DE102011080058B4 - Power electronics device, particularly for use in a motor vehicle - Google Patents

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Abstract

Leistungselektronikgerät, insbesondere zur Verwendung in einem Kraftfahrzeug, umfassend:- eine elektronische Einrichtung zum Umformen von elektrischer Leistung, wobei der elektronischen Einrichtung über einen ersten Anschluss (4) eine Eingangspannung mittels eines Zwischenkreis-Energiespeichers (8) zuführbar ist und die durch die Eingangspannung bereitgestellte elektrische Leistung mittels der elektronischen Einrichtung umgeformt und an einem zweiten Anschluss (5) abgegeben werden kann, wobei die elektronische Einrichtung eine Motor-Umrichter-Schaltung für ein Elektro- oder Hybridfahrzeug umfasst, welche die Eingangsspannung, die über eine Antriebsbatterie (2) am ersten Anschluss (4) bereitgestellt wird, in eine mehrphasige Elektromotor-Antriebsspannung am zweiten Anschluss (5) wandelt;- ein Netzteil (10) zur Bereitstellung einer Betriebspannung für die elektronische Einrichtung, wobei das Netzteil (10) über den ersten Anschluss (4) mit der Eingangspannung gespeist wird;- wobei das Netzteil (10) derart mit dem Zwischenkreis-Energiespeicher (8) verschaltet ist, dass bei Trennung des ersten Anschlusses (4) von der Eingangsspannung eine Entladung des Zwischenkreis-Energiespeichers (8) ausschließlich über das Netzteil (10) erfolgt; dadurch gekennzeichnet, dass die Betriebspannung für die Motor-Umrichter-Schaltung im Normalbetrieb des Fahrzeugs zumindest teilweise über eine Bordbatterie bereitgestellt wird und das Netzteil (10) als Hilfsnetzteil fungiert, welches die gesamte Betriebsspannung bereitstellt, wenn die Bordbatterie keine Betriebsspannung liefern kann.Power electronics device, in particular for use in a motor vehicle, comprising: - an electronic device for converting electrical power, wherein the electronic device can be supplied with an input voltage via a first connection (4) by means of an intermediate circuit energy storage device (8) and the input voltage provided by the input voltage Electrical power can be converted by means of the electronic device and delivered to a second connection (5), the electronic device comprising a motor-converter circuit for an electric or hybrid vehicle, which has the input voltage, which is supplied via a drive battery (2) at the first Connection (4) is provided, converts it into a multi-phase electric motor drive voltage at the second connection (5); - a power supply unit (10) for providing an operating voltage for the electronic device, the power supply unit (10) being connected via the first connection (4). the input voltage; - the power supply (10) is connected to the intermediate circuit energy storage (8) in such a way that when the first connection (4) is separated from the input voltage, the intermediate circuit energy storage (8) is discharged exclusively via the power supply ( 10) occurs; characterized in that the operating voltage for the motor-inverter circuit during normal operation of the vehicle is at least partially provided via an on-board battery and the power supply (10) functions as an auxiliary power supply which provides the entire operating voltage when the on-board battery cannot supply an operating voltage.

Description

Die Erfindung betrifft ein Leistungselektronikgerät, insbesondere zur Verwendung in einem Kraftfahrzeug und besonders bevorzugt zur Verwendung in einem Elektro- oder Hybridfahrzeug.The invention relates to a power electronics device, in particular for use in a motor vehicle and particularly preferably for use in an electric or hybrid vehicle.

Leistungselektronikgeräte dienen zur Umformung von elektrischer Energie mit elektronischen Bauelementen und werden in einer Vielzahl von technischen Anwendungsbereichen verwendet. In der Kraftfahrzeugtechnik werden als Leistungselektronikgeräte u.a. Umrichter eingesetzt, um die Spannung einer Hochvolt-Energieversorgung in eine mehrphasige Spannung zum Antrieb des Elektromotors des Fahrzeugs umzuformen. Ebenso sind Leistungselektronikgeräte in der Form von Ladegeräten und Gleichstrom-Wandlern bekannt, welche auch in der Kraftfahrzeugtechnik, z.B. zum Laden des elektrischen Energiespeichers eines Elektrofahrzeugs, zum Einsatz kommen.Power electronic devices are used to convert electrical energy with electronic components and are used in a variety of technical areas of application. In automotive technology, converters are used as power electronic devices to convert the voltage of a high-voltage power supply into a multi-phase voltage to drive the vehicle's electric motor. Power electronic devices in the form of chargers and direct current converters are also known, which are also used in motor vehicle technology, for example for charging the electrical energy storage of an electric vehicle.

In der Regel ist in einem Leistungselektronikgerät ein Zwischenkreis-Energiespeicher vorgesehen, der die umzuformende elektrische Energie umformt. Hierdurch entsteht das Problem, dass unter Umständen sehr hohe Spannungen in dem Zwischenkreis-Energiespeicher auftreten können, die nach Trennung des Leistungselektronikgeräts von der Spannungsversorgung weiterhin anliegen und gefährlich sein können. Es ist deshalb bekannt, eine passive Entladeschaltung vorzusehen, die den Zwischenkreis-Energiespeicher geeignet entlädt. Hierzu können beispielsweise Widerstände eingesetzt werden, welche die Energie aus dem Zwischenkreis-Energiespeicher in Wärme wandeln. Die Verwendung von passiven Entladeschaltungen hat den Nachteil, dass weitere elektrische bzw. elektronische Bauelemente in das Leistungselektronikgerät integriert werden müssen, was wiederum den Bauraum des Geräts vergrößert. Darüber hinaus entsteht durch die Entladeschaltung Verlustwärme, welche die Effizienz des Leistungselektronikgeräts vermindert. Ferner muss eine ausreichende Kühlung für die Entladeschaltung bereitgestellt werden, was ebenfalls den Bauraum des Leistungselektronikgeräts vergrößert und dieses Gerät verteuert.As a rule, an intermediate circuit energy storage device is provided in a power electronics device, which converts the electrical energy to be converted. This creates the problem that, under certain circumstances, very high voltages can occur in the intermediate circuit energy storage device, which continue to be present after the power electronic device has been disconnected from the power supply and can be dangerous. It is therefore known to provide a passive discharge circuit that appropriately discharges the intermediate circuit energy storage device. For this purpose, for example, resistors can be used which convert the energy from the intermediate circuit energy storage into heat. The use of passive discharge circuits has the disadvantage that additional electrical or electronic components have to be integrated into the power electronics device, which in turn increases the installation space of the device. In addition, the discharge circuit creates heat loss, which reduces the efficiency of the power electronic device. Furthermore, sufficient cooling must be provided for the discharge circuit, which also increases the installation space of the power electronic device and makes this device more expensive.

