der Referenzspannung verstärkt, die man aus den von den Herstellern der Batterien zur Verfügung gestellten Tabellen 7, welche die Nennwerte enthalten, erhält, und in einer Korrekturschaltung 8 korrigiert, welche die tatsächlichen oder die aus früheren Zuständen ermittelten Meßwerte berücksichtigt.
• Das von diesem zweiten Verstärker 9 kommende verstärkte Fehlersignal ist das Signal, das nun an den ersten Fehlerverstärker 4 gelegt wird, der bekanntlich bereits Teil bestehender Systeme gemäß dem Stand der Technik ist.
• Schließlich zeigt Figur 4, wie der Selektor als Analog-Digital- Umsetzer 12 mit wählbarem Eingang ausgeführt ist, so daß alle folgenden Komponenten wie das Rückkopplungsfilter (das ebenfalls wählbar ist), die vom Hersteller der Batterie zur Verfügung gestellten Kurven- und Strategietabellen 7 und der zweite, in Figur 3 gezeigte Fehlerverstärker 9 durch Verwendung einer Mikrosteuereinheit 13 und die anschließende Verwendung eines Digital- Analog-Umsetzers 14 digital ausgeführt sind, um die erste Referenzspannung Vref1 zu erhalten, die den ersten Fehlerverstärker 4, der den Umsetzern 1 gemein ist, speist, um dann den Steuerungsprozeß gemäß dem Stand der Technik durchzuführen.
• Aufgrund der hohen Genauigkeit, die bei der Analog-Digital-Umsetzung zur Durchführung einer präzisen Steuerung gefordert ist, und der Tatsache, daß das Netz eine wesentliche Quelle von Störspannungen ist, wird ein Analog-Digital-Umsetzer nach dem Doppelrampenverfahren eingesetzt, dessen Integrationszeit in einer empfohlenen Ausführung gleich der Netzperiode ist.
• Gemäß der oben beschriebenen Konfiguration des Systems ist es möglich, den Batterieladevorgang exakt zu steuern, wenn die ausgewählte Zustandsvariable der Batterieladestrom Ib ist, wenn sich die Batterie 2 im Ladezustand befindet, so daß sich dieser Batterieladestrom Ib auf den vom Hersteller für die Art und die Kapazität der Zelle vorgesehenen Wert einstellt. Wenn die Batterie bereits aufgeladen ist oder sich im Ladeerhaltungszustand befindet, sind die neuen Zustandsvariablen die Ausgangsspannung, die sich an den Wert der Leerlaufgleichspannung der Batterie anpassen sollte, und der Ladestrom im Leerlaufzustand. Wenn die an den Satz Batterien 2 und die Last 3 abgegebene Leistung die Temperatur der Umsetzer 1 gefährlich erhöht, ist es dann dennoch möglich, den von diesen Umsetzern 1 gelieferten Gesamtstrom IT so zu steuern, daß die abgegebene Leistung und folglich die Temperatur, die Sie erreichen, gesteuert werden.
• Unabhängig davon würde die Mikrosteuereinheit die notwendigen Alarmsignale auslösen und im Falle von abnormalen Betriebssituationen die sich ergebenden, vorprogrammierten Maßnahmen ergreifen.

Claims (6)

1. Leistungsumwandlungssystem, das aus einer Gruppe von Umsetzern (1) gebildet wird, deren Ausgänge parallelgeschaltet sind, um einen Gesamtausgangsstrom (IT) bereitzustellen, der eine Gruppe von Batterien (2) und eine Last (3) speist, auf der eine Stromsteuerung durchgeführt wird, wobei ein erster Fehlerverstärker (4), der allen Umsetzern (1) gemein ist, verwendet wird, der die Differenz zwischen der Spannung (Vb) am Ausgang der Umsetzer (1) und einer ersten Referenzspannung (Vref1) verstärkt, die man von einer Steuerschaltung (5) von einer Gruppe von Zustandsvariablen (6) unter Verwendung von zuvor gespeicherten Tabellen (7) und Strategien erhält, dadurch gekennzeichnet, daß das von diesen Tabellen (7) erhaltene Signal an eine Korrekturschaltung (8) angelegt wird, die den Wert des Signals unter Berücksichtigung tatsächlicher oder aus früheren Zuständen ermittelter Meßwerte ändert, deren Ausgangssignal an einen der Eingänge eines zweiten Fehlerverstärkers (9) angelegt wird, dessen anderem Eingang das von einem Filter (10) kommende Signal zugeführt wird, das eine Zustandsvariable oder eine Kombination von Zustandsvariablen filtert und dessen Übertragungsfunktion entsprechend Funktionsstrategien geändert werden kann und wobei auf diese Weise eine zweite Rückkopplungsschleife gebildet wird, die zur Regelung einer beliebigen Zustandsvariablen oder einer Kombination von Zustandsvariablen (6) führt.

2. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die analogen Zustandsvariablen (6) in einem Block von Analog- Digital-Umsetzern (12) in digitale Zustandsvariable umgesetzt werden, die auf diese Weise die Übertragungsfunktion des Filters (10) für die Zustandsvariablen (6) sind, das in der eigentlichen Steuerschaltung digital realisiert ist, wobei es auch möglich ist, diese Übertragungsfunktion zu ändern.

3. System nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein einzelner Analog-Digital-Umsetzer (12) verwendet wird, um die Analog-Digital-Umsetzung der Zustandsvariablen (6) durchzuführen, indem eine von Ihnen in einem bestimmten Moment am Eingang dieses Analog-Digital-Umsetzers ausgewählt wird.

4. System nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Analog-Digital-Umsetzer (12) ein Doppelrampenumsetzer mit einer Integrationskonstanten ist, die gleich der Netzperiode ist.

5. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Funktionsstrategie der digitalen Schleife in Abhängigkeit des Ladezustands der Batterien (2) und der Zustandsvariablen (6) gemäß den folgenden Kriterien ändert:

- Wenn sich die Batterie im Ladezustand befindet, wird der Batterieladestrom (Ib) entsprechend der Zellenart und der Zellenkapazität konstant gehalten,

- wenn sich die Batterie im Leerlauf oder im Ladeerhaltungszustand befindet, werden die Ausgangsspannung (Vb) und der Ladestrom (Ib) der Batterie (2) an die Leerlaufgleichspannung beziehungsweise den Leerlaufgleichstrom der Batterie angepaßt.

6. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß es den von den Umsetzern (1) gelieferten Gesamtstrom (It) steuert, wenn die Temperatur der Umsetzer einen festgelegten Wert erreicht.