DE102010050977A1

DE102010050977A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Entladen einer stromdurchflossenen Spule

Info

Publication number: DE102010050977A1
Application number: DE102010050977A
Authority: DE
Inventors: Urs Dipl.-Ing. 71139 Böhme; Mathias Dipl.-Ing. 08056 Baumann
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2010-11-10
Filing date: 2010-11-10
Publication date: 2011-07-28

Abstract

Die Zeit zum Entregen einer stromdurchflossenen Spule soll insbesondere bei der Verwendung in einem Kraftfahrzeug reduziert werden. Daher wird ein Verfahren zum Entregen einer stromdurchflossenen Spule (1) bereitgestellt, bei dem zunächst eine Spannungsquelle (3, 4) von der Spule (1) getrennt wird. Anschließend wird nach dem Trennen der Spannungsquelle ein Kondensator (7) parallel zu der Spule (1) geschaltet. Damit kann die Energie des Spule (1) rasch auf den Kondensator (7) übertragen werden.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Entladen einer stromdurchflossenen Spule durch Trennen einer Spannungsquelle von der Spule. Darüber hinaus betrifft die vorliegende Erfindung eine Schaltungsvorrichtung mit einer Spule, einer Spannungsquelle und einem ersten Schalter, über den die Spannungsquelle an die Spule geschaltet ist. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung ein Kraftfahrzeug mit einer derartigen Schaltungsvorrichtung.
Es gibt Situationen, in denen der Strom durch eine Spule so schnell wie möglich abgebaut werden soll. Beispielsweise soll ein Antrieb eines Kraftfahrzeugs möglichst rasch abgebremst werden können. Dann ist es wünschenswert, den Strom durch die Spulen des Motors umgehend abzubauen.
Bei großen Induktivitäten und hohen Strömen kann ein rascher Abbau des Stroms nicht durch ein Öffnen des Stromkreises erfolgen. Zu hoch wäre die Gefahr eines Überschlags aufgrund der induzierten Spannung der Spule.
Bislang wurde der Abbau der magnetischen Energie der Spule über einen Entladewiderstand erreicht. Der dabei erzielte Abbau des Spulenstroms über den parallel geschalteten Widerstand ist jedoch langwierig.
Aus der Druckschrift US 4,561,036 A ist ein Ladesteuergerät bekannt. Das Steuergerät für einen Ladegenerator beinhaltet eine Schutzschaltung gegen übermäßigen Stromfluss bei einem Kurzschluss. Die Schutzschaltung beinhaltet einen Detektionstransistor, der leitend gemacht wird, wenn Strom von einer Batterie in eine Feldspule des Ladegenerators einen vorbestimmten Wert überschreitet. In diesem Fall wird Strom von der Batterie durch einen Schalter zu einem mit einer Entladeschleife verbundenen Kondensator geführt.
Des Weiteren beschreibt die Druckschrift US 7,336,059 B2 ein System und ein Verfahren zum Laden und Entladen einer supraleitenden Spule. Das System umfasst einen Hochsetzsteller, der zwischen einen Niederspannungsbus und einen Hochspannungsbus geschaltet ist, sowie einen Tiefsetzsteller, der zwischen den Hochvoltbus und die Spule geschaltet ist. Das System ist in der Lage, die Spule zu laden und zu entladen, ohne den Strom umzukehren, auch wenn die Polarität umgekehrt wird. Das System besitzt außerdem Mittel, um überflüssige Energie während des Entladens abzubauen.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, den Strom durch eine Spule möglichst rasch reduzieren zu können.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gelöst durch ein Verfahren zum Entregen einer stromdurchflossenen Spule durch Trennen einer Spannungsquelle von der Spule, und Schalten eines Kondensators parallel zu der Spule nach dem Trennen der Spannungsquelle von der Spule.
Darüber hinaus wird erfindungsgemäß bereitgestellt eine Schaltungsvorrichtung mit einer Spule, einer Spannungsquelle und einem ersten Schalter, über den die Spannungsquelle an die Spule geschaltet ist, sowie umfassend einen ersten Kondensator und einen zweiten Schalter, der mit dem ersten Kondensator eine Reihenschaltung bildet, die parallel zu der Spule geschaltet ist, so dass mit einem Öffnen des ersten Schalters und einem Schließen des zweiten Schalters ein Entladen der Spule in den ersten Kondensator bewirkbar ist.
In vorteilhafter Weise kann somit der in die Spule eingeprägte Strom verhältnismäßig rasch in den parallel geschalteten Kondensator fließen, wodurch die Spule in kürzester Zeit vollkommen entregt ist. Die dann im Kondensator gespeicherte Energie kann anderweitig genutzt werden.
