本發(fā)明涉及一種用于運行直流電壓轉換器的方法以及一種用于執(zhí)行該方法的裝置。

背景技術：

也稱作dc/dc轉換器的直流電壓轉換器是如下電路，所述電路將在輸入端上輸送的直流電壓轉換成具有更高、更低或顛倒的電壓水平的直流電壓。在此，所述轉化通常借助于一個周期性工作的開關和一個蓄能器或多個蓄能器來進行。

在機動車中，直流電壓轉換器尤其是用在多電壓電網(wǎng)中，如所述多電壓電網(wǎng)例如用在混合動力車輛中的那樣。目前，在汽車工業(yè)中，在開發(fā)機動車中的混合驅動系統(tǒng)的情況下做出了密集的努力。通常，在汽車中的多電壓電網(wǎng)中，存在用于常規(guī)耗電器的12v電網(wǎng)以及用于新一代耗電器的48v電網(wǎng)。從中得出在所述兩個電網(wǎng)之間進行切換的必要性。對此，逆變轉換器（英文buck-boost-converter（降壓升壓轉換器））已經(jīng)被證明為合適的。

技術實現(xiàn)要素：

在該背景下，介紹一種具有權利要求1的特征的方法以及一種按照權利要求7所述的裝置。實施方式根據(jù)從屬要求以及說明書得到。

在此介紹的方法和相對應的裝置提供了一種軟件解決方案，該軟件解決方案滿足了所有要求，在不使用硬件的情況下表現(xiàn)出足夠的動態(tài)性能并且僅僅需要有限的計算能力。

所介紹的實現(xiàn)該方法的算法最初是作為快速反應的軟件組件來開發(fā)的，以便調節(jié)機動車中的電直流電壓轉換器單元。在這種情況下需要的是：不僅保證電池的安全運行而且保證連接在直流電壓轉換器上的所參與的耗電器的安全運行。除了對輸出電壓和輸出電流的調節(jié)以外，這還導致了嚴格的要求和限制。

該方法又尤其適合于所有電系統(tǒng)或技術系統(tǒng)，其中信號渡越時間至少是采樣時間的十分之一，并且其中輸入和輸出參量的改變彼此具有直接的物理關聯(lián)。

所開發(fā)的算法特別適合于：將輸出電壓和/或輸出電流調節(jié)到所給定的目標值；限制輸出電流；在使用唯一的線性調節(jié)器的情況下監(jiān)控輸入電壓的最小水平和輸入電流的最大水平，所述線性調節(jié)器不僅在電壓控制模式下工作而且在電流控制模式下工作，而不存在對級聯(lián)的模式調節(jié)器或被切換的模式調節(jié)器的需求。

該算法同時執(zhí)行下列任務：

1.在進行電流限制的情況下調節(jié)輸出電壓，以便遵循目標值；

2.在輸出電壓的最小和最大水平之內(nèi)調節(jié)輸出電流，以便遵循目標值；

3.將輸出電流限制到可變的水平，所述可變的水平有能力切換到電流調節(jié)模式，以便使目標值保持在輸出電壓的最小和最大水平之內(nèi)；

4.通過降低輸出電壓來將輸入電流限制到可變的水平；

5.通過防止輸入電壓下降到可變的最小水平之下來保護蓄電裝置，其中輸出功率被降低；

6.通過降低輸出電壓將在輸入或輸出側的功率限制在可變的水平。

所介紹的方法的特點在于，通過所述算法只使用一個調節(jié)器，所述調節(jié)器是電壓模式調節(jié)器。所述調節(jié)器的目標值利用故障信號的經(jīng)處理的并且級聯(lián)的值來修改。該解決方案的最終的結果是一種復雜地進行工作的、然而非常簡單的代碼。這是離散式線性miso（multipleinputsingleoutput（多輸入單輸出））塊。所有極限值都可以通過該應用動態(tài)地來修改。

