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WO2017016746A1 - Verfahren zum betrieb eines mehrphasigen gleichspannungswandlers - Google Patents

Verfahren zum betrieb eines mehrphasigen gleichspannungswandlers Download PDF

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WO2017016746A1
WO2017016746A1 PCT/EP2016/063873 EP2016063873W WO2017016746A1 WO 2017016746 A1 WO2017016746 A1 WO 2017016746A1 EP 2016063873 W EP2016063873 W EP 2016063873W WO 2017016746 A1 WO2017016746 A1 WO 2017016746A1
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WO
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converter
module
operating
modules
affected
Prior art date
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Ceased
Application number
PCT/EP2016/063873
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English (en)
French (fr)
Inventor
Gholamabas Esteghlal
Markus Kretschmer
Frank Haefele
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Robert Bosch GmbH
Original Assignee
Robert Bosch GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Robert Bosch GmbH filed Critical Robert Bosch GmbH
Publication of WO2017016746A1 publication Critical patent/WO2017016746A1/de
Anticipated expiration legal-status Critical
Ceased legal-status Critical Current

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    • H02M3/00—Conversion of DC power input into DC power output
    • H02M3/02—Conversion of DC power input into DC power output without intermediate conversion into AC
    • H02M3/04—Conversion of DC power input into DC power output without intermediate conversion into AC by static converters
    • H02M3/10—Conversion of DC power input into DC power output without intermediate conversion into AC by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode
    • H02M3/145—Conversion of DC power input into DC power output without intermediate conversion into AC by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal
    • H02M3/155—Conversion of DC power input into DC power output without intermediate conversion into AC by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only
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    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02B—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO BUILDINGS, e.g. HOUSING, HOUSE APPLIANCES OR RELATED END-USER APPLICATIONS
    • Y02B70/00—Technologies for an efficient end-user side electric power management and consumption
    • Y02B70/10—Technologies improving the efficiency by using switched-mode power supplies [SMPS], i.e. efficient power electronics conversion e.g. power factor correction or reduction of losses in power supplies or efficient standby modes

Definitions

  • the Er indung relates to a method for operating a multi-phase converter having a plurality of parallel-connected DC-DC converter modules.
  • the Er indung relates to an apparatus for operating such a multi-phase converter and an electrical system, with a
  • Multiphase converters are basically known from electrical engineering. Multiphase transducers are scalable DC-DC converters that can be used, for example, in an electrical system between a
  • High voltage section and a low voltage section are used to electrically connect them together.
  • DC-DC converters or multiphase converters have the advantage that their power is variable.
  • DC converter modules such as boost converter, down converter, synchronous converter or resonant converter.
  • DC-DC converter modules depending on their current Operating states are activated or deactivated individually. This has the advantage that the life of the DC-DC converter is increased and its operation is optimized. It is preferably provided that, depending on a desired
  • DC-DC converter modules are activated or deactivated individually. With increasing target power will be more
  • DC voltage converter modules provides.
  • the load of the individual DC converter modules is optimally distributed during operation and thus increases the life of the multi-phase converter.
  • an operating temperature of the DC-DC converter modules is monitored as operating state, and that when a predeterminable limit temperature is exceeded by the detected operating temperature, the affected
  • DC converter module is deactivated. This ensures that DC-DC converter modules that are in a critical temperature range are deactivated before they can be damaged.
  • Limit temperature is selected accordingly so that until reaching this value, the respective DC-DC converter module is not damaged. Provided that the required target power by the remaining
  • DC converter modules can be provided, switching off the affected DC-DC converter module has no disadvantage for the other
  • the target power can not be provided by the remaining DC-DC converter modules, it must be decided whether the affected DC-DC converter module is to continue to operate despite exceeding the limit temperature, or if it is accepted that the target power by the Multiphase converter is not provided.
  • the detected operating temperature is compared with two different limit temperatures. If the first limit temperature is exceeded, it is recognized that the operating state of the DC converter module in question is approaching a critical value, but can still be continued. In this case, that will DC converter module preferably switched off until a
  • DC converter modules can be provided or not.
  • the affected DC voltage converter module is deactivated.
  • the affected DC-DC converter module is removed from the operation of the multi-phase converter and does not contribute to the performance of the desired performance.
  • this ensures the safety of the multiphase converter having electrical system and allows continued operation.
  • a current current flow is measured as the operating state of the respective DC-DC converter module, wherein the affected DC-DC converter module is deactivated depending on the measured current flow and the desired target power.
  • the detected current flow with a predetermined
  • the affected DC-DC converter module is switched off, in particular if the desired desired power can be provided by the remaining DC converter modules, the remaining DC voltage converter modules are therefore not deactivated or have to be deactivated due to the described method. Otherwise, the affected DC-DC converter module is driven to achieve even a higher module performance, so that the desired desired performance of the
  • Multiphase converter is increased.
  • the affected DC-DC converter module is only deactivated when the desired power through the remaining
  • DC converter modules can be provided. As already mentioned, the affected DC-DC converter module continues to be operated or driven in order to provide a higher module performance, if the remaining
  • DC-DC converter modules are not able to provide the desired desired performance.
