DE102008061585A1

DE102008061585A1 - Fahrzeug mit Versorgungseinrichtung eines Elektromotors und Verfahren zur Stromversorgung des Elektromotors

Info

Publication number: DE102008061585A1
Application number: DE102008061585A
Authority: DE
Inventors: Stefan Flock; Gerhard Hiemer; Uwe Krella
Original assignee: Conti Temic Microelectronic GmbH
Current assignee: Vitesco Technologies Germany GmbH
Priority date: 2008-12-11
Filing date: 2008-12-11
Publication date: 2010-06-17
Anticipated expiration: 2028-12-12
Also published as: EP2356731A1; WO2010066578A1; DE102008061585B4; US20110241581A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Fahrzeug mit einer Versorgungseinrichtung (1) für einen Elektromotor (7) und ein Verfahren zur Stromversorgung des Elektromotors (7). Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung einer Zwischenspeichervorrichtung (9) für die Fahrzeugversorgungseinrichtung (1). Das Fahrzeug weist dazu eine Fahrzeugbatterie (8), die Zwischenspeichervorrichtung (9) und einen Umrichter (10) zur Versorgung des Elektromotors (7) auf. Die Zwischenspeichervorrichtung (9) ist zwischen der Fahrzeugbatterie (8) und dem Umrichter (10) angeordnet. Die Zwischenspeichervorrichtung (9) weist ein Zwischenspeichermodul (11) mit integraler Entladevorrichtung (12) auf, wobei die Entladevorrichtung (12) beim Entladen der Zwischenspeichervorrichtung (9) die gespeicherte elektrische Energie in Wärmeenergie umsetzt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Fahrzeug mit einer Versorgungseinrichtung für einen Elektromotor und ein Verfahren zur Stromversorgung des Elektromotors. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung einer Zwischenspeichervorrichtung für die Fahrzeugversorgungseinrichtung. Das Fahrzeug weist dazu eine Fahrzeugbatterie, die Zwischenspeichervorrichtung und einen Umrichter zur Versorgung des Elektromotors auf.
Eine derartige Versorgungseinrichtung ist zur Steuerung und Regelung von Elektromotoren unterschiedlichster Bauart mit Hilfe eines entsprechenden Stromversorgungsnetzes im Fahrzeug erforderlich. Insbesondere werden derartige Versorgungseinrichtungen zur Regelung und Steuerung von dreiphasigen Elektromotoren mit Hilfe eines variablen Drehstromnetzes eingesetzt. Zur Erzeugung derartiger Drehfelder werden als Umrichter überwiegend Frequenzumrichter in einem Spannungszwischenkreis eingesetzt, wie es eine Prinzipdarstellung in 5 zeigt. Als Zwischenspeicher 13 der Zwischenspeichervorrichtung 9 kann eine Spule oder ein Kondensator C verwendet werden. Vorzugsweise wird, wie 4 zeigt, ein Zwischenkreiskondensator 14 als Energiespeicher in der Zwischenspeichervorrichtung 9 eingesetzt.
Derartige Zwischenkreiskondensatoren 14 der Zwischenspeichervorrichtung 9 werden auch als Leistungskondensatoren bezeichnet. Die Auslegung der Kapazität derartiger Zwischenkreiskondensatoren 14 richtet sich dabei nach den Kriterien:

1. Strombelastbarkeit des Zwischenkreiskondensators 14,
2. Spannungswelligkeit innerhalb der Zwischenspeichervorrichtung 9.

In der Praxis werden Werte von 0,15 A bis 0,25 A als überlagerter so genannter ripple current Wechselstrom pro μF (Mikrofarad) Kapazität beispielsweise bei Folienkondensatoren vorgesehen. Bei Fahrzeugen mit Hybrid- und Elektroantrieb sind Phasenströme von bis zu 300 A effektiv vorzusehen. Damit ergeben sich Kapazitätswerte von bis zu 2000 μF. Bei einer maximalen Spannung in der Zwischenspeichervorrichtung 9 von ca. 430 V ergibt sich eine Energie von E = 0,5 × C × U² von ungefähr 185 Ws, die dann in dem Zwischenspeicher 13 bzw. im Zwischenkreiskondensator 14 gespeichert ist.
Außerhalb der Betriebszeit des Fahrzeugs darf sich eine derartige gespeicherte Energie noch dazu bei derart hohen Spannungen nicht mehr in einem Speicherelement befinden, da dieses die Sicherheit des Fahrzeugs gefährdet. Insbesondere können bei Unfallsituationen die Anschlusspunkte 27 und 28 zum Verbraucher wie dem Frequenzumrichter 10 mit angeschlossenem Elektromotor 7 über entsprechende Zuleitungen 29, 30 und 31 zu einem in 4 gezeigten Drehstrommotor 32 unterbrochen sein. In einem solchen Fall liegen die Anschlusspunkte 27 und 28 der Zwischenspeichervorrichtung 9 frei und können gefährliche Entladungsfunken verursachen.
