用于查明表征电路装置中的电流或电压的参数的方法和装置

技术领域

本发明涉及用于查明参数的一种方法和一种装置，其中所述参数表征电路装置中的电流或电压。此外，本发明涉及一种电流调节器、一种具有相应的装置的驱动系和一种具有驱动系的车辆以及一种计算机程序和一种机器可读的存储介质。

背景技术

由现有技术已知用于用来使用在车辆中的有源的电压转换器的电路装置。对电压转换器的功率密度和效率提出了高要求。为了最小化无源的结构元件、尤其电感器、扼流圈或变压器的结构尺寸，以处于几百kHz的范围内的高开关频率来运行所述电压转换器。为了同时确保高效率，将使用在有源的电压转换器中的开关元件或功率半导体软接通，这也被称为“零电压开关(zero voltage switching)”(ZVS)。在确保ZVS的同时对这样的系统进行的调节表现出一种较大的技术挑战。通常，这样的调节借助于对电流的过零点的探测(也被称为零电流探测(Zero Current Detectio、ZCD))来实现，如例如在公开文献CH 701856 A2中所公开的那样。这些调节在其动态和稳定性方面提供了许多优点。

然而，特别是在功率电子器件中的持续变大的开关频率和与此相关的短的周期持续时间方面也产生了传统的ZCD方法的决定性的缺点：对电流的所查明的或所探测的过零点的直接反应对功率电子系统的控制单元(例如微控制器或ASIC)提出了非常高的要求。这是因为必须立即、也就是说还在同一个开关周期之内对电流过零点作出反应，例如在这种方法中必须在过零点之后查明所接通的开关的剩余的接通时间(参见图3，S2on+)。在此，必须实施多次运算操作和寄存器访问，所述运算操作和寄存器访问不允许持续得比功率电子器件的开关频率的周期的一小部分时间要长。此外困难的是，没有为ZCD信号的核实和错误校正留下时间。此外，许多微控制器没有提供对PWM模块进行直接的外部干预的可行方案。此外，在传统的ZCD方法中开关频率通常不可控制。传统的方法也不是真正意义上的调节、而是控制。

因此，存在对用于有源的电压转换器的调节方法的需求，对所述调节方法来说不存在立即对电流过零点作出反应的必要性。

发明内容

提供了一种用于查明参数的方法，其中所述参数表征电路装置中的电流或电压。所述电路装置包括电感器，其中交替的扼流圈电流流动通过所述电感器。所述方法包括以下步骤：查明所述扼流圈电流的两个过零点之间的至少一个持续时间或者所述扼流圈电流的过零点与角点之间的持续时间；根据所查明的持续时间来查明所述参数。