Die Druckschrift DE 10 2004 057 693 A1 offenbart eine Vorrichtung zur Entladung eines Zwischenkreiskondensators, der in einem Hochspannungsnetz mit einer elektrischen Maschine in Verbindung steht. Der Zwischenkreiskondensator wird über einen Gleichspannungswandler entladen, der an einem Bordnetz mit Bordnetzbatterie angeschlossen ist. Dabei wird die bornetzseitige Ausgangsspannung des Gleichspannungswandlers angehoben, sofern die Bedingung vorliegt, dass der Zwischenkreiskondensator entladen werden soll.The publication DE 10 2004 057 693 A1 discloses a device for discharging an intermediate circuit capacitor which is connected to an electrical machine in a high-voltage network. The intermediate circuit capacitor is discharged via a DC-DC converter that is connected to an on-board electrical system with an on-board electrical system battery. The output voltage of the DC-DC converter on the mains side is increased if the condition exists that the intermediate circuit capacitor should be discharged.

In der Druckschrift DE 10 2007 022 515 A1 ist eine Steuereinheit mit einem Zwischenkreiskondensator und einem Wechselrichter beschrieben, wobei die Steuereinheit zum Ansteuern einer elektrischen Maschine ausgebildet ist. Zum Betreiben der Steuereinheit wird der Wechselrichter in der Art gesteuert, dass ein schnelles Entladen des Zwischenkreiskondensators über die der elektrischen Maschine zugeordneten Wicklungsstränge erreicht wird.In print DE 10 2007 022 515 A1 a control unit with an intermediate circuit capacitor and an inverter is described, the control unit being designed to control an electrical machine. To operate the control unit, the inverter is controlled in such a way that rapid discharging of the intermediate circuit capacitor is achieved via the winding strands assigned to the electrical machine.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Leistungselektronikgerät zu schaffen, welches auf einfache Weise die Entladung des Zwischenkreis-Energiespeichers des Geräts ermöglicht.The object of the invention is to create a power electronics device which enables the intermediate circuit energy storage of the device to be discharged in a simple manner.

Diese Aufgabe wird durch das Leistungselektronikgerät gemäß Patentanspruch 1 gelöst. Weiterbildungen der Erfindungen sind in den abhängigen Ansprüchen definiert.This task is solved by the power electronics device according to claim 1. Further developments of the inventions are defined in the dependent claims.

Das erfindungsgemäße Leistungselektronikgerät umfasst eine elektronische Einrichtung zum Umformen von elektrischer Leistung, wobei der elektronischen Einrichtung über einen ersten Anschluss eine Eingangsspannung mittels eines Zwischenkreis-Energiespeichers zuführbar ist und die durch die Eingangsspannung bereitgestellte elektrische Leistung mittels der elektronischen Einrichtung umgeformt und an einem zweiten Anschluss abgegeben werden kann. Dabei umfasst die elektronische Einrichtung des Leistungselektronikgeräts eine Motor-Umrichter-Schaltung für ein Elektro- oder Hybridfahrzeug. Diese Schaltung wandelt die Eingangsspannung, die über eine Antriebsbatterie des Elektro- bzw. Hybridfahrzeugs am ersten Anschluss bereitgestellt wird, in eine mehrphasige Elektromotor-Antriebsspannung am zweiten Anschluss, d.h. in eine Spannung, die zum Antrieb des Elektromotors des Elektro- bzw. Hybridfahrzeugs vorgesehen ist.The power electronics device according to the invention comprises an electronic device for converting electrical power, wherein an input voltage can be supplied to the electronic device via a first connection by means of an intermediate circuit energy storage device and the electrical power provided by the input voltage is converted by means of the electronic device and delivered to a second connection can. The electronic device of the power electronics device includes a motor-inverter circuit for an electric or hybrid vehicle. This circuit converts the input voltage that is provided via a drive battery of the electric or hybrid vehicle at the first connection into a multi-phase electric motor drive voltage at the second connection, i.e. into a voltage that is intended to drive the electric motor of the electric or hybrid vehicle .

Darüber hinaus beinhaltet das erfindungsgemäße Leistungselektronikgerät ein Netzteil zur Bereitstellung einer Betriebsspannung für die elektronische Einrichtung, wobei das Netzteil über den ersten Anschluss mit der Eingangsspannung gespeist wird. Auf diese Weise wird sichergestellt, dass das Leistungselektronikgerät auch ohne eine weitere, extern zugeführte Betriebsspannung arbeiten kann. Gegebenenfalls kann das Netzteil als Hilfsnetzteil ausgestaltet sein, welches im Normalbetrieb keine bzw. nur einen Teil der Betriebsspannung bereitstellt, wobei der Rest der Betriebsspannung von einer externen Energieversorgung stammt (z.B. 12 Volt-Batterie in einem Kraftfahrzeug).In addition, the power electronics device according to the invention includes a power supply for providing an operating voltage for the electronic device, the power supply being fed with the input voltage via the first connection. This ensures that the power electronics device can also work without an additional, externally supplied operating voltage. If necessary, the power supply can be designed as an auxiliary power supply, which provides no or only part of the operating voltage during normal operation, with the rest of the operating voltage coming from an external power supply (e.g. 12 volt battery in a motor vehicle).

