DE102013209187A1

DE102013209187A1 - Method and circuit for improved use of capacity in a DC link

Info

Publication number: DE102013209187A1
Application number: DE102013209187.7A
Authority: DE
Inventors: Stefan Butzmann
Original assignee: Robert Bosch GmbH; Samsung SDI Co Ltd
Current assignee: Robert Bosch GmbH; Samsung SDI Co Ltd
Priority date: 2013-05-17
Filing date: 2013-05-17
Publication date: 2014-11-20
Also published as: CN104167909B; FR3005806B1; FR3005806A1; CN104167909A

Abstract

Es wird eine Schaltung sowie ein Verfahren zur verbesserten Nutzung einer Kapazität in einem Zwischenkreis vorgeschlagen, welche einen hochvoltseitigen Anschluss und einen massenseitigen Anschluss zum Anschließen einer Kapazität aufweist. Eine Erfassungseinheit zum Erfassen einer Änderung einer elektrischen Spannung in einem ersten Teil der Schaltung ist ebenso wie eine Kompensationseinheit vorgesehen. Die Kompensationseinheit ist dabei eingerichtet, die Änderung zumindest anteilig zu kompensieren, indem sie elektrische Energie in den masseseitigen Anschluss einspeist. Die Kompensationseinheit umfasst hierzu einen analogen Verstärker und einen digitalen Verstärker, wobei ein Ausgang des analogen Verstärkers zur Bereitstellung einer Eingangsgröße des digitalen Verstärkers verwendet wird.The invention proposes a circuit and a method for improved utilization of a capacitor in a DC link, which has a high-voltage side terminal and a ground-side terminal for connecting a capacitor. A detection unit for detecting a change of an electric voltage in a first part of the circuit is provided as well as a compensation unit. The compensation unit is set up to compensate for the change at least proportionally by feeding electrical energy into the ground-side connection. The compensation unit for this purpose comprises an analog amplifier and a digital amplifier, wherein an output of the analog amplifier is used to provide an input of the digital amplifier.

Description

Stand der TechnikState of the art

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren sowie eine Schaltung zur verbesserten Nutzung einer Kapazität in einem Zwischenkreis. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung dabei Zwischenkreise für automobile Energiebordnetze, in welchen Spannungsripple auf einer Leitung zwischen einem Energiespeicher und einem motorseitigen Inverter auftreten können. The present invention relates to a method and a circuit for improved utilization of a capacitance in a DC link. In particular, the present invention relates to intermediate circuits for automotive power systems, in which voltage ripple on a line between an energy store and a motor-side inverter can occur.

Die zunehmende Elektrifizierung des Individualverkehrs hat dazu geführt, dass in elektrisch antreibbaren Fahrzeugen deutlich höhere Spannungen (im Bereich 400 V und größer) auftreten und zu verarbeiten sind, als sie bis vor ein paar Jahren in Fahrzeugbordnetzen auftraten. Während die Speicherung von Energie in einem (zumeist elektrochemischen) Energiespeicher als Gleichspannung erfolgt, wird meist ein Inverter (Gleichspannungs-Wechselspannungswandler) verwendet, um den elektrischen Motor (bzw. Generator) mit (dreiphasiger) Wechselspannung zu versorgen bzw. Wechselspannung aus dem (generatorisch betriebenen) Motor in den elektrochemischen Energiespeicher zu überführen. Durch den Inverter, welcher häufig Schaltwandler umfasst, wird der Bordnetzspannung eine Störgröße in Form einer Wechselspannung überlagert, welche zu Störungen im Bordnetz und zu Problemen elektromagnetischer Verträglichkeit (EMV) führen kann. Um die durch den Inverter erzeugte Störgröße zu dämpfen, wird zwischen dem Energiespeicher und dem Inverter oftmals eine sogenannte Zwischenkreiskapazität vorgesehen, welche bei Anliegen einer erhöhten Spannung Energie aufnimmt, und die Spannungsspitze somit „abfedert“, und im Falle einer Spannungssenke elektrische Energie abgibt, und somit das Bordnetz "stützt". Ein solches System ist in 1 dargestellt. Eine Batterie 200 ist über einen sogenannten Schütz 201, 202 mit einem Inverter 203 verbunden. Dem Eingang des Inverters 203 und der Batterie 200 ist eine Zwischenkreiskapazität C0 parallel geschaltet. Der Inverter 203 wandelt die Hochvoltgleichspannung in eine Dreiphasenwechselspannung, mit welcher ein Elektromotor 204 versorgt wird. Der Zwischenkreiskondensator C0 hat die Aufgabe, die durch den Inverter verursachten Wechselspannungsanteile auf der Gleichspannungsseite des Inverters zu dämpfen. Im Bereich der Pkw-Antriebstechnik hat ein solcher Kondensator üblicherweise eine Kapazität von 0,5 bis 1,5 mF und ist wegen der erforderlichen Spannungsfestigkeit von über 400 V sehr groß und kostspielig. The increasing electrification of private transport has led to significantly higher voltages (in the range of 400 V and greater) occurring and being processed in electrically driven vehicles than they did in vehicle on-board systems until a few years ago. While the storage of energy in a (mostly electrochemical) energy storage as DC voltage, usually an inverter (DC-DC converter) is used to supply the electric motor (or generator) with (three-phase) AC voltage or AC voltage from the (regenerative operated) to transfer engine into the electrochemical energy storage. By the inverter, which often includes switching converter, the on-board electrical system voltage is superimposed on a disturbance variable in the form of an alternating voltage, which can lead to disturbances in the electrical system and to problems of electromagnetic compatibility (EMC). In order to dampen the disturbance generated by the inverter, a so-called intermediate circuit capacitance is often provided between the energy store and the inverter, which absorbs energy when an increased voltage is applied, and thus the voltage spike "absorbs", and in the case of a voltage drop emits electrical energy, and thus "supports" the electrical system. Such a system is in 1 shown. A battery 200 is about a so-called contactor 201 . 202 with an inverter 203 connected. The entrance of the inverter 203 and the battery 200 is a DC link capacitance C0 connected in parallel. The inverter 203 converts the high-voltage direct voltage into a three-phase alternating voltage, with which an electric motor 204 is supplied. The DC link capacitor C0 has the task of attenuating the AC components caused by the inverter on the DC side of the inverter. In the field of passenger car drive technology, such a capacitor usually has a capacity of 0.5 to 1.5 mF and is very large and expensive because of the required dielectric strength of over 400 V.