提供了一种方法，在所述方法中查明参数，其中所述参数表征电路装置中的电流或电压。所述电路装置包括电感器。所述电感器优选是变压器的扼流圈或初级或次级绕组，其优选在直流电压转换器中或在充电器具中优选用于将输入端和输出端电分开。所述电感器被交替的扼流圈电流流过。“交替地”意味着，所述扼流圈电流交替地具有负值和正值。为了使所述扼流圈电流交替，所述电感器在该电感器的第一接头处交替地与第一电位、优选正电位和第二电位、优选负电位连接。作为结果产生了通过所述电感器的扼流圈电流，该扼流圈电流交替地线性地上升直至最大正值并且随后线性地下降直至最小负值等。所述扼流圈电流达到最大正值的时刻在下面被称为正角点。所述扼流圈电流达到最小负值的时刻在下面被称为负角点。从线性上升到线性下降的变换或者相反的变换在所述电感器的单侧连接从第一电位变换到第二电位时进行或者相反地进行。在所述扼流圈电流从最大正值下降到最小负值期间，在所述扼流圈电流的所谓的、优选第一过零点中所述扼流圈电流的符号由正变换到负。在所述扼流圈电流从最小负值上升到最大正值期间，在所述扼流圈电流的优选第二过零点中所述扼流圈电流的符号由负变换到正。优选借助于具有两个开关元件的半桥来进行所述电感器的第一接头与第一电位和第二电位的连接，其中第一开关元件一方面与所述第一电位连接并且另一方面与所述半桥的中间分接头连接，并且第二开关元件一方面与所述第二电位连接并且另一方面与所述半桥的中间分接头连接，其中所述电感器用第一接头与所述中间分接头连接。为此优选交替地分别接通一个开关元件而切断另一个开关元件。因此，对所述开关元件中的至少一个开关元件的操控的时刻也分别对应于以下时刻之一，在所述时刻所述扼流圈电流要么达到最大正值要么达到最小负值。优选所述电感器用第二接头与第三电位连接。为了使所述第一电位与第二电位不同，优选在所述第一、第二或第三电位中的两个电位之间加载有输入电压。所述输入电压优选是交流电压或直流电压。优选所述输入电压的频率比交替的扼流圈电流的频率小得多、优选小了至少一个数量级。优选而后在所述交替的扼流圈电流的周期期间产生近似恒定的电压。借助于所述方法的一步骤来查明所述扼流圈电流的两个过零点之间、优选所述扼流圈电流的第一过零点与紧随其后的第二过零点之间的至少一个持续时间。由此，优选查明所述扼流圈电流的第一过零点与扼流圈电流的紧接其后的第二过零点之间的持续时间，其中在所述第一过零点中所述符号由正变换到负或者由负变换到正，并且在所述第二过零点中所述符号由负变换到正或者由正变换到负。或者查明所述扼流圈电流的过零点与角点之间、优选所述扼流圈电流的第二过零点与正角点之间的持续时间。在对查明两个过零点之间或过零点与角点之间的持续时间的表述中，过零点是指以下时刻，在所述时刻所述交替的扼流圈电流的符号由正变换到负或者由负变换到正。在所述方法的另一步骤中，根据所查明的持续时间来查明所述参数。

有利地提供一种方法，所述方法能够实现根据时间参量来查明参数，所述时间参量则结合扼流圈电流的过零点来进行查明，其中所述参数表征电路装置中的电流或电压。为此不需要电流或电压传感器。有利的是，取而代之地使用两个过零点之间的持续时间或者角点与过零点之间的持续时间，以便优选地查明信息、如所述电路装置内的扼流圈电流或电压的平均值或峰值。而后优选基于这些新获得的参数或测量值来构建调节或状态估计。有利地在这种方法中，在借助于所述调节器或状态估计器作出反应之前，经过了一个或多个完整的周期。因此，优选能够实施对ZCD信号的核实和错误识别，这提高了品质。有利地，能够使用更合算的微控制器，因为对所需要的运算操作来说更多的时间可供使用。基于所获得的信息，优选能够将另外的调节器用于多个参量。优选也能够在不取决于扼流圈电流的平均值的情况下构建用于电流反转点或开关频率的调节。优选能够借助于这种方法来高动态地(每个开关周期)检测有待调节的扼流圈电流。有利地，能够节省否则必需的电流传感器或者能够使用具有较小带宽的更合算的传感器。有利地，通过基于过零点时间的附加的状态估计产生了用于其他传感器的节省潜力。有利地，优选将所述参数作为调节回路的反馈参量用于调节电压转换器。

在本发明的另一种设计方案中，所述方法涉及对参数的查明，其中所述参数表征通过所述电路装置中的电感器的电流。所述电路装置包括拥有第一开关元件和第二开关元件的半桥。所述第一开关元件一方面与第一电位连接并且另一方面与半桥的中间分接头连接。所述第二开关元件一方面与第二电位连接并且另一方面与半桥的中间分接头连接。所述电感器用第一接头与中间分接头连接并且用第二接头与第三电位连接。在所述第一电位与所述第三电位之间加载有输入电压。所述方法包括以下步骤：以可预先给定的占空比交替地操控或者接通和切断所述第一开关元件和第二开关元件，从而产生通过所述电感器的交替的扼流圈电流；查明所述扼流圈电流的过零点之间的持续时间；根据输入电压、电感器的大小、占空比和所述扼流圈电流的过零点之间的持续时间、优选第一过零点与第二过零点之间的持续时间来查明所述参数。