Das erfindungsgemäße Leistungselektronikgerät zeichnet sich dadurch aus, dass das Netzteil derart mit dem Zwischenkreis-Energiespeicher verschaltet ist, dass bei Trennung des ersten Anschlusses von der Eingangsspannung eine Entladung des Zwischenkreis-Energiespeichers ausschließlich über das Netzteil erfolgt. Dabei wird die Betriebsspannung für die Motor-Umrichter-Schaltung im Normalbetrieb des Fahrzeugs zumindest teilweise über eine Bordbatterie bereitgestellt, wobei die Bordbatterie dazu dient, sekundäre Verbraucher im Fahrzeug mit Spannung zu versorgen. Die Bordbatterie unterscheidet sich somit von einer Antriebs- bzw. Traktionsbatterie eines Elektro- bzw. Hybridfahrzeugs. In der Regel stellt die Bordbatterie eine Spannung von 12 Volt bereit. Ferner fungiert das Netzteil des Leistungselektronikgeräts als Hilfsnetzteil, welches die gesamte Betriebsspannung dann bereitstellt, wenn die Bordbatterie keine Betriebsspannung liefern kann, beispielsweise weil sie von dem Leistungselektronikgerät wegen eines Unfalls getrennt ist. Gegebenenfalls kann das Hilfsnetzteil jedoch auch im Normalbetrieb dazu verwendet werden, einen Teil der Betriebsspannung zu liefern. Man macht sich erfindungsgemäß die Erkenntnis zunutze, dass das vorgesehene Hilfsnetzteil auch die Funktionalität der Entladung des Zwischenkreis-Energiespeichers übernehmen kann und somit keine separate Zwischenkreis-Entladungsschaltung mehr vorgesehen werden muss. Insbesondere ist das Hilfsnetzteil dabei ohne Zwischenschaltung eines elektrischen oder elektronischen Bauelements mit dem Zwischenkreis-Energiespeicher elektrisch verbunden und vorzugsweise mit dem Zwischenkreis-Energiespeicher parallel verschaltet.The power electronics device according to the invention is characterized in that the power supply is connected to the intermediate circuit energy storage in such a way that when the first connection is disconnected Because of the input voltage, the intermediate circuit energy storage unit is discharged exclusively via the power supply. The operating voltage for the motor-inverter circuit during normal operation of the vehicle is at least partially provided via an on-board battery, with the on-board battery serving to supply secondary consumers in the vehicle with voltage. The on-board battery therefore differs from a drive or traction battery of an electric or hybrid vehicle. The on-board battery usually provides a voltage of 12 volts. Furthermore, the power supply unit of the power electronics device functions as an auxiliary power supply unit, which provides the entire operating voltage when the on-board battery cannot deliver operating voltage, for example because it is separated from the power electronics device due to an accident. However, if necessary, the auxiliary power supply can also be used in normal operation to supply part of the operating voltage. According to the invention, the knowledge is taken advantage of that the auxiliary power supply provided can also take over the functionality of discharging the intermediate circuit energy storage and therefore a separate intermediate circuit discharge circuit no longer needs to be provided. In particular, the auxiliary power supply is electrically connected to the intermediate circuit energy storage without the interposition of an electrical or electronic component and is preferably connected in parallel with the intermediate circuit energy storage.

Das erfindungsgemäße Leistungselektronikgerät kann durch den Verzicht auf eine separate Entladeschaltung kompaktere Abmessungen aufweisen. Darüber hinaus ist die Verlustleistung des Geräts und dessen Wärmeerzeugung geringer. Es wird somit ein energieeffizientes Leistungselektronikgerät geschaffen, dass auch preiswerter als herkömmliche Geräte hergestellt werden kann.The power electronics device according to the invention can have more compact dimensions by eliminating the need for a separate discharge circuit. In addition, the power loss of the device and its heat generation are lower. An energy-efficient power electronic device is thus created that can also be manufactured more cheaply than conventional devices.

Ein bevorzugter Anwendungsfall der Erfindung sind Leistungselektronikgeräte, bei denen als Eingangsspannung eine Hochvolt-Spannung im Bereich von 100 Volt und mehr, insbesondere zumindest 300 Volt und vorzugsweise zumindest 400 Volt, bereitgestellt wird, da in diesem Fall eine geeignete Entladung des Zwischenkreis-Energiespeichers wegen der hohen anliegenden Spannungen besonders wichtig ist. Demgegenüber liegt die Betriebsspannung für die elektronische Einrichtung (Steuerung) des erfindungsgemäßen Leistungselektronikgeräts vorzugsweise im Niederspannungsbereich von 28 Volt, besonders bevorzugt bei 12 Volt.A preferred application of the invention is power electronic devices in which a high-voltage voltage in the range of 100 volts and more, in particular at least 300 volts and preferably at least 400 volts, is provided as the input voltage, since in this case a suitable discharge of the intermediate circuit energy storage due to the high voltages present is particularly important. In contrast, the operating voltage for the electronic device (control) of the power electronics device according to the invention is preferably in the low-voltage range of 28 volts, particularly preferably 12 volts.

