DE102008013706A1

DE102008013706A1 - Ladeschaltung und Ladeverfahren für einen Zwischenkreiskondensator

Info

Publication number: DE102008013706A1
Application number: DE200810013706
Authority: DE
Inventors: Klaus-Heinz Winkler
Original assignee: Conti Temic Microelectronic GmbH
Current assignee: Conti Temic Microelectronic GmbH
Priority date: 2008-03-11
Filing date: 2008-03-11
Publication date: 2009-09-24

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Ladeschaltung (1) für einen Zwischenkreiskondensator (2), der insbesondere einem Umrichter in einem Hybridfahrzeug vorgeschaltet ist, wobei der Zwischenkreiskondensator (2) zweipolig mittels zweier separat schaltbarer Pole (4.1, 4.2) eines Hauptschützes mit einer Spannungsquelle (5) verbindbar ist und wobei parallel zu einem der Pole (4.1, 4.2) eine Reihenschaltung eines Schalters (6) mit einer Vorladeschaltung vorgesehen ist, wobei die Vorladeschaltung als eine Stromquelle (3) und/oder als ein im linearen Bereich betriebener Halbleiter ausgebildet ist. Die Erfindung betrifft weiter ein Ladeverfahren, bei dem der Zwischenkreiskondensator (2) zunächst einpolig mittels eines der Pole (4.1, 4.2) mit der Spannungsquelle (5) verbunden wird, wobei der andere der Pole (4.2, 4.1) durch Schließen des Schalters (6) von der Stromquelle (3) überbrückt wird, mit der der Zwischenkreiskondensator (2) vorgeladen wird, wobei bei einem vorgegebenen Ladezustand des Zwischenkreiskondensators (2) der andere der Pole (4.2, 4.1) geschlossen und der Zwischenkreiskondensator (2) geladen wird.

