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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Entladung eines Zwischenkreises eines Spannungsnetzes gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruch 1, eine entsprechende Vorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruch 6 sowie einen Antriebsstrang gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruch 12.
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Stand der Technik
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Spannungsnetze mit Zwischenkreisen, insbesondere Gleichspannungszwischenkreisen, sind aus dem Einsatz bei elektrisch angetriebenen Fahrzeugen bekannt. Die Spannungsnetze dienen beispielsweise der Kopplung von Batterien und elektrischen Maschinen, insbesondere Antriebsmaschinen. Dabei wird beispielsweise die Gleichspannung der Batterie in dem Spannungsnetz an einen Wechselrichter übertragen und in eine mehrphasige Wechselspannung zur Versorgung der elektrischen Maschine umgewandelt. Bei den hierzu notwendigen Schaltvorgängen entstehen Stromspitzen und Spannungsspitzen. Zur Energiepufferung und damit Dämpfung dieser Stromspitzen und Spannungsspitzen ist beispielsweise eine Zwischenkreiskapazität zwischen der Batterie und dem Wechselrichter vorgesehen. Nach der Beendigung des Betriebs des Fahrzeugs wird die Batterie mittels Schaltern von dem Spannungsnetz abgekoppelt. Wenn die an dem Spannungsnetz angeschlossenen Verbraucher ebenfalls abgeschaltet sind und keine weitere Energie verbrauchen, verbleibt die Ladungsenergie in der Zwischenkreiskapazität. Somit liegt eine Spannung, insbesondere Hochspannung, an dem Spannungsnetz und somit an den stromführenden Teilen an, an die die Zwischenkreiskapazität angeschlossen ist. Das Spannungsnetz, insbesondere das Gleichspannungsnetz, welches direkt mit der Zwischenkreiskapazität verbunden ist, wird Zwischenkreis genannt. Es besteht der Wunsch, dass an dem Spannungsnetz eines Fahrzeuges nach der Beendigung des Betriebs des Fahrzeugs keine Spannung mehr anliegt oder die anliegende Spannung mindestens einen vorgebbaren Spannungswert unterschreitet, damit für Fahrgäste sowie Werkstattpersonal oder Rettungskräfte keine Gefahr besteht. Hierzu ist aus der
DE 10 2009 055 053 ein Verfahren zur Entladung der Zwischenkreiskapazität in einem Hochspannungsnetz mittels einer Entladeschaltung bekannt.
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Offenbarung der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung schafft ein verbessertes Verfahren zur Entladung eines Zwischenkreises eines Spannungsnetzes, insbesondere eines Hochspannungsnetzes. An das Spannungsnetz ist ein Verbraucher anschliessbar. Es sind eine erste und eine zweite Entladungsschaltung zur Entladung des Zwischenkreises vorgesehen. In einem ersten Schritt wird der Zwischenkreises mittels der ersten Entladungsschaltung mindestens teilweise entladen. In einem anschließenden zweiten Schritt wird der Zwischenkreis mittels der zweiten Entladungsschaltung weiter entladen.
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Die beiden Entladungsschaltungen werden, insbesondere unabhängig voneinander, nacheinander ausgeführt. Vorteilhaft wird somit eine sichere Entladung des Zwischenkreises durchgeführt. Selbst bei Defekt der ersten Entladungsschaltung wird mittels der redundanten zweiten Entladungsschaltung die Entladung des Zwischenkreises durchgeführt.
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In einer Ausgestaltung der Erfindung erfolgt der erste Schritt der Entladung des Zwischenkreises mittels der ersten Entladungsschaltung in Abhängigkeit der Erfassung eines Unfallerkennungssignals.
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Bei dem Einsatz der Erfindung in Fahrzeugen ist es notwendig, dass auch nach einem Unfall möglichst rasch die elektrische Energie aus dem Zwischenkreis verbraucht wird, also der Zwischenkreis entladen wird. Somit wird verhindert, dass eintreffendes Rettungspersonal durch spannungsführende Teile gefährdet wird. Vorteilhaft wird daher das Verfahren bei Erkennung eines Unfalls, beispielsweise bei Erfassen eines Unfallerkennungssignals, insbesondere eines Airbag-Auslösesignals, durchgeführt. Eine sichere Entladung mittels der redundanten Entladungsschaltungen bis zum Eintreffen des Rettungspersonals ist somit gewährleistet.