In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung ist das erfindungsgemäße Leistungselektronikgerät derart ausgestaltet, dass über das Netzteil bei Trennung des ersten Anschlusses von der Eingangsspannung eine Entladung des Zwischenkreis-Energiespeichers auf 60 Volt oder weniger in einer vorbestimmten Zeitspanne, insbesondere innerhalb von 120 Sekunden, erfolgt. Auf diese Weise wird sichergestellt, dass die am Zwischenkreis-Energiespeicher anliegenden Spannungen in einem Bereich liegen, der für den Menschen ungefährlich ist. In einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Leistungselektronikgeräts umfasst der Zwischenkreis-Energiespeicher in an sich bekannter Weise zumindest einen Zwischenkreis-Kondensator.In a further preferred embodiment, the power electronics device according to the invention is designed in such a way that the intermediate circuit energy storage is discharged to 60 volts or less in a predetermined period of time, in particular within 120 seconds, via the power supply when the first connection is disconnected from the input voltage. This ensures that the voltages present at the intermediate circuit energy storage are in a range that is harmless to humans. In a further embodiment of the power electronics device according to the invention, the intermediate circuit energy storage comprises at least one intermediate circuit capacitor in a manner known per se.

Das erfindungsgemäße Leistungselektronikgerät kann für verschiedene Arten von elektrischer Energieumformung vorgesehen sein. Beispielsweise kann die elektronische Einrichtung des Leistungselektronikgeräts einen Gleichstrom-Gleichstrom-Wandler und/oder ein Ladegerät und/oder einen Umrichter umfassen. Der Gleichstrom-Gleichstrom-Wandler kann insbesondere zur Wandlung der Spannung einer Antriebs- bzw. Traktionsbatterie eines Elektro- oder Hybridfahrzeugs in eine Bordnetzspannung (z.B. 12 Volt) vorgesehen sein. Das Ladegerät kann insbesondere zur Wandlung einer extern über eine Ladesäule an ein Elektro- bzw. Hybridfahrzeug zugeführten Netzwechselspannung in die Gleichspannung einer Antriebs- bzw. Traktionsbatterie vorgesehen sein.The power electronics device according to the invention can be intended for various types of electrical energy conversion. For example, the electronic device of the power electronics device can include a DC-DC converter and/or a charger and/or a converter. The direct current to direct current converter can be provided in particular for converting the voltage of a drive or traction battery of an electric or hybrid vehicle into an on-board electrical system voltage (e.g. 12 volts). The charger can in particular be provided for converting an AC mains voltage supplied externally via a charging station to an electric or hybrid vehicle into the DC voltage of a drive or traction battery.

In einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist die Motor-Umrichter-Schaltung derart ausgestaltet, dass sie die Phasen der Elektromotor-Antriebsspannung bei der Detektion eines Unfalls kurzschließt, wodurch sichergestellt ist, dass nach einem Unfall keine gefährlichen Spannungen an den Zuleitungen zum Elektromotor anliegen.In a particularly preferred embodiment, the motor-inverter circuit is designed in such a way that it short-circuits the phases of the electric motor drive voltage when an accident is detected, which ensures that after an accident there are no dangerous voltages on the supply lines to the electric motor.

Neben dem oben beschriebenen Leistungselektronikgerät betrifft die Erfindung ferner ein Kraftfahrzeig, vorzugsweise ein Elektro- oder Hybridfahrzeug, welches das erfindungsgemäße Leistungselektronikgerät bzw. eine oder mehrere bevorzugte Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Leistungselektronikgeräts umfasst.In addition to the power electronics device described above, the invention further relates to a motor vehicle, preferably an electric or hybrid vehicle, which comprises the power electronics device according to the invention or one or more preferred embodiments of the power electronics device according to the invention.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand der beigefügten Figuren detailliert beschrieben.Exemplary embodiments of the invention are described in detail below with reference to the attached figures.

Es zeigen:

  • 1 den Aufbau eines herkömmlichen Leistungselektronikgeräts in der Form eines Umrichters zur Verwendung in einem Elektro- oder Hybridfahrzeug;
  • 2 eine Abwandlung des Leistungselektronikgeräts mit 1, welches zusätzlich eine aktive Kurzschlussschaltung beinhaltet; und
  • 3 den Aufbau einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Leistungselektronikgeräts.
Show it:
  • 1 the construction of a conventional power electronic device in the form of an inverter for use in an electric or hybrid vehicle;
  • 2 a modification of the power electronics device 1 , which also includes an active short-circuit circuit; and
  • 3 the structure of an embodiment of a power electronic device according to the invention.

1 zeigt ein herkömmliches Leistungselektronikgerät, welches als Umrichter in einem Elektro- bzw. Hybridfahrzeug ausgestaltet ist. Das Gerät ist mit Bezugszeichen 1 bezeichnet und dient dazu, die über eine Hochvolt-Batterie 2 des Fahrzeugs bereitgestellte Gleichspannung in eine dreiphasige Spannung für den Elektromotor 6 des Fahrzeugs zu wandeln. Darüber hinaus kann das Gerät im Rekuperationsbetrieb die vom Elektromotor 6 generierte Leistung der Batterie 2 zu deren Ladung zuführen. Die Hochvolt-Batterie 2, welche eine Eingangsspannung im Bereich zwischen 300 und 600 Volt bereitstellt, ist über Schalter 301, 302 mit einem Hochvolt-Stecker 4 des Leistungselektronikgeräts 1 verbindbar. Demgegenüber ist der Motor 6 über den Stecker 5 mit dem Leistungselektronikgerät 1 gekoppelt. Das Leistungselektronikgerät beinhaltet eine an sich bekannte Umrichter-Schaltung in der Form von drei parallel geschalteten Paaren von IGBTs, welche mit Bezugszeichen 701, 702 bzw. 703 bezeichnet sind. Über die IGBTs wird mittels einer entsprechenden Steuerung, die nicht in 1 gezeigt ist, ein dreiphasiger Strom über die Leitungen L1, L2 und L3 hin zum Elektromotor 6 geführt. Da die in 1 gezeigte Umrichter-Schaltung dem Fachmann an sich bekannt ist, wird deren Funktionsweise nicht weiter im Detail erläutert. 1 shows a conventional power electronics device, which is designed as a converter in an electric or hybrid vehicle. The device is designated by reference number 1 and is used to convert the direct voltage provided via a high-voltage battery 2 of the vehicle into a three-phase voltage for the electric motor 6 of the vehicle. In addition, in recuperation mode, the device can supply the power generated by the electric motor 6 to the battery 2 to charge it. The high-voltage battery 2, which provides an input voltage in the range between 300 and 600 volts, can be connected to a high-voltage plug 4 of the power electronics device 1 via switches 301, 302. In contrast, the motor 6 is coupled to the power electronics device 1 via the plug 5. The power electronics device contains a known converter circuit in the form of three pairs of IGBTs connected in parallel, which are designated by reference numbers 701, 702 and 703, respectively. The IGBTs are controlled using a corresponding control that is not included 1 is shown, a three-phase current is led to the electric motor 6 via the lines L1, L2 and L3. Since the in 1 The inverter circuit shown is known to the person skilled in the art, its functionality will not be explained in further detail.