Um diese Gefahren abzuwenden, schreiben entsprechende Normen vor, dass Leistungskondensatoren, wie sie in der Zwischenspeichervorrichtung 9 vorgesehen sind, mit fest verbundenen Entladevorrichtungen zu versehen sind. Dafür werden Entladevorrichtungen 12 über die in 6 gezeigten Anschlusspunkte 27 und 28 angeschlossen, um den Zwischenkreiskondensator 14 zu entladen. Sie müssen folglich geeignet sein, die im Zwischenkreiskondensator gespeicherte Energie aufzunehmen und abzuführen. Dieses kann passiv, wie es 6 zeigt, über einen hochohmigen Widerstand 16 zwischen beispielsweise 30 kΩ bis 50 kΩ (Kilo-Ohm) erfolgen. Bei dieser passiven Entladung über einen Entladewiderstand 16 ist dieser dauerhaft über die Anschlusspunkte 27 und 28 parallel zugeschaltet. Das ist jedoch mit Entladezeiten von einigen Minuten verbunden, die für die Kraftfahrzeugtechnik nicht zulässig sind, zumal die Entladezeiten innerhalb weniger Sekunden liegen sollen.
Anstelle einer langsamen und ständigen hochohmigen Entladung über einen Widerstand zeigt 7 eine Entladevorrichtung 12, die an die Anschlusspunkte 27 und 28 der Zwischenspeichervorrichtung 9 angeklemmt werden kann. Diese Entladevorrichtung weist einen niederohmigen Widerstand R auf, über den höhere Entladeströme in kürzester Zeit fließen können, der jedoch dann über ein geeignetes Entladeschaltelement 17, das in 6 als Schalter S₂ dargestellt ist, nur dann zugeschaltet wird, wenn der Betrieb des Fahrzeugs eingestellt bzw. gestoppt wird. Jedoch sind diese Systeme, wie sie die 5 bis 7 zeigen, in Kraftfahrzeugen aufgrund des begrenzten Bauraumes in Kraftfahrzeugen und aufgrund erhöhter Sicherheitsanforderungen für Kraftfahrzeuge nicht einsetzbar. So dürfen keinerlei spannungsführende Teile bei einem Autounfall, insbesondere Leitungen und Leitungskomponenten, die beim Auffahrunfall im geladenen Zustand zur Funkenentladung neigen, freigelegt werden.
Aus der Druckschrift DE 10 2004 057 693 A1 ist dazu eine Vorrichtung zur schnellen Entladung eines Kondensators bekannt, insbesondere zur schnellen Entladung eines Zwischenkreiskondensators. Dieser wird über einen Gleichstromwandler in einem Bordnetz mit einem Startergenerator als elektrischer Maschine sowie mit zugeordneten Spannungswandlern verbunden. Dabei wird als Gleichspannungswandler ein gesteuerter oder geregelter Gleichspannungswandler eingesetzt, dessen bordnetzseitige Ausgangsspannung nach Abschalten der elektrischen Maschine und Ausschalten des Wechselrichters gegenüber dem Normalzustand angehoben wird, wodurch der mit dem Spannungswandler verbundenen Batterie die abzubauenden Ladungen zugeführt werden.
Eine derartige bekannte Zwischenspeichervorrichtung mit Entladevorrichtung unter Rückführung der gespeicherten Energie in die Fahrzeugbatterie hat den Nachteil, dass bei einem Autounfall eine Vielzahl von Verbindungsleitungen unterbrochen oder zerstört werden können, so dass eine Entladung eines Zwischenkreiskondensators hin zu der Fahrzeugbatterie nicht mehr möglich ist, und somit ein mit elektrischer Energie gespeichertes Element erhebliche Folgeschäden nach einem Fahrzeugunfall verursachen kann. Auch andere Vorschläge, die gespeicherte Energie eines Zwischenkreiskondensators zurück zu gewinnen, sind immer mit der Gefahr verbunden, dass dazu entsprechende Leitungen im Fahrzeug verlegt werden müssen, die nicht gewährleisten können, dass im Falle eines Unfalls die Entladung der Energiespeicher gesichert ist, was eine unzulässige Sicherheitsgefahr darstellt.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Fahrzeug mit Versorgungseinrichtung eines Elektromotors zu schaffen, bei der die Versorgungseinrichtung über eine sich automatisch selbst entladende Zwischenspeichervorrichtung verfügt und somit die Nachteile von Vorrichtungen zur schnellen Entladung von Kondensatoren, wie sie aus dem Stand der Technik bekannt sind, überwindet.