有利地提供一种用于电路装置的方法，所述方法能够实现根据结合扼流圈电流的过零点所查明的时间参量来查明以下参数，其中所述参数表征通过所述电路装置中的电感器的电流。所述有待查明的参数表征电流，其中所述电流优选是所述电路装置的输入电流。

在本发明的另一种设计方案中，所述有待查明的参数是通过电感器的扼流圈电流的电流平均值。优选以可预先给定的频率交替地操控所述第一开关元件和第二开关元件，并且尤其根据周期持续时间来查明所述电流平均值。

提供了一种方法，其中作为参数有利地查明所述扼流圈电流的电流平均值。优选除了已经提到的参量之外，还根据交替的扼流圈电流的周期持续时间来查明该电流平均值。所述有待查明的作为电流平均值的参数优选与所述电路装置的输入电流的数值相对应或相关联。

在本发明的另一种设计方案中，所述有待查明的参数是通过电感器的扼流圈电流的负的峰值或正的峰值。优选所述扼流圈电流的负的峰值相应于扼流圈电流的最小负值，并且所述正的峰值相应于扼流圈电流的最大正值。

有利地提供了一种方法，其中作为参数来查明所述扼流圈电流的负的峰值和/或正的峰值。

在本发明的另一种设计方案中，对所述过零点之间的持续时间的查明包括对所述扼流圈电流的第一过零点的第一时刻的查明和对所述扼流圈电流的第二过零点的第二时刻的查明。优选对所述过零点之间的持续时间的查明包括对第一时刻的查明和随后的对第二时刻的查明，其中在所述第一时刻所述扼流圈电流的符号由正变换到负或者由负变换到正，并且在所述第二时刻所述扼流圈电流的符号由负变换到正或者由正变换到负。

优选对所述过零点的时刻的查明借助于检测过零点的传感器、优选借助于电流传感器或借助于以感应方式获得的信号来进行。

有利地提供了一种用于查明过零点之间的时刻的方法。

在本发明的另一种设计方案中，借助于计数器、优选微控制器来查明所述时刻之间、优选所述第一时刻与随后的第二时刻或者所述第二时刻与随后的第一时刻之间的持续时间。

一种能够借助于简单的技术手段来实现的对持续时间的查明是对计数器、优选微控制器的使用。每个微控制器拥有计数器，所述计数器以等距离的时间间隔继续计数。因此，从计数器读数的从第二时刻到第一时刻的差值中能够确定流逝的持续时间。

有利地提供了一种用于查明所述时刻之间的持续时间的方法。

此外，本发明涉及一种计算机程序，其包括指令，所述指令在通过计算机执行所述程序时促使该计算机以执行所描述的方法或所述方法的步骤。

此外，本发明涉及一种计算机可读的存储介质，其包括指令，所述指令在通过计算机执行时促使该计算机以执行所描述的方法或所述方法的步骤。

此外，本发明涉及一种用于调节通过电感器的扼流圈电流的电流调节器，所述电流调节器具有逻辑单元和调节器，其中所述逻辑单元设立用于执行所描述的方法，其中所查明的参数作为所述调节的反馈参量由所述调节器来加以考虑并且优选所述占空比作为调节参量被输出，其中根据所述占空比对所述第一开关元件和第二开关元件进行操控。

提供了一种具有逻辑单元和调节器的电流调节器，以用于调节通过电感器的扼流圈电流、优选通过电感器的电流平均值或电路装置的输入电流。所述调节器将借助于所描述的方法所查明的参数考虑作为反馈参量。优选所述占空比作为调节参量被输出。但是优选在直接切换的方法中，开关频率或任意其它的脉冲模式也能够作为调节参量被输出。