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In einer Ausgestaltung der Erfindung erfolgt die Entladung des Zwischenkreises mittels der zweiten Entladungsschaltung nach Ablauf einer vorgebbaren Zeitdauer.
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Je nach Auslegung der elektronischen Schaltung des Spannungsnetzes und der ersten Entladungsschaltung wird die Zeitdauer so bestimmt, dass ein gewünschter Ladungsanteil mittels der ersten Entladungsschaltung entladen wird. Nach Ablauf, insbesondere unmittelbar nach dem Ablauf, der Zeitdauer wird die zweite Entladungsschaltung aktiviert und der noch im Spannungsnetz befindliche Ladungsanteil entladen. Vorteilhaft wird somit stets der Einsatz beider Entladungsschaltungen sichergestellt und damit auch ein sicheres Entladen der spannungsführenden Teile.
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In einer Ausgestaltung der Erfindung wird der zweite Schritt in Abhängigkeit der Höhe der Zwischenkreisspannung durchgeführt.
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Vor Beginn der Entladung mittels der zweiten Entladeschaltung wird hierzu die Zwischenkreisspannung, beispielsweise an der Zwischenkreiskapazität, erfasst. Dies kann beispielsweise mittels eines Spannungssensors oder einer Hardwareschaltung, beispielsweise mittels eines Spannungsteilers und eines Transistors, erfolgen. Vorteilhaft wird beispielsweise mittels dieser Ausgestaltung eine Entladung mittels der zweiten Entladeschaltung unterbunden, falls die Spannung so gering ist, dass davon keine Gefahr ausgeht. Andererseits erfolgt beispielsweise mittels dieser Ausgestaltung eine Entladung mittels der zweiten Entladeschaltung nur dann, wenn die Spannung innerhalb eines Bereiches liegt, bei der die zweite Entladeschaltung keinen Schaden, beispielsweise aufgrund zu hoher Spannungen oder Ströme, nimmt.
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In einer Ausgestaltung wird der zweite Schritt durchgeführt, wenn die Höhe der Zwischenkreisspannung einen vorgebbaren Wert überschreitet.
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Bei dieser Ausgestaltung wird die zweite Entladeschaltung nur dann eingesetzt, wenn die Entladung des Zwischenkreises mittels der ersten Entladeschaltung nicht ausreichend war. Die Spannung im Zwischenkreis ist noch so hoch, dass davon eine Gefahr ausgeht.
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Vorteilhaft wird dann mittels der zweiten Entladeschaltung der Zwischenkreis weiter entladen.
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Die vorliegende Erfindung schafft weiter eine verbesserte Vorrichtung zur Entladung eines Zwischenkreises eines Spannungsnetzes, insbesondere eines Hochspannungsnetzes. An das Spannungsnetz ist ein Verbraucher anschliessbar. Es ist eine erste und eine zweite Entladungsschaltung zur Entladung des Zwischenkreises vorgesehen. Weiter sind Mittel, insbesondere ein Steuergerät mit einer Hardwaresteuerung oder Softwaresteuerung, vorgesehen, die die Entladungsschaltungen zur Entladung des Zwischenkreises ansteuern. Dies geschieht derart, dass in einem ersten Schritt der Zwischenkreises mittels der ersten Entladungsschaltung mindestens teilweise entladen wird und in einem anschließenden zweiten Schritt der Zwischenkreis mittels der zweiten Entladungsschaltung weiter entladen wird.
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Die beiden Entladungsschaltungen sind unabhängig voneinander schaltungstechnisch aufgebaut. Vorteilhaft wird somit eine sicherere Entladung des Zwischenkreises möglich.
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Selbst bei Defekt der ersten Entladungsschaltung ist die zweite, insbesondere redundante, weitere Entladungsschaltung zur Entladung des Zwischenkreises vorgesehen.
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In einer Ausgestaltung der Erfindung ist für die Entladung des Zwischenkreises mittels der ersten Entladungsschaltung mindestens ein erster Widerstand vorgesehen und für die Entladung mittels der zweiten Entladungsschaltung mindestens ein zweiter Widerstand vorgesehen. Es werden somit zwei, insbesondere redundante, Widerstände zur unabhängigen Entladung des Zwischenkreises vorgesehen. Vorteilhaft wird somit eine redundante Entladung des Zwischenkreises ermöglicht.
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In einer Ausgestaltung der Erfindung umfasst die zweite Entladungsschaltung zur Entladung des Zwischenkreises Bauelemente eines Verbrauchers, der an das Spannungsnetz angeschlossenen ist.
