DE102012203073A1

DE102012203073A1 - Entladungsvorrichtung zur Entladung eines Zwischenkreiskondensators und Verfahren zum Betrieb einer Entladungsvorrichtung

Info

Publication number: DE102012203073A1
Application number: DE201210203073
Authority: DE
Inventors: Bernhard Dömel; Wolfgang Müller
Original assignee: ZF Friedrichshafen AG
Current assignee: ZF Friedrichshafen AG
Priority date: 2012-02-29
Filing date: 2012-02-29
Publication date: 2013-08-29

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Entladungsvorrichtung (100) zur Entladung eines Zwischenkreiskondensators (Z), wobei ein erster Polanschluss (P1) des Zwischenkreiskondensators (Z) mittels eines ersten Schalters (S1) mit einem ersten Verbraucheranschluss (V1) verbindbar oder verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Entladungsvorrichtung (100) eine Steuereinheit (ST) aufweist, die ausgebildet ist, um zumindest ein Öffnen und ein Schließen des ersten Schalters (S1) anzusteuern, während der zweiten Polanschluss (P2) des Zwischenkreiskondensators (Z) von einem zweiten Verbrauchsanschluss (V2, V3) entkoppelt ist.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Entladungsvorrichtung zur Entladung eines Zwischenkreiskondensators und ein Verfahren zum Betrieb einer Entladungsvorrichtung gemäß den Hauptansprüchen.
Um einen Zwischenkreiskondensator oder allgemein einen Kondensator, der direkt an einer Hochvoltversorgung (die größer ist als eine Schutzkleinspannung) angebunden ist, schnell zu entladen (z. B. in weniger als 3 Sekunden), gibt es verschiedene, technisch bekannte Möglichkeiten. Zum einen wird eine Entladeelektronik mit einer Reihenschaltung von PTC-Widerstand (PTC = positive temerature coefficient = positiver Temperaturkoeffizient) und Hochvolt-Schalter (wie beispielsweise ein IGBT oder MOSFET) zwischen einem Plus- und einem Minuspol der Hochvoltversorgung verwendet. Auch wird manchmal eine Entladelektronik mit einer Reihenschaltung eines strom- oder temperaturüberwachten Widerstandes und eines Hochvolt-Schalters (wie dem IGBT oder MOSFET) zwischen Plus- und Minuspol der Hochvoltversorgung verwendet, um den Kondensator zu entladen. Denkbar ist ferner die Verwendung einer Entladeelektronik mit einer Reihenschaltung eines Widerstandes und eines Hochvolt-Schalters (wie dem IGBT oder MOSFET) zwischen Plus- und Minuspol der Hochvoltversorgung. Der Schalter wird hierbei getaktet betrieben.
Ein wesentliches Problem bzw. Nachteile dieser Form der Entladung sind einerseits die hierdurch entstehenden Kosten für eine solche Entladeschaltung, die bis zu 20 Euro betragen können). Zusätzlich ist für eine separate Entladeschaltung ein ausreichend großer Platz vorzuhalten. Wenn weiterhin auch der Entladewiderstand heiß gelaufen ist, ist unmittelbar danach keine Schnellentladung mehr möglich. Dies ist z. B. dann der Fall, wenn die Entladeschaltung ausgelöst wurde, obwohl die Hochvolt-Versorgung noch nicht weg geschalten war (beispielsweise bei einem aufgetretenen Softwarefehler, einer Fehlbedienung, einer Fehlansteuerung von außen, oder einem ähnlichen Szenario). Wenn dann die Hochvoltversorgung weg geschalten wird, erhöht sich die Entladezeit merklich und überschreitet spezifizierte Mindestwerte.
Vor diesem Hintergrund schafft die vorliegende Erfindung eine verbesserte Entladungsvorrichtung und ein verbessertes Verfahren zum Betrieb einer Entladungsvorrichtung gemäß den Hauptansprüchen. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung.
Die vorliegende Erfindung schafft eine Entladungsvorrichtung zur Entladung eines Zwischenkreiskondensators, wobei ein erster Polanschluss des Zwischenkreiskondensators mittels eines ersten Schalters mit einem ersten Verbraucheranschluss eines elektrischen Verbrauchers verbindbar oder verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Entladungsvorrichtung eine Steuereinheit aufweist, die ausgebildet ist, um zumindest ein Öffnen und ein Schließen des ersten Schalters anzusteuern, während ein zweiter Polanschluss des Zwischenkreiskondensators von einem zweiten Verbrauchsanschluss des elektrischen Verbrauchers entkoppelt ist.
Eine Vorrichtung kann vorliegend ein elektrisches Gerät sein, das Sensor- und/oder Datensignale verarbeitet und in Abhängigkeit davon Steuersignale ausgibt. Die Vorrichtung kann eine oder mehrere geeignete Schnittstelle aufweisen, die hard- und/oder softwaremäßig ausgebildet sein können. Bei einer hardwaremäßigen Ausbildung können die Schnittstellen beispielsweise Teil einer integrierten Schaltung sein, in der Funktionen der Vorrichtung umgesetzt sind. Die Schnittstellen können auch eigene, integrierte Schaltkreise sind oder zumindest teilweise aus diskreten Bauelementen bestehen. Bei einer softwaremäßigen Ausbildung können die Schnittstellen Softwaremodule sein, die beispielsweise auf einem Mikrocontroller neben anderen Softwaremodulen vorhanden sind.
