DE102014225827A1 - Method for operating a DC-DC converter - Google Patents
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Abstract
Es werden ein Verfahren und eine Anordnung (10) zum Betreiben eines Gleichspannungswandlers vorgestellt. Dabei wird ein Algorithmus verwendet, der einen linearen MISO-Block darstellt.A method and an arrangement (10) for operating a DC-DC converter are presented. An algorithm is used that represents a linear MISO block.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Gleichspannungswandlers und eine Anordnung zur Durchführung des Verfahrens.The invention relates to a method for operating a DC-DC converter and an arrangement for carrying out the method.
Stand der TechnikState of the art
Gleichspannungswandler, die auch als DC/DC-Wandler bezeichnet werden, sind elektrische Schaltungen, die eine am Eingang zugeführte Gleichspannung in eine Gleichspannung mit höherem, niedrigerem oder invertiertem Spannungsniveau umwandeln. Dabei erfolgt die Umsetzung üblicherweise mithilfe eines periodisch arbeitenden Schalters und eines Energiespeichers bzw. mehrerer Energiespeicher.DC-DC converters, also referred to as DC / DC converters, are electrical circuits that convert a DC input voltage to a higher, lower, or inverted voltage level DC voltage. The conversion usually takes place with the aid of a periodically operating switch and an energy store or a plurality of energy stores.
In Kraftfahrzeugen werden Gleichspannungswandler insbesondere in Mehrspannungsnetzen eingesetzt, wie diese bspw. in Hybridfahrzeugen zum Einsatz kommen. Es werden derzeit in der Automobilindustrie intensive Anstrengungen bei der Entwicklung von hybriden Antriebssystemen bei Kraftfahrzeugen unternommen. Typischerweise gibt es in Mehrspannungsnetzen in Automobilen 12 V-Netze für herkömmliche Verbraucher und 48 V-Netze für die Verbraucher neuerer Generation. Daraus ergibt sich die Notwendigkeit, zwischen den beiden Netzen zu schalten. Hierzu haben sich Inverswandler (engl. Buck-Boost-Converter) als geeignet erwiesen.In motor vehicles, DC-DC converters are used in particular in multi-voltage networks, as they are used, for example, in hybrid vehicles. Intensive efforts are currently being made in the automotive industry to develop hybrid propulsion systems in automobiles. Typically in automotive multivoltage networks there are 12 V networks for conventional consumers and 48 V networks for the newer generation consumers. Hence the need to switch between the two networks. For this purpose, inverse converters (English buck-boost converter) have proven to be suitable.
Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention
Vor diesem Hintergrund werden ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und eine Anordnung gemäß Anspruch 7 vorgestellt. Ausführungsformen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen und der Beschreibung.Against this background, a method with the features of
Das hierin vorgestellte Verfahren und die entsprechende Anordnung stellen eine Softwarelösung bereit, die alle Anforderungen erfüllt, ein ausreichendes dynamisches Verhalten ohne den Einsatz von Hardware zeigt und lediglich eine begrenzte Rechenkapazität in Anspruch nimmt.The method and arrangement presented herein provide a software solution that meets all requirements, exhibits sufficient dynamic performance without the use of hardware, and only requires limited computational capacity.
Der vorgestellte Algorithmus, der das Verfahren implementiert, wurde ursprünglich als eine schnelle reaktive Softwarekomponente entwickelt, um eine elektrische Gleichspannungswandlereinheit in einem Kraftfahrzeug zu regeln. Hierbei ist es erforderlich, einen sicheren Betrieb sowohl der Batterien als auch der beteiligten Verbraucher, die an dem Gleichspannungswandler angeschlossen sind, sicherzustellen. Dies führt zu strengen Anforderungen und Beschränkungen neben der Regelung der Ausgangsspannung und des Ausgangstroms.The presented algorithm implementing the method was originally developed as a fast reactive software component to control a DC to DC converter unit in a motor vehicle. It is necessary to ensure safe operation of both the batteries and the consumers involved, which are connected to the DC-DC converter. This leads to stringent requirements and limitations in addition to the regulation of the output voltage and the output current.
