Titel

Überwachungsvorrichtung und Verfahren zur Überwachung eines Sperrwandlers, Sperrwandler

Technisches Gebiet

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Überwachungsvorrichtung für einen Sperrwandler, einen Sperrwandler mit einer solchen Überwachungsvorrichtung sowie ein Verfahren zur Überwachung eines Sperrwandlers. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung die Überwachung eines Sperrwandlers zur Detektion einer Überlastbedingung.

Stand der Technik

Obwohl die vorliegende Erfindung nachfolgend im Zusammenhang mit einem Sperrwandler für die Kopplung zwischen einem Hochvoltnetz und Niedervoltnetz in einem Elektrofahrzeug beschrieben wird, ist die vorliegende Erfindung nicht hierauf beschränkt. Vielmehr kann die vorliegende Erfindung auch auf beliebige Sperrwandler angewendet werden, wie sie in anderen Bereichen eingesetzt werden.

Elektrofahrzeuge verfügen in der Regel über zwei Gleichspannungsbordnetze. Ein Hochvoltbordnetz wird üblicherweise von einer Traktionsbatterie gespeist und liefert eine elektrische Gleichspannung im Bereich mehrerer Hundert Volt, die beispielsweise ein elektrisches Antriebssystem des Fahrzeugs speist. Darüber hinaus ist in der Regel ein Niedervoltbordnetz vorgesehen, das üblicherweise eine elektrische Spannung zwischen 12 V und 48 V aufweist. Das Hochvoltbordnetz und das Niedervoltbordnetz können über einen Gleichspannungswandler miteinander gekoppelt werden. Hierdurch kann beispielsweise elektrische Energie von der Traktionsbatterie in dem Hochvoltnetz in das Niedervoltnetz übertragen werden. Als Gleichspannungswandler können beispielsweise sogenannte Sperrwandler (englisch flyback converter) eingesetzt werden. Die Druckschrift DE 10 2016 200 662 Al beschreibt beispielsweise einen Gleichspannungswandler zwischen einem Hochvoltnetz und einem Niedervoltnetz eines Elektrofahrzeugs. Hierbei wird unter anderem vorgeschlagen, einen Sperrwandler mit galvanischer Trennung zwischen Hochvoltnetz und Niedervoltnetz vorzusehen.

Offenbarung der Erfindung

Die vorliegende Erfindung schafft eine Überwachungsvorrichtung für einen Sperrwandler, einen Sperrwandler sowie ein Verfahren zur Überwachung eines Sperrwandlers mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche. Weitere vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche.

Demgemäß ist vorgesehen:

Eine Überwachungsvorrichtung für einen Sperrwandler, wobei der Sperrwandler zwischen einem ersten Anschlusspunkt und einem zweiten Anschlusspunkt eines Eingangsanschlusses eine Serienschaltung aus einem Schaltelement, einem elektrischen Widerstand und einer Primärseite eines Transformators aufweist. Die Überwachungsvorrichtung ist dazu ausgelegt, mit einem Steueranschluss des Schaltelements elektrisch gekoppelt zu werden. Hierbei ist die Überwachungsvorrichtung dazu ausgelegt, ein Ansteuersignal an dem Steueranschluss des Schaltelements zu erfassen. Weiterhin ist die Überwachungsvorrichtung dazu ausgelegt, unter Verwendung des erfassten Ansteuersignals eine Überlastbedingung in dem Sperrwandler zu detektieren.

Weiterhin ist vorgesehen:

Ein Sperrwandler mit einem Eingangsanschluss, einem Transformator, einem Schaltelement, einem elektrischen Widerstand, einer Steuereinrichtung und einer erfindungsgemäßen Überwachungsvorrichtung. Der Eingangsanschluss des Sperrwandlers ist dazu ausgelegt, mit einer elektrischen Gleichspannungsquelle verbunden zu werden. Zwischen einem ersten Anschlusspunkt und einem zweiten Anschlusspunkt des Eingangsanschlusses ist eine Serienschaltung aus dem Schaltelement, dem elektrischen Widerstand und einer Primärseite des Transformators vorgesehen ist. Die Steuereinrichtung ist dazu ausgelegt, ein Ansteuersignal für das Schaltelement zu generieren und dieses Ansteuersignal an dem Steueranschluss des Schaltelements bereitzustellen.