Weiterhin schafft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Betrieb einer Variante einer vorstehend beschriebenen Entladungsvorrichtung dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren zumindest den folgenden Schritt aufweist:
Ausgeben eines Steuersignals zur Ansteuerung eines Öffnens und eines Schließens des ersten Schalters, während der zweiten Polanschluss des Zwischenkreiskondensators von dem zweiten Verbrauchsanschluss des elektrischen Verbrauchers entkoppelt ist.
Von Vorteil ist auch ein Computerprogramm mit Programmcode, der auf einem maschinenlesbaren Träger wie einem Halbleiterspeicher, einem Festplattenspeicher oder einem optischen Speicher gespeichert sein kann und zur Durchführung des Verfahrens nach einer der vorstehend beschriebenen Ausführungsformen verwendet wird, wenn das Programm auf einem Computer oder einer Vorrichtung ausgeführt wird.
Unter einem Polanschluss ist ein Anschluss zur Kontaktierung eines der beiden Pole des (Zwischenkreis-)Kondensators zu verstehen. Dabei haben die beiden Anschlüsse im Betrieb des Kondensators unterschiedliche Polarität. Unter einem Schalter kann ein elektrotechnisches oder elektronisches Bauelement verstanden werden, das eine elektrische Verbindung zwischen zwei Anschlüssen ermöglicht oder verhindert. Insofern kann unter einem Schalter eine Einheit zur veränderbaren elektrischen Kontaktierung zwischen zwei Anschlüssen verstanden werden. Unter einem Verbraucheranschluss kann eine Anschlussmöglichkeit zur elektrischen Kontaktierung eines elektrischen Verbrauchers wie beispielsweise einer Elektromaschine verstanden werden. Unter einem Öffnen und Schließen ist je ein Schaltvorgang des Schalters zu verstehen, um von einem geöffneten in einen geschlossenen Zustand gebracht zu werden oder umgekehrt. Auch kann ein Zyklus bestehend aus zumindest einem Öffnungsvorgang des Schalters, gefolgt von einem Schließvorgang des Schalters verstanden werden. Unter einer Verbindung zu einem Polanschluss kann eine beliebige elektrisch leitfähige Verbindung zwischen einem betreffenden Verbraucheranschluss und einem entsprechenden Polanschluss verstanden werden. Unter einem Polanschluss, der von einem Verbraucheranschluss entkoppelt ist, ist ein Zustand zu verstehen, in dem keine leitfähige Verbindung zwischen dem genannten Polanschluss und dem genannten Verbraucheranschluss besteht.
Die vorliegende Erfindung basiert auf der Kenntnis, dass eine schnelle Planung des Zwischenkreiskondensators durch die gewinnbringende Ausnutzung von Schaltungsverlusten während des Schaltens des Schalters möglich wird. Dabei sollte jedoch keine elektrische Energie oder Leistung an einen Verbrauch vor übertragen werden, sodass insbesondere kein Strom aus dem Zwischenkreiskondensator über den ersten und zweiten Verbraucheranschluss fließt. Dies kann dadurch erreicht werden, dass einer der Pole des Zwischenkreiskondensators von einem der Verbraucheranschlüsse abgeklemmt ist, während der Schalter zu verbinden oder unterbrechen des anderen Pols des Zwischenkreiskondensators zu dem anderen Verbraucheranschluss geöffnet und wieder geschlossen oder geschlossen und wieder geöffnet wird. Hierdurch lässt sich in den Schalter, der geöffnet und der geschlossenen wird (oder umgekehrt) ein Schaltverlust erzeugen, der zur Entladung des Zwischenkreiskondensators genutzt werden kann.
Die vorliegende Erfindung bietet den Vorteil, dass es nun nicht mehr folglich ist, eine separate Entladungsschaltung zum Entladen des Zwischenkreiskondensators verbauen zu müssen. Vielmehr kann eine bereits vorhandene Schaltung zum Verbinden der Pole des Zwischenkreiskondensators zu entsprechenden Verbraucheranschlüssen vorteilhaft genutzt werden, um durch eine entsprechende Ansteuerung gerade keine Energie oder Leistung aus dem Zwischenkreiskondensator zu dem Verbraucher zu übertragen, sondern eine in dem Zwischenkreiskondensator gespeicherte Ladung abzubauen.
Es einer besonders vorteilhafte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann der zweite Polanschluss des Zwischenkreiskondensators mittels eines zweiten Schalters mit einem zweiten Verbraucheranschluss des elektrischen Verbrauchers verbindbar oder verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit ausgebildet ist, um ferner zumindest den zweiten Schalter zu öffnen und zu schließen, während der erste Polanschluss des Zwischenkreiskondensators von dem ersten Verbraucheranschluss des elektrischen Verbrauchers entkoppelt ist. Eine solche Ausführungsform der vorliegenden Erfindung bietet den Vorteil, dass nicht nur ein einziger Schalter zur Entladung des Zwischenkreiskondensators vorgesehen ist, sondern ein meist auch vorhandener zweiter Schalter durch eine entsprechende Ansteuerung zur Entladung des Zwischenkreiskondensators genutzt werden kann. Hierdurch lässt sich einerseits mit einer entsprechenden Ansteuerung des zweiten Schalters eine schnellere Entladung des Zwischenkreiskondensators erreichen und andererseits eine Erhöhung der Ausfallsicherheit realisieren, beispielsweise für den Fall, dass der erste Schalter einen Defekt erleidet.