Weiter ist eine aktive Schaltung zur Bereitstellung einer vordefinierten Eingangsimpedanz nach 2 bekannt, in welcher ein erster Operationsverstärker 301 und ein zweiter Operationsverstärker 302 in Verbindung mit einem Spannungsteiler, bestehend aus Impedanzen Z1, Z2, Z3, Z4 und Z5, eine vordefinierte Eingangsimpedanz Zin = (Z1 × Z2 × Z3)/(Z2 × Z4) bereitstellen. Da die Funktions- und Wirkungsweise der in 2 gezeigten Schaltung dem Fachmann bekannt ist, wird nicht weiter auf diese eingegangen.Next is an active circuit for providing a predefined input impedance 2 in which a first operational amplifier 301 and a second operational amplifier 302 in conjunction with a voltage divider consisting of impedances Z1, Z2, Z3, Z4 and Z5, provide a predefined input impedance Zin = (Z1 × Z2 × Z3) / (Z2 × Z4). Since the function and effect of in 2 shown circuit is known in the art, will not be discussed further.

Ein Ansatz zur Verkleinerung eines verwendbaren Kondensators besteht darin, eine Schaltung zur dynamischen Unterstützung des Kondensators bei der Beseitigung von Spannungsripple vorzusehen. Diese ist eingerichtet, im Falle einer gegenüber einer durchschnittlichen elektrischen Spannung im Hochvoltgleichspannungsbordnetz niedrigeren Spannung elektrische Energie ins Hochvoltgleichspannungsbordnetz einzuspeisen und umgekehrt im Falle einer gegenüber einer durchschnittlichen elektrischen Spannung im Hochvoltgleichspannungsbordnetz höheren Spannung elektrische Energie aus dem Hochvoltgleichspannungsbordnetz zu entnehmen. Für eine aktive Einbringung elektrischer Energie in das Hochvoltbordnetz bzw. aktiven Entzug elektrischer Energie aus dem Hochvoltbordnetz sind dabei noch keine Lösungen bekannt, welche den Zielkonflikt zwischen einem hohen Wirkungsgrad und dynamischen Nachteilen bei der Verstärkung auflösen.One approach to downsizing a useful capacitor is to provide a circuit for dynamically assisting the capacitor in the removal of voltage ripple. This is set up to feed electrical energy into the high-voltage direct voltage electrical system in the case of a voltage which is lower than average voltage in the high-voltage direct voltage electrical system and, conversely, in the case of a voltage higher than an average electric voltage in the high-voltage direct voltage electrical system, electrical energy can be taken from the high-voltage direct voltage electrical system. For an active introduction of electrical energy into the high-voltage vehicle electrical system or active withdrawal of electrical energy from the high-voltage vehicle electrical system, no solutions are yet known which resolve the conflict between a high efficiency and dynamic disadvantages in gain.

Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention

Das vorstehend genannte Bedürfnis wird erfindungsgemäß gestillt durch eine Schaltung mit den Merkmalen gemäß Anspruch 1 sowie ein Verfahren mit den Merkmalen gemäß Anspruch 11. Entsprechend ist die Schaltung insbesondere als Zwischenkreis für ein automobiles Energiebordnetz verwendbar. Sie dient der verbesserten Nutzung einer Kapazität in einem Zwischenkreis, wie er beispielsweise bei elektrisch antreibbaren Verkehrsmitteln vorzufinden ist. Die erfindungsgemäße Schaltung umfasst zumindest einen hochvoltseitigen Anschluss und einen masseseitigen Anschluss zum Anschließen einer Kapazität. Die Kapazität ist dabei vorgesehen und eingerichtet, störende Wechselspannungssignale ("Spannungsripple"), wie sie auf der Gleichspannungsseite zwischen einem elektrochemischen Energiespeicher und einem Inverter eines elektrisch antreibbaren Fahrzeugs aufgrund der Schaltvorgänge innerhalb des Inverters auftreten können, zu verringern. Der hochvoltseitige Anschluss ist dabei elektrisch mit der elektrischen Hochvoltgleichspannung verbunden, während der masseseitige Anschluss in Richtung eines geringeren elektrischen Potentials angeordnet ist, wobei weitere Bauelemente zwischen dem masseseitigen Anschluss und der elektrischen Masse vorgesehen sein können. Weiter umfasst die erfindungsgemäße Schaltung eine Erfassungseinheit zum Erfassen einer Änderung einer elektrischen Spannung in einem ersten Teil der Schaltung. Der erste Teil der Schaltung ist dabei, ebenso wie der hochvoltseitige Anschluss, der Hochvoltgleichspannung zugeordnet. Mit anderen Worten kann die Erfassungseinheit dem ersten Teil der Schaltung ein elektrisches Signal entnehmen, anhand dessen sie Spannungsripple auf der Gleichspannung erfassen kann. Weiter umfasst die erfindungsgemäße Schaltung eine Kompensationseinheit, welche eingerichtet ist, die Änderung zumindest anteilig zu kompensieren, indem sie elektrische Energie in den masseseitigen Anschluss und somit in die Kapazität einspeist. Dies kann beispielsweise durch einen Strom erfolgen, welcher durch die Kompensationseinheit im Ansprechen auf ein Signal der Erfassungseinheit über den masseseitigen Anschluss in die Kapazität fließt. Dabei umfasst die Kompensationseinheit erfindungsgemäß einen analogen Verstärker und einen digitalen Verstärker, wobei der Ausgang des analogen Verstärkers zur Bereitstellung einer Eingangsgröße des digitalen Verstärkers verwendet wird. Der analoge Verstärker kann dabei beispielsweise durch einen Transistor oder mehrere Transistoren und eine kontinuierliche Steuergröße realisiert werden. Demgegenüber kann der digitale Verstärker durch Schaltvorgänge seine Ausgangsgröße einer Eingangsgröße anpassen. Ein Beispiel für einen digitalen Verstärker ist ein Class-D-Verstärker. Durch die erfindungsgemäße Anordnung eines analogen Verstärkers als Verstärkervorstufe für einen digitalen Verstärker entsteht ein Hybridverstärker, der die Vorteile einer schnellen analogen Ausgangsstufe (welche allerdings höhere Verluste aufweist) mit den Wirkungsgradvorteilen eines digitalen Verstärkers vereint.The aforementioned need is satisfied according to the invention by a circuit having the features according to claim 1 and a method having the features according to claim 11. Accordingly, the circuit can be used in particular as a DC link for an automotive power plant network. It serves the improved use of a capacity in a DC link, as it is found for example in electrically driven means of transport. The circuit according to the invention comprises at least one high-voltage side terminal and a ground-side terminal for connecting a capacitor. The capacitance is thereby provided and arranged to reduce disturbing AC voltage signals ("voltage ripple"), which may occur on the DC side between an electrochemical energy store and an inverter of an electrically driven vehicle due to the switching operations within the inverter. The high-voltage side terminal is electrically connected to the high-voltage electrical DC voltage, while the ground-side terminal is arranged in the direction of a lower electrical potential, wherein further components may be provided between the ground-side terminal and the electrical ground. Furthermore, the circuit according to the invention comprises a detection unit for detecting a change of an electrical voltage in a first part of the circuit. The first part of the circuit is there, as well as the High-voltage side connection, assigned to the high-voltage DC voltage. In other words, the detection unit can extract an electrical signal from the first part of the circuit, by means of which it can detect voltage ripple on the DC voltage. Furthermore, the circuit according to the invention comprises a compensation unit, which is set up to compensate for the change at least proportionally by feeding electrical energy into the ground-side terminal and thus into the capacitance. This can be done, for example, by a current which flows through the compensation unit in response to a signal of the detection unit via the ground-side terminal in the capacitance. In this case, the compensation unit according to the invention comprises an analog amplifier and a digital amplifier, wherein the output of the analog amplifier is used to provide an input of the digital amplifier. The analog amplifier can be realized for example by a transistor or more transistors and a continuous control variable. In contrast, the digital amplifier can adjust its output size of an input by switching operations. An example of a digital amplifier is a Class D amplifier. The inventive arrangement of an analog amplifier as amplifier pre-stage for a digital amplifier creates a hybrid amplifier, which combines the advantages of a fast analog output stage (which, however, has higher losses) with the efficiency advantages of a digital amplifier.

Die Unteransprüche zeigen bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung. Bevorzugt ist der digitale Verstärker dabei eingerichtet, elektrische Energie in den masseseitigen Anschluss der Kapazität einzuspeisen. Dies geschieht unter der Regie der Erfassungseinheit, welche der Kompensationseinheit eine Störgröße zur Verfügung stellt, im Ansprechen auf den Empfang welcher der analoge Verstärker in Verbindung mit dem digitalen Verstärker eine Kompensationsgröße erzeugt und diese in den masseseitigen Anschluss einspeist. Auf diese Weise wird die verbesserte Nutzung einer als Bauteil vorgesehenen Kapazität in dem Zwischenkreis möglich, da die Kapazität dynamisch vergrößert wird.The dependent claims show preferred developments of the invention. Preferably, the digital amplifier is set up to feed electrical energy into the ground-side connection of the capacitor. This is under the direction of the detection unit, which provides the compensation unit with a disturbance variable in response to the reception of which the analog amplifier in conjunction with the digital amplifier generates a compensation quantity and feeds it into the ground-side connection. In this way, the improved utilization of a capacitance provided as a component in the intermediate circuit becomes possible, since the capacity is dynamically increased.

Weiter bevorzugt weist die Schaltung einen ersten Stromspiegel und einen zweiten Stromspiegel auf. Dabei ist ein erster Transistor des ersten Stromspiegels eingerichtet, einen Versorgungsstrom des analogen Verstärkers bei einer ersten Eingangsspannung des analogen Verstärkers an einen zweiten Transistor zu spiegeln. Ein dritter Transistor des zweiten Stromspiegels ist weiter eingerichtet, einen Versorgungsstrom des analogen Verstärkers bei einer zweiten Eingangsgröße des analogen Verstärkers an einen vierten Transistor zu spiegeln. Dabei kann der analoge Verstärker einen Operationsverstärker umfassen, welcher symmetrisch zwischen einer Versorgungsspannung +UB bzw. –UB angeordnet ist. In Abhängigkeit der Spannungsdifferenz an den Eingängen des Operationsverstärkers stellt sich eine erste bzw. eine zweite Eingangsgröße des analogen Verstärkers ein. Die Transistoren können als Bipolar- oder Feldeffekt-Transistoren (z.B. MOSFET) ausgeführt sein. Der durch den zweiten bzw. den vierten Transistor gespiegelte Strom trägt zur Ausgangsgröße der Kompensationseinheit bei. Diese analoge Realisierung eines Verstärkers ermöglicht eine schnelle Reaktionszeit bezüglich einer durch die Erfassungseinheit bereitgestellten Eingangsgröße. More preferably, the circuit has a first current mirror and a second current mirror. In this case, a first transistor of the first current mirror is set up to mirror a supply current of the analog amplifier at a first input voltage of the analog amplifier to a second transistor. A third transistor of the second current mirror is further configured to mirror a supply current of the analog amplifier at a second input of the analog amplifier to a fourth transistor. In this case, the analog amplifier may comprise an operational amplifier, which is arranged symmetrically between a supply voltage + UB and -UB. Depending on the voltage difference at the inputs of the operational amplifier, a first or a second input of the analog amplifier adjusts. The transistors may be implemented as bipolar or field effect transistors (e.g., MOSFETs). The mirrored by the second and the fourth transistor current contributes to the output of the compensation unit. This analog implementation of an amplifier allows a fast response time to an input provided by the detection unit.