Schließlich ist vorgesehen:

Ein Verfahren zur Überwachung eines Sperrwandlers, wobei der Sperrwandler zwischen einem ersten Anschlusspunkt und einem zweiten Anschlusspunkt eines Eingangsanschlusses eine Serienschaltung mit einem Schaltelement, einem elektrischen Widerstand und einer Primärseite eines Transformators umfasst. Das Verfahren umfasst einen Schritt zum Erfassen eines Ansteuersignals an dem Steueranschluss des Schaltelements und einen Schritt zum Detektieren einer Überlastbedingung in dem Sperrwandler. Insbesondere wird die Überlastbedingung in dem Sperrwandler unter Verwendung des erfassten Ansteuersignals detektiert.

Vorteile der Erfindung

Ein Sperrwandler oder Flyback-Wandler umfasst einen Transformator zur galvanischen Trennung einer Primär- oder Eingangsseite und einer Sekundäroder Ausgangsseite. Dabei kann die Primärseite des Transformators über ein Schaltelement mit dem Eingangsanschluss des Sperrwandlers verbunden werden. Durch eine pulsbreitenmodulierte Ansteuerung des Schaltelements kann die Leistungsübertragung in dem Sperrwandler geregelt werden. Somit kann beispielsweise auf der Ausgangsseite eine vorgegebene Ausgangsspannung eingestellt werden oder die Leistungsübertragung von der Primärseite zur Sekundärseite geregelt werden. Der elektrische Strom auf der Primärseite, welcher beispielsweise durch die Primärwicklung des Transformators fließt, kann dabei beispielsweise über einen Shunt-Widerstand ermittelt werden, welcher in Serie zu dem Schaltelement und der Primärwicklung des Transformators angeordnet ist. Der vorliegenden Erfindung liegt nun die Erkenntnis zugrunde, dass mit steigenden Eingangsspannungen bei gleicher Leistung der elektrische Strom auf der Primärseite sinkt. Somit fällt über dem Shunt-Widerstand auch eine relativ geringe Spannung ab. Dies macht eine präzise Ermittlung dieses Spannungsabfalls sowie den damit korrespondierenden Strom schwierig. Andererseits ist es wünschenswert, diesen elektrischen Strom möglichst genau abschätzen zu können, um eine Überlastung des Sperrwandlers oder gegebenenfalls daran angeschlossener Komponenten erkennen zu können.

Es ist daher eine Idee der vorliegenden Erfindung, anstelle eines Spannungsabfalls über einem Shunt-Widerstand den elektrischen Strom auf der Primärseite eines Sperrwandlers auf andere Weise abzuschätzen und hieraus eine mögliche Überlastbedingung abzuleiten. Hierzu ist es vorgesehen, das Ansteuersignal des Schaltelements auf der Primärseite des Sperrwandlers zu erfassen und auszuwerten. Aus dem Tastverhältnis der pulsbreitenmodulierten Ansteuerung dieses Schaltelements kann dabei auf den primärseitigen elektrischen Strom in dem Sperrwandler geschlossen werden. Entsprechend kann durch eine Auswertung dieses Ansteuersignals auch eine mögliche Überlastbedingung des Sperrwandlers sehr einfach detektiert werden. Da jedoch in der Regel die Ansteuerschaltung, welche das Ansteuersignal für das Schaltelement generiert, keinerlei Möglichkeiten aufweist, um die Leistung in dem Sperrwandler auszuwerten und bei Überlast eine entsprechende Fehlermeldung zu generieren, ist es erfindungsgemäß vorgesehen, das Ansteuersignal für das Schaltelement mittels einer separaten Überwachungsvorrichtung abzugreifen und auszuwerten. Somit kann durch eine solche Auswertung auf einfache Weise festgestellt werden, ob ein Tastverhältnis der pulsbreitenmodulierten Ansteuerung des Schaltelements einen Schwellwert überschreitet, welcher zu einer vorgegebenen Überlastbedingung korrespondiert.