Gelöst wird diese Aufgabe mit dem Gegenstand der unabhängigen Ansprüche. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
Erfindungsgemäß wird ein Fahrzeug mit einer Versorgungseinrichtung für einen Elektromotor und ein Verfahren zur Stromversorgung des Elektromotors geschaffen. Ferner wird ein Verfahren zur Herstellung einer Zwischenspeichervorrichtung für die Fahrzeugversorgungseinrichtung offenbart. Das Fahrzeug weist dazu eine Fahrzeugbatterie, eine Zwischenspeichervorrichtung und einen Umrichter zur Versorgung des Elektromotors auf, wobei die Zwischenspeichervorrichtung zwischen der Fahrzeugbatterie und dem Umrichter angeordnet ist. Die Zwischenspeichervorrichtung weist ein Zwischenspeichermodul mit integraler Entladevorrichtung auf, wobei die Entladevorrichtung beim Entladen der Zwischenspeichervorrichtung die gespeicherte elektrische Energie in Wärmeenergie umsetzt.
Der erfindungsgemäße Gegenstand hat den Vorteil, dass die Entladevorrichtung integraler Bestandteil des Zwischenspeichermoduls ist. Dadurch wird gewährleistet, dass keine externen Verbindungen erforderlich sind, um ein Entladen der Speicherkomponenten der Zwischenspeichervorrichtung zu gewährleisten, zumal die Entladevorrichtung im Ruhezustand des Fahrzeugs und auch bei allen Unterbrechungen des Fahrzeugbetriebs, beispielsweise durch einen Fahrzeugunfall, grundsätzlich im Entladezustand ist. Lediglich beim Fahrbetrieb unterbricht die Entladevorrichtung die Entladung selbst, so dass die Zwischenspeichervorrichtung ihre Funktion erfüllen kann, nämlich eine Entkopplung zwischen Batterie und dem Umrichter für die Versorgung des Motors zu gewährleisten.
Als Zwischenspeicher in der Zwischenspeichervorrichtung kann eine Spule oder vorzugsweise ein Zwischenkreiskondensator eingesetzt werden. Dieser Zwischenkreiskondensator ist vorzugsweise Bestandteil eines Zwischenspeichermoduls, das ein gemeinsames Gehäuse aufweist, in dem Komponenten wie der Zwischenkreiskondensator, ein elektrischer Widerstand, um die gespeicherte elektrische Energie in Wärmeenergie umzusetzen, ein Entladeschaltelement, das beim Lade- und Speichervorgang eine Offenstellung und beim Entladen des Zwischenkreiskondensators eine Schließstellung aufweist, sowie ein elektronischer Treiber, zum Offenhalten des Entladeschaltelements beim Lade- und Speichervorgang und zum Schließen desselben bei Ausfall oder Abstellen des Fahrzeugmotors, angeordnet sind.
Mit diesem Zwischenspeichermodul wird in vorteilhafter Weise eine kompakte Zwischenspeichervorrichtung verwirklicht, die außerdem sicherstellt, dass die Entladevorrichtung grundsätzlich eingeschaltet ist, wenn kein Fahrbetrieb erfolgt, und erst deaktiviert wird, wenn der Fahrbetrieb einsetzt. Wie einleitend bereits erwähnt, ist die Kapazität des Zwischenkreiskondensators erheblich, so dass der Zwischenkreiskondensator entsprechend große Oberflächen bzw. Dimensionen aufweist.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der Zwischenkreiskondensator ein Folienkondensator und der elektrische Widerstand ein Folienwiderstand, der mit der Entladevorrichtung zusammenwirkt. Dazu kann der Folienkondensator zwei großflächige Sammelelektroden aufweisen und auf mindestens einer der Elektroden den Folienwiderstand tragen, der flächig auf einer der Elektroden angeordnet ist. Eine derartige flächige Anordnung kann auch strukturiert sein, vorzugsweise als mäanderförmige Widerstandsstruktur. Außerdem kann auf einer der Sammelelektroden des Folienkondensators ein integrierter Schaltkreis mit dem Entladeschaltelement und dem elektronischen Treiber angeordnet sein.
Eine spezielle Form für den Zwischenkreiskondensator ergibt sich, wenn ein Schichtstapelkondensator oder ein Rundwickelkondensator oder ein Keramikkondensator eingesetzt wird. Die Außenelektroden derartiger Kondensatoren haben unterschiedliche Formen, wobei flächige ebene Sammelelektroden bevorzugt werden, wie sie ein Schichtstapelkondensator oder ein Keramikkondensator aufweisen können. Es lassen sich aber auch Entladevorrichtungen auf zylindrischen oder becherförmigen Oberflächen von Sammelelektroden, wie sie beispielsweise beim Rundwickelkondensator oder einem Elektrolytkondensator zur Verfügung stehen, integrieren. Selbst in dem Fall, dass als Zwischenkreiskondensator ein Al-Elektrolytkondensator eingesetzt wird, ist es möglich, auf die becherförmige Außenelektrode des Al-Elektrolytkondensators eine entsprechende Entladestruktur anzuordnen. Diese Strukturen sind vorzugsweise durch eine Isolationsschicht von der tragenden Elektrode isoliert.