有利地提供了一种电流调节器，所述电流调节器将借助于过零点之间的持续时间所查明的参数考虑作为反馈参量。在这种调节中能够有利地放弃电流传感器。

此外，本发明涉及一种具有电感器的装置、尤其直流电压转换器或充电器具，其中所述电感器布置在电路装置中，其中所述装置设立用于执行所描述的方法。在此所查明的参数作为测量参量在所述装置的内部继续使用，例如在对所查明的或所计算的、所估计的、所观察的或所测量的参量进行核实时继续使用。或者所查明的参数通过接口优选借助于线缆、无接触地、通过无线电或光导体向所述装置的外部传输。

提供了一种装置，在该装置中集成了所述电路装置，并且在该装置中执行所述方法以用于查明参数。所查明的参数要么在所述装置的内部为了该装置的运行而继续使用，要么为了在外部、优选在另一装置或控制器中继续使用而向外部传输。

此外，本发明涉及一种具有所描述的装置并且尤其具有功率电子器件和/或电驱动装置的驱动系。这样的驱动系例如用于驱动电动车。借助于所述方法和装置能够实现可靠地运行所述驱动系。

此外，本发明涉及一种具有所描述的驱动系的车辆。由此有利地提供了一种包括所描述的装置的车辆。

不言而喻，按照本发明的方法的特征、特性和优点相应地适用于或者可应用于所述电流调节器、装置或者驱动系和车辆并且反之亦然。

本发明的实施方式的另外的特征和优点由下文中参考附图所作的说明得出。

附图说明

下面应借助于一些附图来详细解释本发明，为此：

图1示出了电路装置的示意图，

图2示出了扩展的电路装置的示意图，

图3示出了具有交替的扼流圈电流的示意性地所示出的电流/时间图表，

图4示出了示意性地所示出的电流调节器，

图5示出了具有电感器的示意性地所示出的装置，其中所述电感器处于电路装置中，

图6示出了具有驱动系的示意性地所示出的车辆，

图7示出了用于一种用来查明参数的方法的示意性地所示出的流程图，其中所述参数表征电路装置中的电流或电压。

具体实施方式

图1示出了一种电路装置200，其中所述电路装置200包括电感器L，交替的扼流圈电流I_L流动通过该电感器。所述电感器优选是变压器的扼流圈或初级或次级绕组，其优选在直流电压转换器中或在充电器具中优选用于将输入端和输出端电分开。优选地就几百kHz的频率而言的高频的交替的扼流圈电流I_L在电感器L的供应线路中引起电流。用来表征这种电流的参数优选是扼流圈电流I_L的电流平均值I_avg、最小负值I_N和/或最大正值I_P或者扼流圈电流I_L的峰值。所述通过电感器L的扼流圈电流I_L也在电路装置中引起电压。用来优选当负载或阻抗与电感器L连接时表征电压的参数优选是加载在第一电位与第二电位P1、P2之间的电压V_c。这些参数I_avg、I_N、I_P、V_c能够根据扼流圈电流I_L的两个过零点N_-、N_+之间的持续时间TN1或扼流圈电流I_L的过零点N_-、N+与角点E_-、E_+之间的持续时间TNE1来查明。

