DE102014217908A1 - Circuit arrangement for charging a DC link capacitor and method for operating a circuit arrangement for charging a DC link capacitor - Google Patents

Circuit arrangement for charging a DC link capacitor and method for operating a circuit arrangement for charging a DC link capacitor Download PDF

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung (20) zum Aufladen eines Zwischenkreiskondensators (16, 17), umfassend eine Hauptbatterie (1), welche mittels eines ersten Hauptschalters (2a) und eines zweiten Hauptschalters (2b) elektrisch mit dem Zwischenkreiskondensator (16, 17) verbindbar ist, und eine Vorladeschaltung (3) zum Aufladen des Zwischenkreiskondensators (16, 17), welche ein ansteuerbares Schaltelement aufweist. Die Vorladeschaltung (3) umfasst dabei einen Transformator mit einem Primärkreis und einem Sekundärkreis, wobei das ansteuerbare Schaltelement in dem Primärkreis angeordnet ist. Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zum Betrieb einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung (20).The invention relates to a circuit arrangement (20) for charging an intermediate circuit capacitor (16, 17), comprising a main battery (1), which by means of a first main switch (2a) and a second main switch (2b) electrically connected to the intermediate circuit capacitor (16, 17) is, and a precharge circuit (3) for charging the link capacitor (16, 17) having a controllable switching element. The precharge circuit (3) comprises a transformer having a primary circuit and a secondary circuit, wherein the controllable switching element is arranged in the primary circuit. The invention also relates to a method for operating a circuit arrangement (20) according to the invention.

Description

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zum Aufladen eines Zwischenkreiskondensators, die eine Hauptbatterie, welche mittels eines ersten Hauptschalters und eines zweiten Hauptschalters elektrisch mit dem Zwischenkreiskondensator verbindbar ist, und eine Vorladeschaltung zum Aufladen des Zwischenkreiskondensators, welche ein ansteuerbares Schaltelement aufweist, umfasst. Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zum Betrieb einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung zum Aufladen eines Zwischenkreiskondensators.The invention relates to a circuit arrangement for charging a DC link capacitor, which is a main battery, which is electrically connectable by means of a first main switch and a second main switch with the DC link capacitor, and a precharge circuit for charging the DC link capacitor, which has a controllable switching element comprises. The invention also relates to a method for operating a circuit arrangement according to the invention for charging a DC link capacitor.

Stand der TechnikState of the art

In der Entwicklung moderner Kraftfahrzeuge spielt eine Reduzierung des Kraftstoffverbrauchs des Kraftfahrzeugs eine immer wichtigere Rolle. Mögliche Maßnahmen, um den Verbrauch eines Kraftfahrzeugs zu senken, sind, den Verbrennungsmotor mit einem elektrischen Antrieb in einem Hybridfahrzeug (HEV) zu kombinieren oder durch einen reinen Elektroantrieb zu ersetzen. Der elektrische Antrieb in Hybridfahrzeugen umfasst üblicherweise einen Elektromotor, welcher auch als Generator betrieben werden kann, einen Energiespeicher, aus welchem der Elektroantrieb versorgt wird, und eine Steuerelektronik.In the development of modern motor vehicles, a reduction of the fuel consumption of the motor vehicle plays an increasingly important role. Possible measures to reduce the consumption of a motor vehicle are to combine the internal combustion engine with an electric drive in a hybrid vehicle (HEV) or replace it with a pure electric drive. The electric drive in hybrid vehicles usually comprises an electric motor, which can also be operated as a generator, an energy store, from which the electric drive is supplied, and control electronics.

Plug-In-Hybridfahrzeuge (PHEV) bieten darüber hinaus die Möglichkeit, den Energiespeicher über eine externe Energiequelle zu laden. Dabei kann die externe Energiequelle beispielsweise eine Ladestation sein, welche über das öffentliche Stromversorgungsnetz gespeist wird.In addition, plug-in hybrid vehicles (PHEVs) offer the option of charging the energy storage via an external energy source. In this case, the external energy source may for example be a charging station, which is fed via the public power supply network.

Reine Elektrofahrzeuge (EV) verfügen, im Gegensatz zu Hybridfahrzeugen, nicht über einen Verbrennungsmotor, welcher das Kraftfahrzeug antreiben kann, sondern ausschließlich über einen Elektroantrieb. Daher ist bei reinen Elektrofahrzeugen eine Aufladung der Energiespeicher über eine externe Energiequelle notwendig.Pure electric vehicles (EV) have, in contrast to hybrid vehicles, not an internal combustion engine, which can drive the motor vehicle, but only via an electric drive. Therefore, in pure electric vehicles charging the energy storage via an external power source is necessary.

Der Energiespeicher ist heute üblicherweise als Hochvoltbatterie ausgebildet, welche eine Gleichspannung liefert. Die Hochvoltbatterie ist mit einem Wechselrichter, der auch als Inverter bezeichnet wird, verbunden. Der Inverter erzeugt eine Wechselspannung zum Antrieb des Elektromotors. Die Verbindung zwischen der Hochvoltbatterie und dem Inverter wird auch als Gleichspannungszwischenkreis bezeichnet. An den besagten Gleichspannungszwischenkreis können weitere Komponenten angeschlossen sein, beispielsweise ein DC/DC-Wandler zum Laden einer Niedervoltbatterie, ein Klimakompressor oder ein Ladegerät.The energy storage is usually designed today as a high-voltage battery, which supplies a DC voltage. The high-voltage battery is connected to an inverter, which is also referred to as an inverter. The inverter generates an AC voltage for driving the electric motor. The connection between the high-voltage battery and the inverter is also referred to as DC voltage intermediate circuit. To the said DC voltage intermediate circuit further components may be connected, for example a DC / DC converter for charging a low-voltage battery, an air conditioning compressor or a charger.