Auch der eigentliche Wandler, der elektrische Energie in Wärmeenergie umwandelt, vorzugsweise ein elektrischer Widerstand, kann isoliert auf die tragende Oberfläche einer Sammelelektrode eines Kondensators aufgebracht werden. In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist ein derartiger elektrischer Widerstand ein Dünnfilm- oder ein Dickfilmwiderstand. Bei Dünnfilmwiderständen wird auf die Sammelelektrode eine Isolationsschicht aufgebracht und auf dieser eine dünne Metallschicht realisiert, die anschließend eventuell noch beispielsweise mäanderförmig strukturiert wird. Dickschichtwiderstände werden vorzugsweise auf ein Keramiksubstrat aufgebracht, das wiederum mit der tragenden Sammelelektrode des Zwischenkreiskondensators stoffschlüssig verbunden wird.
Ferner ist es von Vorteil, einen Temperatur überwachten Widerstand vorzusehen, um sicherzustellen, dass bei Betriebsstörungen eine Überhitzung des Widerstandes ausgeschlossen ist. Darüber hinaus ist es vorgesehen, einen Widerstand mit positivem Temperaturkoeffizient, nämlich einen so genannten PTC-Widerstand zur Umwandlung der gespeicherten Energie in Wärmeenergie einzusetzen. Das hat den Vorteil, dass sich der Widerstand bei Betriebsstörungen selber vor einer Überhitzung schützt, indem sein Widerstandswert mit zunehmender Temperatur steigt und den Entladestrom auf einen zulässigen Wert automatisch verringert.
Ein Verfahren zur Herstellung einer Zwischenspeichervorrichtung kann die folgenden Verfahrensschritte aufweisen. Zunächst wird ein Zwischenkreiskondensator mit mindestens einer oberflächigen Sammelelektrode bereitgestellt. Anschließend wird eine Isolationsschicht auf die Sammelelektrode aufgebracht. Auf diese Isolationsschicht kann eine Verdrahtungsstruktur angeordnet werden. Danach wird ein elektrischer Widerstand auf einen Bereich der Isolationsschicht unter Verbinden mit der Verdrahtungsstruktur aufgebracht und schließlich ein Entladeschaltelement auf der Isolationsschicht unter Verbinden mit der Verdrahtungsstruktur fixiert. Schließlich kann auch noch ein elektrischer Treiber auf der Isolationsschicht angeordnet werden, wobei auch dieser mit der Verdrahtungsstruktur zu verbinden ist.
Dieses Verfahren hat den Vorteil, dass mit der Herstellung der Zwischenspeichervorrichtung ein Zwischenspeichermodul entsteht, so dass sämtliche Bauelemente auf einer der Sammelelektroden des Zwischenkreiskondensators wie auf einer Leiterplatte oberflächenmontiert sind. Somit ist diese Zwischenspeichervorrichtung ein kompaktes Modul, dem lediglich noch ein Gehäuse fehlt. Dieses Gehäuse kann durch Einbetten der zu einem Modul verbundenen Komponenten in eine Kunststoffgehäusemasse realisiert werden. Das Gehäuse kann aber auch bei entsprechender Zwischenisolation als ein Hohlraumgehäuse ausgebildet sein, wobei der Hohlraum des Gehäuses von den oben beschriebenen Komponenten eingenommen wird.
Ein Verfahren zur Versorgung eines Elektromotors eines Fahrzeugs weist nachfolgende Verfahrenschritte auf. Zunächst wird beim Starten und während des Betriebs des Fahrzeugs ein Entladeschaltelement eines kapazitiven Zwischenspeichers geöffnet. Bei stromlosen Zustand, d. h. wenn das Fahrzeug nicht in Betrieb ist oder zum Stillstand beispielsweise durch einen Unfall gekommen ist, ist das Entladeschaltelement in einer elektrisch leitenden Schließstellung, so dass praktisch der Zwischenkreiskondensator über einen elektrische Energie in Wärmeenergie umwandelnden Widerstand kurzgeschlossen ist.
Durch das Öffnen dieses Entladeschaltelements ist es dann möglich, den kapazitiven Zwischenkreisspeicher in Zusammenwirken mit einer Fahrzeugbatterie aufzuladen bzw. zu betreiben. Die gespeicherte Energie kann in einen Wechselstrom durch einen Umrichter umgewandelt werden, um den Elektromotor zu versorgen. Beim Abschalten oder Anhalten des Fahrzeugmotors wird ein Entladen der elektrischen Energie des kapazitiven Zwischenspeichers unter Zuschalten eines elektrischen Widerstands, der mit dem Zwischenkreiskondensator in einem gemeinsamen Zwischenspeichermodul angeordnet ist, aktiviert.