Vorzugsweise ist in die Reihenschaltung des zweiten Schalters mit dem ersten Kondensator eine erste Diode geschaltet. Darüber hinaus kann parallel zu der Spule ein dritter Schalter in Reihe mit einer zweiten Diode geschaltet sein. Ferner ist es vorteilhaft, wenn im Anschluss an das Parallelschalten des Kondensators zur Spule ein parallel zur Spule befindlicher Schalter in Reihe mit einer Diode geöffnet wird.
Besonders vorteilhaft lässt sich das erfindungsgemäße Verfahren bzw. die erfindungsgemäße Schaltvorrichtung in einem Kraftfahrzeug einsetzen. Das Kraftfahrzeug besitzt beispielsweise einen Antriebsmotor, dessen Bestandteil die Spule ist.
Die vorliegende Erfindung wird nun anhand der beigefügten Zeichnung näher erläutert, die einen Prinzipschaltplan einer erfindungsgemäßen Schaltungsvorrichtung wiedergibt.
Die nachfolgend näher geschilderten Ausführungsbeispiele stellen bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung dar.
Eine Spule 1 wird über einen Schalter 2 von einer Batterie 3 bestromt. Der Schalter 2 ist hier als elektronischer Schalter realisiert. Er wird im vorliegenden Dokument auch als „erster Schalter” bezeichnet. Konkret liegt in diesem Beispiel der positive Pol der Batterie 3 über den Schalter 2 an einem Anschluss der Spule 1. Der andere Anschluss der Spule 1 ist mit dem Minus-Pol der Batterie 3 verbunden.
Parallel zu der Batterie 3 liegt ein Stützkondensator 4. Dieser hat den üblichen Zweck, bei hoher Last die Batterie 3 zu unterstützen.
Parallel zu der Spule 1 befindet sich eine Reihenschaltung eines zweiten Schalters 5, einer Umladediode 6 und eines Umladekondensators 7.
Darüber hinaus befindet sich parallel zu der Spule 1 sowie parallel zu der eben beschriebenen Reihenschaltung eine weitere Reihenschaltung, bestehend aus einer zweiten Diode 8 und einem dritten Schalter 9.
Der Ausgangszustand besteht darin, dass der dritte Schalter 9 geschlossen ist und der zweite Schalter 5 offen ist. Der Umladekondensator 7 ist damit wirkungslos. Durch ein Schließen des ersten Schalters 2 wird in der Spule 1 ein Strom eingeprägt, der von der Batterie 3 bzw. dem Stützkondensator 4 stammt. Da die Kathode der zweiten Diode 8 zum Plus-Pol der Batterie zeigt, fließt durch den Parallelzweig mit der zweiten Diode 8 und dem geschlossenen Schalter 9 kein Strom.
Ziel ist es nun, die stromdurchflossene Spule möglichst rasch zu entladen bzw. zu entregen. Um dies zu erreichen, müssen die Schalter 2, 5 und 9 in der in der Figur dargestellten Reihenfolge geschaltet werden. Dies bedeutet, dass zunächst der erste Schalter 2 zu öffnen ist. Dann ist die Spannungsquelle (Batterie 3 und Stützkondensator 4) von der Spule 1 getrennt. Es ist somit ein Entladen der Spule 1 möglich.
Sodann ist der zweite Schalter 5 zu schließen, sodass die Umladekapazität 7 parallel zur Spule 1 geschaltet wird. Die magnetisch gespeicherte Energie der Spule (z. B. Rotorwicklung eines Fahrzeugantriebs) wird nun durch den entstandenen LC-Schwingkreis auf den Kondensator 7 umgeladen. Die Umladediode 6 verhindert ein Abfließen der elektrisch gespeicherten Energie des Kondensators 7 zurück in die Spule 1. Dies bedeutet, dass hierdurch weitere Schwingungsvorgänge vermieden werden.
Nach dem Schließen des zweiten Schalters 5 ist der dritte Schalter 9 zu öffnen. Dadurch wird sichergestellt, dass die gesamte Energie der Spule 1 in den Kondensator 7 fließt.
Durch das oben dargestellte Verfahren erfolgt also ein Abbau der magnetischen Energie in der Spule durch einen Umladevorgang in den Kondensator 7. Dies bedeutet, es findet eine Umwandlung der magnetischen Energie in elektrische Energie statt.
Neben dem Vorteil der schnellen Umladung wird zudem die induktive Überspannung der Spule 1 im Vergleich zum Abbau des Spulenstroms über einen Widerstand deutlich reduziert. Die elektrisch gespeicherte Energie im Kondensator 7 kann anschließend weiter verwendet werden. Gegebenenfalls kann sie auch über das Zuschalten eines Entladewiderstands abgebaut werden.
Der zur Entregung bzw. Entladung vorgesehene Kondensator 7 ist gegenüber der Spule 1 in geeigneter Weise zu dimensionieren. Es gilt der Energiesatz: ½LI² = ½CU². Daraus ergibt sich eine Beziehung zwischen der maximalen Spannung U am Kondensator und dem maximalen Strom I der Spule. Aus der Resonanzfrequenz
lässt sich die Stromabbauzeit ermitteln. Sie beträgt ¼ der Periodendauer.
Bezugszeichenliste