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann auch ferner ein dritter Schalter vorgesehen sein, um den ersten Polanschluss mit dem zweiten Verbraucheranschluss zu verbinden und/oder wobei ein vierter Schalter vorgesehen ist, um den zweiten Polanschluss mit dem ersten Verbraucheranschluss zu verbinden dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit ausgebildet ist, um ein Öffnen und Schließen des dritten Schalters anzusteuern, während der zweite Polanschluss des Zwischenkreiskondensators von dem ersten Verbrauchsanschluss entkoppelt ist oder um ein Öffnen und Schließen des vierten Schalters anzusteuern, während der erste Polanschluss des Zwischenkreiskondensators von dem zweiten Verbraucheranschluss entkoppelt ist. Eine solche Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist insbesondere dann besonders günstig, wenn eine Vorrichtung vorgesehen ist, um aus einer Spannung aus dem Zwischenkreiskondensator eine Wechselspannung mit technisch einfachen Mitteln zu erzeugen. In diesem Fall ist nämlich auch ein Schalter vorgesehen, um den ersten Polanschluss mit dem zweiten Verbraucheranschluss und/oder um den zweiten Polanschluss mit dem ersten Verbraucheranschluss zu verbinden für die um damit der erste beziehungsweise zweite Verbraucheranschluss mit einer Spannung der Polarität des zweiten Pols bzw. des ersten Pols des Zwischenkreiskondensators beaufschlagt werden kann. Wird nun einer solchen Ausführungsform der dritte Schalter und/oder der vierte Schalter entsprechend der vorstehend Definition angesteuert, lässt sich vorteilhafterweise durch die Verwendung von Schaltverlusten von weiteren Schaltern eine Beschleunigung der Entladung des Zwischenkreiskondensators erreichen.
Gerade bei der Verwendung von Drehstrom-Verbrauchern, die elektrische Energie über drei Verbraucheranschlüsse beziehen, welche jeweils eine Wechselspannung mit unterschiedlicher Phasenlage zur Verfügung stellen, ist eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung besonders vorteilhaft, bei der ferner ein fünfter Schalter vorgesehen ist, um den ersten Polanschluss mit einem dritten Verbraucheranschluss des elektrischen Verbrauchers zu verbinden. Alternativ oder zusätzlich kann ein sechster Schalter vorgesehen sein, um den zweiten Polanschluss mit dem dritten Verbraucheranschluss zu verbinden. Dabei sollte die Steuereinheit ausgebildet sein, um ein Öffnen und Schließen des fünften Schalters anzusteuern, während der zweite Polanschluss des Zwischenkreiskondensators von dem ersten und zweiten Verbrauchsanschluss entkoppelt ist und/oder um ein Öffnen und Schließen des sechsten Schalters anzusteuern, während der erste Polanschluss des Zwischenkreiskondensators von dem ersten und zweiten Verbraucheranschluss entkoppelt ist. In einer derartigen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung sollte somit sichergestellt werden, dass bei einem Herstellen oder Unterbrechen eine Verbindung zwischen dem dritten Verbraucheranschluss mit dem ersten bzw. zweiten Pol des Zwischenkreiskondensators ein Stromfluss von dem anderen des ersten bzw. zweiten Pols des Zwischenkreiskondensators dem ersten oder zweiten Verbraucheranschluss verhindert ist. Auf diese Weise kann sichergestellt werden, dass keine elektrische Energie oder Leistung von dem Zwischenkreiskondensator zum Verbraucher übertragen wird, sondern lediglich durch bewirkte Schaltverluste in dem fünften bzw. sechsten Schalter eine weiterhin beschleunigte Entladung des Zwischenkreiskondensators realisiert werden kann.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann die Steuereinheit ausgebildet sein, um den ersten, dritten und/oder fünften Schalter synchron zu öffnen und zu schließen und/oder um den zweiten, vierten und/oder sechsten Schalter synchron zu öffnen und zu schließen. Eine derartige Ausführungsform der vorliegenden Erfindung bietet den Vorteil, dass durch das synchrone Öffnen oder Schließen der jeweils betreffenden Schalter und der hierdurch bewirkten parallelen Schaltverluste in den schaltenden Schaltern eine sehr schnelle Entladung des Zwischenkreiskondensators möglich wird. Zugleich lässt sich eine solche Ansteuerung der betreffenden Schalter sehr einfach implementieren. Ferner ist es nicht notwendig, dass beispielsweise der erste, dritte und/oder fünfte Schalter synchron schalten, sondern es können auch lediglich zwei der genannten Schalter synchron schalten. Gleiches gilt natürlich auch für das synchrone Schalten des zweiten, vierten und/oder sechsten Schalters.