Auf diese Weise kann auf die unter Umständen sehr schwierige Erfassung des elektrischen Stroms auf der Primärseite des Sperrwandlers mittels eines Shunt- Widerstandes verzichtet werden.

Wie nachfolgend noch näher erläutert wird, kann die Auswertung des

Ansteuersignals entweder durch eine digitale Schaltung, beispielsweise auf Basis eines Mikrokontrollers oder Ähnlichem ausgeführt werden. Alternativ ist insbesondere bei einer sehr hochfrequenten Taktung des Schaltelements auch eine analoge Schaltung zur Erfassung und Auswertung des Ansteuersignals möglich.

Gemäß einer Ausführungsform ist die Überwachungsvorrichtung dazu ausgelegt, ein Tastverhältnis des erfassten Ansteuersignals zu bestimmen. Entsprechend kann die Überwachungsvorrichtung die Überlastbedingung detektieren, wenn das Tastverhältnis des Ansteuersignals einen vorbestimmten Schwellwert überschreitet. Da das Schaltelement auf der Primärseite des Sperrwandlers in der Regel mit einer pulsbreitenmodulierten Ansteuerung geöffnet bzw. geschlossen wird, korrespondiert der elektrische Strom auf der Primärseite zu dem Tastverhältnis dieser pulsbreitenmodulierten Ansteuerung. Somit kann vorab bereits ermittelt werden, bei welchen Tastverhältnissen der elektrische Strom für die jeweiligen Betriebspunkte einen kritischen Wert erreicht.

Gemäß einer Ausführungsform umfasst die Überwachungsvorrichtung einen Mikrokontroller. Dieser Mikrokontroller ist dazu ausgelegt, das Ansteuersignals des Schaltelements zu empfangen. Ferner kann der Mikrokontroller das Tastverhältnis des Ansteuersignals mit einem vorgegebenen Grenzwert für das Tastverhältnis vergleichen und hieraus bestimmen, ob ein maximales zusätzliches Tastverhältnis erreicht ist und eine Überlastung des Sperrwandlers eintreten könnte. Bei dem Mikrokontroller kann es sich beispielsweise um eine anwendungsspezifische integrierte Schaltung handeln, welche an einem digitalen oder gegebenenfalls auch analogen Eingangsanschluss das Ansteuersignal des Schaltelements empfängt und dieses auswertet, um das jeweilige Tastverhältnis zu ermitteln sowie die Überlastbedingung zu detektieren.

Gemäß einer Ausführungsform umfasst die Überwachungsvorrichtung einen Tiefpassfilter. Der Tiefpassfilter kann beispielsweise mittels diskreter Bauelemente, zum Beispiel einem R-C-Glied oder Ähnlichem realisiert werden. Dieser Tiefpassfilter ist dazu ausgelegt, das Ansteuersignal von dem Steueranschluss des Schaltelements zu filtern, also eine Tiefpassfilterung des Ansteuersignals vorzunehmen. Die Überwachungsvorrichtung ist in diesem Fall dazu ausgelegt, die Überlastbedingung unter Verwendung des gefilterten Ansteuersignals zu detektieren. Die Tiefpassfilterung kann insbesondere als eine Mittelwertbildung des Ansteuersignals betrachtet werden. Somit kann auch bei sehr kleinen Tastverhältnissen oder für Schaltungen, bei welchen keine digitalen Eingänge zur Erfassung des Ansteuersignals vorhanden sind, ebenfalls eine Überwachung des Ansteuersignals realisiert werden.

