DE102004057693B4 - Vorrichtung zur schnellen Entladung eines Kondensators - Google Patents

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Abstract

Vorrichtung zur schnellen Entladung eines Kondensators (3), insbesondere eines Zwischenkreiskondensators, der über einen Wechselrichter (2) mit einer elektrischen Maschine (1) in Verbindung steht, wobei der Kondensator (3) über einen Gleichspannungswandler (5) mit einem weiteren elektrischen Ladungsspeicher (8), insbesondere einer Batterie verbunden ist,wobei der Gleichspannungswandler (5) Mittel umfasst, die eine schnelle Entladung des Kondensators (3) bei entsprechender Ansteuerung des Gleichspannungswandler (5) bewirken, .dadurch gekennzeichnet, dass der Gleichspannungswandler (5) so geregelt oder angesteuert wird, dass seine niederspannungsseitige Ausgangsspannung bordnetzseitig angehoben wird, sofern eine Bedingung vorliegt, bei der der Kondensator (3) entladen werden soll,wobei die Ausgangsspannung des Gleichspannungswandlers (5) während der Dauer der Umleitung auf ein höheres Spannungsniveau angehoben wird, wodurch sichergestellt wird, dass der weitere elektrische Ladungsspeicher (8) (8) sicher geladen wird.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur schnellen Entladung eines Kondensators, insbesondere eines Zwischenkreiskondensators in einem Kraftfahrzeug mit den Merkmalen des Anspruchs 1.
  • Stand der Technik
  • Es ist bekannt, in einem Kraftfahrzeug eine elektrische Maschine einzusetzen, die einerseits als Starter dient und andererseits als Generator. Eine solche elektrische Maschine wird auch als Starter-Generator bezeichnet. Die elektrische Beschaltung ist dabei so, dass die elektrische Maschine über einen Wechselrichter, beispielsweise einen Pulswechslerrichter mit dem Bordnetz und der Batterie in Verbindung steht. Beim Start entnimmt die elektrische Maschine die benötigte elektrische Leistung aus der Fahrzeugbatterie, wobei der von der Batterie gelieferte Strom mit Hilfe des Pulswechslerrichters in einen insbesondere dreiphasigen Drehstrom gewandelt wird, der die in diesem Fall als Starter-Motor arbeitende elektrische Maschine antreibt.
  • Während des Startvorgangs bringt die üblicherweise mit der Kurbelwelle in Verbindung stehende elektrische Maschine somit die Brennkraftmaschine des Fahrzeugs auf die erforderliche Startdrehzahl. Nach dem Start wird die elektrische Maschine von der Brennkraftmaschine angetrieben und arbeitet als Generator. Damit erzeugt der Generator die zur Versorgung des Bordnetzes bzw. zur Ladung der Batterie benötigte elektrische Energie. Die Ausgangsspannung der generatorisch arbeitenden elektrischen Maschine wird mit Hilfe eines Spannungsreglers auf vorgebbare Spannungswerte geregelt, beispielsweise durch Beeinflussung des Erregerstroms und mit Hilfe des Pulswechselrichters gleichgerichtet. Zur Zwischenspeicherung bzw. zur Umspeicherung von elektrischer Energie weisen solche elektrische Systeme mit elektrischen Maschine, Generator, Pulswechslerrichter und Batterie üblicherweise noch einen Zwischenkreiskondensator auf. Der Zwischenkreiskondensator lädt sich dabei zumindest auf die von der elektrischen Maschine gelieferte Spannung auf.
  • Wird ein solches elektrisches System in Verbindung mit einem Fahrzeugbordnetz mit Bereichen mit höherer Spannung eingesetzt, ist üblicherweise noch wenigstens ein Gleichspannungswandler vorhanden, der so geschaltet wird, dass er zwischen dem Bordnetzbereich mit höherer Spannung und dem Bereich mit niedriger Spannung liegt. Ein Beispiel für ein derartiges Bordnetz wird in der DE 199 03 427 A1 beschrieben.