Das Verfahren wiederum ist insbesondere für alle elektrischen oder technischen Systeme geeignet, bei denen die Signallaufzeit zumindest Faktor 10 kleiner als die Abtastzeit ist und bei denen die Änderung der Eingangs- und Ausgangsgrößen eine direkte physische Verbindung zueinander haben.The method in turn is particularly suitable for all electrical or technical systems in which the signal propagation time is at least a factor of 10 smaller than the sampling time and in which the change in the input and output variables have a direct physical connection to one another.
Der entwickelte Algorithmus ist auf besondere Weise geeignet, die Ausgangsspannung und/oder den Ausgangsstrom auf einen gegebenen Zielwert zu regeln, den Ausgangsstrom zu begrenzen, das minimale Niveau der Eingangsspannung und das maximale Niveau des Eingangsstroms unter Verwendung eins einzigen linearen Reglers zu kontrollieren, der sowohl im Spannungs- als auch im Stromsteuermodus arbeitet, ohne dass ein Bedarf an kaskadierten oder geschalteten Modusreglern besteht.The developed algorithm is particularly suitable for controlling the output voltage and / or the output current to a given target value, limiting the output current, controlling the minimum level of the input voltage and the maximum level of the input current using a single linear regulator, both operates in both voltage and current control modes without the need for cascaded or switched mode controllers.
Der Algorithmus führt die folgenden Aufgaben gleichzeitig durch:
- 1. Regeln der Ausgangsspannung, um einen Zielwert einzuhalten, mit Strombegrenzung,
- 2. Regeln des Ausgangsstroms, um einen Zielwert einzuhalten, innerhalb des minimalen und maximalen Niveaus der Ausgangsspannung,
- 3. Begrenzen des Ausgangsstroms auf einen variablen Pegel, dieser ist in der Lage, zum Stromregulierungsmodus zu schalten, um einen Vielwert innerhalb des minimalen und maximalen Niveaus der Ausgangsspannung zu halten,
- 4. Begrenzen des Eingangsstroms auf einen variablen Pegel durch Verringern der Ausgangsspannung,
- 5. Schützen der elektrischen Speichereinrichtung durch Verhindern, dass die Eingangsspannung unter einen variablen minimalen Pegel fällt, wobei die Ausgangsleistung verringert wird,
- 6. Begrenzen der Leistung auf der Eingangs- oder Ausgangsseite bei einem variablen Niveau durch Verringern der Ausgangsspannung.
- 1. regulating the output voltage to meet a target value, with current limiting,
- 2. regulating the output current to meet a target value, within the minimum and maximum levels of the output voltage,
- 3. limiting the output current to a variable level, capable of switching to the current regulation mode to maintain a multivalue within the minimum and maximum levels of the output voltage,
- 4. limiting the input current to a variable level by reducing the output voltage,
- 5. Protecting the electrical storage device by preventing the input voltage from falling below a variable minimum level, thereby reducing output power.
- 6. Limiting the power on the input or output side at a variable level by reducing the output voltage.
Das vorgestellte Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass nur ein Regler durch den Algorithmus verwendet wird, der einen Spannungsmodusregler darstellt. Der Zielwert des Reglers wird mit den verarbeiteten und kaskadierten Werten der Fehlersignale modifiziert. Das endgültige Ergebnis der Lösung stellt einen komplex arbeitenden, jedoch sehr einfachen Code dar. Dies ist ein diskreter linearer MISO-(Multiple Input Single Output)Block. Alle Grenzwerte können dynamisch durch die Anwendung modifiziert werden. The presented method is characterized in that only one controller is used by the algorithm representing a voltage mode controller. The target value of the controller is modified with the processed and cascaded values of the error signals. The final result of the solution is a complex but very simple code. This is a discrete linear MISO (Multiple Input Single Output) block. All limits can be dynamically modified by the application.