Gemäß einer Ausführungsform umfasst die Überwachungsvorrichtung ferner einen Operationsverstärker. Dieser Operationsverstärker kann als Komparator verschaltet sein. Der Operationsverstärker bzw. Komparator der Überwachungsvorrichtung ist dazu ausgelegt, das gefilterte, insbesondere das gemittelte Ansteuersignal mit einem vorgegebenen elektrischen Spannungswert zu vergleichen. Ferner ist der Komparator dazu ausgelegt, eine Signalisierung für eine Überlastbedingung auszugeben, falls das gefilterte Ansteuersignal den vorgegebenen Spannungswert überschreitet. Beispielsweise kann der Komparator mittels eines Operationsverstärkers oder Ähnlichem realisiert werden. Der vorgegebene Spannungswert kann beispielsweise mittels eines Spannungsteilers aus zwei oder mehr elektrischen Widerständen oder Ähnlichem bereitgestellt werden. Selbstverständlich sind auch beliebige andere Ansätze für den Komparator sowie das Bereitstellen des Spannungswertes als Referenzspannung möglich.

Gemäß einer Ausführungsform umfasst die Überlastbedingung ein Überschreiten eines elektrischen Stroms in dem Sperrwandler, insbesondere einem elektrischen Strom auf der Primärseite des Sperrwandlers.

Die obigen Ausgestaltungen und Weiterbildungen lassen sich, soweit sinnvoll, beliebig miteinander kombinieren. Weitere Ausgestaltungen, Weiterbildungen und Implementierungen der Erfindung umfassen auch nicht explizit genannte Kombinationen von zuvor oder im Folgenden bezüglich den Ausführungsbeispielen beschriebenen Merkmalen der Erfindung. Insbesondere wird der Fachmann auch Einzelaspekte als Verbesserungen oder Ergänzungen zu den jeweiligen Grundformen der Erfindung hinzufügen.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung werden nachfolgend anhand der Figuren erläutert. Dabei zeigen:

Fig. 1: eine schematische Darstellung eines Prinzipschaubildes für einen Sperrwandler mit einer Überwachungsvorrichtung gemäß einer Ausführungsform;

Fig. 2: eine schematische Darstellung eines Prinzipschaltbildes eines Sperrwandlers mit einer Überwachungsvorrichtung gemäß einer weiteren Ausführungsform; und

Fig. 3: ein Ablaufdiagramm, wie es einem Verfahren zur Überwachung eines Sperrwandlers gemäß einer Ausführungsform zugrunde liegt.

Beschreibung der Ausführungsformen

Figur 1 zeigt eine schematische Darstellung eines Prinzipschaubildes eines Sperrwandlers 1 mit einer Überwachungsvorrichtung 20 zur Überwachung einer Überlastbedingung in dem Sperrwandler 1. An dem Sperrwandler 1 kann auf einer Eingangs- bzw. Primärseite eine elektrische Spannung, insbesondere eine Gleichspannung beispielsweise von einer Gleichspannungsquelle 2 bereitgestellt werden. Der Sperrwandler 1 umfasst einen Transformator 11. Die Primärseite des Transformators 11 ist über ein Schaltelement 12 und einen Shunt- Widerstand 13 mit den Anschlusspunkten eines Primäranschlusses des Sperrwandlers 1 verbunden. Die Sekundärseite des Transformators 11 ist über eine Diode 18 mit einem Sekundäranschluss bzw. Ausgangsseite des Sperrwandlers 1 verbunden. Ferner kann zwischen den Anschlusspunkten des Sekundäranschlusses ein Kondensator 19 zur Glättung bzw. Stabilisierung der Ausgangsgleichspannung vorgesehen sein. Es versteht sich, dass dieses Schaltungskonzept des Sperrwandlers 1 hier nur beispielhaft zur Veranschaulichung des Grundprinzips dienen soll. Darüber hinaus kann der Sperrwandler 1 selbstverständlich auch beliebige weitere Komponenten umfassen. Das Schaltelement 12 auf der Primärseite des Sperrwandlers 1 kann von einer Steuereinrichtung 10 angesteuert werden. Hierbei kann die Steuereinrichtung 10 ein pulsbreitenmoduliertes Ansteuersignal an einem Steueranschluss des Schaltelements 12 bereitstellen. Die Steuereinrichtung 10 kann hierbei das Tastverhältnis der pulsbreitenmodulierten Ansteuerung gemäß Sollwertvorgaben sowie Messwerten für Eingangs- und/oder Ausgangsgrößen einstellen. Auf diese Weise kann beispielsweise an dem Sperrwandler 1 eine vorbestimmte Ausgangsspannung eingestellt werden.