Um den Betrieb der Umrichter-Schaltung zu gewährleisten, ist ferner ein Zwischenkreis-Kondensator 8 vorgesehen, der parallel zu den Paaren von IGBTs geschaltet ist und zur Pufferung der über die Batterie 2 bereitgestellten Eingangsspannung dient. Zwischenkreis-Kondensatoren sind in fast allen Leistungselektronikgeräten notwendig, um auch in kurzen Zeitintervallen eine elektrische Energieumformung sicherzustellen. Die in dem Leistungselektronikgerät der 1 verwendeten Zwischenkreis-Kondensatoren sind in der Regel sehr groß (Kapazität von 50 µF bis 1,5 mF), damit sie bei der angelegten Hochvolt-Eingangsspannung ausreichend Energie speichern können, um die normale Funktion der Umrichter-Schaltung zu gewährleisten.In order to ensure the operation of the converter circuit, an intermediate circuit capacitor 8 is also provided, which is connected in parallel to the pairs of IGBTs and serves to buffer the input voltage provided via the battery 2. DC link capacitors are necessary in almost all power electronic devices to ensure electrical energy conversion even in short time intervals. The ones in the power electronics device 1 The intermediate circuit capacitors used are usually very large (capacity from 50 µF to 1.5 mF) so that they can store sufficient energy at the applied high-voltage input voltage to ensure the normal function of the converter circuit.

Wenn das Leistungselektronikgerät 1 von der Hochspannungsbatterie 2 getrennt wird (z.B. bei Reparatur oder bei Unfall), liegt zunächst die im Zwischenkreis-Kondensator 8 gepufferte Spannung, die für den Menschen gefährlich ist, am Hochvolt-Stecker 4 an. Aus sicherheitstechnischen Gründen ist es deshalb erforderlich, dass der Zwischenkreis-Kondensator in geeigneter Weise entladen wird. Insbesondere sollte hierbei sichergestellt werden, dass die Spannung des Zwischenkreis-Kondensators innerhalb einer vorbestimmten Zeitspanne (z.B. 120 Sekunden) auf einen Spannungswert sinkt, der nicht mehr für den Menschen gefährlich ist, z.B. unter 60 V. Um dies zu erreichen, wird in dem Leistungselektronikgerät gemäß 1 eine an sich bekannte passive Zwischenkreis-Entladeschaltung verwendet, die über ein elektrisches Bauelement in der Form eines Widerstands 9 realisiert ist, der parallel zum Zwischenkreis-Kondensator 8 geschaltet ist. Diese Entladeschaltung hat jedoch den Nachteil, dass über den Widerstand 9 im Betrieb des Umrichters ständig Wärme erzeugt wird, die elektrische Leistungsverluste ohne Nutzung verursacht. Darüber hinaus muss zur Abführung der Wärme ein geeigneter Kühlkörper bereitgestellt werden, was jedoch den Bauraum des Leistungselektronikgeräts vergrößert.If the power electronic device 1 is separated from the high-voltage battery 2 (for example during repairs or in the event of an accident), the voltage buffered in the intermediate circuit capacitor 8, which is dangerous for humans, is initially present at the high-voltage plug 4. For safety reasons, it is therefore necessary that the intermediate circuit capacitor is discharged in a suitable manner. In particular, it should be ensured that the voltage of the intermediate circuit capacitor drops within a predetermined period of time (e.g. 120 seconds) to a voltage value that is no longer dangerous to humans, e.g. below 60 V. In order to achieve this, the power electronic device according to 1 a known passive intermediate circuit discharge circuit is used, which is implemented via an electrical component in the form of a resistor 9 which is connected in parallel to the intermediate circuit capacitor 8. However, this discharge circuit has the disadvantage that heat is constantly generated via the resistor 9 during operation of the converter, which causes electrical power losses without use. In addition, a suitable heat sink must be provided to dissipate the heat, which, however, increases the installation space of the power electronic device.