Weiter bevorzugt können der zweite Transistor und/oder der vierte Transistor jeweils als Leistungstransistor ausgeführt sein. Auf diese Weise erhöht sich die durch die analoge Verstärkerstufe erzielbare Ausgangsgröße (bzw. deren Anteil an der Ausgangsgröße der Kompensationseinheit).More preferably, the second transistor and / or the fourth transistor may each be designed as a power transistor. In this way, the achievable by the analog amplifier stage output increases (or their share of the output of the compensation unit).

Weiter bevorzugt kann der hochvoltseitige Anschluss der Kapazität zwischen dem ersten Teil der Schaltung und dem masseseitigen Anschluss der Kapazität angeordnet sein. Auf diese Weise wird ein durch die Erfassungseinheit erfasstes Signal über die Kapazität von einem durch die Kompensationseinheit ausgegebenen Signal entkoppelt.More preferably, the high-voltage side terminal of the capacitance between the first part of the circuit and the ground-side terminal of the capacitance may be arranged. In this way, a signal detected by the detection unit is decoupled via the capacitance from a signal output by the compensation unit.

Weiter bevorzugt kann die Erfassungseinheit einen Hochpassfilter und/oder einen Bandpassfilter und/oder einen Mikrocontroller umfassen. Auf diese Weise kann aus dem Signal, welches die Erfassungseinheit aus dem Gleichspannungshochvoltnetz erhält, die Störgröße von der Gleichspannung getrennt werden und separat weiterverarbeitet werden. Durch die Verwendung eines Mikrocontrollers ist beispielsweise eine digitale Filterung möglich. Darüber hinaus lassen sich mittels des Mikrocontrollers Verzögerungsglieder, Inverter etc. realisieren, was die Flexibilität der Signalverarbeitung bereits innerhalb der Erfassungseinheit deutlich erhöht.More preferably, the detection unit may comprise a high-pass filter and / or a bandpass filter and / or a microcontroller. In this way, from the signal which receives the detection unit from the DC high-voltage network, the disturbance can be separated from the DC voltage and processed separately. By using a microcontroller, digital filtering is possible, for example. In addition, delay elements, inverters, etc. can be realized by means of the microcontroller, which significantly increases the flexibility of the signal processing already within the detection unit.

Weiter bevorzugt umfasst die Kompensationseinheit weiter einen ersten Speicherkondensator, welcher eingerichtet ist, elektrische Energie aus dem Zwischenkreis zur Versorgung der Kompensationseinheit zu speichern. Auf diese Weise ist die Kompensationseinheit über das Gleichspannungsnetz mit elektrischer Energie versorgt und benötigt keine separate Energieversorgung.More preferably, the compensation unit further comprises a first storage capacitor, which is configured to store electrical energy from the intermediate circuit for supplying the compensation unit. In this way, the compensation unit is supplied via the DC voltage network with electrical energy and does not require a separate power supply.

Weiter umfasst die Kompensationseinheit bevorzugt einen Gleichspannungs-Gleichspannungs(DC/DC)-Wandler als Konverter und einen zweiten Speicherkondensator zur Pufferung elektrischer Energie. Dabei ist der erste Speicherkondensator zwischen einem positiven Versorgungsanschluss des analogen Verstärkers und der elektrischen Masse angeordnet und der zweite Speicherkondensator zwischen einem negativen Versorgungsspannungsanschluss des analogen Verstärkers und der elektrischen Masse angeordnet. Zur Symmetrisierung der auf dem ersten Speicherkondensator und dem zweiten Speicherkondensator gespeicherten Spannung ist der DC/DC-Wandler eingerichtet, eine elektrische Spannung über dem ersten Speicherkondensator und eine elektrische Spannung über dem zweiten Speicherkondensator einander anzupassen. Hierfür kann beispielsweise ein sogenannter symmetrisierender DC/DC-Wandler verwendet werden. Beispielsweise kann hierzu ein Wandler in sogenannter Flyback-Topologie verwendet werden. Auf diese Weise kann eine ungleiche Spannungsverteilung zwischen dem ersten und dem zweiten Speicherkondensator wirksam verhindert werden.Furthermore, the compensation unit preferably comprises a DC-DC voltage converter as converter and a second storage capacitor for buffering electrical energy. In this case, the first storage capacitor is arranged between a positive supply terminal of the analog amplifier and the electrical ground and the second storage capacitor disposed between a negative supply voltage terminal of the analog amplifier and the electrical ground. In order to symmetrize the voltage stored on the first storage capacitor and the second storage capacitor, the DC / DC converter is set up to adapt an electrical voltage across the first storage capacitor and an electrical voltage across the second storage capacitor. For this purpose, for example, a so-called symmetrizing DC / DC converter can be used. For example, a converter in so-called flyback topology can be used for this purpose. In this way, an uneven voltage distribution between the first and the second storage capacitor can be effectively prevented.