Ferner ist in dem Sperrwandler 1 eine Überwachungsvorrichtung 20 vorgesehen. Diese Überwachungsvorrichtung 20 ist mit dem Steueranschluss des Schaltelements 12 elektrisch gekoppelt. Somit kann die Überwachungsvorrichtung 20 das von der Steuereinrichtung 10 am Steueranschluss des Schaltelements 12 bereitgestellte Ansteuersignal erfassen. Die Überwachungsvorrichtung 20 kann daraufhin unter Verwendung dieses erfassten Ansteuersignals für das Schaltelement 12 in dem Sperrwandler 1 eine Überlastbedingung detektieren. Bei dieser Überlastbedingung kann es sich beispielsweise um das Erreichen bzw. Überschreiten eines elektrischen Stroms in dem Sperrwandler 1, insbesondere auf der Primärseite des Sperrwandlers 1 handeln. Wird durch die Überwachungsvorrichtung 20 eine solche Überlastbedingung detektiert, so kann die Überwachungsvorrichtung 20 eine entsprechende Signalisierung ausgeben. Beispielsweise kann die Überlastbedingung von der Überwachungsvorrichtung 20 an der Steuereinrichtung 10 signalisiert werden. Somit kann die Steuereinrichtung 10 bei der Detektion der Überlastbedingung die Ansteuerung des Schaltelements 12 entsprechend anpassen. Gegebenenfalls kann die Steuereinrichtung 10 bei der Detektion einer Überlastbedingung auch den Sperrwandler 1 vollständig deaktivieren. Darüber hinaus sind selbstverständlich auch beliebige andere geeignete Maßnahmen als Reaktion auf die Detektion einer Überlastbedingung möglich.

Zur Detektion einer Überlastbedingung in dem Sperrwandler 1 kann die Überwachungsvorrichtung 20 das an dem Steueranschluss des Schaltelements 12 bereitgestellte Ansteuersignal auswerten. Insbesondere kann die Überwachungsvorrichtung 20 ein Tastverhältnis der pulsbreitenmodulierten Ansteuerung des Schaltelements 12 ermitteln. Daraufhin kann die Überwachungsvorrichtung 20 eine Überlastbedingung detektieren, falls das ermittelte Tastverhältnis einen vorgegebenen Grenzwert erreicht oder überschreitet.

Beispielsweise kann die Überwachungsvorrichtung 20 hierzu einen digitalen Schaltkreis, beispielsweise einen Mikrokontroller, einen anwendungsspezifischen integrierten Schaltkreis (ASIC) oder Ähnliches umfassen. Zum Beispiel kann an einem digitalen oder gegebenenfalls auch analogen Eingang eines solchen Schaltkreises das Ansteuersignal für den Steueranschluss des Schaltelements 12 erfasst und daraufhin verarbeitet werden.

Alternativ ist auch eine zumindest teilweise analoge Verarbeitung bzw. Auswertung des Ansteuersignals für das Schaltelement 12 möglich.

Figur 2 zeigt eine schematische Darstellung eines Prinzipschaltbildes eines Sperrwandlers 1 mit einer Überwachungsvorrichtung 20 gemäß einer weiteren Ausführungsform. Das Grundprinzip des Sperrwandlers 1 in dieser Ausführungsform entspricht dabei dem Aufbau des zuvor beschriebenen Sperrwandlers 1. Anstelle einer zumindest teilweisen digitalen Verarbeitung bzw. Auswertung des Ansteuersignals für das Schaltelement 12 ist in diesem Beispiel ein analoges Schaltungskonzept auf Basis von diskreten Bauelementen vorgesehen.