2 zeigt eine Abwandlung des Leistungselektronikgeräts der 1, welche ferner die Funktion eines sog. aktiven Kurzschlusses beinhaltet. Gleiche oder entsprechende Bauteile sind in dem Gerät der 2 mit den gleichen Bezugszeichen wie in 1 bezeichnet. Die Funktionsweise des Leistungselektronikgeräts der 2 ist im Normalbetrieb die Gleiche wie in dem Gerät der 1. Das Gerät fungiert wiederum als Umrichter, wobei über den Anschluss 4 die Hochspannung der Antriebsbatterie 2 eines Hybrid- bzw. Elektrofahrzeugs zugeführt wird. Diese Spannung wird durch die Umrichter-Schaltung mit den IGBTs 701, 702 und 703 in eine dreiphasige Motorspannung am Anschluss 5 zur Zuführung zum Motor 6 gewandelt. In 2 ist ferner die Antriebsschaltung 11 für die einzelnen Gates der IGBTs 701 bis 703 ersichtlich. Diese Antriebsschaltung ist auch im Gerät der 1 enthalten, dort jedoch nicht explizit gezeigt ist. Die Steuerung der Antriebsschaltung 11 erfolgt im Normalbetrieb über eine Prozessoreinheit 12, welche die Schaltvorgänge der einzelnen IGBTs derart regelt, dass ein für den Antrieb des Motors 6 geeigneter mehrphasiger Strom auf den Leitungen L1 bis L3 geführt wird. Das Wechselwirken der Antriebsschaltung mit den entsprechenden Gates ist in 2 durch gestrichelte Linien L angedeutet. 2 shows a modification of the power electronics device 1 , which also includes the function of a so-called active short circuit. The same or corresponding components are in the device 2 with the same reference numbers as in 1 designated. The functioning of the power electronic device 2 is the same in normal operation as in the device 1 . The device in turn functions as a converter, with the high voltage being supplied to the drive battery 2 of a hybrid or electric vehicle via connection 4. This voltage is converted by the converter circuit with the IGBTs 701, 702 and 703 into a three-phase motor voltage at connection 5 for supply to motor 6. In 2 The drive circuit 11 for the individual gates of the IGBTs 701 to 703 can also be seen. This drive circuit is also in the device 1 included, but not explicitly shown there. The drive circuit 11 is controlled in normal operation via a processor unit 12, which regulates the switching processes of the individual IGBTs in such a way that a multi-phase current suitable for driving the motor 6 is carried on the lines L1 to L3. The interaction of the drive circuit with the corresponding gates is in 2 indicated by dashed lines L.

Im Unterschied der Ausführungsform der 1 beinhaltet das Leistungselektronikgerät gemäß 2 ferner einen sog. AKS-Controller 13 (AKS = Aktiver Kurzschluss), der einen aktiven Kurzschluss im Falle eines Unfalls des Elektro- bzw. Hybridfahrzeugs generiert. Das Vorliegen eines Unfalls kann dabei in geeigneter Weise, z.B. über das Auslösen von Airbags, detektiert werden. Beim aktiven Kurzschluss werden die IGBTs derart verschaltet, dass die drei Phasen des Elektromotors kurzgeschlossen sind und somit keine Hochspannung auf den Leitungen L1 bis L3 anliegt. Hierdurch wird berücksichtigt, dass im Falle eines Unfalls die Situation auftreten kann, dass der elektrische Motor 6 weiter dreht, auch wenn die Hochvolt-Batterie 2 vom Leistungselektronikgerät getrennt ist und die Umrichter-Schaltung ausgeschaltet ist. Es wird dann durch die weitere Drehung der Räder des Motors Spannung erzeugt und in den Zwischenkreis-Kondensator eingespeist. Es kann somit auch nach einem Unfall eine Hochspannung am Zwischenkreis anliegen, welche z.B. bei Beschädigungen der Zuleitungen des Leistungselektronikgeräts 1 zum Motor 6 gefährlich sein kann. Mithilfe des aktiven Kurzschlusses wird diese Gefahr beseitigt. Wie bereits oben erwähnt, wird der aktive Kurzschluss über den Controller 13 generiert, der immer dann die Steuerung der Gates mittels der Antriebsschaltung 11 übernimmt, wenn gemäß bestimmten Kriterien ein Unfall detektiert wird.In contrast to the embodiment of 1 contains the power electronics device according to 2 furthermore a so-called AKS controller 13 (AKS = active short circuit), which generates an active short circuit in the event of an accident of the electric or hybrid vehicle. The existence of an accident can be detected in a suitable manner, for example by triggering airbags. During an active short circuit, the IGBTs are connected in such a way that the three phases of the electric motor are short-circuited and therefore there is no high voltage on the lines L1 to L3. This takes into account that in the event of an accident, the situation may arise where the electric motor 6 continues to rotate even if the high-voltage battery 2 is separated from the power electronics device and the converter circuit is switched off. Voltage is then generated by the further rotation of the motor's wheels and fed into the intermediate circuit capacitor. It can also happen after an accident There is a high voltage on the intermediate circuit, which can be dangerous, for example if the supply lines from the power electronic device 1 to the motor 6 are damaged. This danger is eliminated with the help of active short circuit. As already mentioned above, the active short circuit is generated via the controller 13, which always takes over control of the gates by means of the drive circuit 11 when an accident is detected according to certain criteria.