  • Multiphase converter is compared, and that a defect is detected if the current flow after a predetermined period of time after its activation does not reach the average current value.
  • a defect is recognized in a simple manner, and a decision on the further procedure with regard to operational safety and service provision can be made safely and promptly. It is also expediently provided that, when a deactivated DC-DC converter module still carries current, a defect of this DC-DC converter module is concluded.
  • the DC-DC converter modules are controlled in response to the desired power and their operating states to provide a desired module power.
  • DC voltage converter modules are thus controlled individually in order to provide, if appropriate, different powers, which together result in the desired power. This allows the individual
  • the device according to the invention with the features of claim 9 is characterized in that the control unit is specially adapted to carry out the method according to the invention.
  • FIG. 1 shows an electrical system of a motor vehicle in one
  • Figure 2 is a control system of the electrical system
  • Figure 3 is an extension of the electrical system
  • FIG. 4 shows a method for state determination.
  • the electrical system 1 shows a simplified representation of an electrical system 1 of a motor vehicle not shown here.
  • the electrical system 1 has a high voltage section 2 and a low voltage section 3, which are electrically connected together by a multi-phase converter 4.
  • the high-voltage section 2 comprises a rechargeable high-voltage energy store 5, an inverter 6 and an electric machine 7 which is operated by the inverter 6.
  • Machine 7 can be operated by a motor or generator and is designed in particular as a drive machine of the motor vehicle.
  • Low-voltage section 3 includes a low-voltage energy storage 8, which is also designed to be rechargeable, and one or more Consumers 9. Together, the energy storage 8 and the consumer 9 form the electrical system 10 of the motor vehicle.
  • FIG. 2 shows a further illustration of the electrical system 1 with a controller complex 11, with the multi-phase converter 4, the N parallel-connected DC-DC converter modules 4_1, 4_2 ... 4_N has.
  • Multiphase converter 4 has a high voltage section side
  • FIG. 3 shows a schematic representation of an operating strategy instance, which is designed as an operating strategy module 12 of a control device of the motor vehicle.
  • the operating strategy module 12 decides how many depending on a current operating point of the electrical system 1
  • Operating strategy instance receives as a state variable the desired voltage in the output U so n extem, the current currents l hv , l nv on the low voltage side and the high voltage side, the operating mode of the multi-phase converter 4 (lückender- or non-lopsided operation), currently at the output of
  • Multiphase converter 4 measured voltage U is and internal control variables (feedforward control, adaptations and control output signal of the controller complex 11).
  • the operating strategy module 12 is also supplied with the setpoint current I so n as input value I S oii_extem as well as a setpoint voltage U so externally. This allows an external instance to specify a desired setpoint current for one or more of the DC voltage converter modules 4_1, 4_2, 4_N.
  • the output of the Operating strategy instance represents in addition to the target currents I and voltages U n so that also n M module states to ready.
  • the operating strategy module 12 includes a module 13 for determining voltage, current, and module conditions, a load estimation module 14, a module state determination module 15, a current equalization module 16, and a state of charge or aging module 17 Low Voltage Energy Storage 8.
  • the operational strategy instance thus fulfills the following tasks in short form:
  • Electricity equalization / power equalization due to the tolerance of the components, the modules can deliver different currents and / or powers under the same load. To different loads of
  • Module state determination The current states of the modules are calculated. Depending on the detected states, these are activated or deactivated. If a Gleichwoodswaldermodul not be switched on or off by the controller, but after a predetermined time or dynamics, then this sub-function will turn on or off the affected module or parts thereof.
  • Load current, external setpoint voltage specifications, estimated charging voltage and optionally external current setpoint, the setpoint currents, voltages and target module states are determined and provided to controllers or hardware drivers of the multiphase converter 4 available.
  • the DC-DC converter of the multi-phase converter 4 are evenly loaded, switching operations optimized and increases the life of the electrical system 1 and the multi-phase converter 4.
  • DC-DC converters 4_1, 4_2 to 4_N are connected in parallel at the output, these can be switched off individually or turned on. How or when or which DC-DC converter should be switched on or off for the optimization of the switching losses or the life of the components, decides the operating strategy by specifying the desired current, nominal voltage and depending on the module state Mzu.
  • the operating strategy has three manipulated variables, with which the optimum can be influenced, namely the specification of the voltage to be set, limiting or equalization of the currents or powers and the direct shutdown of the individual modules / DC-DC converters.
  • FIG. 4 shows in simplified form an advantageous method for activating or
  • the method can be used in particular by the Operating strategy module 12 are implemented, which is implemented in a control unit of the motor vehicle.
  • DC voltage converter modules 4_1, 4_2, 4_N are monitored. Different parameters are used to determine the respective
  • the module is defective and can not be used.
  • the module is hot or too hot, meaning the module should not be used at full power or not at all.
  • the module is in lopsided operation.