Das Zuschalten eines elektrischen Widerstands erfolgt mittels eines in dem Zwischenspeichermodul integrierten Entladeschaltelements und eines elektronischen Treibers. Beim darauf folgenden Entladevorgang der Zwischenspeichervorrichtung wird die gespeicherte elektrische Energie in Wärmeenergie umgesetzt, die als elektrische Energie in einem Zwischenkreiskondensator der Zwischenspeichervorrichtung zwischengespeichert war.
Beim Lade- und Speichervorgang nimmt das Entladeschaltelement eine Offenstellung und beim Entladen des Zwischenkreiskonden sators nimmt das Entladeschaltelement eine Schließstellung ein. Dabei hält ein elektronischer Treiber das Entladeschaltelement beim Lade- und Speichervorgang offen und bei Ausfall oder Abstellen des Fahrzeugmotors fällt das Entladeschaltelement automatisch zurück in die Schließstellung.
Die Erfindung wird nun anhand der beigefügten Figuren näher erläutert.
1 zeigt ein schematisches Blockschaltbild einer ersten Ausführungsform der Erfindung;
2 zeigt eine schematische perspektivische Ansicht eines Zwischenspeichermoduls gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung;
3 zeigt eine schematische perspektivische Ansicht eines Zwischenspeichermoduls gemäß einer dritten Ausführungsform der Erfindung;
4 zeigt ein detailliertes Schaltbild der Ausführungsform der Erfindung gemäß 1;
5 bis 7 zeigen unterschiedliche Versorgungseinrichtungen für Elektromotoren eines Fahrzeugs gemäß dem Stand der Technik.
1 zeigt ein schematisches Blockschaltbild einer ersten Ausführungsform der Erfindung. In dieser ersten Ausführungsform der Erfindung weist das Fahrzeug eine Versorgungseinrichtung 1 für einen Elektromotor 7 auf, der in dieser Ausführungsform ein Drehstrommotor 32 ist. Der Drehstrommotor 32 wird mit Hilfe von drei Phasen über die Zuleitungen 29, 30 und 31 von einem Frequenzumrichter 10 versorgt, der einen Gleichstrom DC (direct current) in einen Dreiphasenstrom AC (alternating current) umrichtet. Der Frequenzumrichter 10 ist an eine Fahrzeugbatterie 8 angeschlossen, die Gleichspannungen über 60 V liefert und vorzugsweise Lithiumionen-Batterien aufweist.
Zur Entkopplung zwischen dem Frequenzumrichter 10 und der Fahrzeugbatterie 8 ist dazwischen ein so genannter Zwischenkreis mit einem Zwischenkreiskondensator 14 angeordnet. Dieser Zwischenkreis bildet eine Zwischenspeichervorrichtung 9, die in dieser ersten Ausführungsform der Erfindung mehrere elektronische Komponenten in einem kompakten geschlossenen Gehäuse 15 aufweist. Während der Zwischenkreiskondensator 14 eine glättende und entkoppelnde Funktion ausführt, wird er elektrostatisch aufgeladen und speichert als Zwischenspeicher 13 elektrische Energie, solange das Fahrzeug betrieben wird.
Im Falle des Abstellen oder Stoppen des Fahrzeugs und Fahrzeugmotors geht ein Batterieschaltelement S₃ von einer Schließstellung in eine Offenstellung, so dass die Fahrzeugbatterie von der Zwischenspeichervorrichtung 9 getrennt ist. Jedoch muss nun in Sekundenschnelle die in dem Zwischenspeicher 13 gespeicherte elektrische Energie abgebaut werden. Dazu weist die erste Ausführungsform der Erfindung eine Entladevorrichtung 12 auf, die im Wesentlichen aus einem elektrischen Widerstand 16 in Serie mit einem Entladeschaltelement 17, das auch als S₂ gekennzeichnet ist, besteht. Dieses Entladeschaltelement 17 ist leitend bzw. in einer Schließstellung, solange noch elektrische Ladung auf dem Zwischenkreiskondensator 14 gespeichert ist und das Fahrzeug nicht betrieben wird. Erst dann, wenn der Kondensator entladen ist, geht das Ladeschaltelement 17 in eine Offenstellung über, wozu in dem Gehäuse 15 ein Treiber T bzw. eine Ansteuerung für das Entladeschaltelement 17 angeordnet ist.
Dieser Treiber 18 wird seinerseits über einen Schalter S₁ gesteuert, wobei der Schalter S₁ beim Anlassen und Betreiben des Fahrzeugs in Pfeilrichtung A in eine Schließstellung übergeht und gleichzeitig das Entladeschaltelement 17 in Pfeilrichtung B in einer Offenstellung gehalten wird, so dass ein Aufladen des Zwischenkreiskondensators 14 ermöglicht wird. Komponenten der Schaltung in dem gemeinsamen Gehäuse 15 bilden ein Zwischenspeichermodul 11 mit integraler Entladevorrichtung 12. Dazu kann die integrale Entladevorrichtung 12 in dem Innenraum des Gehäuses 15 an einer der Wände oder auf einer Platine oder auf einer der elektronischen Komponenten des Zwischenspeichermoduls 11 fixiert sein.