此外，所述电路装置200优选包括拥有第一开关元件S1和第二开关元件S2的半桥。所述第一开关元件S1一方面与第一电位P1连接并且另一方面与半桥的中间分接头M连接。所述第二开关元件S2一方面与第二电位P2连接并且另一方面与半桥的中间分接头M连接。所述电感器L用第一接头与中间分接头M连接并且用第二接头与第三电位P3连接。优选在所述第一电位P1与所述第三电位P3之间加载有输入电压V_in。作为替代方案，这个输入电压V_in也能够加载在第三电位与第二电位之间或者也能够加载在第一电位P1与第二电位P2之间。在加载输入电压V_in的情况下，能够通过对所述开关元件S1和S2的适当的操控、优选高频的操控来产生通过所述电感器L的交替的扼流圈电流I_L。所述输入电压V_in优选是直流电压或交流电压，其中与扼流圈电流I_L的频率相比所述输入电压的频率小得多，优选所述频率为大约50Hz或至少小于1kHz。优选借助于二极管整流器将交流电压整流成作为输入电压的直流电压。

图2示出了在图1中所示出的电路装置200的扩展的电路装置200。此外，按照图2的电路装置200包括第一电容器C1，该第一电容器布置在第一电位P1与第二电位P2之间并且分别与它们连接。所述第一电容器C1优选是中间电路电容器并且优选设计为电解质-电容器。优选能够根据扼流圈电流I_L的过零点N_-、N_+与角点E_-、E_+之间的持续时间TNE1和/或TNE2来查明以下参数，该参数表征这个第一电容器C1上的电压V_c(也参见图3)。

例如，对这种电路装置来说适用的是：

在TNE1期间：

/>

在TNE2期间：

将(1)代入(2)中而得出：

此外，所述电路装置包括第二电容器和/或第三电容器C2、C3。所述第二电容器C2一方面与第一电位P1连接并且另一方面与第三电位P3连接。所述第三电容器C3一方面与第三电位P3连接并且另一方面与第二电位P2连接。优选当所述开关元件S1和S2被交替地闭合和断开时，这些电容器C2、C3用于平滑电路装置200中的电流的电流变化曲线和电压的电压变化曲线。

图3示出了示意性地所示出的电流/时间图表。在该图表中绘出了通过扼流圈、变压器的初级或次级绕组、或电感器L的交替的扼流圈电流I_L。当所述开关元件S1和S2被交替地闭合和被断开时，产生所述扼流圈电流I_L的所示出的变化曲线。例如绘出了持续时间S2on，在该持续时间期间所述第二开关元件S2被接通。因此，在这个持续S2on期间，所述第一开关元件S1被断开。此外绘出了持续时间S1on，在该持续时间期间所述第一开关元件S1被闭合并且因此所述第二开关元件S2被断开。所述持续时间S2on和S1on的这种次序重复。在持续时间S2on与S1on之间或S2on与S1on之间进行所述开关元件的切换。周期持续时间T由持续时间S2on和S1on的总和得出。所述持续时间S1on与T的比例被称为占空比a1。在所述开关元件的切换时刻产生通过所述电感器L的扼流圈电流I_L的角点E_-、E_+以及负的峰值和正的峰值、即最小负值I_N和最大正值I_P。对高频的扼流圈电流I_L来说平均地产生电流平均值I_avg，该电流平均值能够借助于对正常的高频的扼流圈电流I_L的在图形方面的分析而在图表中根据所述扼流圈电流I_L的两个过零点N-、N+之间的持续时间TN1、优选根据输入电压V_in、电感器L的大小、占空比a1和所述扼流圈电流I_L的过零点之间的持续时间TN1、以及周期持续时间T来查明。如果对V_c的检测比对V_in的检测更为容易，则也能够优选根据V_c来建立下面描述的公式。

借助于基本几何形状的截距定理(Strahlensatz)由所述扼流圈电流的几何变化曲线得出：

并且对在持续时间S1on期间具有di/dt＝Vin/L的增加的电流来说适用：

/>

由此得出：

此外，也能够查明通过所述电感器L的扼流圈电流I_L的负的峰值或正的峰值I_N、I_P：

从全部的电流波纹

知

以及

能够通过代入I_N和I_P来确定出：

所述公式仅在稳定的、稳态的状态下适用于这种电路，然而也能够为其他拓扑结构推导出类似的公式。所述方法的大的优点在这里再次变得明显：对电流的和基于此的对电路的调节干预的计算优选能够在持续时间TN1之后进行并且优选也还能够在下一个周期的范围内延伸。在传统的ZCD方法中在这种情况下必须直接对所述过零点N-的信号作出反应。这优选降低了对硬件的要求并且提供了足够的时间来对测量进行核实。