  • the module is put into or out of service respectively
  • the functionality of the respective DC-DC converter module according to block A in FIG. 4 is checked. If it is determined that a defect is present, this is communicated to the module 15. This will shut off the affected DC-DC converter module if a fault has been detected to ensure the safety and continued operation of the electrical system.
  • Operating temperature is greater than the limit temperature, it is recognized that the affected DC-DC converter module is hot and should not be used if necessary. If the determined operating temperature exceeds a second predeterminable limit temperature, which is greater than the first predetermined
  • the affected DC-DC converter module is switched off and no longer used until its operating temperature has reached a permissible value again.
  • the intermittent operation of the DC-DC converter modules is monitored.
  • DC converter module is smaller than a predefinable limit, it is recognized that the affected DC-DC converter module is in lopsided operation. In such a case can and will be affected
  • DC converter module switched off when the necessary current can be supplied by another DC-DC converter module of the multi-phase converter 4.
  • block D it is monitored whether a DC-DC converter module has been activated or deactivated, and whether the current flow through the affected
  • the module 15 determines depending on the currently detected operating states of the DC-DC converter modules and the current load current the corresponding desired states of the modules and controls the multi-phase converter 4 accordingly. If the operating strategy is to enable or disable one
  • DC converter module is not about the controller complex 11 should perform, for example, because the controller complex 11 should not be disturbed in its behavior is implemented via the module selection instance 15, the target specification for the DC converter module concerned. Accordingly, the opposite applies, that basically the activation or deactivation or the
  • Implementation of the target specification for the affected DC-DC converter module can also be implemented by the controller complex 11.
  • the target specification is realized in particular after an applicable time or dynamically and in particular implemented by a ramp.
  • the operating state of the DC-DC converter modules is also a Modulstrombelastung or an individual
  • DC converter modules is to be made.
  • a desired current load can be distributed to the DC converter modules 4_1, 4_2... 4_N, for example, as a percentage.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Dc-Dc Converters (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Multiphasenwandlers (4), der mehrere parallel geschaltete Gleichspannungswandlermodule (4_1, 4_2... 4_N) aufweist. Es ist vorgesehen, dass die Gleichspannungswandlermodule (4_1, 4_2... 4_N) in Abhängigkeit von ihren aktuellen Betriebszuständen individuell aktiviert oder deaktiviert werden.

Description

Beschreibung
Titel
VERFAHREN ZUM BETRIEB EINES MEHRPHASIGEN GLEICHSPANNUNGSWANDLERS
Die Er indung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Multiphasenwandlers, der mehrere parallel geschaltete Gleichspannungswandlermodule aufweist.
Weiterhin betrifft die Er indung eine Vorrichtung zum Betreiben eines derartigen Multiphasenwandlers sowie ein elektrisches System, mit einem
Multiphasenwandler.
Stand der Technik
Multiphasenwandler sind aus der Elektrotechnik grundsätzlich bekannt. Bei Multiphasenwandlern handelt es sich um skalierbare Gleichspannungswandler, die beispielsweise in einem elektrischen System zwischen einem
Hochspannungsabschnitt und einem Niedrigspannungsabschnitt eingesetzt werden, um diese elektrisch miteinander zu verbinden. Skalierbare
Gleichspannungswandler beziehungsweise Multiphasenwandler haben den Vorteil, dass ihre Leistung variabel ist. Dazu weisen derartige
Multiphasenwandler mehrere parallel geschaltete
Gleichspannungswandlermodule auf, wie beispielsweise Aufwärtswandler, Abwärtswandler, Synchronwandler oder auch Resonanzwandler.
Offenbarung der Erfindung
Das erfindungsgemäße Verfahren zum Betreiben eines Multiphasenwandlers mit den Merkmalen des Anspruchs 1 zeichnet sich dadurch aus, dass die
Gleichspannungswandlermodule in Abhängigkeit von ihren aktuellen Betriebszuständen individuell aktiviert oder deaktiviert werden. Hierdurch ergibt sich der Vorteil, dass die Lebensdauer des Gleichspannungswandlers erhöht und sein Betrieb optimiert wird. Bevorzugt ist dabei vorgesehen, dass in Abhängigkeit von einer gewünschten
Soll-Leistung die Gleichspannungswandlermodule individuell aktiviert oder deaktiviert werden. Mit zunehmender Soll-Leistung werden dabei mehr
Gleichspannungswandlermodule aktiviert, sodass der Multiphasenwandler insgesamt die höhere Leistung mit Hilfe von mehr
Gleichspannungswandlermodulen erbringt. Dadurch wird die Belastung der einzelnen Gleichspannungswandlermodule im Betrieb optimal verteilt und damit die Lebensdauer des Multiphasenwandlers erhöht.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass als Betriebszustand eine Betriebstemperatur der Gleichspannungswandlermodule überwacht wird, und dass bei Überschreiten einer vorgebbaren Grenztemperatur durch die erfasste Betriebstemperatur das betroffene
Gleichspannungswandlermodul deaktiviert wird. Hierdurch wird erreicht, dass Gleichspannungswandlermodule, die sich in einem kritischen Temperaturbereich befinden, deaktiviert werden, bevor sie Schaden nehmen können. Der Wert der
Grenztemperatur wird entsprechend so gewählt, dass bis zum Erreichen dieses Wertes das jeweilige Gleichspannungswandlermodul keinen Schaden nimmt. Sofern die geforderte Soll-Leistung durch die verbleibenden
Gleichspannungswandlermodule erbracht werden kann, hat das Abschalten des betroffenen Gleichspannungswandlermoduls keinen Nachteil für den weiteren
Betrieb. In dem Fall, in welchem die Soll-Leistung durch die verbleibenden Gleichspannungswandlermodule nicht erbracht werden kann, muss entschieden werden, ob das betroffene Gleichspannungswandlermodul trotz Überschreiten der Grenztemperatur weiter betrieben werden soll, oder ob in Kauf genommen wird, dass die Soll-Leistung durch den Multiphasenwandler nicht erbracht wird.