Der Inverter sowie der DC/DC-Wandler besitzen eingangsseitig je einen Zwischenkreiskondensator. Beim Abstellen des Fahrzeugs wird die Hochvoltbatterie aus Sicherheitsgründen von dem Zwischenkreis getrennt und die Zwischenkreiskondensatoren werden entladen. Beim Starten des Fahrzeugs müssen die Zwischenkreiskondensatoren zunächst auf eine Spannung, die nahe bei der Ausgangsspannung der Hochvoltbatterie liegt, vorgeladen werden. Andernfalls könnte beim Zuschalten der Hochvoltbatterie auf den Gleichspannungszwischenkreis ein unzulässig hoher Ausgleichsstrom zum Laden der Zwischenkreiskondensatoren fließen.The inverter and the DC / DC converter each have an intermediate circuit capacitor on the input side. When parking the vehicle, the high-voltage battery is disconnected from the DC link for safety reasons and the DC link capacitors are discharged. When starting the vehicle, the DC link capacitors must first be pre-charged to a voltage that is close to the output voltage of the high-voltage battery. Otherwise, when connecting the high-voltage battery to the DC voltage intermediate circuit, an inadmissibly high compensation current could flow to charge the DC link capacitors.

Aus der DE 10 2012 217 A1 ist eine gattungsgemäße Schaltungsanordnung zum Aufladen eines Zwischenkreiskondensators bekannt. Die Schaltungsanordnung umfasst eine Hochvoltbatterie, die mittels zweier Schalter elektrisch mit dem Zwischenkreiskondensator verbindbar ist, und eine Vorladeschaltung zum Aufladen des Zwischenkreiskondensators. Die Vorladeschaltung umfasst dabei ein ansteuerbares Schaltelement. Aus der DE 10 2012 222 928 A1 ist ebenfalls eine gattungsgemäße Schaltungsanordnung zum Aufladen eines Zwischenkreiskondensators bekannt.From the DE 10 2012 217 A1 is a generic circuit arrangement for charging a DC link capacitor known. The circuit arrangement comprises a high-voltage battery, which can be electrically connected to the intermediate circuit capacitor by means of two switches, and a precharging circuit for charging the intermediate circuit capacitor. The precharge circuit comprises a controllable switching element. From the DE 10 2012 222 928 A1 is also a generic circuit arrangement for charging a DC link capacitor known.

Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention

Es wird eine Schaltungsanordnung zum Aufladen eines Zwischenkreiskondensators vorgeschlagen, die eine Hauptbatterie umfasst, welche mittels eines ersten Hauptschalters und eines zweiten Hauptschalters elektrisch mit dem Zwischenkreiskondensator verbindbar, sowie von dem Zwischenkreiskondensator trennbar ist, und die eine Vorladeschaltung zum Aufladen des Zwischenkreiskondensators, welche ein ansteuerbares Schaltelement aufweist, umfasst.It is proposed a circuit arrangement for charging a link capacitor, which comprises a main battery, which is electrically connectable by means of a first main switch and a second main switch with the DC link capacitor, and separable from the DC link capacitor, and a precharge circuit for charging the DC link capacitor, which is a controllable switching element comprises.

Die Hauptbatterie ist vorzugsweise eine Hochvoltbatterie. Die Spannung der Hauptbatterie liegt beispielsweise in einem Bereich zwischen 250 V und 500 V. Aber auch andere Spannungen, beispielsweise zwischen 100 V und 200 V sind üblich.The main battery is preferably a high-voltage battery. The voltage of the main battery is for example in a range between 250 V and 500 V. However, other voltages, for example between 100 V and 200 V are common.

Erfindungsgemäß umfasst die Vorladeschaltung dabei einen Transformator mit einem Primärkreis und einem Sekundärkreis, wobei das ansteuerbare Schaltelement in dem Primärkreis angeordnet ist.According to the invention, the precharging circuit comprises a transformer having a primary circuit and a secondary circuit, wherein the controllable switching element is arranged in the primary circuit.

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist der Primärkreis mittels eines positiven Eingangskontakts und eines negativen Eingangskontakts elektrisch mit der Hauptbatterie verbunden.According to an advantageous embodiment of the invention, the primary circuit is electrically connected to the main battery by means of a positive input contact and a negative input contact.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist der Primärkreis mittels eines positiven Eingangskontakts und eines negativen Eingangskontakts elektrisch mit einer Hilfsbatterie verbunden. Die Hilfsbatterie ist vorzugsweise eine Niedervoltbatterie, die eine Ausgangsspannung von 12 Volt liefert.According to a further advantageous embodiment of the invention, the primary circuit is electrically connected by means of a positive input contact and a negative input contact with an auxiliary battery. The auxiliary battery is preferably one Low-voltage battery, which provides an output voltage of 12 volts.