如果控制信號在每個控制模式下都相同，那么該架構可以是有用的。最大的優(yōu)點在于，在系統(tǒng)到達不同的狀態(tài)期間，調節(jié)器或控制器遵循在工作極限之間的線性傳輸特性，其中工作環(huán)境予以考慮。因而，該系統(tǒng)的過渡是線性和連續(xù)的，這改善了調節(jié)的穩(wěn)定性和魯棒性。此外，級聯(lián)連接的缺少保證了總系統(tǒng)的更好的動態(tài)性能。關鍵要素是對輸入的故障信號的轉換和綁定（bindung）。該方法可以與大多數(shù)類型的調節(jié)器一起使用。

所描述的方法例如與直流電壓轉換器結合地來使用，其中開關元件由時間控制的pwm發(fā)生器來操控。在此不使用硬件電流調節(jié)器。對于轉換器來說，傳遞函數(shù)uaus/uein必須是有效的。相互考慮的信號的渡越時間比采樣時間快幾個量級。由于比較長的采樣時間，該系統(tǒng)不能被劃分成在時間上不同地被適配的過程。

應考慮的是，自動化應用環(huán)境對轉換器的電壓調節(jié)器算法提出了高要求。所述調節(jié)器的主要要求對應于逆變轉換器朝兩個方向進行轉換的要求。介紹了一種更高階的時變非線性功率轉換系統(tǒng)，所述功率轉換系統(tǒng)在所有工作點都穩(wěn)定地工作。

時變性由于傳遞函數(shù)與負載電阻的相關性，在電阻、電感、電容和功率晶體管中的非線性以及在輸入和輸出電壓中的高的變化而存在。

此外，在所有工作點都提供了針對所耦合的功率電子裝置的高動態(tài)性。在輸入端和輸出端上遵循電壓和電流限制。功率得以保持。

此外，代碼與有限的容量、渡越時間限制以及有限的采樣率適配。因此，調節(jié)器必須以較小的采樣率來工作。

該算法的作用方式原則上基于不同的輸入和輸出的緊密的并且簡單的物理關聯(lián)。這意味著，輸入信號彼此間可以利用實際上的簡單的數(shù)學函數(shù)來變換。

因此，介紹了一種自適應的、離散式miso多功能算法，其具有一個單獨的用于直流電壓轉換器的調節(jié)器。所開發(fā)的算法的特點在于，所述算法僅僅使用了一個簡單的線性調節(jié)器。

本發(fā)明的其它優(yōu)點和設計方案從說明書和隨附的附圖中得到。

易于理解的是，在上文提到的和在下文還要闡述的特征不僅能以分別說明的組合來使用，而且能以其它組合或單獨地來使用，而不脫離本發(fā)明的保護范圍。

附圖說明

圖1示出了裝置的一個實施方式，

圖2示出了用于進行輸入電流限制的單元，

圖3以曲線圖示出了根據(jù)負載的頻率響應，

圖4以框圖示出了多輸入調節(jié)器。

具體實施方式

本發(fā)明依據(jù)附圖中的實施方式示意性地予以示出，并且隨后參考附圖詳細地予以描述。

圖1示出了裝置或控制器裝置的結構，所述裝置總體上用附圖標記10來表示并且用于執(zhí)行所介紹的方法。此外，該圖還示出了直流電壓轉換器12，所述直流電壓轉換器12由所述裝置10來操控。

此外，該圖還示出了放大適配裝置14、調節(jié)器16（尤其是電壓調節(jié)器，在該情況下是pid調節(jié)器）、輸出電流限制裝置18、輸入電流限制裝置20、輸入電壓限制裝置22。此外，還設置有用于進行負載識別的單元24、選擇最小值的第一塊28、選擇最小值的第二塊30以及實施了函數(shù)≥0的環(huán)節(jié)32。作為調節(jié)參量的是電壓uset40、供電電壓uversorg42、最大輸出電流iaus,max44、最大供電電流iversorg,max46以及最小供電電壓uversorg,min48。