Insbesondere ist dazu vorgesehen, dass die erfasste Betriebstemperatur mit zwei unterschiedlichen Grenztemperaturen verglichen wird. Bei Überschreiten der ersten Grenztemperatur wird darauf erkannt, dass sich der Betriebszustand des betroffenen Gleichspannungswandlermoduls einem kritischen Wert nähert, jedoch noch weiterbetrieben werden kann. In diesem Fall wird das Gleichspannungswandlermodul bevorzugt abgeschaltet, bis eine
Betriebstemperatur wieder einen zulässigen Wert erreicht hat. Wird zu diesem Zeitpunkt jedoch eine Soll-Leistung angefordert, die von den verbleibenden Gleichspannungswandlermodulen nicht erbringbar ist, so wird das betroffene Gleichspannungswandlermodul trotzdem weiter betrieben. Das betroffene Gleichspannungswandlermodul wird zumindest derart lange weiterbetrieben, bis seine aktuelle Betriebstemperatur auch den zweiten Temperaturgrenzwert, der höher als der erste Temperaturgrenzwert ist, überschreitet. Sobald dies geschieht, wird das betroffene Gleichspannungswandlermodul abgeschaltet, bis eine Betriebstemperatur wieder einen zulässigen Wert erreicht hat, unabhängig davon, ob die Soll-Leistung durch die verbleibenden
Gleichspannungswandlermodule erbracht werden kann oder nicht.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist außerdem
vorgesehen, dass als Betriebszustand eine Funktionsfähigkeit des jeweiligen Gleichspannungswandlermoduls überwacht wird, wobei bei Erfassen eines Defekts das betroffene Gleichspannungswandlermodul deaktiviert wird. Im Falle eines Defekts wird also das betroffene Gleichspannungswandlermodul aus dem Betrieb des Multiphasenwandlers herausgenommen und trägt nicht weiter zur Erbringung der gewünschten Leistung bei. Dadurch wird jedoch die Sicherheit des den Multiphasenwandler aufweisenden elektrischen Systems gewährleistet und ein Weiterbetrieb ermöglicht.
Weiterhin ist bevorzugt vorgesehen, dass als Betriebszustand des jeweiligen Gleichspannungswandlermoduls ein aktueller Stromfluss gemessen wird, wobei in Abhängigkeit des gemessenen Stromflusses und der gewünschten Soll- Leistung das betroffene Gleichspannungswandlermodul deaktiviert wird.
Insbesondere wird der erfasste Stromfluss mit einem vorgebbaren
Stromgrenzwert verglichen. Unterschreitet der gemessene Stromfluss den vorgebbaren Stromgrenzwert, so wird darauf erkannt, dass das betroffene Gleichspannungswandlermodul sich im lückenden Betrieb befindet und letztendlich zur Leistungserbringung nichts oder nur wenig beiträgt. In diesem Fall wird das betroffene Gleichspannungswandlermodul abgeschaltet, insbesondere sofern die gewünschte Soll-Leistung durch die verbleibende Gleichspannungswandlermodule erbracht werden kann, die verbleibende Gleichspannungswandlermodule also nicht deaktivert sind oder aufgrund des beschriebenen Verfahrens deaktiviert werden müssen. Andernfalls wird das betroffene Gleichspannungswandlermodul dazu angesteuert, selbst eine höhere Modulleistung zu erzielen, sodass die gewünschte Soll-Leistung des
Multiphasenwandlers erhöht wird.
Bevorzugt ist vorgesehen, dass das betroffene Gleichspannungswandlermodul nur dann deaktiviert wird, wenn die Soll-Leistung durch die verbleibende
Gleichspannungswandlermodule erbringbar ist. Wie bereits erwähnt, wird das betroffene Gleichspannungswandlermodul weiterbetrieben oder angesteuert, um eine höhere Modulleistung zu erbringen, wenn die verbleibenden
Gleichspannungswandlermodule nicht dazu in der Lage sind, die gewünschte Soll-Leistung zu erbringen.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist weiterhin vorgesehen, dass der gemessene Stromfluss mit einem Strommittelwert des
Multiphasenwandlers verglichen wird, und dass auf einen Defekt erkannt wird, wenn der Stromfluss nach einer vorgebbaren Zeitdauer nach seiner Aktivierung den Strommittelwert nicht erreicht. Hierdurch wird auf einfache Art und Weise auf einen Defekt erkannt, und eine Entscheidung über das weitere Vorgehen bezüglich Betriebssicherheit und Leistungserbringung kann sicher und zeitnah getroffen werden. Ebenfalls ist zweckmäßigerweise vorgesehen, dass dann, wenn ein deaktiviertes Gleichspannungswandlermodul noch Strom führt, auf einen Defekt dieses Gleichspannungswandlermoduls geschlossen wird.