Besonders günstig ist auch eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, bei der die Steuereinheit ausgebildet ist, um eine Ansteuerung zum Öffnen und/oder Schließen zumindest eines Schalters mit einem pulsweitenmodulierten Signal durchzuführen. Eine derartige Ausführungsform der vorliegenden Erfindung bietet den Vorteil, dass die Schalter in einem möglichen Betrieb zu Übertragung von Energie oder Leistung aus dem Zwischenkreiskondensator an den oder die Verbraucheranschlüsse bereits über pulsweitenmodulierte Signale angesteuert werden. Insofern erfordert die vorliegende Erfindung lediglich eine sehr kleine Änderung in der Ansteuervorschrift durch die Steuereinheit, sodass diese Steuereinheit nicht nur einen ersten Betrieb eine Übertragung von elektrischer Energie oder Leistung aus dem Zwischenkreiskondensator zum Verbraucher, sondern in einem zweiten Betrieb auch eine Entladung des Zwischenkreiskondensators auf technisch sehr einfache Art ohne zusätzliche Entladeschaltung ermöglicht.
Besonders vorteilhaft lässt sich gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zumindest ein Schalter verwenden, der ausgebildet ist, um eine Energieübertragung vom Zwischenkreiskondensator zum Verbraucher mittels eines Halbleiterbauelementes zu schalten, insbesondere mittels eines Leistungstransistors zu schalten. Eine derartige Ausführungsform der vorliegenden Erfindung bietet den Vorteil, dass die Verwendung eines solchen Halbleiterbauelements, insbesondere eines Leistungstransistors auch in einer modernen Ausführung einen hinreichend hohen Schaltverlust aufweist, um den Zwischenkreiskondensator in einer akzeptablen Zeitspanne zu entladen.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann die Steuereinheit ausgebildet sein, um in einem Betriebsmodus zumindest einen der Schalter derart anzusteuern, dass an dem ersten und/oder zweiten Verbraucheranschluss durch den Zwischenkreiskondensator gespeiste Wechselspannung abgreifbar ist. Eine derartige Ausführungsform der vorliegenden Erfindung bietet den Vorteil, dass die Steuereinheit, die meist bereits zur Verfügung steht, um eine Gleichspannung aus dem Zwischenkreiskondensator in eine Wechselspannung unter Zuhilfenahme der Schalter zu überführen, wobei diese Wechselspannung dann an den Verbraucheranschlüssen abgreifbar ist, durch einfache Modifikation der Ansteuervorschrift für die Schalter auch zum Entladen des Zwischenkreiskondensators nutzen zu können. Auf diese Weise kann ein diese kosten- und platzintensives Vorsehen einer separaten Entladeschaltung vermieden werden.
Günstig ist ferner auch Ausführungsform der vorliegenden Erfindung in der Form als Zwischenkreis zur Versorgung eines Fahrzeugs mit elektrischer Energie, wobei der Zwischenkreis folgende Merkmale aufweist:
einen Zwischenkreiskondensator mit einem ersten Polanschluss und einen zweiten Polanschluss;
eine Schnittstelle zu einem elektrischen Verbraucher, wobei die Schnittstelle zumindest einen ersten und einen zweiten Verbraucheranschluss zur Versorgung eines Verbrauchers mit elektrischer Energie mit wechselnder Spannung aufweist; und
eine Entladungsvorrichtung gemäß einer vorstehend beschriebenen Variante.
Auch in einer derartigen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung lassen sich die vorstehend beschriebenen Vorteile effizient und kostengünstig erreichen.
Die Erfindung wird anhand der beigefügten Zeichnungen beispielhaft näher erläutert. Es zeigen:
1 ein Schaltbild einer elektrischen Schaltung, in der ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung verwendet wird;
2 mehrere Signalverlaufsdiagramme zur Erläuterung des zeitlichen Zusammenhangs zwischen den Schaltstellungen der Schalter zum Entladen des Zwischenkreiskondensators; und
3 ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
In der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden für die in den verschiedenen Figuren dargestellten und ähnlich wirkenden Elemente gleiche oder ähnliche Bezugszeichen verwendet, wobei auf eine wiederholte Beschreibung dieser Elemente verzichtet wird.
In der 1 ist ein Schaltbild eine elektrische Schaltung gezeigt, in der ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung als Entladungsschaltung 100 verwendet wird. In der 1 ist ein Zwischenkreiskondensator Z dargestellt, der einen ersten Polanschluss P1 und einen zweiten Polanschluss P2 aufweist. Der erste Polanschluss P1 und der zweite Polanschluss P2 sind dabei voneinander elektrisch isoliert und weisen im Betrieb des Zwischenkreiskondensators Z unterschiedliche Polarität auf. Der Zwischenkreiskondensator Z wird beispielsweise über Zuleitungen 110 von nicht näher dargestellten Elementen eines Zwischenkreises ZK gespeist, die beispielsweise einer Batterie oder eines Akkus, einer Elektromaschine oder einer Leistungselektronik zur Übertragung von elektrischer Energie aus einem Wechselspannungsnetz in den Zwischenkreiskondensator Z. Der Zwischenkreis mit dem Zwischenkreiskondensator Z kann beispielsweise in einem Fahrzeug eingesetzt werden, und für hohe Spannungen von beispielsweise 300 V bis 700 V ausgelegt sein.
Der erste Polanschluss P1 ist mittels eines ersten Schalters S1 mit einem ersten Verbraucheranschluss V1 verbindbar oder verbunden. Ferner ist der erste Polanschluss P1 des eines dritten Schalters S3 mit einem zweiten Verbraucheranschluss V2 verbindbar oder verbunden und mittels eines fünften Schalters S5 mit einem dritten Verbraucheranschluss V3 verbindbar oder verbunden. Der zweite Poleanschluss ist mittels eines vierten Schalters S4 mit dem ersten Verbraucheranschluss V1 verbindbar oder verbunden, mittels eines zweiten Schalters S2 mit dem zweiten Verbraucheranschluss V2 verbindbar oder verbunden und mittels eines sechsten Schalters S6 mit dem dritten Verbraucheranschluss V3 verbindbar oder verbunden.
