Устройство управления параллельной работой преобразователей постоянного напряжения, прежде всего в имеющей несколько уровней напряжения электрической бортовой сети транспортного средства

 

Изобретение относится к электротехнике, в частности к устройству и способу управления параллельной работой преобразователей постоянного напряжения, прежде всего в имеющей несколько уровней напряжения электрической бортовой сети транспортного средства, с двумя регулировочными диапазонами напряжения (U₁) и (U₂). Между этими диапазонами напряжения расположены указанные параллельно включенные преобразователи напряжения, при этом лишь один из преобразователей напряжения выполнен в виде активного регулятора напряжения, а остальные (n-1) преобразователи работают в соответствии с необходимой потребностью в мощности либо в режиме полной нагрузки, либо в режиме холостого хода. Техническим результатом изобретения является повышение мощности преобразователей постоянного напряжения за счет контролируемого управления параллельной работой нескольких отдельных преобразователей при одновременном предотвращении указанных выше колебаний, обусловленных паразитной связью. 13 з.п. ф-лы, 4 ил.

Уровень техники Для повышения мощности преобразователей постоянного напряжения они работают в режиме "ведущий-подчиненный". В этом режиме "ведущий-подчиненный" так называемое "ведущее" устройство как устройство более высокого уровня берет на себя функции по регулированию всей системы. Один или несколько преобразователей как устройств нижнего уровня (являющихся "подчиненными" устройствами) работают в регулируемом режиме, что потенциально создает условия для многократного увеличения электрической мощности. Управлять преобразователем, являющимся подчиненным устройством, можно, например, путем передачи на электрические вентили команд на переключение (например сигнала, управляющего переключающими транзисторами).

Предпосылки создания изобретения Преобразователи постоянного напряжения применяют для получения напряжения одного или нескольких уровней или для передачи энергии между двумя потенциалами с различными уровнями напряжения (например, в электрической бортовой сети транспортного средства с двумя уровнями напряжениями в 14 и 42 В). Для гибкого изменения выходной мощности в соответствии с требуемой максимальной величиной представляется целесообразным использовать с выходной стороны схему с параллельным включением n отдельных преобразователей. Подобная конфигурация показана на фиг.1.

Источником входного напряжения при этом является, например, генератор транспортного средства. Если для каждого преобразователя предусмотрено автономное регулирование напряжения, то в системе могут возникать колебания, обусловленные паразитной связью из-за наличия на выходной стороне общего соединения этих преобразователей постоянного напряжения.

Задача изобретения В основу настоящего изобретения была положена задача повысить мощность преобразователей постоянного напряжения за счет контролируемого управления параллельной работой нескольких отдельных преобразователей при одновременном предотвращении указанных выше колебаний, обусловленных паразитной связью. Эта задача решается с помощью устройства и способа управления параллельной работой преобразователей постоянного напряжения, представленных в главном пункте, а также в зависимых пунктах формулы изобретения.

Преимущества изобретения Преимущество указанного принципа распределения нагрузки, заявленного в п. 1 формулы изобретения, состоит в устранении в системе из параллельно работающих регуляторов напряжения опасности возникновения колебаний, обусловленных паразитной связью между ними. Пространственно преобразователи могут быть расположены близко друг к другу или отдельно друг от друга. В отличие от известных способов обмен информацией между преобразователями должен происходить только в момент переключения. Для этой цели достаточно использовать соединение с малой шириной полосы пропускания (например CAN-шину). Преимущество последовательной схемы контроля заключается в возможности использовать преобразователи одинаковой конструкции.

Другие преимущества изобретения представлены в зависимых пунктах формулы.

Чертежи Ниже изобретение более подробно поясняется на примере некоторых вариантов его выполнения со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых показано: на фиг.1 - схема параллельного модульного включения нескольких преобразователей, на фиг.2 - пример распределения текущей потребности в мощности, на фиг.3 - иерархическая схема контроля, на фиг.4 - система с последовательной схемой контроля.

Описание
На фиг. 1 показана схема параллельного модульного включения нескольких преобразователей 1, 2,..., n постоянного напряжения (DC/DC), которая позволяет гибко изменять выходную мощность в соответствии с требуемой максимальной величиной и которая может применяться согласно изобретению. При этом входное напряжение, например напряжение электрической бортовой сети транспортного средства, обозначено через U₁, а выходное напряжение преобразователей постоянного напряжения обозначено через U₂. В электрической бортовой сети с двумя уровнями напряжения соответствующие значения напряжений составляют, например, 14 и 42 В.

Если для каждого преобразователя 1, 2,..., n постоянного напряжения предусмотрено автономное регулирование напряжения, то в системе могут возникать колебания, обусловленные паразитной связью из-за наличия на выходной стороне общего соединения этих преобразователей постоянного напряжения. Поэтому во избежание взаимного влияния регуляторов целесообразно сократить их число до одного единственного активного регулятора напряжения. При этом необходимая потребная мощность распределяется между (n-1) преобразователями, которые работают либо в режиме полной нагрузки, либо в режиме холостого хода, и еще одним преобразователем, который осуществляет регулирование напряжения в режиме частичной нагрузки.