Zum Betrieb der Steuerkomponenten 11, 12 und 13 wird eine Betriebsspannung benötigt, welche im Normalbetrieb aus der 12 Volt-Bordbatterie des Fahrzeugs entnommen wird. Dies führt zu dem Problem, dass im Falle einer Unterbrechung der Stromversorgung des Leistungselektronikgeräts über die Bordbatterie (wie es z.B. bei einem Unfall passieren kann) kein aktiver Kurzschluss mehr erzeugt werden kann. Deshalb ist in dem Leistungselektronikgerät der 2 ein separates Hilfsnetzteil 10 vorgesehen, welches die entsprechende Betriebsspannung für die Komponenten 11 bis 13 dann bereitstellt, wenn eine Unterbrechung hin zur Bordbatterie vorliegt. Das Hilfsnetzteil ist dabei derart an die Umrichter-Schaltung gekoppelt, dass es Strom von der Hochspannung entnimmt und hieraus eine geeignete Betriebsspannung generiert, mit der der AKS-Controller 13 dann das Einschalten der unteren der IGBTs 701 bis 703 bewirken kann, um hierdurch die drei Phasen des Elektromotors 6 kurzzuschließen. In der Schaltung der 2 ist analog zu 1 eine Entladeschaltung in der Form eines Widerstands 9 vorgesehen, der sicherstellt, dass bei der Trennung der Hochvolt-Batterie 2 von dem Leistungselektronikgerät 1 der Zwischenkreis-Kondensator 8 entladen wird. Es treten somit auch die oben beschriebenen Probleme eines Leistungsverlusts durch Widerstandswärme sowie eines großen Bauraums auf.To operate the control components 11, 12 and 13, an operating voltage is required, which is drawn from the vehicle's 12 volt on-board battery during normal operation. This leads to the problem that in the event of an interruption in the power supply to the power electronic device via the on-board battery (as can happen, for example, in an accident), an active short circuit can no longer be generated. That's why in the power electronics device 2 a separate auxiliary power supply 10 is provided, which provides the corresponding operating voltage for the components 11 to 13 if there is an interruption to the on-board battery. The auxiliary power supply is coupled to the converter circuit in such a way that it draws current from the high voltage and uses it to generate a suitable operating voltage, with which the AKS controller 13 can then switch on the lower one of the IGBTs 701 to 703, thereby converting the three Short-circuit the phases of the electric motor 6. In the circuit of the 2 is analogous to 1 a discharge circuit in the form of a resistor 9 is provided, which ensures that the intermediate circuit capacitor 8 is discharged when the high-voltage battery 2 is separated from the power electronics device 1. The problems described above of a loss of power due to resistance heat and a large installation space also occur.

Um diese Probleme zu lösen, wird das in 3 gezeigte Leistungselektronikgerät verwendet, welches eine Ausführungsform der Erfindung darstellt. Der Aufbau dieses Geräts entspricht größtenteils dem Gerät der 2, wobei wiederum zur Bezeichnung der gleichen bzw. entsprechender Bauteile die gleichen Bezugszeichen verwendet werden. Das Gerät der 3 ist analog zu 2 ein Leistungselektronikgerät in der Form eines Umrichters, welches zusätzlich im Falle eines Unfalls einen aktiven Kurzschluss generieren kann und ferner ein Hilfsnetzteil 10 beinhaltet. Der wesentliche Unterschied des Leistungselektronikgeräts der 3 gegenüber der 2 besteht darin, dass die Funktion der Entladung des Zwischenkreis-Kondensators 8 nunmehr nicht über eine separate Entladeschaltung in der Form eines Widerstands 9 bewirkt wird, sondern hierzu das Hilfsnetzteil 10 verwendet wird, welches Strom aus dem Zwischenkreis-Kondensator ziehen kann und diesen folglich entladen kann. In der Ausführungsform der 3 macht man sich somit die Synergie zwischen einer Umrichter-Schaltung mit Zwischenkreiskondensator und einer aktiven Kurzschlussschaltung mit Hilfsnetzteil derart zunutze, dass das Hilfsnetzteil nunmehr die Funktionalität der Entladung des Zwischenkreis-Kondensators übernimmt.To solve these problems, the in 3 Power electronics device shown is used, which represents an embodiment of the invention. The structure of this device largely corresponds to the device 2 , whereby the same reference numbers are used to designate the same or corresponding components. The device of the 3 is analogous to 2 a power electronics device in the form of a converter, which can also generate an active short circuit in the event of an accident and also contains an auxiliary power supply 10. The main difference of the power electronic device 3 opposite the 2 is that the function of discharging the intermediate circuit capacitor 8 is now not effected via a separate discharge circuit in the form of a resistor 9, but rather the auxiliary power supply 10 is used for this purpose, which can draw current from the intermediate circuit capacitor and can consequently discharge it . In the embodiment of 3 The synergy between a converter circuit with an intermediate circuit capacitor and an active short-circuit circuit with an auxiliary power supply is used in such a way that the auxiliary power supply now takes over the functionality of discharging the intermediate circuit capacitor.

Die Erfinder konnten nachweisen, dass ein herkömmliches Hilfsnetzteil in der Tat die Anforderungen an eine Entladeschaltung für einen Zwischenkreis-Kondensator erfüllen kann, so dass gänzlich auf eine zusätzliche passive Entladeschaltung verzichtet werden kann. Hierdurch wird Platz im Gerät gespart. Ferner werden die Kosten für das Leistungselektronikgerät gesenkt, da weniger Bauteile zu verwenden sind und eine kleinere Fläche für die Platine des Geräts sowie ein kleineres Gehäuse benötigt wird. Des Weiteren wird die Energiedichte des Leistungselektronikgeräts erhöht, da weniger Leistungsverluste auftreten und kleinere Kühlkörper verwendet werden können, da keine Wärmeerzeugung über den Widerstand einer passiven Entladeschaltung auftritt. Hierdurch steigt die Effizienz des Antriebsstrangs eines Elektro- bzw. Hybridfahrzeugs.The inventors were able to prove that a conventional auxiliary power supply can actually meet the requirements for a discharging circuit for an intermediate circuit capacitor, so that an additional passive discharging circuit can be completely dispensed with. This saves space in the device. Furthermore, the cost of the power electronic device is reduced because fewer components are to be used and a smaller area is required for the device circuit board and a smaller housing. Furthermore, the energy density of the power electronic device is increased because less power losses occur and smaller heat sinks can be used since no heat is generated via the resistance of a passive discharge circuit. This increases the efficiency of the drive train of an electric or hybrid vehicle.