Vorzugsweise ist das ansteuerbare Schaltelement als elektronischer Schalter ausgeführt, insbesondere als Feldeffekttransistor oder als Bipolartransistor.Preferably, the controllable switching element is designed as an electronic switch, in particular as a field effect transistor or as a bipolar transistor.

Der Sekundärkreis ist dabei mittels eines positiven Ausgangskontakts und eines negativen Ausgangskontakts elektrisch mit dem Zwischenkreiskondensator verbunden.The secondary circuit is electrically connected to the intermediate circuit capacitor by means of a positive output contact and a negative output contact.

Vorteilhaft umfasst der Sekundärkreis einen Gleichrichter zum Laden des Zwischenkreiskondensators.Advantageously, the secondary circuit comprises a rectifier for charging the intermediate circuit capacitor.

Der Gleichrichter ist beispielsweise als Diode ausgeführt, welche in dem Sekundärkreis angeordnet ist. Aber auch andere Ausgestaltungen, beispielsweise als Brückengleichrichter, sind denkbar.The rectifier is designed, for example, as a diode, which is arranged in the secondary circuit. But other configurations, for example as a bridge rectifier, are conceivable.

Vorteilhaft ist ein Batteriemanagementsystem vorgesehen, welches die Hauptschalter und das Schaltelement ansteuert.Advantageously, a battery management system is provided, which controls the main switch and the switching element.

Es wird auch ein Verfahren zum Betrieb einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung vorgeschlagen. Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren wird das Schaltelement mittels eines alternierenden Ansteuersignals angesteuert, und dabei wird eine an dem Zwischenkreiskondensator anliegende Spannung gemessen. Bei Erreichen einer vorgegebenen Spannung, beispielsweise 90% der Spannung der Hauptbatterie, wird die Hauptbatterie mittels des ersten Hauptschalters und des zweiten Hauptschalters elektrisch mit dem Zwischenkreiskondensator verbunden.A method for operating a circuit arrangement according to the invention is also proposed. According to the inventive method, the switching element is driven by means of an alternating drive signal, and thereby a voltage applied to the intermediate circuit capacitor voltage is measured. Upon reaching a predetermined voltage, for example, 90% of the voltage of the main battery, the main battery is electrically connected by means of the first main switch and the second main switch with the DC link capacitor.

Bei Erreichen der vorgegebenen Spannung, beispielsweise 90% der Spannung der Hauptbatterie, wird auch die Ansteuerung des Schaltelements beendet, wobei das Schaltelement geöffnet bleibt und der Primärkreis des Transformators unterbrochen ist.Upon reaching the predetermined voltage, for example, 90% of the voltage of the main battery, the driving of the switching element is terminated, wherein the switching element remains open and the primary circuit of the transformer is interrupted.

Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung sowie das erfindungsgemäße Verfahren finden insbesondere in einem Elektrofahrzeug (EV), in einem Hybridfahrzeug (HEV), oder in einem Plug-In-Hybridfahrzeug (PHEV) Verwendung.The circuit arrangement according to the invention and the method according to the invention are used in particular in an electric vehicle (EV), in a hybrid vehicle (HEV), or in a plug-in hybrid vehicle (PHEV).

Vorteile der ErfindungAdvantages of the invention

Durch das Vorladen des Zwischenkreiskondensators ist ein unzulässig hoher Ausgleichsstrom beim Verbinden der Hochvoltbatterie mit dem Zwischenkreiskondensator verhindert. Insbesondere ist die Gefahr eines Verschweißens der Kontakt der Hauptschalter durch einen zu hohen Einschaltstrom vermindert. Nach dem Öffnen der Hauptschalter ist die Hochvoltbatterie galvanisch von dem Zwischenkreiskondensator getrennt. Die Vorladeschaltung benötigt nur einen verhältnismäßig kleinen Bauraum und ist kostengünstig. Die Vorladeschaltung kann in das Gehäuse der Hauptbatterie integriert werden. Die Ansteuerung des Schaltelements der Vorladeschaltung kann durch das vorhandene Batteriemanagementsystem erfolgen. Die Vorladeschaltung mit elektronischem Schalter ist frei von mechanischem Verschleiß. Die Vorladeschaltung kann sowohl von der als Hochvoltbatterie ausgeführten Hauptbatterie als auch von der als Niedervoltbatterie ausgeführten Hilfsbatterie gespeist werden.Precharging the DC link capacitor prevents an unacceptably high compensation current when connecting the high-voltage battery to the DC link capacitor. In particular, the risk of welding the contact of the main switch is reduced by an excessive inrush current. After opening the main switch, the high-voltage battery is galvanically isolated from the DC link capacitor. The precharge circuit requires only a relatively small space and is inexpensive. The precharge circuit can be integrated into the housing of the main battery. The control of the switching element of the precharge circuit can be done by the existing battery management system. The precharge circuit with electronic switch is free from mechanical wear. The precharge circuit can be powered by both the main battery running as a high voltage battery and the auxiliary battery running as a low voltage battery.

Kurze Beschreibung der ZeichnungenBrief description of the drawings

Ausführungsformen der Erfindung werden anhand der Zeichnungen und der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.Embodiments of the invention will be explained in more detail with reference to the drawings and the description below.