Weiter bevorzugt umfasst die Erfassungseinheit oder die Kompensationseinheit einen Inverter. Während in Bezug auf die Energieumwandlung aus dem Gleichspannungshochvoltnetz in Wechselspannung für den Elektromotor ein Inverter im Sinne der elektrischen Energietechnik eine Anlage ist, um Gleichspannung in Wechselspannung umzurichten, wird in Bezug auf die Erfassungseinheit oder die Kompensationseinheit eine ein Eingangssignal negierende Einheit als "Inverter" verstanden. Auf diese Weise kann beispielsweise die Erfassungseinheit eine Überspannung in ein Signal wandeln, welches geeignet ist, die Überspannung zu verringern. Selbiges gilt für einen Inverter, welcher innerhalb der Kompensationseinheit vorgesehen ist.More preferably, the detection unit or the compensation unit comprises an inverter. Whereas with respect to the energy conversion from the DC high-voltage network into AC voltage for the electric motor, an inverter in the sense of electrical energy technology is a system for converting direct voltage into alternating voltage, a unit negating an input signal is understood as an "inverter" with respect to the detection unit or the compensation unit , In this way, for example, the detection unit can convert an overvoltage into a signal which is suitable for reducing the overvoltage. The same applies to an inverter, which is provided within the compensation unit.

Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zur verbesserten Nutzung einer Kapazität in einem Zwischenkreis vorgeschlagen, welches insbesondere in einem Zwischenkreis für ein automobiles Energiebordnetz vorteilhaft eingesetzt werden kann. Der Zwischenkreis umfasst dabei einen hochvoltseitigen Anschluss und einen masseseitigen Anschluss zum Anschließen einer Kapazität, zur Dämpfung von Spannungsripple. Das Verfahren umfasst den Schritt eines Erfassens einer Änderung einer elektrischen Spannung in dem Zwischenkreis, und zumindest anteiliges Kompensieren der Änderung, indem elektrische Energie in den masseseitigen Anschluss einspeist wird, wobei ein aus der Änderung abgeleitetes elektrisches Signal zunächst analog verstärkt und anschließend digital verstärkt wird. Beispiele für Schaltungen, mittels welcher das erfindungsgemäße Verfahren ausgeführt werden kann, sind vorstehend detailliert beschrieben worden, so dass auch in Verbindung mit den Vorteilen des erfindungsgemäßen Verfahrens auf diese verwiesen werden kann.According to a further aspect of the present invention, a method for improved utilization of a capacitance in a DC link is proposed, which can be advantageously used, in particular, in a DC link for an automotive power plant network. The intermediate circuit comprises a high-voltage side terminal and a ground-side terminal for connecting a capacitor, for damping of voltage ripple. The method comprises the step of detecting a change in a voltage in the intermediate circuit, and at least partially compensating for the change by feeding electrical energy into the ground-side terminal, wherein an electrical signal derived from the change is first analog-amplified and then digitally amplified. Examples of circuits by means of which the method according to the invention can be carried out have been described in detail above, so that reference may also be made to these in connection with the advantages of the method according to the invention.

Kurze Beschreibung der ZeichnungenBrief description of the drawings

Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen im Detail beschrieben. In den Zeichnungen ist:Hereinafter, embodiments of the invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. In the drawings:

1 ein Prinzipschaltbild eines Bordnetzes eines elektrisch antreibbaren Fahrzeugs; 1 a schematic diagram of a vehicle electrical system of an electrically driven vehicle;

2 eine Schaltung zur Realisierung einer dynamischen Eingangsimpedanz; 2 a circuit for realizing a dynamic input impedance;

3 eine Schaltung zur verbesserten Nutzung einer Kapazität in einem Zwischenkreis gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung; 3 a circuit for improved utilization of capacitance in a DC link according to an embodiment of the present invention;

4 eine Schaltung einer Kompensationseinheit 11, wie sie in einer erfindungsgemäßen Schaltung Verwendung finden könnte; 4 a circuit of a compensation unit 11 how it could be used in a circuit according to the invention;

5 eine Schaltung eines alternativen Ausführungsbeispiels einer Kompensationseinheit, wie sie in einer erfindungsgemäßen Schaltung Verwendung finden könnte. 5 a circuit of an alternative embodiment of a compensation unit, as they could find use in a circuit according to the invention.

6 ein Flussdiagramm veranschaulichend Schritte eines Verfahrens gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. 6 a flowchart illustrating steps of a method according to an embodiment of the present invention.