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Somit ist die Nutzung von Bauelementen von Verbrauchern des Spannungsnetzes für die Entladung mittels der zweiten Entladungsschaltung vorgesehen. Vorteilhaft werden somit keine oder weniger zusätzliche Widerstände oder Impedanzen für die Bereitstellung der insbesondere redundanten zweiten Entladungsschaltung benötigt. Kosten und Bauraumbedarf werden somit reduziert.
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In einer Ausgestaltung der Erfindung ist zur elektrischen Ankoppelung und Abtrennung des Verbrauchers an das Spannungsnetz mindestens ein Schalter vorgesehen.
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Mittels des Schalters lässt sich die zweite Entladungsschaltung während der Entladung des Zwischenkreises mittels der ersten Entladungsschaltung vom Spannungsnetz trennen und zur Entladung des Zwischenkreises mittels der zweiten Entladungsschaltung an das Spannungsnetz ankoppeln. Vorteilhaft werden somit die elektronischen Bauteile des anschliessbaren Verbrauchers als Bauteile der zweiten Entladungsschaltung genutzt.
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In einer Ausgestaltung der Erfindung sind mehrere Schalter vorgesehen, die derart angeordnet und ansteuerbar sind, dass ein mehrphasiger Verbraucher mit Wechselstrom aus dem Spannungsnetz versorgt werden kann.
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Bei Verwendung und Zusammenschaltung von beispielsweise sechs Schaltern in Form von drei Halbbrücken bilden diese einen Wechselrichter. Beispielsweise wird mittels diesem Wechselrichter beim Betrieb des Fahrzeugs die Gleichspannung in eine Wechselspannung zur Versorgung der elektrischen Maschine umgewandelt. Vorteilhaft wird somit die Nutzung der Bauelemente eines Wechselrichters zur elektrischen Ankoppelung und Abtrennung eines, insbesondere mehrphasigen, Verbrauchers ermöglicht.
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In einer Ausgestaltung der Erfindung umfasst der Verbraucher eine elektrische Maschine.
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Bei dieser Ausgestaltung ist eine beispielsweise mehrphasige, insbesondere dreiphasige, elektrische Maschine über einen Wechselrichter an das Spannungsnetz angeschlossen.
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Vorteilhaft dienen somit die Bauelemente der elektrischen Maschine als Widerstände oder Impedanzen der zweiten Entladungsschaltung zur Entladung des Zwischenkreises.
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Weiter schafft die Erfindung einen Antriebsstrang für ein Fahrzeug mit einer Vorrichtung zur Entladung eines Zwischenkreises eines Spannungsnetzes. Es ist eine erste und eine zweite Entladungsschaltung zur Entladung des Zwischenkreises vorgesehen. Weiter sind Mittel vorgesehen, die die Entladungsschaltungen zur Entladung des Zwischenkreises ansteuern. Dies geschieht derart, dass in einem ersten Schritt der Zwischenkreises mittels der ersten Entladungsschaltung mindestens teilweise entladen wird und in einem anschließenden zweiten Schritt der Zwischenkreis mittels der zweiten Entladungsschaltung weiter entladen wird.
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Vorteilhaft wird somit ein Antriebsstrang geschaffen, dessen stromführende Teile nach Beendigung des Betriebs des Fahrzeugs oder nach einem Unfall zuverlässig mittels den beiden Entladungsschaltungen, insbesondere redundant, entladen werden.
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Es versteht sich, dass die Merkmale, Eigenschaften und Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens auch entsprechend auf die erfindungsgemäße Vorrichtung und umgekehrt beziehungsweise auf den Antriebsstrang zutreffen bzw. anwendbar sind.
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Weitere Merkmale und Vorteile von Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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1 zeigt in schematischer Form eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Entladung eines Zwischenkreises eines Spannungsnetzes
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2 zeigt in schematischer Form ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Entladung eines Zwischenkreises eines Spannungsnetzes
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3 zeigt in schematischer Form einen erfindungsgemäßen Antriebsstrang für ein Fahrzeug mit einer Vorrichtung zur Entladung eines Zwischenkreises (9) eines Spannungsnetzes
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In den Figuren sind gleiche und funktionsgleiche Elemente, Merkmale und Komponenten – sofern nichts Anderes ausgeführt ist – jeweils mit denselben Bezugszeichen versehen. Es versteht sich, dass Komponenten und Elemente in den Zeichnungen aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht notwendigerweise maßstabsgetreu wiedergegeben sind.