Es zeigen:Show it:

1 eine Schaltungsanordnung zum Aufladen eines Zwischenkreiskondensators gemäß einer ersten Ausführungsform, 1 a circuit arrangement for charging a link capacitor according to a first embodiment,

2 eine Schaltungsanordnung zum Aufladen eines Zwischenkreiskondensators gemäß einer zweiten Ausführungsform, 2 a circuit arrangement for charging a link capacitor according to a second embodiment,

3 eine in eine Schaltungsanordnung nach 1 sowie 2 integrierte Vorladeschaltung und 3 one in a circuit according to 1 such as 2 integrated precharge circuit and

4 ein Flussdiagramm eines Verfahrens zum Betrieb einer Schaltungsanordnung nach 1 sowie 2. 4 a flowchart of a method for operating a circuit arrangement according to 1 such as 2 ,

Ausführungsformen der ErfindungEmbodiments of the invention

Ein nicht dargestelltes Elektrofahrzeug umfasst eine Hauptbatterie 1, welche als Hochvoltbatterie mit einer Nennspannung von vorliegend 480 Volt ausgeführt ist. Aber auch eine andere Nennspannung ist denkbar. Mittels eines ersten Hauptschalters 2a und eines zweiten Hauptschalters 2b ist die Hauptbatterie 1 mit einem Zwischenkreis 30 verbindbar sowie von dem Zwischenkreis 30 trennbar. Die Hauptbatterie 1 ist in einem Gehäuse 4 angeordnet, welches eine positive Anschlussklemme 5a und eine negative Anschlussklemme 5b aufweist. Die Anschlussklemmen 5a, 5b sind in den Zwischenkreis 30 integriert.An unillustrated electric vehicle includes a main battery 1 , which as a high-voltage battery with a rated voltage of present 480 Volt is executed. But also another nominal voltage is conceivable. By means of a first main switch 2a and a second main switch 2 B is the main battery 1 with a DC link 30 connectable as well as from the DC link 30 separable. The main battery 1 is in a housing 4 arranged, which is a positive terminal 5a and a negative terminal 5b having. The terminals 5a . 5b are in the DC link 30 integrated.

Durch Schließen des ersten Hauptschalters 2a wird ein positiver Pol 32a der Hauptbatterie 1 mit der positiven Anschlussklemme 5a verbunden. Durch Schließen des zweiten Hauptschalters 2b wird ein negativer Pol 32b der Hauptbatterie 1 mit der negativen Anschlussklemme 5b verbunden. Die Hauptschalter 2a, 2b sind als elektromechanische Relais ausgeführt. Die Hauptschalter 2a, 2b sind von einem Batteriemanagementsystem 26 ansteuerbar.By closing the first main switch 2a becomes a positive pole 32a the main battery 1 with the positive terminal 5a connected. By closing the second main switch 2 B becomes a negative pole 32b the main battery 1 with the negative terminal 5b connected. The main switch 2a . 2 B are designed as electromechanical relays. The main switch 2a . 2 B are from a battery management system 26 controllable.

An den Zwischenkreis 30 ist auch ein Inverter 6 angeschlossen. Der Inverter 6 liefert eine Wechselspannung zum Antrieb eines Elektromotors. Der Inverter 6 umfasst einen ersten Zwischenkreiskondensator 16, welcher direkt an den Zwischenkreis 30 angeschlossen ist. Ein erster Anschluss des ersten Zwischenkreiskondensators 16 ist elektrisch mit der positiven Anschlussklemme 5a verbunden. Ein zweiter Anschluss des ersten Zwischenkreiskondensators 16 ist elektrisch mit der negativen Anschlussklemme 5b verbunden.To the DC link 30 is also an inverter 6 connected. The inverter 6 provides an AC voltage to drive an electric motor. The inverter 6 includes a first DC link capacitor 16 , which directly to the DC link 30 connected. A first connection of the first DC link capacitor 16 is electric with the positive terminal 5a connected. A second connection of the first DC link capacitor 16 is electrical with the negative terminal 5b connected.

An den Zwischenkreis 30 ist ferner ein DC/DC-Wandler 7 angeschlossen. Der DC/DC-Wandler 7 liefert eine Gleichspannung als Ausgangsspannung zum Laden einer Hilfsbatterie 10, welche als Niedervoltbatterie mit einer Nennspannung von 12 Volt ausgeführt ist. DC/DC-Wandler 7 umfasst einen zweiten Zwischenkreiskondensator 17, welcher direkt an den Zwischenkreis 30 angeschlossen ist. Ein erster Anschluss des zweiten Zwischenkreiskondensators 17 ist elektrisch mit der positiven Anschlussklemme 5a verbunden. Ein zweiter Anschluss des zweiten Zwischenkreiskondensators 17 ist elektrisch mit der negativen Anschlussklemme 5b verbunden.To the DC link 30 is also a DC / DC converter 7 connected. The DC / DC converter 7 supplies a DC voltage as the output voltage for charging an auxiliary battery 10 , which as a low-voltage battery with a rated voltage of 12 Volt is executed. DC / DC converter 7 includes a second DC link capacitor 17 , which directly to the DC link 30 connected. A first connection of the second DC link capacitor 17 is electric with the positive terminal 5a connected. A second connection of the second DC link capacitor 17 is electrical with the negative terminal 5b connected.