Diese Architektur kann nützlich sein, wenn das Steuersignal in jedem Arbeitsmodus gleich ist. Der größte Vorteil besteht darin, dass der Regler bzw. Controller die lineare Übertragungseigenschaft zwischen den Arbeitsgrenzen einhält, während das System zu verschiedenen Zuständen gelangt, wobei die Arbeitsumgebung berücksichtigt wird. Daher sind die Übergänge des Systems linear und kontinuierlich, was die Stabilität und Robustheit der Regelung verbessert. Weiterhin sichert das Fehlen von Kaskadenverbindungen ein besseres dynamisches Verhalten für das Gesamtsystem. Das Schlüsselelement ist die Wandlung und Bindung der Fehlersignale der Eingaben. Das Verfahren kann mit den meisten Arten von Reglern eingesetzt werden.This architecture may be useful if the control signal is the same in each working mode. The biggest advantage is that the controller complies with the linear transfer characteristic between the working limits as the system goes to different states, taking into account the working environment. Therefore, the transitions of the system are linear and continuous, which improves the stability and robustness of the control. Furthermore, the lack of cascade connections ensures better dynamic behavior for the overall system. The key element is the conversion and binding of the input error signals. The method can be used with most types of controllers.
Das beschriebene Verfahren kommt bspw. in Verbindung mit einem Gleichspannungswandler zum Einsatz, bei dem die Schaltelemente durch einen zeitgesteuerten PWM-Generator angesteuert werden. Dabei wird kein Hardware-Stromregler verwendet. Für den Wandler muss die Übertragungsfunktion Uaus/Uein gültig sein. Die Laufzeit der Signale, die sich gegenseitig berücksichtigen, sind um Größenordnungen schneller als die Abtastzeit. Aufgrund der verhältnismäßig langen Abtastzeit kann das System nicht in verschieden zeitlich angepasste Prozesse aufgeteilt werden.The method described is used, for example, in conjunction with a DC-DC converter, in which the switching elements are controlled by a time-controlled PWM generator. No hardware current controller is used. For the converter, the transfer function of U / U must be a valid. The propagation time of the signals taking into account each other are orders of magnitude faster than the sampling time. Due to the relatively long sampling time, the system can not be divided into differently timed processes.
Zu berücksichtigen ist, dass die automotive Anwendungsumgebung hohe Anforderungen an die Spannungsregleralgorithmen des Wandlers stellt. Die Hauptanforderungen des Reglers entsprechen den Anforderungen des Inverswandlers in beide Richtungen. Es wird ein zeitvariantes, nichtlineares Leistungswandlersystem höherer Ordnung vorgestellt, das in allen Betriebspunkten stabil arbeitet.It should be noted that the automotive application environment places high demands on the voltage regulator algorithms of the converter. The main requirements of the controller correspond to the requirements of the inverter in both directions. A time varying, nonlinear higher order power conversion system is presented which operates stably at all operating points.
Die Zeitvarianz besteht aufgrund der Abhängigkeit der Übertragungsfunktion von dem Lastwiderstand, der Nichtlinearität in den Widerständen, den Induktivitäten, den Kapazitäten und den Leistungstransistoren sowie der hohen Varianz in den Eingangs- und Ausgangsspannungen.The time variance is due to the dependence of the transfer function on the load resistance, the nonlinearity in the resistors, the inductances, the capacitances and the power transistors as well as the high variance in the input and output voltages.
Weiterhin wird eine hohe Dynamik für eine gekoppelte Leistungselektronik in allen Betriebspunkten bereitgestellt. Spannungs- und Strombegrenzungen werden am Eingang und Ausgang eingehalten. Die Leistung wird gehalten. Furthermore, a high dynamic for a coupled power electronics is provided in all operating points. Voltage and current limits are maintained at the input and output. The performance is held.
Weiterhin ist der Code an begrenzte Kapazitäten, Laufzeiteinschränkungen und begrenzte Abtastraten angepasst. Somit müssen die Regler mit geringeren Abtastraten arbeiten.Furthermore, the code is adapted to limited capacities, runtime limitations and limited sampling rates. Thus, the controllers have to work at lower sampling rates.
Die Wirkungsweise des Algorithmus basiert grundsätzlich auf der engen und einfachen physikalischen Verbindung der verschiedenen Eingaben und der Ausgaben. Dies bedeutet, dass die Eingabesignale untereinander mit tatsächlichen einfachen mathematischen Funktionen transformiert werden können.The operation of the algorithm is basically based on the close and simple physical connection of the various inputs and outputs. This means that the input signals can be transformed among each other with actual simple mathematical functions.
Es wird somit ein adaptiver, diskreter MISO-Multifunktionsalgorithmus mit einem einzelnen Regler für Gleichspannungswandler vorgestellt. Der entwickelte Algorithmus zeichnet sich dadurch aus, dass er lediglich einen einfachen linearen Regler verwendet.Thus, an adaptive, discrete MISO multifunction algorithm with a single regulator for DC-DC converters is presented. The algorithm developed is characterized by the fact that it uses only a simple linear controller.
Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und den beiliegenden Zeichnungen.Further advantages and embodiments of the invention will become apparent from the description and the accompanying drawings.
Es versteht sich, dass die voranstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.It is understood that the features mentioned above and those yet to be explained below can be used not only in the particular combination indicated, but also in other combinations or in isolation, without departing from the scope of the present invention.
Kurze Beschreibung der ZeichnungenBrief description of the drawings
Ausführungsformen der ErfindungEmbodiments of the invention
Die Erfindung ist anhand von Ausführungsformen in den Zeichnungen schematisch dargestellt und wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnungen ausführlich beschrieben.The invention is schematically illustrated by means of embodiments in the drawings and will be described in detail below with reference to the drawings.
Zudem zeigt die Darstellung eine Verstärkungsanpassung
Ausgangsgrößen des Gleichspannungswandlers
In Rahmen der Spannungsregelung mittels des Spannungsreglers
Bei der Ausgangsstrombegrenzung
Es gilt: The following applies:
Durch Ausnutzen des schaltenden Gleichspannungswandlers kann das Begrenzungsverfahren erweitert werden. Das Spannungsverhältnis und die Effizienz des Wandlers, was in Block
Zur Eingangs-/Ausgangs-Leistungsbegrenzung wird die Strombegrenzerstruktur mit mathematischen Formeln erweitert, um Leistungsgrenzwerte zu betrachten. In manchen Fällen ist es notwendig, wenn die Eingangs- oder die Ausgangsspannung in dem höchsten Arbeitsbereich ist. In diesen Fällen könnte die Ausgangsleistung den Nominalwert der Einheit übersteigen und eine Überlastsituation verursachen, ohne die Stromgrenzen zu verletzen. For input / output power limitation, the current limiter structure is extended with mathematical formulas to consider power limits. In some cases it is necessary if the input or output voltage is in the highest working range. In these cases, the output power could exceed the nominal value of the unit and cause an overload situation without violating the current limits.
Die einfache Min()-Funktion stellt sicher, dass immer der niedrigste aller berechneten Werte gültig sein wird.The simple Min () function ensures that the lowest of all calculated values will always be valid.
Im Stromsteuermodus kann mit Einsatz eines einfachen logischen Schalters in dem Modul bei der Strombegrenzerausgabe die Struktur zu einem vollständigen Funktionsstromreglermode geschaltet werden, und die Eingabe wird den Zielstromwert vorgegeben.In the current control mode, using a simple logic switch in the module at the current limiter output, the structure can be switched to a full function current regulator mode, and the input is given the target current value.
Bei der Überwachung des Eingangsspannungspegels, was in
Im Parallelen Arbeitsmodifizierer führt das einfache Summieren der modifizierenden Signale der Eingaben zu einer parallelen Verarbeitung, eine stärkere Begrenzung kann zur selben Zeit aktiv sein, jedoch stellt das System die höchstmögliche Leistung bereit, ohne aufwendige bestimmende Software.In the parallel work modifier, simply summing the modifying signals of the inputs results in parallel processing, a stronger constraint can be active at the same time, but the system provides the highest possible performance, without the need for expensive determining software.
Die verschiedenen Begrenzer errichten eine natürliche Prioritätsreihenfolge des physikalischen Verhaltens des Systems.The various delimiters establish a natural order of priority for the physical behavior of the system.
Die natürliche Reihenfolge ist:
- 0. maximaler Versorgungsstrom
- 1. maximaler Ausgangsstrom
- 2. Halten der Ausgangsspannung oder des Ausgangsstroms bei dem Zielwert
- 0. maximum supply current
- 1. maximum output current
- 2. Holding the output voltage or the output current at the target value
Eine niedrigere Ordnungszahl bedeutet eine höhere Priorität. Wenn dies erforderlich ist, kann die Reihenfolge beeinflusst werden, indem eine einfache Eintscheidungslogik verwendet wird, um eine flexiblere Anwendung zu erhalten, bspw. durch den Schalter in der Stromsteuerung oder den Strombegrenzermodus.A lower atomic number means a higher priority. If necessary, the order may be affected by using a simple decision logic to obtain a more flexible application, such as through the switch in the current control or current limiter mode.