  • Besonders in einem Bordnetz mit höherer Spannung, bei dem auch der Zwischenkreiskondensator auf höherer Spannung liegt, muss sichergestellt werden, dass der Zwischenkreiskondensator nach Abschaltung in relativ kurzer Zeit entladen wird. In der Norm VDE 0122 wird dazu gefordert, dass die Spannung am Zwischenkreiskondensator innerhalb von 5 Sekunden nach Abschalten des Pulswechselrichters auf unter 65 Volt abgesunken ist. Die Entladung des Zwischenkreiskondensators erfolgt bei derzeit eingesetzten Systemen über einen parallel geschalteten Widerstand, mit dem der Zwischenkreiskondensator oder gegebenenfalls die Zwischenkreiskondensatoren entladen werden, wobei auch Möglichkeiten gegeben sind, diesen Widerstand über ein Relais beim Abschalten des Pulswechslerrichters zuzuschalten.
  • Aus der JP H10-224 902 A und der US 2004 / 0 084 232 A1 sind elektrische Systeme in Verbindung mit einem Fahrzeugbordnetz offenbart.
  • Vorteile der Erfindung
  • Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur schnellen Entladung eines Kondensators mit den Merkmalen des Anspruchs 1 hat den Vorteil, dass nur eine geringe Verlustleistung auftritt, die insbesondere gegenüber der bisherigen Lösung, bei der mit einem Entladewiderstand gearbeitet wurde, wesentlich geringer ist. In vorteilhafter Weise wird kein großvolumiges Bauteil benötigt, wodurch eine Bauraumreduzierung ermöglicht wird. Da kein verschleißbehaftetes Bauelement zur Entladung benötigt wird, wird zusätzlich die Zuverlässigkeit des Gesamtsystems erhöht.
  • Erzielt werden diese Vorteile durch eine Vorrichtung zur schnellen Entladung eines Kondensators, bei der der Kondensator, insbesondere ein Zwischenkreiskondensator über einen ohnehin benötigten Spannungswandler, insbesondere einen DC/DC-Gleichspannungswandler entladen wird. Der Kondensator bzw. der Zwischenkreiskondensator ist dabei auf der Hochspannungsseite des Gleichspannungswandlers angeschlossen und wir über den Gleichspannungswandler zur Niederspannungsseite hin entladen wird.
  • Weitere Vorteile der Erfindung werden durch die in den Unteransprüchen angegebenen Maßnahmen erzielt. Dabei kann die aus dem Kondensator abzuführende Ladung in besonders vorteilhafter Weise über die Verbraucher des Fahrzeugbordnetzes abgebaut werden oder in einer weiteren ebenfalls besonders vorteilhaften Ausgestaltung in der 12 Volt-Batterie gespeichert werden. Die Entladung des Zwischenkreiskondensators kann in besonders vorteilhafter Weise auch nach dem Abschalten des Gesamtsystems auch sichergestellt werden, da der Gleichspannungswandler auch nach Abschalten des Pulswechslerrichters noch weiter betreibbar ist und so die Entladung des Zwischenkreiskondensators durchführen kann.
  • Damit die Ladung des Kondensators oder der Kondensatoren über den Gleichspannungswandler mit der bordnetzseitig vorhandenen 12Volt-Batterie möglich ist, ist ein Gleichspannungswandler mit regel- oder steuerbarer Ausgangsspannung erforderlich. Wird ein solcher Gleichspannungswandler eingesetzt, kann die abzubauende Energie direkt in der Batterie gespeichert werden. Bei der Umladung in die 12Volt-Batterie ist die Steuerung des Gleichspannungswandlers derart auszuführen, dass die Ausgangsspannung des Gleichspannungswandlers während der Dauer der Umleitung auf ein höheres Spannungsniveau angehoben wird, wodurch sichergestellt wird, dass die Batterie sicher geladen wird.
  • Da die abzubauende Ladung mithilfe der erfindungsgemäßen Vorrichtung in der Batterie gespeichert wird oder zur Versorgung der Bordnetzverbraucher verwendet wird, muss sie nicht in Wärme umgewandelt werden, wobei in vorteilhafter Weise nicht nur eine Leistungsoptimierung möglich ist, sondern auch noch Wärmeprobleme vermieden werden.