In dem Gehäuse 4 der Hauptbatterie 1 ist eine Vorladeschaltung 3 angeordnet, welche zum Vorladen der Zwischenkreiskondensatoren 16, 17 dient. Die Vorladeschaltung 3 weist unter anderem einen positiven Eingangskontakt 8a und einen negativen Eingangskontakt 8b auf.In the case 4 the main battery 1 is a precharge circuit 3 arranged, which for pre-charging the DC link capacitors 16 . 17 serves. The precharge circuit 3 has among other things a positive input contact 8a and a negative input contact 8b on.

Bei der in 1 gezeigten Schaltungsanordnung 20 gemäß einer ersten Ausführungsform sind die Eingangskontakte 8a, 8b der Vorladeschaltung 3 mit der Hauptbatterie 1 verbunden. Dabei ist der positive Eingangskontakt 8a der Vorladeschaltung 3 mit dem positiven Pol 32a der Hauptbatterie 1 verbunden, und der negative Eingangskontakt 8b der Vorladeschaltung 3 ist mit dem negativen Pol 32b der Hauptbatterie 1 verbunden.At the in 1 shown circuit arrangement 20 According to a first embodiment, the input contacts 8a . 8b the precharge circuit 3 with the main battery 1 connected. Here is the positive input contact 8a the precharge circuit 3 with the positive pole 32a the main battery 1 connected, and the negative input contact 8b the precharge circuit 3 is with the negative pole 32b the main battery 1 connected.

Bei der in 2 gezeigten Schaltungsanordnung 20 gemäß einer zweiten Ausführungsform sind die Eingangskontakte 8a, 8b der Vorladeschaltung 3 mit der Hilfsbatterie 10 verbunden. Dabei ist der positive Eingangskontakt 8a der Vorladeschaltung 3 mit einem positiven Pol 34a der Hilfsbatterie 10 verbunden, und der negative Eingangskontakt 8b der Vorladeschaltung 3 ist mit dem negativen Pol 34b der Hilfsbatterie 10 verbunden.At the in 2 shown circuit arrangement 20 According to a second embodiment, the input contacts 8a . 8b the precharge circuit 3 with the auxiliary battery 10 connected. Here is the positive input contact 8a the precharge circuit 3 with a positive pole 34a the auxiliary battery 10 connected, and the negative input contact 8b the precharge circuit 3 is with the negative pole 34b the auxiliary battery 10 connected.

Die Vorladeschaltung 3 weist ferner einen positiven Ausgangskontakt 9a und einen negativen Ausgangskontakt 9b auf. Bei der in 1 gezeigten Schaltungsanordnung 20 gemäß der ersten Ausführungsform und bei der in 2 gezeigten Schaltungsanordnung 20 gemäß der zweiten Ausführungsform sind die Ausgangskontakte 9a, 9b mit dem Zwischenkreis 30 verbunden. Dabei ist der positiven Ausgangskontakt 9a der Vorladeschaltung 3 elektrisch mit der positiven Anschlussklemme 5a verbunden, und der negative Ausgangskontakt 9b der Vorladeschaltung 3 ist elektrisch mit der negativen Anschlussklemme 5b verbunden.The precharge circuit 3 also has a positive output contact 9a and a negative output contact 9b on. At the in 1 shown circuit arrangement 20 according to the first embodiment and in the in 2 shown circuit arrangement 20 According to the second embodiment, the output contacts 9a . 9b with the DC link 30 connected. Here is the positive output contact 9a the precharge circuit 3 electrically with the positive terminal 5a connected, and the negative output contact 9b the precharge circuit 3 is electrical with the negative terminal 5b connected.

Die Vorladeschaltung 3 umfasst einen Transformator 13 mit einer Primärwicklung 27 und mit einer Sekundärwicklung 28. Die Primärwicklung 27 und die Sekundärwicklung 28 sind induktiv miteinander gekoppelt.The precharge circuit 3 includes a transformer 13 with a primary winding 27 and with a secondary winding 28 , The primary winding 27 and the secondary winding 28 are inductively coupled with each other.

Bei der in 1 gezeigten Schaltungsanordnung 20 gemäß der ersten Ausführungsform weist der Transformator 13 ein Übersetzungsverhältnis von 1:1 auf. Das Übersetzungsverhältnis des Transformators 13 kann auch von diesem Zahlenwert abweichen.At the in 1 shown circuit arrangement 20 According to the first embodiment, the transformer 13 a gear ratio of 1: 1. The transmission ratio of the transformer 13 may also differ from this numerical value.

Bei der in 2 gezeigten Schaltungsanordnung 20 gemäß der zweiten Ausführungsform beträgt das Übersetzungsverhältnis des Transformators 13 vorliegend 1:40 und ergibt sich aus dem Verhältnis der Nennspannung der Hilfsbatterie 10 zu der Nennspannung der Hauptbatterie 1. Das Übersetzungsverhältnis des Transformators 13 kann auch von diesem Zahlenwert abweichen.At the in 2 shown circuit arrangement 20 According to the second embodiment, the transmission ratio of the transformer 13 1:40 in the present case and results from the ratio of the rated voltage of the auxiliary battery 10 to the nominal voltage of the main battery 1 , The transmission ratio of the transformer 13 may also differ from this numerical value.