Als Schalter, die für den ersten, zweiten, dritten, vierten, fünften und/oder sechsten Schalter S1–S6 verwendet werden können, lassen sich insbesondere Halbleiterbauteile wie beispielsweise MOSFET-Leistungstransistoren, IGBTs oder Thyristoren verwenden, die zur Schaltung von einer großen Energiemenge und/oder hohen Spannungen ausgelegt sind.
Über den ersten bis dritten Verbraucheranschluss V1–V3 lässt sich dann beispielsweise ein in 1 nicht dargestellter elektrischer Verbraucher wie beispielsweise der Elektromaschine oder einen Elektromotor mit elektrischer Energie aus dem Zwischenkreis speisen. Hierzu werden die Schalter S1 bis S6 durch eine Steuereinheit ST mit jeweils einem Ansteuersignal A1 bis A6 angesteuert, um einen zeitlichen Wechsel der Schaltzustände der Schalter zu steuern. Wird beispielsweise der Schalter S1 durch die Steuereinheit ST mit dem ersten Ansteuersignal A1 derart angesteuert, dass er geschlossen wird, liegt an dem ersten Verbraucheranschluss V1 ein Potenzial an, welches dem Potenzial des ersten Polanschlusses P1 (das beispielsweise einem positiven Potenzial entspricht) entspricht. Wird nun nach einer vorbestimmten Zeitdauer mit durch die Steuereinheit ST mittels des ersten Ansteuersignals A1 erste Schalter S1 derart angesteuert, dass er öffnet und zeitlichen nachfolgend der vierte Schalter S4 mittels des vierten Ansteuersignals A4 durch die Steuereinheit ST derart angesteuert, dass er schließt, wird am ersten Verbraucheranschluss V1 ein Wechsel des Potenzials vom Potenzial des ersten Polanschlusses P1 auf ein Potenzial des zweiten Polanschlusses P2 (das beispielsweise einem negativen Potenzial entspricht) bewirkt. Auf diese Weise lässt sich mit technisch sehr einfachen Mitteln am ersten Verbraucheranschluss V1 aus der am Zwischenkreiskondensator Z anliegenden Gleichspannung eine Wechselspannung erzeugen. Diese Wechselspannung kann beispielsweise durch weitere elektronische Komponenten, die hier nicht näher beschrieben werden sollen, auch in eine Sinusspannung überführt werden, wenn dies für die korrekte Funktion eines am ersten Verbraucheranschluss V1 angeschlossenen Verbrauchers erforderlich ist.
Entsprechend kann auch durch die Ansteuerung des zweiten Schalters S2, des dritten Schalters S3, des fünften Schalters S5 und/oder des sechsten Schalters S5 mittels den Ansteuersignalen A2, A3, A5 und/oder A6 durch die Steuereinheit ST auf dem zweiten Verbraucheranschluss V2 und/oder auf dem dritten Verbraucheranschluss V3 eine entsprechende Wechselspannung erzeugt werden. Insofern entspricht die in 1 dargestellte Schaltung einer aus der Gleichrichtertechnik bekannten B6-Brücke, wobei jedoch nun keine Wechselspannung gleichgerichtet wird, sondern eine Gleichspannung in eine Wechselspannung überführt wird.
Um die vorstehend genannte Funktion eine Erzeugung einer Wechselspannung aus der am Zwischenkreiskondensator Z anliegende Gleichspannung zu bewirken, kann die Steuereinheit ST somit ein zeitversetztes Anlegen von pulsweitenmodulierten Ansteuersignalen A1 bis A6 an die jeweiligen Schalter S1 bis S6 vornehmen, um einen Öffnungs- oder Schließzustand des jeweils betreffenden Schalters anzusteuern.
Die vorliegende Erfindung nutzt nun aus, dass in jedem der Schalter beim Schalten, das heißt, beim Übergang von einem geöffneten in einem geschlossenen Zustand oder beim Übergang von einem geschlossenen in einen geöffneten Zustand Schaltverluste auftreten, die beispielsweise zu einer Erwärmung des betreffenden Schalters führen. Üblicherweise werden Schalter meist auf möglichst geringe Schaltverluste optimiert, wobei sich diese jedoch meist nicht komplett vermeiden lassen. Die vorliegende Erfindung nutzt nun somit diese verbleibenden Schaltverluste, um beispielsweise bei einer Außerbetriebnahme des Zwischenkreises ZK den Zwischenkreiskondensator Z zu entladen. Wird nun nämlich beispielsweise der erste Schalter S1 durch die Steuereinheit ST der angesteuert, dass er öffnet und schließt, während der vierte Schalter S4, der zweite Schalter S2 und der sechste Schalter S6 geschlossen sind, als so der zweite Polanschluss P2 komplett von den Verbraucheranschlüssen V1 bis V3 getrennt ist, kann durch die Schaltverluste während des Schaltens des ersten Schalters S1 Energie aus dem Zwischenkreiskondensator Z entnommen und dieser somit entladen werden.