因此，优选通过所述方法实现了用于被切换的电流的平均值的高动态的“传感器”。利用传统的调节结构能够设定所期望的扼流圈电流。所述扼流圈电流I_L的所查明的电流平均值I_avg在切换周期之后就已经可供使用，这能够使得对此作出反应的调节器具有非常高的性能。这能够实现使快速切换的电流动态性稳定。对其它拓扑结构来说，能够类似地基于过零点之间或者过零点与角点之间的所测量的持续时间来推断出其它状态，这引起了对所需要的传感器的减少并且随之带来直接的成本节省。

图4示出了示意性地所示出的、用于对通过电感器L的扼流圈电流I_L进行调节的电流调节器280。在逻辑单元290中，根据所查明的持续时间TN1、输入电压V_in和占空比a1来查明所述参数。按照所描述的方法根据扼流圈电流I_L的两个过零点N_-、N_+之间的持续时间TN1所查明的参数作为所述调节的反馈参量由所述电流调节器280的调节器295来加以考虑，其中所述参数优选是通过所述电感器L的扼流圈电流I_L的电流平均值I_avg、负的峰值I_N和/或正的峰值I_P。为此，将调节偏差作为电流目标值I_soll和反馈参量的差值输送给所述调节器295。优选占空比a1被所述调节器295作为调节参量查明并且输出。因此，与传统的ZCD方法相比，不需要用于PWM调制器/计时器模块的特殊的接口，而是仅预先给定所述占空比。因此，明显提高了可使用的微控制器的数量。

图5示出了具有电感器L的示意性地所示出的装置300，其中所述电感器处于电路装置200中。所述装置300尤其设计为直流电压转换器和/或设计为充电器具。所述装置300设立用于按照所描述的方法根据扼流圈电流I_L的两个过零点N_-、N_之间的持续时间TN1或第一持续时间TNE1和第二持续时间TNE2来查明参数、优选作为电流平均值I_avg、负的峰值I_N或者正的峰值I_P的参数。所查明的参数I_avg、I_N、I_P、V_c作为测量参量在所述装置300的内部继续使用或者通过接口向该装置300的外部传输。

图6示出了示意性地所示出的车辆500、优选具有驱动系400的机动车、船或飞机。除了装置300之外，所述驱动系优选包括电池410、逆变器420、电机430和/或充电插座310。优选所述电池410向逆变器420供应电能。优选所述逆变器420将电池410的电能转换成多相交流电压以用于给电机430供电。优选所述装置300设计为直流电压转换器或充电器具。优选所述直流电压转换器将电池410的电能转换成优选用于给车辆500的车载电网供电的低压并且/或者相反地进行。优选所述充电器具将通过充电插座310所输送的电能转换成优选用于给电池410充电的高压能量或者相反地进行。

图7示出了用于一种用来查明参数I_avg、I_N、I_P、V_c的方法100的示意性地所示出的流程图，其中所述参数I_avg、I_N、I_P、V_c表征电路装置200中的电流或电压。所述方法以步骤105开始。在步骤110中，优选交替地操控所述第一开关元件和第二开关元件S1、S2，从而产生通过所述电感器L的交替的扼流圈电流I_L。在步骤120中，查明所述扼流圈电流I_L的两个过零点N_-、N_+之间的至少一个持续时间TN1或所述扼流圈电流I_L的过零点N_-、N_+与角点E_-、E_+之间的持续时间TNE1。在步骤130中，根据所查明的持续时间TN1、TNE1来查明参数I_avg、I_N、I_P、V_c。以步骤135结束所述方法。