  • In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist möglich, auf der Hochspannungsseite Hochleistungsverbraucher wie beispielsweise die Heckscheibenheizung kurzzeitig zuzuschalten und den Zwischenkreiskondensator direkt über die Heckscheibenheizung schnell zu entladen.
  • Ein besonders vorteilhaftes Einsatz der Erfindung ist bei Hybridantrieben in Fahrzeugen möglich. Die elektrische Maschine kann dann auch den Antrieb des Fahrzeugs übernehmen oder zusätzlich den Verbrennungsmotor unterstützen.
  • Zeichnung
    • Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der einzigen Figur der Zeichnung dargestellt und wird in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
  • Beschreibung
  • In der Figur ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt, das beispielsweise Bestandteil eines Mehrspannungsbordnetzes in einem Fahrzeug ist. Insbesondere handelt es sich bei diesem Bordnetz um ein sogenanntes Traktionsnetz eines Hybridfahrzeugs, also eines Fahrzeugs, das sowohl mit Hilfe eines Verbrennungsmotors als auch mit Hilfe einer elektrischen Maschine bzw. gemeinsam von beiden antreibbar ist.
  • Die erfindungsgemäßen Bestandteile des Bordnetzes bestehen aus einer elektrischen Maschine 1, vorzugsweise einer dreiphasigen elektrischen Maschine, beispielsweise einem Starter-Generator oder einer elektrischen Maschine für den Antrieb in einem Hybridfahrzeug, einem Pulswechselrichter 2, einem oder mehreren parallel geschalteten Kondensatoren bzw. Zwischenkreiskondensatoren 3, einer Hochspannungsbatterie 4, welcher noch ein Hauptschütz 7 zur Trennung der Hochspannungsbatterie vom Hochspannungs- bzw. Traktionsnetz nachgeschaltet ist. Das Traktionsnetz I mit der Hochspannungsbatterie 4 liegt beispielsweise bei 300 Volt, während die Bordnetzspannung 12 Volt beträgt.
  • Zur Anbindung des 12 Volt Bordnetzes II an das Traktionsnetz I dient ein Gleichspannungswandler (DC/DC-Wandler) 5, an den die Bordnetzbatterie 6 angeschlossen ist. An den Gleichspannungswandler sind die Verbraucher des 12 Volt Bordnetzes angeschlossen, die symbolisch mit 8 bezeichnet sind. Eine Steuereinrichtung 9 oder gegebenenfalls mehrere Steuereinrichtungen bilden die Ansteuersignale S 1 bis S4, über die das Batterieschütz 7, die Elemente des Pulswechselrichters 2, ein Schalter 10 zur Zuschaltung eines Hochstromverbrauchers 11 sowie der Gleichspannungswandler 5 angesteuert bzw. betätigt werden.
  • Mit dem in der Figur dargestellten System kann die elektrische Maschine 1 einerseits als Motor betrieben werden und als Starter für einen Verbrennungsmotor eingesetzt werden und diesen auf die Startdrehzahl bringen oder als elektrischer Antrieb in einem Hybridfahrzeug, wobei die dazu benötigte elektrische Leistung über den Pulswechselrichter 2 aus einer der Batterien 4 oder 6 entnommen wird. Andererseits kann die elektrische Maschine als Generator arbeiten, sie wird dann vom Verbrennungsmotor des Fahrzeugs angetrieben und liefert eine mittels eines Spannungsreglers geregelte Ausgangsspannung, die mit Hilfe des Pulswechselrichters 2 gleichgerichtet wird und an geeigneter Stelle, beispielsweise im Zwischenkreiskondensator oder in einer der beiden Batterien gespeichert wird.
