(57)【要約】  本発明は、セットアップデバイス(H)が中間回路を介して前置接続されたインバータ(W)の駆動方法に関するものである。このセットアップデバイスは、出力電流設定(IVorgabe)が変化する直流源(G)と接続可能であり、インバータ(W)とセットアップデバイス(H)とは効率が最適化された、それぞれ1つの固有の動作領域を有する。出力電流設定(IVorgabe)が上昇し、セットアップデバイス（H）がデューティ比(T)の最大値に近似する場合、中間回路電圧(UDCW)を低減し、出力電流設定(IVorgabe)が安定したときに中間回路電圧(UDCW)を再び上昇する。これにより直流源の定常的動作状態で、インバータ(W)もセットアップデバイス(H)も効率が最適化された、それぞれ固有の動作領域で動作するという利点が達成される。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
中間回路を介して前置接続されたセットアップデバイス(H)を有するインバータ(W)の駆動方法であって、
前記セットアップデバイスは直流源(G)に接続可能であり、
該直流源は出力電流設定(IVorgabe)が可変であり、
前記インバータ(W)とセットアップデバイス（H）とはそれぞれ1つの固有の効率最適化された動作領域を有する形式の駆動方法において、
出力電流設定(IVorgabe)が上昇し、セットアップデバイス（H）がデューティ比(T)の最大値に近似する場合、中間回路電圧(UDCW)を低減し、
出力電流設定(IVorgabe)が安定したときに中間回路電圧(UDCW)を再び上昇する、ことを特徴とする駆動方法。
【請求項２】
請求項１記載の方法において、
最適中間回路電圧として、セットアップデバイス（H）の入力電圧(UDCH)と該セットアップデバイスの変換比との積から、前記インバータ（W）の平均入力電圧領域値の約30%の安全値を減じた値を設定し、
中間回路電圧(UDCW)の上側限界値として、前記インバータ（W）の最高入力電圧領域値を設定し、
中間回路電圧(UDCW)の下側限界値として、前記インバータ（W）の最低入力電圧領域値を設定する、ことを特徴とする駆動方法。
【請求項３】
請求項１または２記載の方法において、
以下の条件が満たされる場合、中間回路電圧（UDCW）を実際の値の約90%に低減し：
・中間回路電圧(UDCW)の実際の値が、前記インバータ（W）の効率最適化された動作領域の上側電圧限界値の約90%にある閾値を越える場合、
・前記直流源の出力電流設定(IVorgabe)が実際の出力電流(ISoll)の125%を越える場合、
・実際の出力電流(ISoll)が、直流源（G）の内部電流限界として設定された最大出力電流に近似する場合、
そして中間回路電圧(UDCW)を次の場合に再びステップごとに上昇させる：
・中間回路電圧(UDCW)の実際の値が最適中間回路電圧よりも下にある場合、
・実際の出力電流(ISoll)が出力電流設定(IVorgabe)に相応する場合、そして
・中間回路電圧(UDCW)の低減に対する上記の条件が満たされない場合、
ことを特徴とする駆動方法。
【請求項４】
請求項１から３までのいずれか一項記載の方法を実施するための装置において、
インバータ(W)が設けられており、該インバータは出力側で負荷または交流電圧源と接続されており、入力側でセットアップデバイス(H)を介して直流源(G)に接続されている、ことを特徴とする装置。
【請求項５】
請求項４記載の装置において、
前記セットアップデバイス(H)は電位分離されて構成されている、ことを特徴とする装置。
【請求項６】
請求項４または５記載の装置において、
前記直流源(G)は、燃料電池、光電池、バッテリー、アキュムレータ、直流発電機等である、ことを特徴とする装置。
【請求項７】
請求項４から６までのいずれか一項記載の装置において、
当該装置は制御ユニット(S)を有し、該制御ユニットは前記インバータ(W)およびセットアップデバイス(H)を制御するように構成されている、ことを特徴とする装置。
【請求項８】
請求項７記載の装置において、