Claims (8)

Leistungselektronikgerät, insbesondere zur Verwendung in einem Kraftfahrzeug, umfassend: - eine elektronische Einrichtung zum Umformen von elektrischer Leistung, wobei der elektronischen Einrichtung über einen ersten Anschluss (4) eine Eingangspannung mittels eines Zwischenkreis-Energiespeichers (8) zuführbar ist und die durch die Eingangspannung bereitgestellte elektrische Leistung mittels der elektronischen Einrichtung umgeformt und an einem zweiten Anschluss (5) abgegeben werden kann, wobei die elektronische Einrichtung eine Motor-Umrichter-Schaltung für ein Elektro- oder Hybridfahrzeug umfasst, welche die Eingangsspannung, die über eine Antriebsbatterie (2) am ersten Anschluss (4) bereitgestellt wird, in eine mehrphasige Elektromotor-Antriebsspannung am zweiten Anschluss (5) wandelt; - ein Netzteil (10) zur Bereitstellung einer Betriebspannung für die elektronische Einrichtung, wobei das Netzteil (10) über den ersten Anschluss (4) mit der Eingangspannung gespeist wird; - wobei das Netzteil (10) derart mit dem Zwischenkreis-Energiespeicher (8) verschaltet ist, dass bei Trennung des ersten Anschlusses (4) von der Eingangsspannung eine Entladung des Zwischenkreis-Energiespeichers (8) ausschließlich über das Netzteil (10) erfolgt; dadurch gekennzeichnet, dass die Betriebspannung für die Motor-Umrichter-Schaltung im Normalbetrieb des Fahrzeugs zumindest teilweise über eine Bordbatterie bereitgestellt wird und das Netzteil (10) als Hilfsnetzteil fungiert, welches die gesamte Betriebsspannung bereitstellt, wenn die Bordbatterie keine Betriebsspannung liefern kann.Power electronics device, in particular for use in a motor vehicle, comprising: - an electronic device for converting electrical power, wherein the electronic device can be supplied with an input voltage via a first connection (4) by means of an intermediate circuit energy storage device (8) and the input voltage provided by the input voltage Electrical power can be converted by means of the electronic device and delivered to a second connection (5), the electronic device comprising a motor-converter circuit for an electric or hybrid vehicle, which has the input voltage, which is supplied via a drive battery (2) at the first Connection (4) is provided, converts into a multi-phase electric motor drive voltage at the second connection (5); - a power supply (10) for providing an operating voltage for the electronic device, the power supply (10) being fed with the input voltage via the first connection (4); - wherein the power supply (10) is connected to the intermediate circuit energy storage (8) in such a way that when the first connection (4) is separated from the input voltage, the intermediate circuit energy storage (8) is discharged exclusively via the power supply (10); characterized in that the operating voltage for the motor-inverter circuit during normal operation of the vehicle is at least partially provided via an on-board battery and the power supply (10) acts as an auxiliary power supply, which provides the entire operating voltage when the on-board battery cannot supply any operating voltage. Leistungselektronikgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Netzteil (10) ohne Zwischenschaltung eines elektrischen oder elektronischen Bauelements mit dem Zwischenkreis-Energiespeicher (8) verbunden ist und insbesondere mit dem Zwischenkreis-Energiespeicher (8) parallel verschaltet ist.Power electronics device Claim 1 , characterized in that the power supply (10) is connected to the intermediate circuit energy storage (8) without the interposition of an electrical or electronic component and is in particular connected in parallel with the intermediate circuit energy storage (8). Leistungselektronikgerät nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Eingangspannung 100 Volt oder mehr beträgt, insbesondere zumindest 300 Volt und vorzugsweise zumindest 400 Volt, wohingegen die Betriebsspannung für die elektronische Einrichtung vorzugsweise 28 Volt oder weniger besonders bevorzugt 12 Volt beträgt.Power electronics device Claim 1 or 2 , characterized in that the input voltage is 100 volts or more, in particular at least 300 volts and preferably at least 400 volts, whereas the operating voltage for the electronic device is preferably 28 volts or less, particularly preferably 12 volts. Leistungselektronikgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Leistungselektronikgerät derart ausgestaltet ist, dass über das Netzteil (10) bei Trennung des ersten Anschlusses (4) von der Eingangsspannung eine Entladung des Zwischenkreis-Energiespeichers (8) auf 60 Volt oder weniger in einer vorbestimmten Zeitspanne, insbesondere innerhalb von 120 Sekunden, erfolgt.Power electronics device according to one of the preceding claims, characterized in that the power electronics device is designed in such a way that the intermediate circuit energy storage device (8) is discharged to 60 volts or less via the power supply (10) when the first connection (4) is separated from the input voltage a predetermined period of time, in particular within 120 seconds. Leistungselektronikgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Zwischenkreis-Energiespeicher (10) zumindest einen Zwischenkreis-Kondensator umfasst.Power electronics device according to one of the preceding claims, characterized in that the intermediate circuit energy storage (10) comprises at least one intermediate circuit capacitor. Leistungselektronikgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die elektronische Einrichtung einen Gleichstrom-Gleichstrom-Wandler und/oder eine Ladegerät und/oder einen Umrichter umfasst.Power electronics device according to one of the preceding claims, characterized in that the electronic device comprises a direct current to direct current converter and/or a charger and/or a converter. Leistungselektronikgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Motor-Umrichter-Schaltung derart ausgestaltet ist, dass sie die Phasen der Elektromotor-Antriebsspannung bei der Detektion eines Unfalls kurzschließt.Power electronics device according to one of the preceding claims, characterized in that the motor-converter circuit is designed such that it short-circuits the phases of the electric motor drive voltage when an accident is detected. Kraftfahrzeug, insbesondere Elektro- oder Hybridfahrzeug, umfassend ein Leistungselektronikgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche.Motor vehicle, in particular an electric or hybrid vehicle, comprising a power electronics device according to one of the preceding claims.
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