  • Aus Sicherheitsgründen muss die Spannung am Zwischenkreiskondensator 3 bzw. an den Zwischenkreiskondensatoren innerhalb von sehr kurzer Zeit, beispielsweise innerhalb von 5 Sekunden nach Abschalten des Pulswechslerrichters auf unter U1 abgesunken sein. U1 ist dabei eine Spannung von beispielsweise 65 Volt. Bei bisherigen Systemen wird die Spannung mit Hilfe eines eigenen Widerstandes abgebaut, beim Ausführungsbeispiel der Erfindung ist ein solcher Widerstand nicht nötig, da der Gleichspannungswandler (DC/DC-Wandler) 5 zur Entladung des Kondensators mitverwendet wird. Damit ist es möglich, die abzubauende Spannung entweder zur Ladung der Batterie 6 zu verwenden oder in einem der an die Klemmen 8 anzuschließenden Bordnetzverbraucher abzubauen.
  • Damit die erfindungsgemäße Entladung des Zwischenkreiskondensators 3 mit Hilfe des Gleichspannungswandlers 5 erfolgen kann, sind an den Gleichspannungswandler 5 verschiedene Bedingungen zu knüpfen. Der Gleichspannungswandler 5 muss so geregelt oder gesteuert werden, dass seine Ausgangsspannung auf der 12 Volt Bordnetzseite auf Werte regelbar ist, die etwas höher als 12Volt liegen.
  • Beim Abschalten des Systems ist folgendes Verfahren durchzuführen, wobei die einzelnen Schaltvorgänge von der Steuereinrichtung 9 oder entsprechenden Einrichtungen ausgelöst werden.
  • Nachdem die elektrische Maschine 1 steht und der Pulswechslerrichter 2 abgeschaltet wurde, wird die Hochspannungsbatterie 4 über das Hauptschütz 7 vom Traktionsnetz getrennt. Die Spannung am Kondensator 3 bleibt dabei etwa auf dem Niveau der Nennspannung der Hochspannungsbatterie 4. Der Gleichspannungswandler 5 muss zu diesem Zeitpunkt weiter aktiv bleiben. Dabei wird die Ladung des Kondensators 3 über den Wandler 5 abgebaut und dem Bordnetz zur Verfügung gestellt. Je nach Regelaufwand der integriert werden kann, also je nach Ausgestaltung des Gleichspannungsreglers 5 lassen sich folgende Möglichkeiten realisieren:
    • 1. Die abzubauende Ladung wird in der Batterie 6 gespeichert 2 . Der Ladungsabbau erfolgt über die Bordnetzverbraucher 8.
    • 3 . Der Ladungsabbau erfolgt durch kurzzeitiges Zuschalten weiterer Hochstromverbraucher
  • Bei diesen Möglichkeiten ist zu beachten, dass nicht die 12Volt-Batterie 6 entladen wird und die Kondensatorladung erhalten bleibt, sondern dass die Kondensatorladung abgebaut wird und die 12VoltBatterie nicht entladen wird. Dies lässt sich sicherstellen, indem die Ausgangsspannung des Gleichspannungswandlers angehoben wird. Wird der Gleichspannungswandler 5 so geregelt oder gesteuert, dass seine bordnetzseitige Ausgangsspannung auf Werte zwischen 14,3 Volt und 14,7 Volt eingestellt bleibt, kann davon ausgegangen werden, dass es zu keiner Entladung der Batterie kommt, sondern die Batterie vielmehr durch Zuführung der abzubauenden Ladungen geladen wird.
  • Damit der Zwischenkreiskondensator 3 auf Werte von weniger als 65 Volt entladen werden kann, ist es erforderlich, dass der Gleichspannungswandler 5 auch bei Eingangsspannungen auf der Hochspannungsseite von weniger als 65 Volt eine Ausgangsspannung von etwa 14,3 Volt erzeugen kann. Eine entsprechende Ausgestaltung des Gleichspannungswandlers ist daher vorzusehen.