На фиг.2 показан пример распределения нагрузки по пяти параллельно включенным преобразователям. Преобразователи 1, 2 и 3 работают в режиме полной нагрузки, и их выходной ток имеет максимальную величину. Преобразователь 4 берет на себя функцию по регулированию напряжения и перекрывает "активный" диапазон изменения мощности. Преобразователь 5 работает в режиме холостого хода.

При этом такую концепцию регулирования можно представить следующим образом:
- если для покрытия потребности в мощности достаточно одного единственного преобразователя, то этот преобразователь берет на себя функции по регулированию выходного напряжения, а остальные преобразователи не работают;
- при превышении потребности в мощности той мощности, которую способен обеспечить один единственный преобразователь (преобразователь 1), этот преобразователь передает функцию по регулированию напряжения следующему преобразователю (преобразователю 2), при этом сам указанный преобразователь 1 переключается на работу в режиме полной нагрузки, а его выходной ток устанавливается на максимальную величину;
- при дальнейшем росте потребности в мощности на работу в режиме полной нагрузки последовательно переходят несколько преобразователей, при этом каждый следующий преобразователь соответственно берет на себя еще остающуюся часть нагрузки;
- в обратном случае при снижении потребности в мощности преобразователи последовательно переключаются с режима полной нагрузки на работу в режиме частичной нагрузки.

Для реализации описанной концепции можно использовать следующие схемы контроля.

Иерархическая схема контроля
При использовании иерархической схемы контроля центральный электронный блок контроля и управления берет на себя функции по координированию работы отдельных преобразователей. При этом в электронный блок от соответствующего активного в данный момент регулирующего напряжение преобразователя поступает информация о его текущей выходной мощности, и электронный блок управляет остальными преобразователями, работающими в режиме полной нагрузки или в режиме холостого хода. Подобная иерархическая схема контроля показана на фиг.3. Соответствующий электронный блок 6 контроля и управления может быть также встроен, например, в один из преобразователей, например в преобразователь 1. Обмен данными может происходить в режиме двухсторонней связи (в дуплексном режиме) по шине последовательного обмена (например по CAN-шине) или по отдельным сигнальным шинам 7, 8, 9.

Некоторые преобразователи постоянного напряжения не могут работать в режиме холостого хода. Они требуют наличия с выходной стороны определенной основной нагрузки. В этом случае необходимо согласование порогов переключения для дальнейшей передачи функции регулирования напряжения от одного преобразователя к другому. В этом случае порог подключения при увеличении потребляемой мощности будет равен не Р=Р_макс, а P=P_макс-P_осн. Порог отключения при снижении потребляемой мощности равен в этом случае величине основной нагрузки Р_оcн.

Если максимальный кпд используемых преобразователей лежит в диапазоне частичных нагрузок, то управляемые преобразователи для оптимизации кпд могут работать и в этом диапазоне частичных нагрузок. С этой целью центральный электронный блок 6 контроля и управления выдает соответствующий управляющий сигнал. При недостаточной общей отдаваемой мощности отдаваемую управляемыми преобразователями мощность можно дополнительно повысить до максимальной.

Последовательная схема (схема контроля)
При использовании последовательной схемы, такой как показанная на фиг.4, можно отказаться от применения центрального электронного блока контроля и управления по фиг.3. При этом каждый преобразователь может иметь одинаковое исполнение. Соединения осуществляются только через внешние вспомогательные схемные цепи.

Пуск системы может происходить, например, по команде включения ВКЛ для первого в цепи преобразователя. Этот преобразователь берет на себя функцию по регулированию напряжения. По достижении преобразователем 1 своей предельной мощности Р=Р_макс выдается соответствующий сигнал, по которому инициируется передача преобразователю 2 функции по управлению напряжением. Этот сигнал указывает на достижение максимальной мощности. Таким образом, на выходе преобразователя 1 мощность, соответственно ток имеют максимальные значения. По мере увеличения потребности в мощности функция по управлению напряжением последовательно передается последующим преобразователям по сигналу Р=Р_макс.
При уменьшении потребности в мощности активный в данный момент регулирующий напряжение преобразователь сигнализирует предшествующему преобразователю о достижении им своего режима холостого хода, передавая соответствующий сигнал, указывающий на то, что его мощность Р равна 0. С этого момента предшествующий преобразователь начинает работать как регулятор напряжения. Таким путем происходит постепенное переключение преобразователей на режим холостого хода, начиная в рассматриваемом примере с преобразователя 3 до преобразователя 1.