Weiterhin ist bevorzugt vorgesehen, dass die Gleichspannungswandlermodule in Abhängigkeit von der Soll-Leistung und ihren Betriebszuständen zum Erbringen einer Soll-Modulleistung angesteuert werden. Die
Gleichspannungswandlermodule werden somit individuell angesteuert, um gegebenenfalls unterschiedliche Leistungen zu erbringen, die zusammen die Soll-Leistung ergeben. Hierdurch können die einzelnen
Gleichspannungswandlermodule unterschiedlich stark belastet und dadurch der Multiphasenwandler optimal in Bezug auf Auslastung und Lebensdauer betrieben werden. Die erfindungsgemäße Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 9 zeichnet sich dadurch aus, dass das Steuergerät speziell dazu hergerichtet ist, das erfindungsgemäße Verfahren durchzuführen. Es ergeben sich hierdurch die bereits genannten Vorteile. Weitere Merkmale und Vorteile ergeben sich aus dem zuvor bereits Beschriebenen.
Das erfindungsgemäße elektrische System mit den Merkmalen des Anspruchs 10 zeichnet sich durch die erfindungsgemäße Vorrichtung aus. Es ergeben sich hierdurch die bereits genannten Vorteile. Weitere Merkmale und Vorteile ergeben sich aus dem zuvor bereits Beschriebenen.
Im Folgenden soll die Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert werden. Dazu zeigen Figur 1 ein elektrisches System eines Kraftfahrzeugs in einer
vereinfachten Darstellung,
Figur 2 ein Regelsystem des elektrischen Systems, Figur 3 eine Erweiterung des elektrischen Systems und
Figur 4 ein Verfahren zur Zustandsbestimmung.
Figur 1 zeigt in einer vereinfachten Darstellung ein elektrisches System 1 eines hier nicht näher dargestellten Kraftfahrzeugs. Das elektrische System 1 weist einen Hochspannungsabschnitt 2 und einen Niedrigspannungsabschnitt 3 auf, die elektrisch durch einen Multiphasenwandler 4 miteinander verbunden sind. Der Hochspannungsabschnitt 2 umfasst vorliegend einen wiederaufladbaren Hochspannungsenergiespeicher 5, einen Wechselrichter 6 sowie eine elektrische Maschine 7, die durch den Wechselrichter 6 betrieben wird. Die elektrische
Maschine 7 kann dabei motorisch oder generatorisch betrieben werden und ist insbesondere als Antriebsmaschine des Kraftfahrzeugs ausgebildet. Der
Niedrigspannungsabschnitt 3 umfasst einen Niedrigspannungsenergiespeicher 8, der ebenfalls wiederaufladbar ausgebildet ist, sowie einen oder mehrere Verbraucher 9. Zusammen bilden der Energiespeicher 8 und die Verbraucher 9 das Bordnetz 10 des Kraftfahrzeugs.
Figur 2 zeigt eine weitere Darstellung des elektrischen Systems 1 mit einem Regler- Komplex 11, mit dem Multiphasenwandler 4, der N parallel geschalteten Gleichspannungswandlermodule 4_1, 4_2 ... 4_N aufweist. Der
Multiphasenwandler 4 weist eine hochspannungsabschnittsseitige
Eingangsspannung Uin sowie eine niedrigspannungsabschnittsseitige
Ausgangsspannung Uout auf, die sich aus der Parallelschaltung und dem Betrieb der Gleichspannungswandlermodule 4_1, 4_2 bis 4_N ergibt. Durch das
Ansteuern der Gleichspannungswandlermodule des Multiphasenwandlers 4 ergibt sich eine Ist-Spannung Uist, die dem Bordnetz 10 zur Verfügung gestellt wird. Dem Reglerkomplex 11 werden ein Soll-Strom lson sowie eine Soll- Spannung USoii sowie ein Ist-Strom des Multiphasenwandlers 4 auf der
Hochspannungsseite lhv sowie der Niedrigspannungsseite lnv zugeführt.
Insbesondere hieraus und aus dem Ist- Strom lout ergibt sich die Ansteuerung des Multiphasenwandlers 4.