Bei der Verstärkungsanpassung, die in
Anhand der Messdaten wurde die Verstärkungsplanungstabelle erstellt. Dieses Verfahren steigert die Robustheit der geschlossenen Schleife für eine große Vielzahl der externen Last. Mit dieser Erweiterung kann der Wandler sowohl eine offene Verbindung als auch eine Last von 10 mOhm, ähnlich einem Kurzschluss, versorgen.
Wenn das System eine Grenze erreicht, beginnt der Regler damit, die Ausgangsleistung linear zu verringern, um den Wert an der Grenze zu überwachen, bis dieser physikalisch möglich ist. Wenn die Betriebsbedingungen außerhalb des kontrollierbaren Bereichs sind, dann muss die Einrichtung in den fehlersicheren Zustand gehen. Wenn die Bedingungen normalisiert sind, dann fährt die Einrichtung damit fort, fehlerfrei zu arbeiten.When the system reaches a limit, the controller begins to reduce the output power linearly to monitor the value at the limit until it is physically possible. If the operating conditions are outside the controllable range, then the device must go into the fail-safe state. If the conditions are normalized then the facility will continue to work error free.
Das vorgestellte Verfahren hat eine Reihe von Vorteilen. So sichert die Softwareregelung die Zeitinvarianz der Reglers während der gesamten Lebenszeit. Aufgrund der durchgängigen Spannungssteuerung gibt es keine Übergänge zwischen Betriebsbereichen oder Arbeitspunkten. Durch die adaptive Regelschleife wird eine maximale Dynamik und Stabilität erreicht. Trotz nichtlinearer Hardwareelemente ist das Verfahren stabil und robust. Die Codegröße ist zudem äußerst kompakt.The presented process has a number of advantages. Thus, the software control ensures the time invariance of the controller during the entire lifetime. Due to the continuous voltage control, there are no transitions between operating ranges or operating points. The adaptive control loop achieves maximum dynamics and stability. Despite non-linear hardware elements, the process is stable and robust. The code size is also extremely compact.
Der Algorithmus ist einfach einzustellen, zu warten und an andere Einrichtungen anzupassen. Dies führt zu einer Verringerung der Entwicklungszeit. Die vorgestellte Architektur kann ebenfalls für andere Systeme nützlich sein, bei denen das Steuersignal in allen Arbeitsmodi gleich ist. Zudem wird ein transparenter und flexibler Code erreicht.The algorithm is easy to set, maintain and adapt to other facilities. This leads to a reduction in development time. The architecture presented may also be useful for other systems where the control signal is the same in all working modes. In addition, a transparent and flexible code is achieved.
Weiterhin sind eine Eingangsstrombegrenzung
Die Darstellung zeigt weiterhin Sättigungsblöcke
Das einfache Addieren der Fehler ergibt ein paralleles Arbeiten. Eine weitere Begrenzung ist zur selben Zeit aktiv, was zu einer natürlichen Priorität führt, die von dem physikalischen Verhalten des Systems herrührt, für das das Verfahren entwickelt wurde.Simply adding the errors results in parallel work. Another limit is active at the same time, resulting in a natural priority stemming from the physical behavior of the system for which the method was developed.
Die natürliche Reihenfolge:
- 0. minimale Versorgungsspannung,
- 1. maximaler Versorgungsstrom,
- 2. maximaler Ausgangsstrom,
- 3. Halten der Ausgangsspannung oder Ausgangsstroms bei Zielwert.
- 0. minimum supply voltage,
- 1. maximum supply current,
- 2. maximum output current,
- 3. Hold the output voltage or output current at target value.
Eine niedrigere Ordnungszahl bedeutet eine höhere Priorität.A lower atomic number means a higher priority.
Wenn dies erforderlich ist, kann die Reihenfolge beeinflusst werden, in dem eine einfache Arbitrationslogik verwendet wird, um ein breiteres Implikationsfeld zu erhalten, bspw. der Schalter zwischen der Stromregelung und dem Strombegrenzermodus.If necessary, the order in which a simple arbitration logic is used to obtain a wider implication field, such as the switch between current control and current limiter mode, may be affected.
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