Die in 1 gezeigte Schaltung stellt somit über den elektrischen Widerstand 16 und über das Entladeschaltelement 17 eine dauerhafte Entladung des Zwischenkreiskondensators 14 sicher, wenn der Betrieb des Fahrzeugs eingestellt oder abgebrochen wird. Der Treiber 18 schaltet bei Erreichen einer Zenerdiodenspannung das Entladeschaltelement 17 leitend. Über den Schalter S₁ wird die Entladung jedoch unterbrochen, sobald das Fahrzeug gestartet wird. Durch diese Anordnung, wie sie 1 zeigt, ist die Entladung des Zwischenspeicherkondensators 14 auch bei Unterbrechung der Ansteuerung über den Schalter S₁ sichergestellt.
2 zeigt eine schematische perspektivische Ansicht eines Zwischenspeichermoduls 11 gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung. Das Zwischenspeichermodul 11 basiert in dieser zweiten Ausführungsform der Erfindung auf einem Folienkondensator 19 als Zwischenkreiskondensator 14. Dieser Folienkondensator 19 ist als Schichtstapelkondensator aufgebaut, wobei schichtweise einseitig metallisierte Isolationsfolien aufeinander geschichtet sind, so dass Speicherelektroden 22 elekt risch mit einer Sammelelektrode 20 auf der Oberseite des Schichtstapelkondensators elektrisch verbunden sind und Speicherelektroden 23 mit einer Sammelelektrode 21 auf der Unterseite des Schichtstapelkondensators zusammenwirken.
In dieser Ausführungsform der Erfindung sind die beiden Sammelelektroden 20 und 21 über den Seitenrand zu einer Stirnseite des Schichtstapelkondensators abgewinkelt und tragen auf der Stirnseite sowohl die Steuereinrichtung bzw. den Treiber 18 als auch die Entladevorrichtung aus einer Serienschaltung eines Widerstandes 16 und eines Entladeschaltelements 17. Während das Entladeschaltelement 17 mit seiner rückseitigen Drainelektrode direkt die Sammelelektrode 20 des Zwischenkreiskondensators 14 kontaktiert, ist der Widerstand 16 als Keramikwiderstand ausgeführt und über eine Isolationsschicht 26 auf der Sammelelektrode 20 isoliert montiert.
Wenn S₁ offen ist, weil das Fahrzeug nicht betrieben wird, schaltet der Treiber 18 den Schalter S₂ durch, solange noch Speicherenergie auf dem Zwischenkreiskondensator 14 vorhanden ist, so dass die Sammelelektrode 20 über das Schaltelement S₂ und den Widerstand 16 mit der zweiten Sammelelektrode 21 über die Verbindungsleitungen 33 und 34 entladen wird. Dabei wird die in dem Zwischenkreisspeicher 14 gespeicherte Energie in dem Ladewiderstand 16 in Wärmeenergie umgewandelt. Da keramische Widerstände in Form von Dickschichtwiderständen kleinflächig und kompakt hergestellt werden können, reicht die Stirnfläche der abgewinkelten Sammelelektrode 20 aus, um die gesamte Entladevorrichtung für den Zwischenkreiskondensator 14 dort anzuordnen.
Außerdem ist es möglich, durch entsprechende Zusammensetzung des Sintermaterials des Dickschichtwiderstandes auch einen Widerstand mit positiven Temperaturkoeffizienten herzustel len, der aufgrund des positiven Temperaturkoeffizienten seinen Widerstandswert mit steigender Temperatur erhöht, so dass derartige PCT-Widerstände automatisch vor Überhitzungen geschützt sind. Dieses ist bei einem Dünnfilmwiderstand, der in der nächsten Ausführungsform der Erfindung eingesetzt wird, wie es die nächste Figur zeigt, nicht möglich. In einem solchen Fall ist der Ladewiderstand thermisch zu überwachen. Diese thermische Überwachung kann in den elektronischen Treiber integriert werden.
3 zeigt eine schematische perspektivische Ansicht eines Zwischenspeichermoduls 11 gemäß einer dritten Ausführungsform der Erfindung. In dieser Ausführungsform der Erfindung wird wiederum ein kompaktes Zwischenspeichermodul 11 realisiert, das als Zwischenkreiskondensator 14 einen Schichtstapelkondensator aufweist. Anstelle von Schichtstapelkondensatoren können aber auch Kondensatoren als Rundwickelkondensatoren oder Elektrolytkondensatoren eingesetzt werden. In derartigen Fällen kann die integrale Entladevorrichtung auf den becherförmigen oder zylindrischen Elektroden derartiger Zwischenkreiskondensatoren untergebracht werden.