Figur 3 zeigt eine schematische Darstellung einer Betriebsstrategieinstanz, die als Betriebsstrategiemodul 12 eines Steuergeräts des Kraftfahrzeugs ausgebildet ist. Das Betriebsstrategie-Modul 12 entscheidet in Abhängigkeit von einem aktuellen Betriebspunkt des elektrischen Systems 1, wie viele
Gleichspannungswandler 4_1, 4_2 ... 4_N beziehungsweise welche Teile eines Moduls, wie beispielsweise ein Tiefsetzsteller, aktiv sein sollen. Die
Betriebsstrategieinstanz erhält als Zustandsgröße die gewünschte Spannung im Ausgang Uson extem, die aktuellen Ströme lhv, lnv auf der Niedrigspannungsseite und der Hochspannungsseite den Betriebsmodus des Multiphasenswandlers 4 (lückender- oder nicht lückender Betrieb), die aktuell am Ausgang des
Multiphasenwandlers 4 gemessene Spannung Uist sowie interne Regelgrößen (Vorsteuerung, Adaptionen und Regelausgangssignal des Regler- Komplexes 11). Optional wird dem Betriebsstrategie-Modul 12 außerdem der Sollstrom lson als Eingangswert lSoii_extem sowie eine Sollspannung Uson extem zugeführt. Damit kann eine externe Instanz einen gewünschten Sollstrom für ein oder mehrere der Gleichspannungswandlermodule 4_1, 4_2, 4_N vorgeben. Der Ausgang der Betriebsstrategieinstanz stellt neben den Sollströmen lson und Spannungen Uson auch Modulzustände Mzu bereit.
Das Betriebsstrategie-Modul 12 umfasst ein Modul 13 zur Bestimmung von Sollwerten der Spannung, des Stroms und der Modulzustände, ein Modul 14 zur Lastabschätzung, ein Modul 15 zur Modulzustandsbestimmung, ein Modul 16 zur Stromgleichstellung sowie ein Modul 17 zur Ermittlung eines Ladezustands oder Alterungszustands des Niederspannungsenergiespeichers 8.
Die Betriebsstrategieinstanz erfüllt somit in Kurzform folgende Aufgaben:
Stromgleichstellung/Leistungsgleichstellung: die Module können aufgrund der Toleranz der Bauelemente bei gleicher Belastung unterschiedliche Ströme und/oder Leistungen liefern. Um unterschiedliche Belastungen der
Gleichspannungswandlermodule zu verhindern, wird durch eine Modifizierung der Sollströme/Sollleistungen für verschiedene Module der gleiche
Strombetrag/Leistungsbetrag erreicht.
Abschätzung Batterieladespannung: wenn die Ladespannung des
Niedrigspannungsenergiespeichers 8 nicht zur Verfügung steht, wird dieser durch das Modul 17 abgeschätzt.
Modulzustandsbestimmung: Die aktuellen Zustände der Module werden berechnet. In Abhängigkeit der erfassten Zustände werden diese aktiviert oder deaktiviert. Soll ein Gleichspannungswaldermodul nicht per Regler ein- oder abgeschaltet werden, sondern nach einer vorgegebenen Zeit oder Dynamik, dann wird diese Teilfunktion das betroffene Modul oder Teile davon ein- oder abschalten.
Lastabschätzung: Abhängig von den gemessenen Strömen und
Ausgangssignalen des Regler- Komplexes 11 wird die am Bordnetz 10 vorliegende eingeschaltete Last abgeschätzt.
Bestimmung Sollwerte: Abhängig von den errechneten Sollströmen, dem
Laststrom, externen Sollspannungsvorgaben, eingeschätzter Ladespannung und optional externer Stromsollvorgabe, werden die Sollströme, Spannungen und Sollmodulzustände bestimmt und Reglern beziehungsweise Hardwaretreibern des Multiphasenwandlers 4 zur Verfügung gestellt.
Durch die Betriebsstrategieinstanz beziehungsweise durch das Betriebsstrategie- Modul 12 werden die Gleichspannungswandler des Multiphasenwandlers 4 gleichmäßig belastet, Schaltvorgänge optimiert und die Lebensdauer des elektrischen Systems 1 und des Multiphasenwandlers 4 erhöht.
Werden mehrere der Gleichspannungswandlermodule 4_1, 4_2, 4_N am Ausgang parallel geschaltet oder bei einem Resonanzwandler mit mehreren Tiefsetzstellen (Bucks) am Ausgang, können aufgrund der unterschiedlichen Bauelementtoleranzen unterschiedliche Ströme fließen oder Leistungen erzielt werden. Dies bedeutet, dass die Bauelemente unterschiedlich belastet werden und damit unterschiedlich altern. Durch das im Folgenden beschriebene
Verfahren wird erreicht, dass eine gleichmäßige Belastung der Bauelemente beziehungsweise Gleichspannungswandlermodule gewährleistet wird.
Insbesondere wird erreicht, dass einzelne Gleichspannungswandlermodule nicht überlastet und die Gleichspannungswandlermodule insgesamt gleichmäßig belastet werden und somit auch gleichmäßig altern.