Die Vorladeschaltung 3 umfasst ein Schaltelement 12, welches zusammen mit der Primärwicklung 27 des Transformators 13 und den Eingangskontakten 8a, 8b einen Primärkreis 23 bildet. Das Schaltelement 12 ist dabei als elektronischer Schalter, insbesondere als Transistorschalter, ausgeführt, vorliegend als Feldeffekttransistor.The precharge circuit 3 includes a switching element 12 , which together with the primary winding 27 of the transformer 13 and the input contacts 8a . 8b a primary circuit 23 forms. The switching element 12 is designed as an electronic switch, in particular as a transistor switch, in this case as a field effect transistor.

Das Schaltelement 12 ist von dem Batteriemanagementsystem 26 ansteuerbar. Bei geöffnetem Schaltelement 12 ist der Primärkreis 23 der Vorladeschaltung 3 unterbrochen, und bei geschlossenem Schaltelement 12 ist der Primärkreis 23 der Vorladeschaltung 3 geschlossen.The switching element 12 is from the battery management system 26 controllable. With open switching element 12 is the primary circuit 23 the precharge circuit 3 interrupted, and with closed switching element 12 is the primary circuit 23 the precharge circuit 3 closed.

Die Vorladeschaltung 3 umfasst einen Gleichrichter 14, welcher zusammen mit der Sekundärwicklung 28 des Transformators 13 und den Ausgangskontakten 9a, 9b einen Sekundärkreis 24 bildet. Der Gleichrichter 14 ist dabei als Diode ausgeführt, welche in dem Sekundärkreis 24 angeordnet ist. Aber der Gleichrichter 14 könnte beispielsweise auch als Brückengleichrichter ausgebildet sein. Der Gleichrichter 14 verhindert, dass aus dem Zwischenkreis 30 ein Strom durch den Sekundärkreis 24 der Vorladeschaltung 3 von dem positiven Ausgangskontakt 9a zu dem negativen Ausgangskontakt 9b fließt.The precharge circuit 3 includes a rectifier 14 , which together with the secondary winding 28 of the transformer 13 and the output contacts 9a . 9b a secondary circuit 24 forms. The rectifier 14 is designed as a diode, which in the secondary circuit 24 is arranged. But the rectifier 14 could for example be designed as a bridge rectifier. The rectifier 14 prevents from the DC link 30 a current through the secondary circuit 24 the precharge circuit 3 from the positive output contact 9a to the negative output contact 9b flows.

Zum Vorladen der Zwischenkreiskondensatoren 16, 17 steuert das Batteriemanagementsystem 26 das Schaltelement 12 der Vorladeschaltung 3 mittels eines Ansteuersignals 11 an. Das Ansteuersignal 11 ist dabei ein alternierendes Signal, insbesondere ein Rechtecksignal. For precharging the DC link capacitors 16 . 17 controls the battery management system 26 the switching element 12 the precharge circuit 3 by means of a drive signal 11 at. The drive signal 11 is an alternating signal, in particular a rectangular signal.

Die Frequenz des Ansteuersignals 11 hängt von Aufbau und Eigenschaften des Transformators 13 sowie des Schaltelements 12 ab. Typischerweise liegt die Frequenz des Ansteuersignals 11 in einem Bereich zwischen 10 kHz und 400 kHz. Bei einem rechteckförmigen Ansteuersignal 11 beträgt das Tastverhältnis beispielsweise 50%, aber auch ein davon abweichendes Tastverhältnis ist denkbar. Ebenso ist ein variables Tastverhältnis denkbar. Beispielsweise kann das Tastverhältnis während des Aufladens der Zwischenkreiskondensatoren 16, 17 von 0% bis auf 50% erhöht werden.The frequency of the drive signal 11 depends on structure and characteristics of the transformer 13 and the switching element 12 from. Typically, the frequency of the drive signal is 11 in a range between 10 kHz and 400 kHz. For a rectangular drive signal 11 is the duty cycle, for example, 50%, but also a different duty cycle is conceivable. Likewise, a variable duty cycle is conceivable. For example, the duty cycle during charging of the DC link capacitors 16 . 17 from 0% to 50%.

Der Primärkreis 23 der Vorladeschaltung 3 wird dabei mit der Frequenz des Ansteuersignals 11 geschlossen und unterbrochen. Bei geschlossenem Primärkreis 23 fließt ein Strom von dem positiven Eingangskontakt 8a durch die Primärwicklung 27 zu dem negativen Eingangskontakt 8b der Vorladeschaltung 3. Bei unterbrochenem Primärkreis 23 fließt kein Strom durch den Primärkreis 23 der Vorladeschaltung 3.The primary circuit 23 the precharge circuit 3 is doing with the frequency of the drive signal 11 closed and interrupted. When the primary circuit is closed 23 a current flows from the positive input contact 8a through the primary winding 27 to the negative input contact 8b the precharge circuit 3 , With interrupted primary circuit 23 no current flows through the primary circuit 23 the precharge circuit 3 ,