1: Spule
2: Schalter
3: Batterie
4: Stützkondensator
5: Schalter
6: Umladediode
7: Umladekondensator
8: Diode
9: Schalter

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 4561036 A [0005]
US 7336059 B2 [0006]

Claims

Verfahren zum Entregen einer stromdurchflossenen Spule (1) durch – Trennen einer Spannungsquelle (3, 4) von der Spule (1), gekennzeichnet durch – Schalten eines Kondensators (7) parallel zu der Spule (1) nach dem Trennen der Spannungsquelle (3, 4) von der Spule (1).
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass im Anschluss an das Parallelschalten des Kondensators (7) zur Spule (1) ein parallel zur Spule (1) befindlicher Schalter (9) in Reihe mit einer Diode (8) geöffnet wird.
Schaltungsvorrichtung mit – einer Spule (1), – einer Spannungsquelle (3, 4) und – einem ersten Schalter (2), über den die Spannungsquelle (3, 4) an die Spule (1) geschaltet ist, gekennzeichnet durch – einen Kondensator (7) und – einen zweiten Schalter (5), der mit dem Kondensator (7) eine Reihenschaltung bildet, die parallel zu der Spule (1) geschaltet ist, so dass – mit einem Öffnen des ersten Schalters (2) und einem Schließen des zweiten Schalters (5) ein Entladen der Spule (1) in den Kondensator (7) bewirkbar ist.
Schaltungsvorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass in die Reihenschaltung des zweiten Schalters (5) mit dem Kondensator (7) eine erste Diode (6) geschaltet ist.
Schaltungsvorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass parallel zu der Spule (1) ein dritter Schalter (9) in Reihe mit einer zweiten Diode (8) geschaltet ist.
Kraftfahrzeug mit einer Schaltungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 5 und einem Motor, dessen Bestandteil die Spule (1) ist.