前記制御ユニット(S)はマイクロプロセッサを有する、ことを特徴とする装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、中間回路を介して前置接続されたセットアップデバイスを備えるインバータの駆動方法に関するものである。このセットアップデバイスは、出力電流設定が変化する直流源と接続可能であり、インバータとセットアップデバイスとは効率が最適化された、それぞれ1つの固有の動作領域を有する。さらに本発明は、この方法を実施するための装置に関する。
【０００２】
インバータと、前置接続されたセットアップデバイスとによる方法は、低い直流電圧を比較的に高い交流電圧に変換する際に使用される。ここでセットアップデバイスは直流源の出力電流を制御し、中間回路電圧として直流電圧を送出する。この直流電圧はインバータにより交流電圧に変換され、負荷または交流電源網に出力される。ここではインバータによって中間回路電圧が制御される。
【０００３】
この種の方法は例えば、光電池、燃料電池、および負荷または交流電源網への出力電流設定が変化する類似の直流源で使用される。ここで出力電流設定とは、直流源の内部制御によって設定される出力電流であると理解されたい。これにより直流源の使用するエネルギーが送出される。このような直流源は通常、電流に依存する電圧特性曲線を有する。外部の影響、例えば光電池の場合は変化する光特性によって、出力電流を変化することができる。インバータおよびセットアップデバイスの制御は、この種のダイナミックな動作状態を考慮しなければならない。従来技術によればそのために種々の技術が存在する。これについては例えばUS2004/0165408またはUS2004/0165408を参照されたい。ここでは中間回路電圧がほぼ一定の値に維持される。この値を設定するためには、直流源の最大許容出力電圧が重要である。なぜならこの値を含む高さまでセットアップデバイスの最大デューティ比が達してはならないからである。そうでないとセットアップデバイスの電流制御が出力電流を制御できなくなり、電圧に起因する電流低下の原因となるからである。
【０００４】
中間回路電圧を一定に設定することから、セットアップデバイスおよびインバータからなるユニットの全体効率に対して欠点が生じる。セットアップデバイスは、これが最大デューティ比により動作するとき最高の効率を有する。しかし直流源の定常的動作状態では、デューティ比は最大値よりも格段に下にある。なぜならダイナミックな出力電流上昇のために十分な余裕を設定しなければならないからである。
【０００５】
従って本発明の基礎とする課題は、従来技術に対して改善された、セットアップデバイスが前置接続されたインバータの駆動方法を提供することである。
【０００６】
本発明によればこの課題は、請求項1に示した特徴を備える方法によって解決される。これにより直流源の定常的動作状態で、インバータもセットアップデバイスも効率が最適化された、それぞれ固有の動作領域で動作するという利点が達成される。
【０００７】
本発明の有利な構成は次のようにして得られる。すなわち最適の中間回路電圧として、セットアップデバイスの入力電圧とその変換比との積から、インバータの平均入力電圧領域値の約30%の安全値を減じたものを設定し、中間回路電圧(UDCW)の上側限界値として、インバータ(W)の上側入力電圧領域値を設定し、中間回路電圧(UDCW)の下側限界値として、インバータ(W)の下側入力電圧領域値を設定するのである。
【０００８】
中間回路電圧の実際値が閾値を上回る場合、中間回路電圧をこの実際値の約90％に低下させると有利である。この閾値は、効率が最適化されたインバータの動作領域の上側電圧限界値の約90％にあり、直流源の出力電流設定は実際の出力電流の125％にあり、実際の出力電流は直流電圧源の内部電流限界として設定された最大出力電流に近似する。これにより、セットアップデバイスは出力電流上昇が大きくてもその制御ダイナミクスを維持することができ、最大デューティ比の状態へ入り込むことがない。
【０００９】
セットアップデバイスの追従制御によって、実際の出力電流が再び直流源の出力電流設定に相応すれば、セットアップデバイスが効率の最適化された領域で動作する最適の中間回路電圧にステップごとに近似する。ここでは各近似ステップ後に、最適の中間回路電圧に達したか否か、そしてさらなるダイナミックな出力電流設定の結果として、中間回路電圧を新たに低下させるための上記の条件が再び存在しているか否かを検査する。
【００１０】
中間回路電圧を制御するためのこの方法を実施するために、インバータが出力側で負荷または交流電源網に接続可能であり、入力側でセットアップデバイスを介して直流源に接続されている装置が提案される。