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Weitere mögliche Ausgestaltungen und Weiterbildungen und Implementierungen der Erfindung umfassen auch nicht explizit genannte Kombinationen von zuvor oder im Folgenden beschriebenen Merkmalen der Erfindung.
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Ausführungsformen der Erfindung
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1 zeigt in schematischer Form eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Entladung eines Zwischenkreises 9 eines Spannungsnetzes 10. Der Zwischenkreis 9 besteht hierbei im Wesentlichen aus dem Zwischenkreiskondensator 1 und insbesondere den direkt angeschlossenen Anschlussleitungen. Das Spannungsnetz 10 ist eine elektrische Schaltung, die der Übertragung von elektrischer Energie eines anschliessbaren Energiespeichers 5, insbesondere eine Batterie oder eine Energiequelle, beispielsweise eine Brennstoffzelle, zu einem anschliessbaren Verbraucher 7 dient. Mittels des Schalters 8 ist der Energiespeicher 5 zur Versorgung des Spannungsnetz 10 anschliessbar. Der Energiespeicher 5 wird mittels des Schalters 8 von dem Spannungsnetz 10 vor der Entladung des Zwischenkreises 9 abgekoppelt. Mittels der Schalter 6a bis 6f ist ein Wechselrichter ausgebildet. Hierzu sind die sechs Schalter 6a bis 6f derart angeordnet, dass sie drei parallel geschaltete Halbbrücken mit jeweils zwei steuerbaren Schaltern ausbilden. Zwischen den jeweils zwei Schaltern ist jeweils ein Halbbrückenabgriff gebildet, der jeweils mit einem Phasenleiter des angeschlossenen Verbrauchers 7 verbunden ist. Wie aus dem Stand der Technik bekannt, sind parallel zu den Schaltern 6a bis 6f jeweils Freilaufdioden geschaltet (nicht dargestellt), die einen Stromfluss in entgegengesetzter Richtung ermöglichen. Mittels des Wechselrichters oder dieser Schalter 6a bis 6f ist ein elektrischer mehrphasiger, insbesondere dreiphasiger, Verbraucher, insbesondere eine elektrische Maschine 7, an das Spannungsnetz anschliessbar. Zwischen den Schaltern 6a bis 6f und dem angeschlossenen Energiespeicher 5 ist in dem Spannungsnetz 10 parallel der Zwischenkreiskondensator 1 angeordnet. An dem Zwischenkreiskodensator 1 fällt die Zwischenkreisspannung 2 ab.
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Parallel zu dem Zwischenkreiskondensator 1 ist eine erste Entladungsschaltung 11 angeordnet, die einen Widerstand 4 zur Entladung des Zwischenkreises 9 umfasst. Weiter umfasst die erste Entladungsschaltung 11 einen Schalter 3, der zur Entladung des Zwischenkreises 9 geschlossen wird. Während des Betriebes des Fahrzeugs bleibt der Schalter 3 geöffnet. Ebenfalls parallel zu dem Zwischenkreiskondensator 1 ist eine zweite Entladungsschaltung 12 angeordnet. Die zweite Entladungsschaltung 12 umfasst ebenfalls einen Widerstand oder Impedanzen 7 zur Entladung des Zwischenkreises 9.
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Weiter umfasst die zweite Entladungsschaltung 12 mindestens einen Schalter 6 (nicht dargestellt), der zur Entladung des Zwischenkreises 9 über die Widerstände 7 geschlossen wird. Während des Betriebes des Fahrzeugs bleibt der Schalter 6 geöffnet.