Um eine schnelle Entladung des Zwischenkreiskondensators Z zu erreichen, können parallel, beispielsweise synchron auch der dritte und/oder fünfte Schalter S3 und S5 geöffnet oder geschlossen werden, so dass durch das synchrone Schalten von mehreren Schaltern innerhalb einer Zeitspanne deutlich mehr Energie aus dem Zwischenkreiskondensator Z entnommen werden kann, als dies lediglich beim Schalten eines Schalters möglich ist. Auch lässt sich hierdurch eine Verbesserung der Störungsanfälligkeit einer derartigen Entladungsschaltung 100 mit den Schaltern S1 bis S6 sowie der Steuereinheit ST erreichen, da bei einem Defekt an einem der Schalter noch weitere Schalter zur Verfügung stehen, um die Energie aus dem Zwischenkreiskondensator Z durch verursachte Schaltverluste abzubauen.
2 zeigt mehrere Signalverlaufsdiagramme eines beispielhaften Signalverlaufs der unterschiedlichen Ansteuersignale zur Erläuterung des zeitlichen Zusammenhangs zwischen den Schaltstellungen der Schalter zum Entladen des Zwischenkreiskondensators. Wie aus der 2 zu entnehmen ist, wird durch das erste Ansteuersignal A1 erste Schalter S1 der angesteuert, dass er abwechselnd schließt (Signalzustand 1) und öffnet (Signalzustand 0). Der dritte Schalter S3 wird durch das dritte Ansteuersignal A3 der angesteuert, dass er ebenfalls abwechselnd öffnet und schließt, jedoch mit einer längeren Schaltperiode als der erste Schalter S1. Gleiches gilt auch für die Ansteuerung des fünften Schalters S5 mittels des fünften Ansteuersignals A5, vorbei nun ein zeitlicher Versatz des geöffneten Zustandes des fünften Schalters S5 gegenüber dem geöffneten Zustand des dritten Schalters S3 vorliegt und umgekehrt. Der vierte Schalter S4, der zweite Schalter S2 und der sechste Schalter S6 werden dabei durch die entsprechenden Ansteuersignale A4, A2 und A6 der angesteuert, dass sie durchgehend geöffnet sind. In einem solchen Betriebsmodus, in dem lediglich die in 1 dargestellten oben Schalter geöffnet und/oder geschlossen werden, wird somit durch die Unterbrechung des zweiten Polanschlusses P2 mit den Verbraucheranschlüssen V1 bis V3 keine Energie aus dem Zwischenkreiskondensator Z an einen an den Verbraucheranschlüssen angeschlossenen Verbraucher geliefert, da durch die in 1 dargestellten unteren Schalter kein Strom zu Verbraucher fließen kann. Vielmehr wird die in dem Zwischenkreiskondensator Z gespeicherte Energie durch die Schaltverluste der in 1 dargestellten oberen Schalter S1, S3 und S5 in Wärme überführt und der Zwischenkreiskondensator Z somit entladen.
Durch den hier vorgestellten Ansatz ist es nun möglich, die Steuereinheit zusätzlich für den üblichen Betrieb auch für eine weitere Funktionalität, nämlich der Entladung des Zwischenkreiskondensators zu verwenden. Da die Steuereinheit ST bereits zur Steuerung der Schaltzustände der Schalter zur Überführung der Gleichspannung des Zwischenkreiskondensators in eine an den Verbraucheranschlüssen bereitzustellende Wechselspannung zur Verfügung steht, kann durch eine einfache zusätzliche Programmierung dieser Steuereinheit ST auch eine technisch einfache und elegante Entladung des Zwischenkreiskondensators Z erreicht werden, ohne kostenintensiv keine separate Entladungsschaltung implementieren zu müssen. Die Steuereinheit kann dabei beispielsweise bereits implementierte Algorithmen weiterverwenden, die die betreffenden Schalter mit einem pulsweitenmodulierten Signal entsprechend ansteuern. Im Wesentlichen sollte lediglich sichergestellt werden, dass in einem Modus, in dem der Zwischenkreiskondensator Z entladen werden soll, einer der Polanschlüsse P1 bzw. P2 komplett von (allen) Verbraucheranschlüssen V1 bis V3 getrennt ist. In diesem Fall wird somit kein Strom aus dem Zwischenkreiskondensator Z zu einem an den Verbraucheranschlüssen angeschlossenen Verbraucher fließen können, sodass auch keine Leistung oder keine Energie aus dem Zwischenkreiskondensator Z an einen solchen Verbraucher geliefert werden kann. Um zu verhindern, dass der Zwischenkreiskondensator Z über die Zuleitungen 110 wieder aufgeladen wird, sollte in einem solchen Betriebsmodus zur Entladung des Zwischenkreiskondensators Z auch eine Unterbrechung der Zuleitungen 110 sichergestellt sein.
Entsprechend kann natürlich auch durch ein Öffnen und Schließen des vierten Schalters S4, des zweiten Schalters S2 und/oder des sechsten Schalters S6 und der hierdurch bewirkten Schaltverluste eine Entladung des Zwischenkreiskondensators Z bewirkt werden. In diesem Fall sollte der erste Polanschluss P1 des Zwischenkreiskondensators Z von den die Verbraucheranschlüssen V1 bis V3 entkoppelt sein, damit einem an diesen Anschlüssen angeschlossenen Verbraucher keine elektrische Energie über einen Stromfluss aus dem Zwischenkreiskondensator Z zur Verfügung gestellt wird, sondern lediglich die in dem Zwischenkreiskondensator Z enthalten Energie über die Schaltverluste beim Schalten der betreffenden Schalter entnommen wird.