【００１１】
この装置の有利な構成では、セットアップデバイスがプレーナトランスを有し、電位分離されている。このセットアップデバイスは、入力電圧と出力電圧との変換比が高い場合に非常に良く適する。
【００１２】
この方法は、燃料電池、光電池、バッテリー、アキュムレータ、直流発電機等を負荷または交流電源網に接続するのに適する。このような直流源では、出力電流が大きく変化することがあり、出力電流と電圧との間に大きな依存性が存する。中間回路電圧を本発明により制御することによって、直流源にこのようなダイナミックな過程があっても、セットアップデバイス・インバータ・ユニットの高い効率が達成される。
【００１３】
さらにこの装置に、インバータおよびセットアップデバイスを制御するように構成された制御ユニットを組み込むことが推奨される。この制御ユニットはマイクロプロセッサを有する。ここでは例えばDSP(デジタルシグナルプロセッサ)が使用され、このDSPは実際の電流値および電圧値から、セットアップデバイスおよびインバータを制御するための目標値を計算する。
【００１４】
本発明を図面と実施例に基づき詳細に説明する。
図１は、装置の概略的構成を示す。
図２は、最適中間回路電圧の経過を直流源Gの電圧について示す線図である。
図３は、最大目標電流値ISoll_maxの経過を直流源Gの電圧について示す線図である。
図４は、燃料電池シミュレータの特性曲線を示す。
【００１５】
図１には、制御ユニットSを備えるセットアップデバイスHとインバータWの本発明による装置、および接続された直流源Gが示されている。直流源Gは例えば燃料電池であり、この燃料電池の出力端には直流電圧UDCHが印加される。セットアップデバイスHは有利には電位分離して構成されており、出力端に中間回路電圧UDCWを送出する。この中間回路電圧は、直流源の電圧UDCHと、セットアップデバイスHで作用するプレーナトランスの変換比Nとの積から生じる(例えばN=14)。
【００１６】
起動時にインバータWには、インバータWの中間回路電圧UDCWを、インバータWの効率が最適化された動作領域の上側限界値に保持すべきことが設定される。図２にはこの値が例として、480Vで横軸に対して平行になる直線として示されている。ここで図２は、燃料電池の電圧UDCHについての最適中間回路電圧UDCW_Sollの設定例を示す。燃料電池の電圧UDCHが約25Vになるまで、中間回路電圧は下側限界値UDCW_Soll_min = 240Vで一定に経過する。次に上側限界値 UDCW_Soll_max = 480Vまで線形に上昇する。限界値UDCW_Soll_minとUDCW_Soll_maxは、インバータが最適の効率で動作する領域を限定し、これはインバータWの構造形式の構成部材によって規定される。
【００１７】
セットアップデバイスHは電流制御モードで動作する。セットアップデバイスHの電流が上昇すると、同時に直流源Gの電圧UDCHが低下する。このことによりセットアップデバイスHのデュ―ティ比Tが増大する。所定の出力電圧UDCHからは、セットアップデバイスHが部分的に完全ブロックモードに達し、電流制御を保証できなくなる。図２にはこの値が例として42Vで示されている。
【００１８】
セットアップデバイスHの電流制御器が電流をさらに制御することができるようにするため、中間回路電圧UDCWはインバータWにより降圧される。中間回路電圧の目標値UDCW_Sollは次式から得られる：
UDCW_Soll = UDCH * N - SU        (1)
ここでNはセットアップデバイスHの変換比、SUは安全値であり、例えばインバータWの平均入力電圧領域値の約30％のオーダにある。図２にこの入力電圧領域値は中間回路電圧の最適目標値UDCW_Sollに相応し、例えば限界値UDCW_Soll_min = 240VとUDCW_Soll_max = 480Vとの間にある。この場合、平均入力電圧領域値は360Vであり、従って約100Vの安全値SUを取ることができる。
【００１９】
安全値SUはデッドタイムおよびインバータWの電圧制御器の制御リザーブのため減ぜられる。なぜならこの電圧制御器はAC側の電力脈動のため非常に緩慢に調整されるからである。
【００２０】