Das von der Überwachungsvorrichtung 20 erfasste Ansteuersignal für das Schaltelement 12 wird zunächst einem Tiefpassfilter 21 zugeführt. Dieser Tiefpassfilter 21 kann beispielsweise als R-C-Glied mit dem elektrischen Widerstand R_T und dem Kondensator C_T realisiert werden. Grundsätzlich sind jedoch auch andere geeignete Schaltungskonzepte für einen Tiefpassfilter 21 möglich. Durch eine solche Tiefpassfilterung ist z.B. eine Mittelwertbildung des Ansteuersignals für das Schaltelement 12 möglich.

Das gefilterte, insbesondere das gemittelte Ansteuersignal wird daraufhin einem Operationsverstärker 22 zugeführt. In dem in Figur 2 dargestellten Prinzipschaltbild ist beispielsweise ein elektrischer Widerstand R3 zwischen einem (invertierenden) Eingangsanschluss des Operationsverstärkers 22 und einem Bezugspotenzial vorgesehen, ein weiterer elektrischer Widerstand ist zwischen diesem (invertierenden) Eingangsanschluss des Operationsverstärkers 22 und einem Ausgangsanschluss des Operationsverstärkers 22 vorgesehen, und eine Serienschaltung von noch einem weiteren elektrischen Widerstand RI sowie dem Kondensator CI ist zwischen dem Bezugspotenzial und dem Ausgangsanschluss des Operationsverstärkers 22 vorgesehen. Die Verstärkung des Operationsverstärkers 22 ist durch die elektrischen Widerstände R2, R3 einstellbar. Somit arbeitet der Operationsverstärker 22 als Komparator. Dieser Komparator kann das gemittelte Ansteuersignal beispielsweise mit einer Referenzspannung vergleichen. Eine solche Referenzspannung kann beispielsweise mittels einer Referenzspannungsquelle, einem Spannungsteiler oder auf beliebige andere geeignete Weise bereitgestellt werden. Die Referenzspannung wird hierbei derart eingestellt, dass sie zu einer elektrischen Spannung korrespondiert, die dem tiefpassgefilterten Ansteuersignal entspricht, wenn die Überlastbedingung der pulsbreitenmodulierten Ansteuerung erreicht wird.

Das Ausgangssignal dieses Operationsverstärkers 22 kann dabei zur Signalisierung der detektierten Überlastbedingung bereitgestellt werden. Beispielsweise kann mittels eines weiteren Tiefpassfilters aus RI, CI wird das Signal vor der anschließenden Bearbeitung in einem Microkontroller gefiltert

Figur 3 zeigt ein Ablaufdiagramm, wie es einem Verfahren zur Detektion einer Überlastbedingung in einem Sperrwandler gemäß einer Ausführungsform zugrunde liegt. Das Verfahren kann grundsätzlich beliebige Verfahrensschritte umfassen, wie sie bereits zuvor in Zusammenhang mit dem Sperrwandler 1 sowie der Überwachungsvorrichtung 20 für den Sperrwandler 1 beschrieben worden sind. Analog kann auch das zuvor beschriebene Schaltungskonzept beliebige Komponenten aufweisen, die zur Realisierung des nachfolgend beschriebenen Verfahrens erforderlich sein können. In einem Schritt S1 wird ein Ansteuersignal für einen Steueranschluss eines Schaltelements 12 in einem Sperrwandler 1 erfasst. Daraufhin kann in Schritt S2 unter Verwendung dieses erfassten Ansteuersignals eine Überlastbedingung in dem Sperrwandler detektiert werden.

Zusammenfassend betrifft die vorliegende Erfindung die Überwachung eines Sperrwandlers zur Detektion einer Überlastbedingung. Hierzu wird ein Ansteuersignal von einem Schaltelement in dem Sperrwandler erfasst und ausgewertet. Insbesondere kann eine Überlastbedingung festgestellt werden, falls ein Tastverhältnis eines pulsbreitenmodulierten Ansteuersignals einen vorgegebenen Grenzwert überschreitet.