Dadurch, dass mehrere Gleichspannungswandler 4_1, 4_2 bis 4_N am Ausgang parallel geschaltet sind, können diese individuell abgeschaltet oder eingeschaltet werden. Wie beziehungsweise wann oder welcher Gleichspannungswandler für die Optimierung der Schaltverluste oder der Lebensdauer der Bauelemente ein- oder abgeschaltet werden soll, entscheidet die Betriebsstrategie durch Vorgabe von Sollstrom, Sollspannung und in Abhängigkeit von dem Modulzustand Mzu. Die Betriebsstrategie hat drei Stellgrößen, womit das Optimum beeinflusst werden kann, nämlich die Vorgabe der einzustellenden Spannung, Begrenzung beziehungsweise Gleichstellung der Ström oder Leistungen und die direkte Abschaltung der einzelnen Module/Gleichspannungswandler.
Figur 4 zeigt vereinfacht ein vorteilhaftes Verfahren zum Aktivieren oder
Deaktivieren einzelner Gleichspannungswandlermodul in Abhängigkeit von ihren aktuellen Betriebszuständen. Das Verfahren kann insbesondere von dem Betriebsstrategiemodul 12 durchgeführt werden, das in ein Steuergerät des Kraftfahrzeugs implementiert ist.
Es ist vorgesehen, dass aktuelle Betriebszustände der einzelnen
Gleichspannungswandlermodule 4_1, 4_2, 4_N überwacht werden. Dabei werden unterschiedliche Parameter zur Bestimmung des jeweiligen
Betriebszustandes berücksichtigt. Es werden im Folgenden Zustände für jedes Gleichspannungswandlermodul definiert:
1. Das Modul ist defekt und kann nicht verwendet werden.
2. Das Modul ist heiß oder zu heiß, das heißt, das Modul soll nicht mit voller Leistung oder überhaupt nicht verwendet werden.
3. Das Modul ist im lückenden Betrieb.
4. Das Modul ist abgeschaltet.
5. Das Modul wird in oder aus dem Betrieb genommen beziehungsweise
deaktiviert.
Für das Erfassen eines Defekts wird zunächst die Funktionsfähigkeit des jeweiligen Gleichspannungswandlermoduls gemäß Block A in Figur 4 überprüft. Wird dabei festgestellt, dass ein Defekt vorliegt, so wird dies dem Modul 15 mitgeteilt. Dieses schaltet das betroffene Gleichspannungswandlermodul ab, wenn ein Defekt erfasst wurde, um die Sicherheit und den Weiterbetrieb des elektrischen Systems zu gewährleisten.
Gemäß Block B wird insbesondere mittels eines Temperaturmodells die aktuelle Betriebstemperatur jedes Gleichspannungswandlermoduls überwacht und mit einer vorgebbaren Grenztemperatur verglichen. Ist die aktuell erfasste
Betriebstemperatur größer als die Grenztemperatur, so wird darauf erkannt, dass das betroffene Gleichspannungswandlermodul heiß ist und gegebenenfalls nicht verwendet werden sollte. Übersteigt die ermittelte Betriebstemperatur eine zweite vorgebbare Grenztemperatur, die größer ist als die erste vorgegebene
Grenztemperatur, so wird das betroffene Gleichspannungswandlermodul abgeschaltet und nicht mehr verwendet, bis seine Betriebstemperatur wieder einen zulässigen Wert erreicht hat. In Block C wird der lückende Betrieb der Gleichspannungswandlermodule überwacht. Wenn der gemessene Strom I des jeweiligen
Gleichspannungswandlermoduls kleiner ist als ein vorgebbarer Grenzwert, wird darauf erkannt, dass sich das betroffene Gleichspannungswandlermodul im lückenden Betrieb befindet. In einem solchen Fall kann und wird das betroffene
Gleichspannungswandlermodul abgeschaltet, wenn der notwendige Strom durch ein weiteres Gleichspannungswandlermodul des Multiphasenwandlers 4 geliefert werden kann.