起動後、中間回路電圧の目標値UDCW_Sollに対して閾値UDCW_Schwelleが設定される。この閾値は、上側限界値UDCW_Soll_maxの約10％下方にある(例えば430V)。中間回路電圧の目標値UDCW_Sollの低減は以下の条件の下で行われる：
・中間回路電圧の実際目標値UDCW_Sollが閾値UDCW_Schwelleより上にある。
【００２１】
・直流源G(例えば燃料電池制御部)により設定される出力電流設定IVorgabeの上昇が、安全値SI1を含めて、実際の出力電流ISollの25%よりも大きい。ここで実際の出力電流ISollは、セットアップデバイスHの電流制御部で実際に目標値として設定される値であり、設定されたダイナミクス(例えば2200Wの電力領域までの10A/s、および2200Wの電力領域を越える3.3A/s)により出力電流設定に追従制御される。測定された実際の出力電流値はIDCHである。これは制御器での目標値ISollに相当する。安全値SI1は電流値が小さい動作状態を考慮する。このような動作状態では、差値百分率の比較により制御応答が過度に遅くなる。安全値SI1は直流源Gの最大可能出力電流の1.2%である(図４に示した、シミュレートされた燃料電池の特性曲線では、直流源Gの最大可能出力電流は約100Aであり、安全値SI1は約1.2Aである)。
【００２２】
・実際の出力電流ISollが安全値SI2だけ最大出力電流ISoll_maxより小さい。ここで最大出力電流ISoll_maxは、直流源Gの実際の電圧UDCHに依存し、直流源Gの内部電流限界として設定される。最大出力電流ISoll_maxの例としての経過が、図３に燃料電池に対して示されている。ISoll_maxは、約26Vの燃料電池電圧UDCHまでゼロであり、約29Vの燃料電池電圧UDCHまで急峻に約81Aに上昇し、それから再び約63Vの燃料電池電圧UDCHまで近似的に線形にゼロに降下する。安全値SI2は、直流源Gの内部電流限界にまだ達する前に中間回路電圧の目標値UDCW_Sollを低下させる。安全値SI2は、最大出力電流ISoll_maxの大きくても2.5%であり、この例では約2.1Aである。
【００２３】
従って電圧低下は以下の条件で行われる：
UDCW＞UDCW_Schwelle  かつ
IVorgage＞1.25 * ISoll + SI1  かつ
ISoll＜ISoll_max - SI2   (2)
電圧低下は以下の式に従い行われる：
UDCW_Soll = (UDCH * N - SU) * 0.9     (3)
引き続く電圧上昇は、出力電流の値ISollが出力電流設定値IVorgabeに達して初めて行われる。上昇は例えば次のステップで行われる：
少なくとも1.5秒に対しては次式が当てはまる：
UDCW＜ (UDCH * N - SU) * 0.9 + 25V     (4)
次に中間回路電圧目標値UDCW_Sollは94%に上昇される：
UDCW_Soll = (UDCH * N - SU) * 0.94     (5)
少なくとも1.5秒に対しては次式が当てはまる：
UDCW＜ (UDCH * N - SU) * 0.94 + 25V     (6)
次に中間回路電圧目標値UDCW_Sollは98%に上昇される：
UDCW_Soll = (UDCH * N - SU) * 0.98     (7)
少なくとも1.5秒に対しては次式が当てはまる：
UDCW＜ (UDCH * N - SU) * 0.98 + 25V     (4)
次に中間回路電圧目標値UDCW_Sollは100%に上昇され、式(1)が再び当てはまる。ステップ(4)から(8)の間に条件(2)が満たされるとステップ(3)にリターンジャンプする。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】図１は、装置の概略的構成を示す。
【図２】図２は、最適中間回路電圧の経過を直流源Ｇの電圧について示す線図である。
【図３】図３は、最大目標電流値ISoll_maxの経過を直流源Gの電圧について示す線図である。
【図４】図４は、燃料電池シミュレータの特性曲線を示す。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【国際調査報告】
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