Bei Ansteuerung des Schaltelements 12 des Primärkreises 23 der Vorladeschaltung 3 mittels eines alternierenden Ansteuersignals 11 fließt somit ein alternierender Strom durch die Primärwicklung 27 des Transformators 13 der Vorladeschaltung 3. Dieser alternierende Strom induziert eine alternierende Spannung in der Sekundärwicklung 28 des Transformators 13 der Vorladeschaltung 3.When driving the switching element 12 of the primary circuit 23 the precharge circuit 3 by means of an alternating drive signal 11 Thus, an alternating current flows through the primary winding 27 of the transformer 13 the precharge circuit 3 , This alternating current induces an alternating voltage in the secondary winding 28 of the transformer 13 the precharge circuit 3 ,

Die in der Sekundärwicklung 28 des Transformators 13 der Vorladeschaltung 3 induzierte alternierende Spannung bewirkt einen Stromfluss durch den Sekundärkreis 24 der Vorladeschaltung 3. Bedingt durch den Gleichrichter 14 fließt dabei ein pulsierender Gleichstrom in den Zwischenkreis 30 der Schaltungsanordnung 20. Dieser pulsierende Gleichstrom lädt die Zwischenkreiskondensatoren 16, 17.The in the secondary winding 28 of the transformer 13 the precharge circuit 3 induced alternating voltage causes a current flow through the secondary circuit 24 the precharge circuit 3 , Due to the rectifier 14 while a pulsating direct current flows into the DC link 30 the circuit arrangement 20 , This pulsating direct current charges the DC link capacitors 16 . 17 ,

In 3 ist ein Flussdiagramm eines Verfahrens zum Betrieb einer Schaltungsanordnung der in 1 gezeigten Schaltungsanordnung 20 gemäß der ersten Ausführungsform sowie der in 2 gezeigten Schaltungsanordnung 20 gemäß der zweiten Ausführungsform, dargestellt. Das Verfahren umfasst dabei insbesondere Schritte zum Vorladen der beiden Zwischenkreiskondensatoren 16, 17.In 3 FIG. 10 is a flowchart of a method of operating a circuit arrangement of FIG 1 shown circuit arrangement 20 according to the first embodiment as well as in 2 shown circuit arrangement 20 according to the second embodiment. In particular, the method comprises steps for precharging the two DC link capacitors 16 . 17 ,

In einem Ausgangszustand 100 ist die Hauptbatterie 1 von dem Zwischenkreis 30 getrennt, und die Zwischenkreiskondensatoren 16, 17 sind entladen. In einem ersten Schritt 101 beginnt die Vorladung der Zwischenkreiskondensatoren 16, 17. Dabei wird das Schaltelement 12 der Vorladeschaltung 3 von dem Batteriemanagementsystem 26 mit dem alternierenden Ansteuersignal 11 angesteuert. Dadurch fließt ein Strom durch den Sekundärkreis 24 der Vorladeschaltung 3 in den Zwischenkreis 30 der Schaltungsanordnung 20 und lädt die Zwischenkreiskondensatoren 16, 17.In a starting state 100 is the main battery 1 from the DC link 30 separated, and the DC link capacitors 16 . 17 are unloaded. In a first step 101 the precharging of the DC link capacitors begins 16 . 17 , In this case, the switching element 12 the precharge circuit 3 from the battery management system 26 with the alternating drive signal 11 driven. As a result, a current flows through the secondary circuit 24 the precharge circuit 3 in the DC link 30 the circuit arrangement 20 and loads the DC link capacitors 16 . 17 ,

In einem zweiten Schritt 102, welcher unmittelbar nach dem ersten Schritt 101, oder gleichzeitig mit dem ersten Schritt 101 ausgeführt wird, wird eine an dem Zwischenkreis 30, insbesondere an einem der Zwischenkreiskondensatoren 16, 17, anliegende Spannung gemessen. Die an dem Zwischenkreis 30 gemessene Spannung wird mit einer vorgegebenen Spannung, beispielsweise 90% der Spannung der Hauptbatterie 1, verglichen.In a second step 102 which immediately after the first step 101 , or simultaneously with the first step 101 is executed, one at the DC link 30 , in particular on one of the DC link capacitors 16 . 17 , applied voltage measured. The at the DC link 30 measured voltage is at a predetermined voltage, for example, 90% of the voltage of the main battery 1 , compared.

Solange die an dem Zwischenkreis 30 gemessene Spannung kleiner ist als die vorgegeben Spannung, bleibt die Ansteuerung des Schaltelements 12 der Vorladeschaltung 3 mit dem alternierenden Ansteuersignal 11 von dem Batteriemanagementsystem 26 erhalten. Dabei werden die Zwischenkreiskondensatoren 16, 17 weiter geladen.As long as that on the DC link 30 measured voltage is smaller than the predetermined voltage, the drive of the switching element remains 12 the precharge circuit 3 with the alternating drive signal 11 from the battery management system 26 receive. In the process, the DC link capacitors become 16 . 17 Continue to load.