Denn weiß es ferner, dass zur Entladung des Zwischenkreiskondensators Z nicht eine Schaltung mit 3 Verbraucheranschlüssen V1 bis V3 verwendet wird, sondern dass auch lediglich zwei Verbraucheranschlüsse verwendet werden, die im normalen Betrieb mit einem der Polanschlüsse P1 und P2 elektrisch leitfähig gekoppelt sind und im Entladungsbetrieb nur einer der Polanschlüsse P1 oder P2 von dem entsprechenden Verbraucheranschluss elektrisch getrennt wird und der Schalter, der mit dem anderen der Polanschlüsse verbunden ist, geöffnet oder geschlossen wird. Insofern ist zur Implementierung des hier vorgeschlagenen Ansatzes zur Entladung des Zwischenkreiskondensators lediglich zumindest ein Schalter erforderlich, der geöffnet oder geschlossen wird und hierdurch Schaltverluste verursacht, die zu der Entladung des Zwischenkreiskondensators Z führt. Denkbar sei natürlich auch alternative Varianten einer Entladungsvorrichtung mit mehr als einem Schalter und/oder weniger als der in 1 dargestellten sechs Schalter.
3 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung als Verfahren 300 zum Betrieb einer Variante der vorstehend vorgestellten Entladungsvorrichtung. Das Verfahren 300 umfasst zumindest den Schritt des Ausgebens 310 eines Steuersignals zur Ansteuerung eines Öffnens und eines Schließens des ersten Schalters, während eine Verbindung des zweiten Polanschlusses des Zwischenkreiskondensators mit dem zweiten Verbrauchsanschluss des elektrischen Verbrauchers unterbrochen ist.
Zusammenfassend lässt sich zu dem hier vorgestellten Ansatz ausführen, dass eine sehr geringe Entladungszeit (beispielsweise eine Minimalentladezeit) garantiert werden kann, vom Zeitpunkt, ab dem die Hochvolt-Versorgung abgetrennt wurde, unabhängig davon, wie lange die Entladefunktion zuvor aufgerufen war. Auch kann eine ganze (elektronische) Baugruppe eingespart werden, es werden somit keine zusätzlichen Bauelemente benötigt. Auch kann die Leistungselektronik (d. h. die Entladeschaltung) mit Modulationsgrad Null betrieben werden, was einen getakteten Betrieb der Schaltung ohne Ausgangsleistung an einen Verbraucher entspricht. In diesem Betriebsmodus fließt kein Strom durch die Ausgangsklemmen (d. h. die Verbraucheranschlüsse), bestimmend für die Energieaufnahme aus einem Hochvoltnetz sind alleine die Verluste der Schalter (die beispielsweise als Ausgangsschalttransistoren ausgelegt sind). Diese Verluste wandeln die im Zwischenkreiskondensator gespeicherte Energie in Wärme um, sobald die Hochvoltversorgung weg geschalten wird. Diese Umwandlung entspricht einer Schnellentladung.
Die beschriebenen und in den Figuren gezeigten Ausführungsbeispiele sind nur beispielhaft gewählt. Unterschiedliche Ausführungsbeispiele können vollständig oder in Bezug auf einzelne Merkmale miteinander kombiniert werden. Auch kann ein Ausführungsbeispiel durch Merkmale eines weiteren Ausführungsbeispiels ergänzt werden.
Ferner können erfindungsgemäße Verfahrensschritte wiederholt sowie in einer anderen als in der beschriebenen Reihenfolge ausgeführt werden.
Umfasst ein Ausführungsbeispiel eine „und/oder“ Verknüpfung zwischen einem ersten Merkmal und einem zweiten Merkmal, so kann dies so gelesen werden, dass das Ausführungsbeispiel gemäß einer Ausführungsform sowohl das erste Merkmal als auch das zweite Merkmal und gemäß einer weiteren Ausführungsform entweder nur das erste Merkmal oder nur das zweite Merkmal aufweist.
Bezugszeichenliste

100: Entladungsvorrichtung
110: Zuleitungen
S1: erster Schalter
S2: zweiter Schalter
S3: dritter Schalter
S4: vierter Schalter
S5: fünfter Schalter
S6: sechster Schalter
A1: erstes Ansteuerungssignal
A2: zweites Ansteuerungssignal
A3: drittes Ansteuerungssignal
A4: viertes Ansteuerungssignal
A5: fünftes Ansteuerungssignal
A6: sechstes Ansteuerungssignal
ZK: Zwischenkreis
Z: Zwischenkreiskondensator
P1: erster Polanschluss
P2: zweiter Polanschluss
ST: Steuereinheit
V1: erster Verbraucheranschluss
V2: zweiter Verbraucheranschluss
V3: dritter Verbraucheranschluss
300: Verfahren zum Betrieb einer Entladungsvorrichtung
310: Schritt des Ausgebens

Claims

Entladungsvorrichtung (100) zur Entladung eines Zwischenkreiskondensators (Z), wobei ein erster Polanschluss (P1) des Zwischenkreiskondensators (Z) mittels eines ersten Schalters (S1) mit einem ersten Verbraucheranschluss (V1) verbindbar oder verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Entladungsvorrichtung (100) eine Steuereinheit (ST) aufweist, die ausgebildet ist, um zumindest ein Öffnen und ein Schließen des ersten Schalters (S1) anzusteuern, während der zweiten Polanschluss (P2) des Zwischenkreiskondensators (Z) von einem zweiten Verbrauchsanschluss (V2, V3) entkoppelt ist.