Description

Die Erfindung betrifft eine Ladeschaltung und ein Ladeverfahren für einen Zwischenkreiskondensator, der insbesondere einem Umrichter in einem Hybridfahrzeug vorgeschaltet ist, wobei der Zwischenkreiskondensator zweipolig mittels zweier separat schaltbarer Pole eines Hauptschützes mit einer Spannungsquelle verbindbar ist und wobei parallel zu einem der Pole eine Reihenschaltung eines Schalters mit einer Vorladeschaltung vorgesehen ist.
Zum Betrieb von elektrischen Maschinen in Hybridfahrzeugen sind Umrichter erforderlich. Diese werden normalerweise über einen Zwischenkreis aus einer Spannungsquelle versorgt. Im Zwischenkreis sind Zwischenkreiskondensatoren mit hoher elektrischer Kapazität in der Größenordnung 1 mF vorgesehen. Diese werden bei Bedarf aus der Spannungsquelle geladen. Die Spannungsquelle kann meist zweipolig mittels zweier Pole eines Schützes mit dem Zwischenkreiskondensator getrennt oder verbunden werden. Aufgrund der hohen Kapazität des Zwischenkreiskondensators treten dabei sehr hohe Schaltströme auf, die die Pole des Schütz stark belasten und zu einem schnellen Verschleiß führen. Dieses Problem wird gewöhnlich dadurch umgangen, dass zunächst nur einer der Pole des Schützes geschlossen wird. Anschließend wird der zweite der Pole mittels einer Vorladeschaltung überbrückt, die einen Schalter und einen Widerstand umfasst. Hat der Zwischenkreiskondensator einen hinreichenden Ladezustand erreicht, wird schließlich der zweite Pol des Schützes geschlossen und die Vorladeschaltung damit kurzgeschlossen. Dabei ergibt sich ein Ladestrom, der zunächst bedingt durch den Widerstand ein Maximum hat und mit steigender Zwischenkreisspannung über dem Zwischenkreiskondensator abfällt.
Es ist daher eine Aufgabe der Erfindung, eine verbesserte Ladeschaltung und ein verbessertes Ladeverfahren für einen Zwischenkreiskondensator anzugeben.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Ladeschaltung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 6.
Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
Eine erfindungsgemäße Ladeschaltung für einen Zwischenkreiskondensator, der insbesondere einem Umrichter in einem Hybridfahrzeug vorgeschaltet ist, ist so gestaltet, dass der Zwischenkreiskondensator zweipolig mittels zweier separat schaltbarer Pole eines Hauptschützes mit einer Spannungsquelle verbindbar ist. Parallel zu einem der Pole ist eine Reihenschaltung eines Schalters mit einer Vorladeschaltung vorgesehen. Die Vorladeschaltung ist als eine Stromquelle und/oder als ein linear betriebener Halbleiter ausgebildet. Ein durch die Stromquelle einstellbarer Strom zum Vorladen des Zwischenkreiskondensators kann abhängig von einem maximal zulässigen Strom eingestellt werden.
Verglichen mit einer Widerstandsvorladung, bei der der Ladestrom zunächst bedingt durch den Widerstand ein Maximum hat und mit steigender Zwischenkreisspannung über dem Zwischenkreiskondensator abfällt, erfolgt bei Verwendung einer Stromquelle eine Ladung mit konstantem Strom, so dass sich die Ladezeit bei gleichem, insbesondere maximalen konstanten Ladestrom verkürzt.
Für den Fall, dass der Zwischenkreiskondensator mit einer Entladeschaltung oder einer anderen Last beschaltet ist, wird, anders als bei der Widerstandsvorladung, eine höhere Ladeendspannung erreicht. Auf diese Weise wird ein Stromimpuls beim Zuschalten der Pole des Hauptschützes verringert, so dass diese weniger verschleißen und eine längere Standzeit erreichen.
Ebenso kann eine Kombination aus der Stromquelle und einem als Halbleiterschalter ausgebildeten Schalter zum Überbrücken vorgesehen sein. Bei dieser Kombination ist ein minimaler Spannungsabfall über dem Pol des Hauptschützes erreichbar, so dass eine maximale Ladeendspannung möglich wird. Dabei kann es vorteilhaft sein, den Halbleiterschalter im Linearbetrieb zu betreiben und damit die Stromquelle ”langsam” zu überbrücken.
Die Stromquelle ist vorzugsweise mit Hilfe von Halbleiterbauelementen realisiert, da diese aufgrund ihrer weiten Verbreitung preisgünstig verfügbar sind.
Der Schalter zum Schalten der Stromquelle kann als ein Relais oder als ein Halbleiter ausgebildet sein.
Vorzugsweise ist die Stromquelle unabhängig vom Schalter oder automatisch insbesondere mit Zeitverzögerung mittels des Schalters schaltbar, insbesondere mittels eines Halbleiters. Auf diese Weise kann vermieden werden, den Schalter unter Last zu betätigen, so dass dessen Verschleiß verringert und damit seine Lebensdauer verlängert wird.
Bei einem typischen Ladevorgang des Zwischenkreiskondensators wird ein Ladeverfahren verwendet, bei dem der Zwischenkreiskondensator zunächst einpolig mittels eines der Pole des Hauptschützes mit der Spannungsquelle verbunden wird. Der andere der Pole wird durch Schließen eines Schalters von einer als Stromquelle ausgebildeten Vorladeschaltung überbrückt, mit der der Zwischenkreiskondensator vorgeladen wird. Bei Erreichen eines vorgegebenen Vorladezustands des Zwischenkreiskondensators wird der andere der Pole geschlossen und der Zwischenkreiskondensator vollständig geladen.
Im Folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand von Zeichnungen näher erläutert.
Darin zeigen:
1 ein Prinzipschaltbild einer Ladeschaltung für einen Zwischenkreiskondensator mit einer Stromquelle, und
2 eine Ausführungsform der Ladeschaltung mit einer mittels Halbleiterbauelementen realisierten Stromquelle.
In 1 ist ein Prinzipschaltbild einer Ladeschaltung 1 für einen Zwischenkreiskondensator 2 mit einer Stromquelle 3 gezeigt. Der Zwischenkreiskondensator 2 ist über zwei separat schaltbare Pole 4.1, 4.2 eines Hauptschützes zweipolig mit einer Spannungsquelle 5 verbindbar. Die Stromquelle 3 ist in einer Reihenschaltung mit einem Schalter 6 dem Pol 4.1 parallel geschaltet. Parallel zum Zwischenkreiskondensator 2 ist exemplarisch eine Last 7 abgebildet. Dies kann beispielsweise eine Entladeschaltung und/oder ein Umrichter sein. Es können mehrere Lasten angeordnet sein.
Bei einem typischen Ladevorgang des Zwischenkreiskondensators 2 wird dieser zunächst einpolig durch Schließen des Pols 4.2 des Hauptschützes mit der Spannungsquelle 5 verbunden. Durch die einpolige Verbindung kommt noch kein Stromfluss zustande, das heißt der Pol 4.2 wird ohne Last und damit praktisch verschleißfrei geschaltet. Anschließend wird der Schalter 6 geschlossen, womit der Pol 4.1 überbrückt ist. Entsprechend einer Einstellung der Stromquelle ergibt sich ein Vorladestrom I_V aus der Spannungsquelle 5 in den Zwischenkreiskondensator 2 und die Last 7. Ist ein vorgegebener Vorladezustand des Zwischenkreiskondensators 2 erreicht oder die Vorladung abgeschlossen, wird der Pol 4.1 geschlossen. Damit ist die Vorladung beendet. Die nun überbrückte Vorladeschaltung aus Stromquelle 3 und Schalter 6 trägt zum nun fließenden Ladestrom nicht mehr bei. Es ist daher unerheblich, ob der Schalter 6 in diesem Stadium offen oder geschlossen ist.
Die Stromquelle 3 kann zusammen mit dem Schalter 6 auch dem Pol 4.2 parallel geschaltet sein. Beim Ladeverfahren wird in jedem Fall zunächst der jeweils andere der Pole 4.1, 4.2 geschlossen, dann die Vorladeschaltung aus Schalter 6 und Stromquelle 3 aktiviert und schließlich der der Vorladeschaltung parallel liegende Pol 4.2, 4.1 geschlossen.
In 2 ist eine mögliche Ausführungsform der Ladeschaltung 1 mit einer mittels Halbleiterbauelementen realisierten Stromquelle 3 gezeigt. Es sind ein Feldeffekttransistor 8, ein Bipolartransistor 9, eine Z-Diode 10 sowie zwei Widerstände 11 und 12 vorgesehen. Der über den Feldeffekttransistor 8 und den Widerstand 12 fließende Vorladestrom I_V wird gemäß der Beziehung
bestimmt, wobei U_BE9 die Basis-Emitter-Spannung des Bipolartransistors 9, U₁₀ die Z-Spannung der Z-Diode 10 und R₁₂ der Widerstandswert des Widerstands 12 ist. Der Widerstand 11 begrenzt einen über den Bipolartransistor 9 und die Z-Diode 10 fließenden Strom, um dort eine Verlustleistung, eine Betriebsspannung und die maximale Gate-Spannung am Feldeffekttransistor 8 zu begrenzen. Hierzu ist parallel zum Bipolartransistor 9 und zur Z-Diode 10 eine Begrenzerdiode 14 geschaltet. Da die Basis-Emitter-Spannung U_BE9 bei allen Bipolartransistoren im Wesentlichen 0,7 V beträgt, lässt sich der Vorladestrom I_V vor allem durch Auswahl der Z-Diode 10 und Dimensionierung des Widerstands 12 bestimmen.
Zur Entlastung des Schalters 6 ist zum Ein- und Ausschalten der Stromquelle 3 zusätzlich noch ein Halbleiterschalter 13 vorgesehen, der im gezeigten Beispiel optisch angesteuert wird. Alternativ kann die Stromquelle 3 mittels des Schalters 6 zeitverzögert ein- oder ausgeschaltet werden.
Statt der Stromquelle 3 kann ein linear betriebener Halbleiter eingesetzt werden. Ebenso kann eine Kombination aus der Stromquelle 3 und einem als Halbleiterschalter ausgebildeten Halbleiter zum Überbrücken vorgesehen sein.
Der Schalter 6 zum Schalten der Stromquelle 3 kann als ein Relais oder als ein Halbleiter ausgebildet sein.