  • Für eine noch schnellere Entladung des Zwischenkreiskondensators 3 können Hochleistungsverbraucher wie beispielsweise die Heckscheibenheizung zugeschaltet werden. Die Ansteuerung kann dann kostengünstig realisiert werden, wenn der Spannungswandler 5 sowie mögliche Verbraucher mit Hilfe eines Steuergerätes, beispielsweise eines Mikrocontrollers angesteuert werden und ein Anschluss beispielsweise über ein Bussystem, beispielsweise einen CAN-Bus realisiert ist. Es besteht dann auch die Möglichkeit, die Ansteuerung von einem übergeordneten Steuergerät durchführen zu lassen, das unter Berücksichtigung vorgebbarer Informationen bzw. vorgebbarer Schaltroutinen die erforderlichen Ansteuersignale abgibt.
  • Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur schnellen Entladung eines Kondensators ist prinzipiell einsetzbar in Mehrspannungsbordnetzen mit wenigstens einem Spannungsbereich mit gefährlichen Berührspannungen, typischerweise größer als 65 Volt. Grundsätzlich kann die erfindungsgemäße Vorrichtung jedoch auch in anderen Bordnetzen eingesetzt werden.

Claims (10)

  1. Vorrichtung zur schnellen Entladung eines Kondensators (3), insbesondere eines Zwischenkreiskondensators, der über einen Wechselrichter (2) mit einer elektrischen Maschine (1) in Verbindung steht, wobei der Kondensator (3) über einen Gleichspannungswandler (5) mit einem weiteren elektrischen Ladungsspeicher (8), insbesondere einer Batterie verbunden ist, wobei der Gleichspannungswandler (5) Mittel umfasst, die eine schnelle Entladung des Kondensators (3) bei entsprechender Ansteuerung des Gleichspannungswandler (5) bewirken, . dadurch gekennzeichnet, dass der Gleichspannungswandler (5) so geregelt oder angesteuert wird, dass seine niederspannungsseitige Ausgangsspannung bordnetzseitig angehoben wird, sofern eine Bedingung vorliegt, bei der der Kondensator (3) entladen werden soll, wobei die Ausgangsspannung des Gleichspannungswandlers (5) während der Dauer der Umleitung auf ein höheres Spannungsniveau angehoben wird, wodurch sichergestellt wird, dass der weitere elektrische Ladungsspeicher (8) (8) sicher geladen wird.
  2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass dem Gleichspannungswandler (5) batterieseitig zur Übernahme der abzubauenden elektrischen Leistung ein Widerstand (11) mittels eines Schalters (10) zuschaltbar ist.
  3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Bedingung für das Entladen das Kondensators ist, dass die elektrische Maschine stillsteht und der Wechselrichter abgeschaltet ist.
  4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kondensator (3) über weitere Schaltmittel (7) zumindest zeitweilig mit einer Batterie (4) verbindbar ist, die eine Hochstrombatterie ist.
  5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Maschine (1), der Wechselrichter (2), der Kondensator (3), die Batterie (4) und die zusätzlichen Schaltmittel (7) Bestandteil eines Hochspannungsbordnetzes sind und die Batterie (6) sowie die Verbraucher (8) Bestandteil eines Niederspannungsbordnetzes sind und die Verbindung zwischen beiden Bordnetzen durch den Gleichspannungswandler (5) hergestellt wird.
  6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Maschine ein Starter-Generator ist.
  7. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Maschine Bestandteil eines Hybridantriebes in einem Fahrzeug ist und zum Antrieb des Fahrzeugs und/oder zur Unterstützung des vom Verbrennungsmotor gelieferten Antriebs dient.
  8. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kondensator (3) ein Zwischenkreiskondensator ist.
  9. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Wechselrichter (2) ein Pulswechselrichter ist und der Gleichspannungswandler (5) ein steuer- oder regelbarer Spannungswandler ist und die Ansteuerung des Pulswechselrichters (2) und des Spannungswandlers (5) mittels einer Steuereinrichtung (9) erfolgt
  10. Verfahren zur schnellen Entladung eines Kondensators unter Verwendung einer Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass nach Abschalten des Wechselrichters Ansteuerungen erfolgen, die ein schnelles Entladen des Kondensators bewirken, indem zumindest ein Teil der gespeicherten Ladung über den Gleichspannungswandler (5) der Batterie (6) oder dem Verbraucher 11 zugeführt werden.
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