Ausführungsformen der ErfindungEmbodiments of the invention

3 zeigt eine Schaltung 100 gemäß der vorliegenden Erfindung, wie sie zur Glättung von Spannungsripple in einem Gleichspannungshochvolt(HV)-Bordnetz Verwendung finden kann. Ein Anschlusspunkt 8 fällt mit dem Hochvoltpotential des Gleichspannungsbordnetzes sowie mit einem hochvoltseitigen Anschluss der Kapazität C0 zusammen. Masseseitig ist ein Anschlusspunkt 9 an der Kapazität C0 vorgesehen, an welchem ein erster Widerstand R1 angeschlossen ist. Der Widerstand R1 ist andererseits an einem Anschlusspunkt 4 mit einem zweiten Widerstand R2 verbunden. Andererseits ist der zweite Widerstand R2 an einem Anschlusspunkt 5 mit einem dritten Widerstand R3 verbunden. Andererseits ist der dritte Widerstand R3 an einem Anschlusspunkt 6 mit einem vierten Widerstand R4 verbunden. Andererseits ist der vierte Widerstand R4 mit einem Anschlusspunkt 7 verbunden, der mit der elektrischen Masse 10 zusammenfällt. Am Anschlusspunkt 8 ist eine Erfassungseinheit C1, R5, 12, umfassend einen Kondensator C1 und einem gegen Masse 10 geschalteten fünften Widerstand R5 vorgesehen. Zwischen dem Kondensator C1 und dem fünften Widerstand R5 ist ein erster Anschluss eines Operationsverstärkers 12 angeschlossen. Der andere eingangsseitige Anschluss des Operationsverstärkers 12 ist mit dem Anschlusspunkt 4 zwischen dem ersten Widerstand R1 und dem zweiten Widerstand R2 verbunden. Ausgangsseitig ist der Operationsverstärker 12 mit dem Anschlusspunkt 5 zwischen dem zweiten Widerstand R2 und dem dritten Widerstand R3 verbunden. Als zweiter Operationsverstärker 11, welcher als Leistungsverstärker ausgeführt sein kann, ist eingangsseitig jeweils mit dem Anschlusspunkt 4 zwischen dem ersten Widerstand R1 und dem zweiten Widerstand R2 bzw. mit dem Anschlusspunkt 6 zwischen dem dritten Widerstand R3 und dem vierten Widerstand R4 verbunden. Ausgangsseitig ist der Operationsverstärker 11 mit dem masseseitigen Anschluss 9 der Kapazität C0 verbunden, mit welcher er eine Spannungsstabilisierungseinheit 1 bildet. Die dargestellte Schaltung 100 ist derart abgestimmt, dass ein dynamischer Spannungseinbruch am Anschlusspunkt 8 von der Erfassungseinheit C1, R5, 12 erfasst und über das Widerstandsnetzwerk R1, R2, R3, R4 dem Operationsverstärker 11 mitgeteilt wird, im Ansprechen worauf dieser in den masseseitigen Anschluss 9 der Kapazität C0 einen Strom einspeist, der den Spannungseinbruch kompensiert. Bei einer Spannungsüberhöhung auf dem Hochvoltbordnetz wird hingegen der Operationsverstärker 11 veranlasst, der Kapazität C0 über den masseseitigen Anschluss 9 Energie zu entziehen. Auf diese Weise wird der Regelbereich der Kapazität C0 erfindungsgemäß dynamisch vergrößert. Eine alternative Betrachtung erlaubt mittels der vorliegenden Erfindung eine Verwendung kleinerer Bauteile zur Realisierung der Kapazität C0 zur Erzielung desselben Resultats. 3 shows a circuit 100 according to the present invention, as it can be used for smoothing of voltage ripple in a DC high-voltage (HV) board network. A connection point 8th coincides with the high-voltage potential of the DC on-board electrical system and with a high-voltage side connection of the capacitance C0. Ground side is a connection point 9 provided at the capacitance C0, to which a first resistor R1 is connected. The resistor R1, on the other hand, is at a connection point 4 connected to a second resistor R2. On the other hand, the second resistor R2 is at a connection point 5 connected to a third resistor R3. On the other hand, the third resistor R3 is at a connection point 6 connected to a fourth resistor R4. On the other hand, the fourth resistor R4 is a terminal 7 connected to the electrical ground 10 coincides. At the connection point 8th is a detection unit C1, R5, 12 comprising a capacitor C1 and one to ground 10 switched fifth resistor R5 provided. Between the capacitor C1 and the fifth resistor R5 is a first terminal of an operational amplifier 12 connected. The other input side terminal of the operational amplifier 12 is with the connection point 4 connected between the first resistor R1 and the second resistor R2. On the output side is the operational amplifier 12 with the connection point 5 between the second resistor R2 and the third resistor R3 connected. As a second operational amplifier 11 , which can be designed as a power amplifier, the input side is in each case with the connection point 4 between the first resistor R1 and the second resistor R2 or with the connection point 6 connected between the third resistor R3 and the fourth resistor R4. On the output side is the operational amplifier 11 with the ground side connection 9 the capacitor C0, with which it is a voltage stabilizing unit 1 forms. The circuit shown 100 is tuned so that a dynamic voltage dip at the connection point 8th from the detection unit C1, R5, 12 detected and via the resistor network R1, R2, R3, R4 the operational amplifier 11 is communicated, in response to which this in the masseseitigen connection 9 the capacitor C0 feeds a current that compensates for the voltage dip. In the event of a voltage increase on the high-voltage on-board electrical system, on the other hand, the operational amplifier becomes 11 causes the capacitance C0 across the ground side terminal 9 To withdraw energy. In this way, the control range of the capacitance C0 is dynamically increased according to the invention. An alternative approach, by means of the present invention, allows the use of smaller components to realize the capacitance C0 to achieve the same result.