Как уже было указано выше при описании варианта по фиг.3, в качестве порога переключения могут быть использованы также величина основной нагрузки или величина максимального кпд
Обмен данными и в этом случае может происходить по шине последовательного обмена (например по CAN-шине) или по отдельным сигнальным шинам.

Описанные выше устройства и соответствующие способы по управлению параллельной работой преобразователей постоянного напряжения можно использовать, например, в электрических бортовых сетях транспортных средств, однако равным образом они могут найти применение и в иных областях, где требуется преобразовывать большую мощность. Основополагающим при этом является то, что один из преобразователей работает в активном диапазоне изменения мощности, а все остальные работают либо в режиме полной нагрузки, либо в режиме холостого хода.

Формула изобретения

1. Устройство управления параллельной работой преобразователей постоянного напряжения, прежде всего в имеющей несколько уровней напряжения электрической бортовой сети транспортного средства, с двумя регулировочными диапазонами напряжения (U₁) и (U₂), между которыми расположены указанные параллельно включенные преобразователи напряжения, отличающееся тем, что лишь один из преобразователей напряжения работает как активный регулятор напряжения, а остальные (n-1) преобразователи работают в соответствии с необходимой потребностью в мощности либо в режиме полной нагрузки, либо в режиме холостого хода.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что первый преобразователь или соответствующий следующий преобразователь берут на себя функции по регулированию напряжения в режиме частичной нагрузки.

3. Устройство по п.1 или 2, отличающееся тем, что нагрузка распределяется по заданному количеству параллельных преобразователей таким образом, чтобы преобразователи (1), (2) и (3) работали в режиме полной нагрузки с отдачей на выходе максимального выходного тока, преобразователь (4) брал на себя функции по регулированию напряжения и перекрывал активный, соответственно варьируемый диапазон изменения мощности, а преобразователь (5) находился в режиме холостого хода.

4. Устройство по любому из предыдущих пунктов, отличающееся тем, что при низкой потребности в мощности работает только один, в частности первый, преобразователь, который берет на себя функции по регулированию выходного напряжения, а остальные преобразователи в это время не работают.

5. Устройство по п.4, отличающееся тем, что в том случае, если потребность в мощности превышает ту мощность, которую способен обеспечить один отдельный преобразователь, последний переходит на режим полной нагрузки с отдачей максимального выходного тока и передает функции по регулированию напряжения следующему преобразователю.

6. Устройство по п.4 или 5, отличающееся тем, что при дальнейшем увеличении потребности в мощности на режим полной нагрузки переходят последующие преобразователи и каждый следующий за ними преобразователь переходит в режим частичной нагрузки, а при снижении потребности в мощности преобразователи последовательно переключаются с режима полной нагрузки обратно на режим частичной нагрузки.

7. Устройство по любому из предыдущих пунктов, отличающееся тем, что управление преобразователями реализовано с помощью иерархической схемы контроля с использованием электронного блока контроля и управления, который управляет всеми преобразователями и принимает от них данные, при этом обмен данными осуществляется по шине последовательного обмена, прежде всего по CAN-шине, или по отдельным сигнальным шинам.

8. Устройство по п.7, отличающееся тем, что электронный блок контроля и управления встроен в один из преобразователей.

9. Устройство по любому из предыдущих пунктов, отличающееся тем, что заданное количество преобразователей работает с определенной выходной основной нагрузкой, при этом пороги переключения для дальнейшей передачи функции по регулированию напряжения согласуют с этой основной нагрузкой, а порог подключения при увеличении потребности в мощности рассчитывается как Р=Р_макс-Р_осн, тогда как порог отключения при снижении потребности в мощности соответствует основной нагрузке.

10. Устройство по любому из предыдущих пунктов, отличающееся тем, что заданное количество преобразователей работает в режиме частичной нагрузки таким образом, чтобы их кпд достигал своей максимальной величины, при этом центральный электронный блок управления и контроля с помощью соответствующих управляющих сигналов при необходимости повышает мощность до максимальной величины.

11. Устройство по любому из предыдущих пунктов, отличающееся тем, что преобразователи работают в последовательной конфигурации и связаны между собой, при этом каждый преобразователь выдает на следующий за ним преобразователь сигнал о достижении им своей максимальной мощности и получает от этого преобразователя сигнал о достижении им режима холостого хода.

12. Устройство по п.8, отличающееся тем, что функции по регулированию напряжения выполняет только один из преобразователей и по достижении им своей полной нагрузки эти функции последовательно передаются далее последующим преобразователем.

13. Устройство по любому из предыдущих пунктов, отличающееся тем, что в качестве порога переключения для последовательной дальнейшей передачи функций по регулированию напряжения или для отключения используют величину основной нагрузки или величину максимального кпд.

14. Устройство по любому из предыдущих пунктов, отличающееся тем, что обмен данными происходит по шине последовательного обмена, прежде всего по CAN-шине, или по отдельным сигнальным шинам.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4