直流電壓轉換器12的輸出參量是電壓u50和電流i52。直流電壓轉換器12的輸入?yún)⒘恳约敖璐苏{定量（stellgroesse）都是占空比54。

在借助于電壓調節(jié)器16進行電壓調節(jié)的范圍內(nèi)，在上文提到的轉換器的情況下，占空比確定了輸入電壓與輸出電壓之比。作為調節(jié)的調定量的控制信號是占空比，所述占空比物理地確定了輸入電壓與輸出電壓之比。因而，所述調節(jié)與參考信號無關。調節(jié)功能一般是pid塊。但是調節(jié)器類型可以改變。

在輸出電流限制裝置18的情況下，所應用的電流調節(jié)是一種間接方法，基于歐姆定律和電壓調節(jié)。該算法估計直流電壓轉換器10的當前的歐姆負載，而且借此并且利用實際上的最大電流來產(chǎn)生電壓值。如果該值小于當前的目標電壓，則目標參量由下面的值代替：

（1），

（2）。

圖2以框圖闡明了在圖1中用附圖標記20表示的輸入電流限制裝置。該圖示出了用于在最大輸入電流方面的參數(shù)的輸入端70和用于在最大輸出電流方面的參數(shù)的輸入端72。此外，還設置有用于占空比的輸入端74，在輸出端76上的參量是最大輸出電流。此外，還示出了效率塊80和選擇最小值的塊82。

有下式成立：

（3）。

通過充分利用進行切換的直流電壓轉換器，可以使限制方法擴展。轉換器的電壓比和以塊80來表示的效率確定了輸入電壓與輸出電壓之比。因而，實際上的輸入電流值可以容易地被轉換到輸出側。在對兩個值進行比較之后，較小的值被視為實際上的電流極限。

為了進行輸入/輸出功率限制，電流限制結構利用數(shù)學公式來擴展，以便觀察功率極限值。在有些情況下需要輸入或輸出電壓在最高工作區(qū)內(nèi)。在這些情況下，輸出功率可能會超過該單元的標稱值并且導致過載情況，而不違反電流極限。

或（4）

簡單的min()函數(shù)保證：所有計算出的值中的最低值將始終是有效的。

在電流控制模式下，在進行電流限制輸出時，在模塊中使用簡單邏輯開關的情況下可以將所述結構切換到完全的功能電流調節(jié)模式，而且輸入被預先給定目標電流值。

在監(jiān)控輸入電壓水平（這在圖1中通過塊22來實現(xiàn)）時，應注意：在許多情況下，機動車的功率源未提供足夠的功率，以便保持蓄能單元的電壓水平。因而，轉換器單元必須考慮在輸入側的電壓的最小值，并且必須在考慮車輛功率管理裝置的指令的情況下通過監(jiān)控輸出功率來保證最小輸入電壓水平。對于調節(jié)器來說，這是最復雜的情況。不過，對于這種情況來說同樣存在對所述值的轉換。為了提高系統(tǒng)的魯棒性，將附加的輔助調節(jié)器連接到調節(jié)回路中。如果輸入電壓達到最小的水平并且形成反向調節(jié)回路，那么所述輔助調節(jié)器降低了主調節(jié)器的實際上的目標電壓。

在并行工作修改器中，輸入的修改信號的簡單求和導致并行處理，更強烈的限制可以在相同的時間是有效的，但是該系統(tǒng)在沒有花費高的進行確定的軟件的情況下提供了最高可能的功率。

不同的限制器建立起該系統(tǒng)的物理行為的自然優(yōu)先級順序。

自然順序是：

0.最大供電電流；

1.最大輸出電流；

2.使輸出電壓或輸出電流保持在目標值。

較低的階數(shù)意味著較高的優(yōu)先級。如果這是必需的，則該順序可以被影響，其方式是，例如通過電流限制模式或者在電流控制裝置中的開關來使用簡單的決策邏輯電路，以便獲得更靈活的應用。

在圖1中通過塊14實現(xiàn)的放大適配的情況下，經(jīng)調節(jié)的系統(tǒng)強烈地取決于負載。線性調節(jié)器的缺點在于，其可能在圍繞單個工作點的比較狹窄的范圍內(nèi)執(zhí)行最大動態(tài)功率，而不冒不穩(wěn)定的危險。作為對時變系統(tǒng)的挑戰(zhàn)的回應，已經(jīng)應用放大規(guī)劃方法，以便考慮和補償動態(tài)地進行改變的負載的寬范圍的影響，在所述放大規(guī)劃方法的情況下，對所述調節(jié)的放大的動態(tài)變化根據(jù)實際情況來觀察。