4 zeigt eine Schaltung als Detailansicht einer Kompensationseinheit 11, wie sie in 3 dargestellt ist. Die dargestellte Schaltung der Kompensationseinheit 11 weist einen Operationsverstärker 16 auf, der über einen ersten Transistor T1 und einen zweiten Transistor T2 mit einer Versorgungsspannung (+UB, –UB) verbunden ist. Sowohl der erste Transistor T1 als auch der zweite Transistor T2 sind mit einem dritten Transistor T3 bzw. einem vierten Transistor T4 als Stromspiegel ausgeführt. Mit anderen Worten sind die jeweiligen Basisanschlüsse der Transistoren miteinander verbunden. Am Ausgang des Operationsverstärkers 16 ist ein Ohmscher Widerstand R0 gegen Masse 10 vorgesehen. Ein Ausgangsstrom des Operationsverstärkers 16 führt somit zu einem Spannungsabfall am Widerstand R0. Diese Spannung erhält ein Komparator 17 an einem Eingang und vergleicht diese mit einer Dreieckssignalspannung eines Funktionsgenerators 18. Das Ausgangssignal des Komparators 17 steuert einen fünften Transistor T5 und einen sechsten Transistor T6 an, über welche eine Induktivität L zusätzlich in den Ausgang 9 der Kompensationseinheit 11 einspeist. Auf diese Weise ergibt sich das Ausgangssignal am Ausgang 9 der Kompensationseinheit 11 als Überlagerung eines analogen Verstärkers, dessen Ausgangssignal (zumindest teilweise) durch einen digitalen Verstärker ergänzt bzw. unterstützt wird. 4 shows a circuit as a detailed view of a compensation unit 11 as they are in 3 is shown. The illustrated circuit of the compensation unit 11 has an operational amplifier 16 on, which is connected via a first transistor T1 and a second transistor T2 to a supply voltage (+ UB, -UB). Both the first transistor T1 and the second transistor T2 are designed with a third transistor T3 and a fourth transistor T4 as a current mirror. In other words, the respective base terminals of the transistors are connected together. At the output of the operational amplifier 16 is an ohmic resistance R0 to ground 10 intended. An output current of the operational amplifier 16 thus leads to a voltage drop across the resistor R0. This voltage receives a comparator 17 at an input and compares this with a triangular signal voltage of a function generator 18 , The output signal of the comparator 17 controls a fifth transistor T5 and a sixth transistor T6, via which an inductance L in addition to the output 9 the compensation unit 11 feeds. This results in the output signal at the output 9 the compensation unit 11 as a superimposition of an analog amplifier whose output signal is (at least partially) supplemented or supported by a digital amplifier.

5 zeigt eine Schaltung einer Kompensationseinheit 11, wie sie alternativ für eine erfindungsgemäße Schaltung gemäß 3 Verwendung finden könnte. Dabei wird der Operationsverstärker 16 über die digitale Ausgangsstufe (z.B. Class-D-Verstärker) mit elektrischer Energie versorgt, welche durch einen ersten Kondensator C1 und einen zweiten Kondensator C2 zwischengespeichert wird. Dabei ist der erste Kondensator C1 zwischen der elektrischen Masse 10 und einem positiven Versorgungsspannungsanschluss des Operationsverstärkers 16 angeordnet. Der Kondensator C2 ist zwischen der elektrischen Masse 10 und einem negativen Versorgungsspannungsanschluss des Operationsverstärkers 16 angeordnet. Die positive Versorgungsspannung und die negative Versorgungsspannung sind weiter durch eine dritte Induktivität L3, in Reihe geschaltet mit einem dritten Schalter S3, miteinander verbunden. Zwischen der elektrischen Masse 10 und dem positiven Versorgungsspannungsanschluss des Operationsverstärkers 16 ist weiter eine Reihenschaltung aus einer ersten Induktivität L1 und einer ersten Diode D1 (in Flussrichtung zum positiven Spannungsanschluss des Operationsverstärkers 16) vorgesehen. Zwischen der elektrischen Masse 10 und dem negativen Versorgungsspannungsanschluss des Operationsverstärkers 16 ist weiter eine Reihenschaltung aus einer zweiten Induktivität L2 und eine (in Sperrrichtung zum negativen Spannungsanschluss des Operationsverstärkers 16 orientierte) zweite Diode D2 vorgesehen. Durch den aus den Elementen erste Diode D1, erste Induktivität L1, zweite Diode D2, zweite Induktivität L2, dritte Induktivität L3 und dritter Schalter S3 bestehenden symmetrisierenden DC/DC-Wandler wird die mit dem Class-D-Verstärker in die Kondensatoren C1 und C2 der Schaltung zugeführte Energie gleichmäßig auf die Kondensatoren C1 und C2 verteilt. Für den Fall eines Stromes, der in den Verstärkerausgang hineinfließt, würde ohne diesen Wandler der Kondensator C2 entladen und der Kondensator C1 geladen werden. Anstelle des dargestellten Wandlers in Flyback-Technologie können auch andere DC/DC-Wandler-Topologien verwendet werden. 5 shows a circuit of a compensation unit 11 , as an alternative for a circuit according to the invention according to 3 Could be used. This is the operational amplifier 16 supplied via the digital output stage (eg class D amplifier) with electrical energy, which is buffered by a first capacitor C1 and a second capacitor C2. In this case, the first capacitor C1 is between the electrical ground 10 and a positive supply voltage terminal of the operational amplifier 16 arranged. The capacitor C2 is between the electrical ground 10 and a negative supply voltage terminal of the operational amplifier 16 arranged. The positive supply voltage and the negative supply voltage are further connected by a third inductor L3, connected in series with a third switch S3. Between the electrical ground 10 and the positive supply voltage terminal of the operational amplifier 16 is further a series circuit of a first inductance L1 and a first diode D1 (in the flow direction to the positive voltage terminal of the operational amplifier 16 ) intended. Between the electrical ground 10 and the negative supply voltage terminal of the operational amplifier 16 is further a series circuit of a second inductance L2 and a (in the reverse direction to the negative voltage terminal of the operational amplifier 16 oriented) second diode D2 provided. The balancing DC / DC converter comprising the first diode D1, the first inductor L1, the second diode D2, the second inductor L2, the third inductor L3 and the third switch S3 is connected to the class D amplifier in the capacitors C1 and C2 the energy supplied to the circuit evenly distributed to the capacitors C1 and C2. In the case of a current flowing into the amplifier output, without this converter the capacitor C2 would be discharged and the capacitor C1 would be charged. Instead of the illustrated flyback technology converter, other DC / DC converter topologies may be used.