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In dem dargestellten Ausführungsbeispiel umfasst die zweite Entladungsschaltung 12 Bauelemente des an das Spannungsnetz angeschlossenen Verbrauchers. Als Verbraucher ist eine elektrische Maschine 7 mittels eines Wechselrichters mit den Schaltern 6a bis 6f an das Spannungsnetz 10 angeschlossen. Insbesondere dienen dabei die Anschlussleitungen und die Kupferwicklungen der elektrischen Maschine 7 als Widerstände oder Impedanzen der zweiten Entladungsschaltung 12 zur Entladung des Zwischenkreises 9. Weiter umfasst die dargestellte zweite Entladungsschaltung 12 mehrere Schalter 6a bis 6f, die mindestens teilweise zur Entladung des Zwischenkreises 9 geschlossen werden. Insbesondere werden die Schalter 6d bis 6f zur Entladung des Zwischenkreises 9 geschlossen. Alternativ können auch die Schalter 6a bis 6c zur Entladung des Zwischenkreises 9 geschlossen werden. Diese Schalterstellungen werden auch als aktiver unterer beziehungsweise oberer Kurzschluss der elektrischen Maschine 7 bezeichnet. Während des Betriebes des Fahrzeugs werden die Schalter 6a bis 6f derart angesteuert, dass aus der Gleichspannung des Energiespeichers 5 eine mehrphasige, insbesondere dreiphasige, Wechselspannung zur Versorgung der elektrischen Maschine 7 mit Energie erzeugt wird. Alternativ kann die elektrische Maschine 7 auch generatorisch betrieben werden und mittels des Wechselrichters aus der Wechselspannung eine Gleichspannung erzeugt werden, mit der der Energiespeicher 5 geladen wird.
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2 zeigt in schematischer Form ein erfindungsgemäßes Verfahren 100 zur Entladung eines Zwischenkreises 9 eines Spannungsnetzes 10. Das Ansteuern des Entladungsverfahren ist mit Block 101 dargestellt. Dabei wird beispielsweise der Energiespeicher 5 mittels des Schalters 8 von dem Spannungsnetz 10 getrennt. Die Ansteuerung des Entladungsverfahrens kann insbesondere bei Erfassung eines Unfallerkennungssignals (in der Zeichnung nicht dargestellt) erfolgen. In einem darauffolgenden ersten Schritt 102 wird der Zwischenkreises 9 mittels der ersten Entladungsschaltung 11 mindestens teilweise entladen. Die Entladung mittels der ersten Entladungsschaltung 11 wird dabei durch Schließen des Schalters 3 gestartet. Zur Beendigung des Entladevorgangs mittels der ersten Entladungsschaltung 11 wird der Schalter 3 geöffnet. In einem zweiten Schritt 104 wird der Zwischenkreises 9 mittels der zweiten Entladungsschaltung 12 weiter entladen. Die Entladung mittels der zweiten Entladungsschaltung 12 wird dabei durch Schließen eines oder mehrerer der Schalter 6 beziehungsweise 6a–6f gestartet. Abschließend werden zur Beendigung des Entladevorgangs mittels der zweiten Entladungsschaltung 12 insbesondere der Schalter 6 oder die Schalter 6a–6f geöffnet. In einer Ausführungsform wird der zweite Schritt 104 ausgeführt, wenn der erste Schritt 102 für eine vorgebbare Zeitdauer ausgeführt wurde.
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Ebenso wird beispielsweise der zweite Schritt in Abhängigkeit 103 der Höhe der Zwischenkreisspannung ausgeführt. Wenn die Höhe der Zwischenkreisspannung innerhalb eines vorgegebenen Bereiches oder oberhalb eines vorgebbaren Wertes liegt, verzweigt das Verfahren in Schritt 103 direkt zum zweiten Schritt 104 und anschließend zur Beendigung des Entladungsverfahrens in Block 105. Wenn die Höhe der Zwischenkreisspannung nicht innerhalb eines vorgegebenen Bereiches oder unterhalb eines vorgegebenen Wertes liegt, verzweigt das Verfahren in Schritt 103 direkt zur Beendigung des Entladungsverfahrens 105. Das Ende des Entladungsverfahren ist insbesondere durch die geöffneten Schalter 3 und 6 oder 6a–6f gekennzeichnet.
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3 zeigt in schematischer Form einen erfindungsgemäßen Antriebsstrang 200.
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Beispielhaft sind zwei Antriebsaggregate, ein Verbrennungsmotor 13 und eine elektrische Maschine 7 für den Antriebsstrang vorgesehen. Die Antriebsaggregate 7, 13 sind mittels der Kupplung 14 mechanisch koppelbar. Die Drehbewegung und das Drehmoment der Antriebsaggregate wird mittels der Kupplung 15 auf ein Getriebe 16 übertragen. Das Getriebe 16 ist ausgangsseitig mit den Antriebsrädern 17 gekoppelt. Es sind Mittel 18, insbesondere ein Steuergerät, zur Ansteuerung der Schaltungen des Energiespeichers 5 und der Entladungsschaltungen 11 und 12 des Spannungsnetzes 10 vorgesehen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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