In dem in 3 gezeigten Ausführungsbeispiel ist die Sammelelektrode 20 und eine Stirnseite 35 des Schichtstapelkondensators mit einer Isolationsschicht 26 beschichtet und der mäanderförmige Dünnfilmwiderstand 16 ist auf dieser Isolationsschicht sowohl auf der Oberseite des Schichtstapelkondensators mit der Sammelelektrode 20 als auch auf der Stirnseite 35 angeordnet, so dass dieser Entladewiderstand 16 die auf der Rückseite des Schichtstapelkondensators angeordnete Sammelelektrode 21 mit einem Ende kontaktiert.
Das andere Ende des Entladewiderstandes 16 ist über eine Verbindungsleitung 33 mit einer Elektrode des Entladeschaltele ments 17 verbunden, dessen zweite Elektrode auf der Rückseite des Entladeschaltelements 17 die Sammelelektrode 20 kontaktiert. Solange noch eine elektrische Ladung in dem Zwischenkreiskondensator 14 gespeichert ist, wird über die Verbindungsleitung 34 die Steuerelektrode des Entladeschaltelements 17 derart angesteuert, dass die Sammelelektrode 20 über das Schaltelement S₂ und den Widerstand R mit der Sammelelektrode 21 auf der Rückseite verbunden ist. Damit wird unabhängig von äußeren Einflüssen die elektrische Energie, die in dem Zwischenkreiskondensator 14 gespeichert ist, in dem Entladewiderstand R in Wärme umgewandelt und der Zwischenkreiskondensator 14 entladen. Andererseits wird beim Schließen des Schalters S₁ das Entladeschaltelement 17 über die Verbindungsleitung 34 derart angesteuert, dass es in eine Offenstellung übergeht und der normale Betrieb des Zwischenkreiskondensators 14 aufgenommen wird.
4 zeigt ein detailliertes Schaltbild der Ausführungsform der Erfindung gemäß 1. Der Schalter S₁ wird nun durch einen Niederspannungs-MOSFET 36 realisiert. Dieser MOSFET 36 wird leitend und geht damit in eine Schließstellung über, wenn an den Eingang E eine Steuerspannung für das Gate G des MOSFETs 36 gelegt wird. Dabei begrenzt eine Zenerdiode D₁ dieses Steuerpotential. Liegt folglich ein entsprechendes Steuerpotential am Eingang E an, weil das Fahrzeug in Betrieb genommen wird, so wird die Drain D des MOSFETs 36 dabei auf Massepotential gezogen, so dass am Gate G des Entladeschaltelements 17, das ebenfalls als MOSFET ausgebildet ist, keine ausreichende Steuerspannung anliegt, um das Entladeschaltelement in einer Schließposition zu halten. Somit öffnet das Entladeschaltelement nun mit dem Betrieb des Fahrzeugs und der Zwischenkreiskondensator 14 kann seine volle Funktion ausüben.
Sobald der Fahrzeugbetrieb abgestellt ist und damit am Eingang E kein Schaltpotential an dem MOSFET 36 anliegt, geht dieser in eine Offenstellung und wird nicht leitend, so dass nun über einen hochohmigen Widerstand R₂ an das Gate G des Entladeschaltelements 17 eine Schaltspannung angelegt wird, die der Zenerdiodenspannung der Zenerdiode D₂ in dem Zwischenspeichermodul 11 entspricht. Diese Zenerspannung ist derart dimensioniert, dass nun das Entladeschaltelement 17 durchschaltet bzw. solange leitend wird, solange Speicherladung auf dem Zwischenkreiskondensator 14 vorhanden ist.
Damit kann ein Entladestrom über den Widerstand 16 fließen, der die gespeicherte Energie in Wärme umwandelt, bis das Entladeschaltelement 17 keine ausreichende Steuerspannung für das Gate aufweist, so dass nach Entladen des Zwischenkreiskondensators 14 das Entladeschaltelement 17 in seine Offenstellung übergeht. Diese Offenstellung wird beim Lade- und Speichervorgang aufrecht erhalten, sobald am Eingang E der Schaltung S₁ ein ausreichendes Steuersignal anliegt. Somit ist sichergestellt, dass, selbst wenn die Schaltung S₁ ausfällt, der Zwischenkreiskondensator 14 in jedem Fall automatisch über das Entladeschaltelement 17 entladen wird.
Die 5 bis 7 zeigen unterschiedliche Versorgungseinrichtungen 4 bis 6 für Elektromotoren 7 eines Fahrzeugs gemäß dem Stand der Technik, wie er bereits einleitend erörtert wurde, so dass eine erneute Beschreibung zur Vermeidung von Wiederholungen an dieser Stelle entfällt.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- DE 102004057693 A1 [0008]

Claims

Fahrzeug mit Versorgungseinrichtung (1) eines Elektromotors (7) aufweisend: – eine Fahrzeugbatterie (8); – eine Zwischenspeichervorrichtung (9); – einen Umrichter (10) zur Versorgung des Elektromotors (7); wobei die Zwischenspeichervorrichtung (9) zwischen der Fahrzeugbatterie (8) und dem Umrichter (10) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Zwischenspeichervorrichtung (9) ein Zwischenspeichermodul (11) mit integraler Entladevorrichtung (12) aufweist, wobei die Entladevorrichtung (12) beim Entladen der Zwischenspeichervorrichtung (9) die gespeicherte elektrische Energie in Wärmeenergie umsetzt.