6 zeigt ein Flussdiagramm veranschaulichend Schritte eines Verfahrens gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Das Verfahren dient der verbesserten Nutzung einer Kapazität in einem Zwischenkreis und kann bevorzugt in einem Zwischenkreis für ein automobiles Energiebordnetz eingesetzt werden. Der Zwischenkreis umfasst dabei einen hochvoltseitigen Anschluss und einen masseseitigen Anschluss zum Anschließen einer Kapazität, zur Dämpfung von Spannungsripple. In Schritt S100 wird eine Änderung einer elektrischen Spannung in dem Zwischenkreis erfasst. In Schritt S200 wird das erfasste Signal gefiltert. In Schritt S300 wird die Änderung anschließend zumindest anteilig kompensiert, indem elektrische Energie in den masseseitigen Anschluss einspeist wird, wobei ein aus der Änderung abgeleitetes elektrisches Signal zunächst analog verstärkt und anschließend digital verstärkt wird. 6 FIG. 12 is a flowchart illustratively showing steps of a method according to an embodiment of the present invention. FIG. The method serves to improve the utilization of a capacitance in a DC link and can preferably be used in a DC link for an automotive power plant network. The intermediate circuit comprises a high-voltage side terminal and a ground-side terminal for connecting a capacitor, for damping of voltage ripple. In step S100, a change of an electric voltage in the intermediate circuit is detected. In step S200, the detected signal is filtered. In step S300, the change is then at least partially compensated for by feeding electrical energy into the ground-side terminal, whereby an electrical signal derived from the change is first amplified analogously and then digitally amplified.

Auch wenn die erfindungsgemäßen Aspekte und vorteilhaften Ausführungsformen anhand der in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungsfiguren erläuterten Ausführungsbeispiele beschrieben worden sind, sind für den Fachmann Modifikationen und Kombinationen von Merkmalen der dargestellten Ausführungsbeispiele möglich, ohne den Bereich der vorliegenden Erfindung zu verlassen, deren Schutzbereich durch die beigefügten Ansprüche definiert wird.Although the aspects and advantageous embodiments according to the invention have been described with reference to the embodiments explained in conjunction with the accompanying drawings, modifications and combinations of features of the illustrated embodiments are possible for the skilled person without departing from the scope of the present invention, the scope of which is indicated by the attached Claims is defined.

Claims

Circuit, in particular intermediate circuit for an automotive power-supply network, for the improved utilization of a capacitor (C0) in a DC link comprising: - a high-voltage side connection ( 8th ) and a ground-side connection ( 9 ) for connecting a capacitor (C0), - a detection unit (C1, R5, 12 ) for detecting a change of an electric voltage in a first part of the circuit, and a compensation unit ( 11 ), wherein - the compensation unit ( 11 ) is adapted to compensate for the change at least partially, by electrical energy in the ground-side connection ( 9 ) and wherein the compensation unit ( 11 ) - an analogue amplifier ( 16 ) and - a digital amplifier ( 17 . 18 , T5, T6), wherein an output of the analog amplifier ( 16 ) for providing an input of the digital amplifier ( 17 . 18 , T5, T6) is used.

A circuit according to claim 2, wherein the digital amplifier ( 17 . 18 , T5, T6) is arranged, electrical energy in the ground-side terminal ( 9 ) of the capacity (C0).

A circuit according to any one of the preceding claims, wherein the circuit further comprises a first current mirror (T1, T2) and a second current mirror (T3, T4), wherein a first transistor (T1) of the first current mirror (T1, T2) is arranged a supply current of the analogue amplifier ( 16 ) at a first input of the analog amplifier ( 16 ) to a second transistor (T2) and a third transistor (T3) of the second current mirror (T3, T4) is set up, a supply current of the analog amplifier ( 16 ) at a second input of the analog amplifier ( 16 ) to a fourth transistor (T4).

The circuit of claim 3, wherein the second transistor (T2) and the fourth transistor (T4) are power transistors.

Circuit according to one of the preceding claims, wherein the high-voltage side connection ( 8th ) of the capacitance (C0) between the first part of the circuit and the ground-side terminal (C0) 9 ) of the capacitance (C0) is arranged.

Circuit according to one of the preceding claims, wherein - the detection unit (C1, R5, 12 ) comprises a high pass filter (C1, R5) and / or a microcontroller.

Circuit according to one of the preceding claims, wherein - the compensation unit ( 11 ) further comprises a first storage capacitor (C1), wherein the storage capacitor (C1) is arranged, energy from the intermediate circuit for supplying the compensation unit ( 11 ) save.

Circuit according to one of the preceding claims, wherein - the compensation unit ( 11 ) further a DC / DC converter ( 19 ) and a second storage capacitor (C2) for buffering electrical energy, wherein the DC / DC converter ( 19 ) is adapted to adapt an electrical voltage across the first storage capacitor (C1) and an electrical voltage across the second storage capacitor (C2), wherein the storage capacitors (C1, C2) in particular at the output of the digital amplifier ( 17 . 18 , T5, T6) are arranged.

A circuit according to claim 8, wherein the DC / DC converter ( 19 ) is constructed in flyback topology.

Circuit according to one of the preceding claims, wherein the detection unit (C1, R5, 12 ) or the compensation unit ( 11 ) comprises an inverter.

Method for the improved utilization of a capacitance (C0) in a DC link, in particular an intermediate circuit for an automotive power supply system, the DC link comprising: - a high-voltage side terminal (C0) 8th ) and a ground-side connection ( 9 ) for connecting a capacitance (C0), the method comprising the steps of: detecting (S100) a change in an electrical voltage in the intermediate circuit, and - at least partially compensating (S200) the change by injecting electrical energy into the ground-side terminal (C0) 9 ) is fed, wherein an electrical signal derived from the change is first amplified analog and then digitally amplified.