1: Ladeschaltung
2: Zwischenkreiskondensator
3: Stromquelle
4.1, 4.2: Pol
5: Spannungsquelle
6: Schalter
7: Last
8: Feldeffekttransistor
9: Bipolartransistor
10: Z-Diode
11: Widerstand
12: Widerstand
13: Halbleiterschalter
14: Begrenzerdiode
I_V: Vorladestrom
R₁₂: Widerstandswert des Widerstands 12
U_BE9: Basis-Emitter-Spannung des Bipolartransistors
U₁₀: Z-Spannung der Z-Diode

Claims

Ladeschaltung (1) für einen Zwischenkreiskondensator (2), der insbesondere einem Umrichter in einem Hybridfahrzeug vorgeschaltet ist, wobei der Zwischenkreiskondensator (2) zweipolig mittels zweier separat schaltbarer Pole (4.1, 4.2) eines Hauptschützes mit einer Spannungsquelle (5) verbindbar ist und wobei parallel zu einem der Pole (4.1, 4.2) eine Reihenschaltung eines Schalters (6) mit einer Vorladeschaltung vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorladeschaltung als eine Stromquelle (3) und/oder als ein im linearen Bereich betriebener Halbleiter ausgebildet ist.
Ladeschaltung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Stromquelle (3) Halbleiterbauelemente (8, 9, 10, 13, 14) umfasst.
Ladeschaltung (1) nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Schalter (6) als ein Relais ausgebildet ist.
Ladeschaltung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Schalter (6) als ein Halbleiter ausgebildet ist.
Ladeschaltung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Stromquelle (3) unabhängig vom Schalter (6) oder automatisch, insbesondere zeitverzögert mit Schalter (6) schaltbar ist.
Ladeverfahren für einen Zwischenkreiskondensator (2), der insbesondere einem Umrichter in einem Hybridfahrzeug vorgeschaltet ist, wobei der Zwischenkreiskondensator (2) zunächst einpolig mittels eines von zwei Polen (4.1, 4.2) eines Hauptschützes mit einer Spannungsquelle (5) verbunden wird, wobei der andere der Pole (4.2, 4.1) durch Schließen eines Schalters (6) von einer als Stromquelle (3) ausgebildeten Vorladeschaltung überbrückt wird, mit der der Zwischenkreiskondensator (2) vorgeladen wird, wobei nach abgeschlossener Vorladung der andere der Pole (4.2, 4.1) geschlossen wird.