Fahrzeug nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die Zwischenspeichervorrichtung als Zwischenspeicher (13) einen Zwischenkreiskondensator (14) aufweist.
Fahrzeug nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Zwischenspeichermodul (11) ein gemeinsames Gehäuse (15) für nachfolgende Komponenten aufweist, den Zwischenkreiskondensator (14), einen elektrischen Widerstand (16), ein Entladeschaltelement (17), das beim Lade- und Speichervorgang eine Offenstellung und beim Entladen des Zwischenkreiskondensators (14) eine Schließstellung aufweist, einen elektronischen Treiber (18) zum Offenhalten des Entladeschaltelements (17) beim Lade- und Speichervorgang und zum Schließen desselben bei Ausfall oder Abstellen des Fahrzeugmotors.
Fahrzeug nach Anspruch 2 oder Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Zwischenkreiskondensator (14) ein Folienkondensator und der elektrische Widerstand (16) ein Folienwiderstand ist, der mit der Entladevorrichtung (12) zusammenwirkt.
Fahrzeug nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Folienkondensator (19) zwei großflächige Sammelelektroden (20, 21) und entsprechende Speicherelektroden (22, 23) aufweist und mindestens eine Elektrode (20) einen Folienwiderstand (24) trägt, der flächig auf einer der Elektroden (20) mit mäanderförmiger Struktur angeordnet ist.
Fahrzeug nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass auf einer der Sammelelektroden (20, 21) ein integrierter Schaltkreis (25) mit dem Entladeschaltelement (17) und dem elektronischen Treiber (18) angeordnet sind.
Fahrzeug nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Zwischenkreiskondensator (14) ein Schichtstapelkondensator oder ein Rundwickelkondensator oder ein Keramikkondensator ist.
Fahrzeug nach Anspruch 2 oder Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Zwischenkreiskondensator (14) ein Al-Elektrolytkondensator ist.
Fahrzeug nach Anspruch 2 oder Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der elektrische Widerstand (16) ein Dünnfilm- oder ein Dickschichtwiderstand auf Keramik ist.
Verfahren zur Herstellung einer Zwischenspeichervorrichtung (9) mit folgenden Verfahrensschritten: – Bereitstellen eines Zwischenkreiskondensators (14) mit mindestens einer oberflächigen Sammelelektrode (20); – Aufbringen einer Isolationsschicht (26) auf die Sammelelektrode (20); – Aufbringen einer Verdrahtungsstruktur auf die Isolationsschicht (26); – Aufbringen eines elektrischen Widerstandes (16) auf einen Bereich der Isolationsschicht (26) unter Verbinden mit der Verdrahtungsstruktur; – Aufbringen eines Entladeschaltelements (17) auf die Isolationsschicht (26) unter Verbinden mit der Verdrahtungsstruktur; – Aufbringen eines elektronischen Treibers (18) auf die Isolationsschicht (26) unter Verbinden mit der Verdrahtungsstruktur.
Verfahren zur Versorgung eines Elektromotors (7) eines Fahrzeugs, das folgende Verfahrenschritte aufweist; – Öffnen eines Entladeschaltelements (17) eines kapazitiven Zwischenspeichers (13); – Aufladen des kapazitiven Zwischenspeichers (13) in Zusammenwirken mit einer Fahrzeugbatterie (8); – Umwandeln der gespeicherten Energie in einen Wechselstrom und Versorgen des Elektromotors (7); – Abschalten oder Anhalten des Fahrzeugmotors und Entladen der elektrischen Energie des kapazitiven Zwischenspeichers (13) unter Zuschalten eines elektrischen Widerstands (16), der mit dem Zwischenkreiskondensator (14) in einem gemeinsamen Zwischenspeichermodul (11) angeordnet ist.
Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Zuschalten eines elektrischen Widerstands (16) mittels eines in dem Zwischenspeichermodul (11) integrierten Entladeschaltelements (17) und eines elektronischen Treibers (18) erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 11 oder Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass bei dem Entladevorgang der Zwischenspeichervorrichtung (9) die gespeicherte elektrische Energie in Wärmeenergie umgesetzt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass elektrische Energie in einem Zwischenkreiskondensator (14) zwischengespeichert wird.
Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass beim Lade- und Speichervorgang ein Entladeschaltelement (17) eine Offenstellung und beim Entladen des Zwischenkreiskondensators (14) eine Schließstellung einnimmt, wobei ein elektronischer Treiber (18) das Entladeschaltelement (17) beim Lade- und Speichervorgang offen und bei Ausfall oder Abstellen des Fahrzeugmotors geschlossen hält.