Im Block D wird überwacht, ob ein Gleichspannungswandlermodul aktiviert oder deaktiviert wurde, und ob der Stromfluss durch das betroffene
Gleichspannungswandlermodul dies bestätigt. Wird eines der
Gleichspannungswandlermodule aktiviert oder deaktiviert, und hat es noch nicht den gewünschten Zustand erreicht, wird dies durch das Modul 15 erfasst. Dazu wird der jeweilige Stromfluss der Gleichspannungswandlermodule erfasst und ein aktueller Mittelwertstrom bestimmt. Ist beispielsweise der Stromfluss noch nicht gleich 0, obwohl das betroffene Gleichspannungswandlermodul abgeschaltet wurde, oder hat der Stromfluss noch nicht den Mittelwertstrom erreicht, obwohl das betroffene Gleichspannungswandlermodul aktiviert wurde, wird auf einen Betriebsfehler erkannt. Das Modul 15 bestimmt in Abhängigkeit der aktuell erfassten Betriebszustände der Gleichspannungswandlermodule und der aktuellen Strombelastung die entsprechenden Soll-Zustände der Module und steuert den Multiphasenwandler 4 entsprechend an. Wenn die Betriebsstrategie ein Aktivieren oder Deaktivieren eines
Gleichspannungswandlermoduls nicht über den Reglerkomplex 11 durchführen soll, beispielsweise weil der Reglerkomplex 11 nicht in seinem Verhalten gestört werden soll, wird über die Modulauswahlinstanz 15 die Soll-Vorgabe für das betroffene Gleichspannungswandlermodul umgesetzt. Entsprechend gilt anders herum, dass grundsätzlich das Aktivieren oder Deaktivieren beziehungsweise die
Umsetzung der Soll-Vorgabe für das betroffene Gleichspannungswandlermodul auch durch den Reglerkomplex 11 umgesetzt werden kann. Die Soll-Vorgabe wird insbesondere nach einer applizierbaren Zeit oder dynamisch realisiert und insbesondere durch eine Rampe umgesetzt. Neben dem Betriebszustand der Gleichspannungswandlermodule wird außerdem eine Modulstrombelastung beziehungsweise eine individuelle
Modulleistung jedem Gleichspannungswandlermodul zugeordnet, wobei dann die Betriebsstrategie entscheidet, ob der aktuell notwendige Strom über ein
Gleichspannungswandlermodul oder über mehrere der
Gleichspannungswandlermodule gestellt werden soll. So kann eine Soll- Strombelastung auf die Gleichspannungswandlermodule 4_1, 4_2 ... 4_N beispielsweise prozentual verteilt werden.

Claims

Ansprüche
1. Verfahren zum Betreiben eines Multiphasenwandlers (4), der mehrere
parallel geschaltete Gleichspannungswandlermodule (4_1, 4_2 ... 4_N) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die
Gleichspannungswandlermodule (4_1, 4_2 ... 4_N) in Abhängigkeit von ihren aktuellen Betriebszuständen individuell aktiviert oder deaktiviert werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die
Gleichspannungswandlermodule (4_1, 4_2 ... 4_N) in Abhängigkeit von einer gewünschten Soll-Leistung individuell aktiviert oder deaktiviert werden.
3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass als Betriebszustand eine Betriebstemperatur des jeweiligen Gleichspannunsgwandlermoduls (4_1, 4_2 ... 4_N) überwacht wird, und dass bei Überschreiten einer vorgebbaren Grenztemperatur durch die Betriebstemperatur das betroffene Gleichspannungswandlermodul (4_1, 4_2 ... 4_N) deaktiviert wird.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass als Betriebszustand eine Funktionsfähigkeit des jeweiligen Gleichspannungswandlermoduls (4_1, 4_2 ... 4_N) überwacht wird, wobei bei Erfassen eines Defekts das betroffene
Gleichspannungswandlermodul (4_1, 4_2 ... 4_N) deaktiviert wird.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass als Betriebszustand des jeweiligen
Gleichspannungswandlermoduls (4_1, 4_2 ... 4_N) ein aktueller Stromfluss des jeweiligen Gleichspannungswandlermoduls (4_1, 4_2 ... 4_N) gemessen wird, wobei in Abhängigkeit des gemessenen Stromfluss und der
gewünschten Soll-Leistung das betroffene Gleichspannungswandlermodul (4_1, 4_2 ... 4_N) deaktiviert oder aktiviert wird.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das betroffene Gleichspannungswandlermodul (4_1, 4_2 ... 4_N) nur dann deaktiviert wird, wenn die gewünschte Soll-Leistung durch die verbleibenden
Gleichspannungswandlermodule (4_1, 4_2 ... 4_N) erbringbar ist.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass der gemessene Stromfluss mit einem Strommittelwert des Multiphasenwandlers (4) verglichen wird, und dass auf einen Defekt des jeweiligen Gleichspannungswandlermoduls (4_1, 4_2 ... 4_N) erkannt wird, wenn der Stromfluss nach einer vorgebbaren Zeitdauer nach Aktivierung des Gleichspannungswandlermoduls (4_1, 4_2 ... 4_N) den Strommittelwert nicht erreicht.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass die Gleichspannungswandlermodule (4_1, 4_2 ... 4_N) in Abhängigkeit von der Soll-Leistung und ihrem jeweiligen
Betriebszustand zum Erbringen einer individuellen Soll-Modulleistung (4_1, 4_2 ... 4_N) angesteuert werden.
9. Vorrichtung zum Betreiben eines Multiphasenwandlers, der mehrere parallel geschaltete Gleichspannungswandlermodule (4_1, 4_2 ... 4_N) aufweist, gekennzeichnet durch ein speziell hergerichtetes Steuergerät, dass das Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8 durchführt.
10. Elektrisches System (1), insbesondere eines Kraftfahrzeugs, mit einem
Hochspannungsabschnitt (2) und einem Niedrigspannungsabschnitt (3), die elektrisch durch einen Gleichspannungswandler miteinander verbunden sind, der als Multiphasenwandler (4) mehrere parallel geschaltete
Gleichspannungswandlermodule (4_1, 4_2 ... 4_N) aufweist,
gekennzeichnet durch eine Vorrichtung nach Anspruch 9 zum Betreiben des Gleichspannungswandlers.
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