Entladungsvorrichtung (100) gemäß Anspruch 1, wobei der zweiter Polanschluss (P2) des Zwischenkreiskondensators (Z) mittels eines zweiten Schalters (S2) mit einem zweiten Verbraucheranschluss (V2) verbindbar oder verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (ST) ausgebildet ist, um ferner zumindest den zweite Schalter (S2) zu öffnen und zu schließen, während der erste Polanschluss (P1) des Zwischenkreiskondensators (Z) von dem ersten Verbraucheranschluss (V1) entkoppelt ist.
Entladungsvorrichtung (100) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei ferner ein dritter Schalter (S3) vorgesehen ist, um den ersten Polanschluss (P1) mit dem zweiten Verbraucheranschluss (V2) zu verbinden und/oder wobei ein vierter Schalter (S4) vorgesehen ist, um den zweiten Polanschluss (P2) mit dem ersten Verbraucheranschluss (V1) zu verbinden, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (ST) ausgebildet ist, um ein Öffnen und Schließen des dritten Schalters (S3) anzusteuern, während der zweite Polanschluss (P2) des Zwischenkreiskondensators (Z) von dem ersten Verbrauchsanschluss (V1) entkoppelt ist oder um ein Öffnen und Schließen des vierten Schalters (S4) anzusteuern, während der erste Polanschluss (P1) des Zwischenkreiskondensators (Z) von dem zweiten Verbraucheranschluss (V2) entkoppelt ist.
Entladungsvorrichtung (100) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei ferner ein fünfter Schalter (S5) vorgesehen ist, um den ersten Polanschluss (P1) mit einem dritten Verbraucheranschluss (V3) zu verbinden und/oder wobei ein sechster Schalter (S6) vorgesehen ist, um den zweiten Polanschluss (P2) mit dem dritten Verbraucheranschluss (V3) zu verbinden dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (ST) ausgebildet ist, um ein Öffnen und Schließen des fünften Schalters (S5) anzusteuern, während der zweite Polanschluss (P2) des Zwischenkreiskondensators (Z) von dem ersten (V1) und zweiten (V2) Verbrauchsanschluss entkoppelt ist oder um ein Öffnen und Schließen des sechsten Schalters (S6) anzusteuern, während der erste Polanschluss (P1) des Zwischenkreiskondensators (Z) von dem ersten (V1) und zweiten (V2) Verbraucheranschluss entkoppelt ist.
Entladungsvorrichtung (100) gemäß einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (ST) ausgebildet ist, um den ersten (S1), dritten (S3) und/oder fünften Schalter (S5) synchron zu öffnen und zu schließen und/oder dass die Steuereinheit (ST) ausgebildet ist, um den zweiten (S2), vierten (S$) und/oder sechsten (S6) Schalter synchron zu öffnen und zu schließen.
Entladungsvorrichtung (100) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (ST) ausgebildet ist, um eine Ansteuerung zum Öffnen und/oder Schließen zumindest eines Schalters (S1–S6) mit einem pulsweitenmodulierten Signal (A1–A6) durchzuführen.
Entladungsvorrichtung (100) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Schalter (A1–S6) ausgebildet ist, um eine Energieübertragung vom Zwischenkreiskondensator (Z) zum Verbraucher mittels eines Halbleiterbauelementes zu schalten, insbesondere mittels eines Leistungstransistors zu schalten.
Entladungsvorrichtung (100) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (ST) ausgebildet ist, um in einem Betriebsmodus zumindest einen der Schalter (S1–S6) anzusteuern, dass zumindest an dem ersten (V1) und/oder zweiten (V2) Verbraucheranschluss eine durch den Zwischenkreiskondensator (Z) gespeiste Wechselspannung abgreifbar ist.
Zwischenkreis (ZK) zur Versorgung mit elektrischer Energie, wobei der Zwischenkreis (ZK) folgende Merkmale aufweist: einen Zwischenkreiskondensator (Z) mit einem ersten Polanschluss (P1) und einen zweiten Polanschluss (P2); eine Schnittstelle (V1–V3) zu einem elektrischen Verbraucher, wobei die Schnittstelle zumindest einen ersten (V1) und einen zweiten (V2) Verbraucheranschluss zur Versorgung eines Verbrauchers mit elektrischer Energie mit wechselnder Spannung aufweist; und eine Entladungsvorrichtung (100) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche.
Verfahren (300) zum Betrieb einer Entladungsvorrichtung (100) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren (300) zumindest den folgenden Schritt aufweist: Ausgeben (310) eines Steuersignals (A1) zur Ansteuerung eines Öffnens und eines Schließens des ersten Schalters (S1), während der zweite Polanschluss (P2) des Zwischenkreiskondensators (Z) vom zweiten Verbrauchsanschluss (V2) entkoppelt ist.
Computerprogramm mit Programmcode zur Ansteuerung des zumindest einen Schritts (310) des Verfahrens (300) gemäß Anspruch 10, wenn das Computerprogramm auf einem Steuergerät (ST) oder einer Vorrichtung (100) ausgeführt wird.