放大規(guī)劃表是依據(jù)測量數(shù)據(jù)來制訂的。該方法提高了用于大數(shù)目的外部負載的閉合回路的魯棒性。利用所述擴展，轉換器不僅可以給斷開的連接供電，而且可以給類似于短路的10毫歐的負載供電。圖3闡述了傳遞函數(shù)如何根據(jù)負載來改變。應考慮的是，在實際應用中，主調節(jié)器是一個單獨的積分器部件，這非常簡單地構造了放大規(guī)劃。

圖3以圖表示出了根據(jù)負載的頻率響應。在此，上面繪出了大小[db]而下面繪出了相位[deg]。在此，在不同的歐姆負載的情況下，在占空比的輸入與到直流電壓轉換器的輸出的占空比為30%的情況下，開始于0.025o直至100o以七個步驟繪出了該裝置的開環(huán)特性。

如果系統(tǒng)該達到極限，則調節(jié)器開始線性地降低輸出功率，以便監(jiān)控在極限上的值，直至該值在物理上是可能的。如果運行條件在可監(jiān)控范圍之外，那么該裝置必須進入故障安全狀態(tài)。如果所述條件恢復正常，那么該裝置借此繼續(xù)無故障地工作。

所介紹的方法具有一系列優(yōu)點。這樣，軟件調節(jié)保證了調節(jié)器在整個壽命期間的時不變性。由于貫穿始終的電壓控制，在運行范圍或工作點之間不存在過渡。通過自適應調節(jié)回路，實現(xiàn)了最大的動態(tài)性和穩(wěn)定性。盡管硬件元件非線性，該方法仍然是穩(wěn)定和魯棒的。此外，代碼大小是極其緊湊的。

該算法能簡單地來調整、維護并且與其它裝置適配。這導致開發(fā)時間的降低。對于其中控制信號在所有工作模式下都是相同的其它系統(tǒng)來說，所介紹的架構同樣可以是有用的。此外，實現(xiàn)了透明并且靈活的代碼。

圖4以框圖示出了具有多重輸入端的調節(jié)器的理論信號流圖。設置有：用于最大供電電流的第一輸入端100；用于供電電流的第二輸入端102；用于最小供電電壓的第三輸入端104；用于供電電壓的第四輸入端106；用于調節(jié)參量uset的第五輸入端108；用于最大輸出電流的第六輸入端110；用于輸出電流的第七輸入端112；用于關于是執(zhí)行電壓調節(jié)還是執(zhí)行電流調節(jié)的選擇信號的第八輸入端114；用于輸出電壓的第九輸入端116；以及用于所估計的負載的第十輸入端118。

此外，還示出了集成在圖1的塊18中的輸入電流限制裝置130、根據(jù)來自圖1的塊22的輸入電壓限制裝置132、以及根據(jù)圖1的塊18的輸出電流限制裝置134。

此外，該圖還示出了飽和塊140、142和144和關于電流限制/調節(jié)的選擇開關146，所述飽和塊140、142和144保證：輸出保持在負范圍內(nèi)。此外，還示出了根據(jù)圖1中的塊14的放大適配裝置150和根據(jù)圖1中的塊16的電壓調節(jié)裝置154。

并行工作得到故障的簡單的相加。另一限制在相同的時間是有效的，這導致自然優(yōu)先級，所述自然優(yōu)先級由該系統(tǒng)的物理行為導致，所述方法是針對該系統(tǒng)來開發(fā)的。

自然順序：

0.最小供電電壓；

1.最大供電電流；

2.最大輸出電流；

3.使輸出電壓或輸出電流保持在目標值。

較低的階數(shù)意味著較高的優(yōu)先級。

如果這是必需的，那么該順序可以被影響，其方式是，使用簡單的仲裁邏輯電路、（例如在電流調節(jié)與電流限制模式之間的開關），以便獲得更寬的蘊涵域。