Wenn die an dem Zwischenkreis 30 gemessene Spannung größer oder gleich der vorgegeben Spannung ist, sind die Zwischenkreiskondensatoren 16, 17 ausreichend geladen. Bei ausreichend geladenen Zwischenkreiskondensatoren 16, 17 wird dann in einem dritten Schritt 103 die Hauptbatterie 1 elektrisch mit dem Zwischenkreis 30 verbunden. Dazu werden durch Ansteuerung durch das Batteriemanagementsystem 26 der erste Hauptschalter 2a und der zweite Hauptschalter 2b geschlossen.When the on the DC link 30 measured voltage is greater than or equal to the predetermined voltage, are the DC link capacitors 16 . 17 sufficiently charged. With sufficiently charged DC link capacitors 16 . 17 will be in a third step 103 the main battery 1 electrically with the DC link 30 connected. These are controlled by the battery management system 26 the first main switch 2a and the second main switch 2 B closed.

Anschließend, oder auch gleichzeitig mit dem dritten Schritt 103, wird in einem vierten Schritt 104 die weitere Aufladung der Zwischenkreiskondensatoren 16, 17 beendet. Dabei wird die Ansteuerung des Schaltelements 12 der Vorladeschaltung 3 mittels des Ansteuersignals 11 von dem Batteriemanagementsystem 26 beendet. Das Schaltelement 12 der Vorladeschaltung 3 bleibt dabei geöffnet, und der Primärkreis 23 der Vorladeschaltung 3 ist unterbrochen.Subsequently, or simultaneously with the third step 103 , will be in a fourth step 104 the further charging of the DC link capacitors 16 . 17 completed. In this case, the control of the switching element 12 the precharge circuit 3 by means of the drive signal 11 from the battery management system 26 completed. The switching element 12 the precharge circuit 3 remains open, and the primary circuit 23 the precharge circuit 3 is interrupted.

Dadurch ist ein Endzustand 105 erreicht, in welchem die Hauptbatterie 1 mit dem Zwischenkreis 30 verbunden ist, und die Zwischenkreiskondensatoren 16, 17 geladen sind.This is a final state 105 reached, in which the main battery 1 with the DC link 30 is connected, and the DC link capacitors 16 . 17 are loaded.

Die Erfindung ist nicht auf die beschriebenen Ausführungsbeispiele und die darin hervor gehobenen Aspekte beschränkt. Vielmehr ist innerhalb des durch die Ansprüche angegebenen Bereichs eine Vielzahl von Abwandlungen möglich, die im Rahmen des fachmännischen Handelns liegen.The invention is not limited to the described embodiments and the aspects highlighted therein. Rather, it is within the scope of the claims a variety of modifications possible, which are within the scope of professional action.

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

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  • DE 102012222928 A1 [0007] DE 102012222928 A1 [0007]

Claims (10)

Schaltungsanordnung (20) zum Aufladen eines Zwischenkreiskondensators (16, 17), umfassend eine Hauptbatterie (1), welche mittels eines ersten Hauptschalters (2a) und eines zweiten Hauptschalters (2b) elektrisch mit dem Zwischenkreiskondensator (16, 17) verbindbar ist, und eine Vorladeschaltung (3) zum Aufladen des Zwischenkreiskondensators (16, 17), welche ein ansteuerbares Schaltelement (12) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorladeschaltung (3) einen Transformator (13) mit einem Primärkreis (23) und einem Sekundärkreis (24) umfasst, wobei das ansteuerbare Schaltelement (12) in dem Primärkreis (23) angeordnet ist.Circuit arrangement ( 20 ) for charging a DC link capacitor ( 16 . 17 ), comprising a main battery ( 1 ), which by means of a first main switch ( 2a ) and a second main switch ( 2 B ) electrically connected to the DC link capacitor ( 16 . 17 ) is connectable, and a Vorladeschaltung ( 3 ) for charging the DC link capacitor ( 16 . 17 ), which a controllable switching element ( 12 ), characterized in that the precharge circuit ( 3 ) a transformer ( 13 ) with a primary circuit ( 23 ) and a secondary circuit ( 24 ), wherein the controllable switching element ( 12 ) in the primary circuit ( 23 ) is arranged. Schaltungsanordnung (20) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Primärkreis (23) mittels eines positiven Eingangskontakts (8a) und eines negativen Eingangskontakts (8b) mit der Hauptbatterie (1) verbunden ist.Circuit arrangement ( 20 ) according to claim 1, characterized in that the primary circuit ( 23 ) by means of a positive input contact ( 8a ) and a negative input contact ( 8b ) with the main battery ( 1 ) connected is. Schaltungsanordnung (20) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Primärkreis (23) mittels eines positiven Eingangskontakts (8a) und eines negativen Eingangskontakts (8b) mit einer Hilfsbatterie (10) verbunden ist.Circuit arrangement ( 20 ) According to claim 1, characterized in that the primary circuit ( 23 ) by means of a positive input contact ( 8a ) and a negative input contact ( 8b ) with an auxiliary battery ( 10 ) connected is. Schaltungsanordnung (20) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das ansteuerbare Schaltelement (12) als elektronischer Schalter ausgeführt ist.Circuit arrangement ( 20 ) according to one of the preceding claims, characterized in that the controllable switching element ( 12 ) is designed as an electronic switch. Schaltungsanordnung (20) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Sekundärkreis (24) mittels eines positiven Ausgangskontakts (9a) und eines negativen Ausgangskontakts (9b) mit dem Zwischenkreiskondensator (16, 17) verbunden ist.Circuit arrangement ( 20 ) according to one of the preceding claims, characterized in that the secondary circuit ( 24 ) by means of a positive output contact ( 9a ) and a negative output contact ( 9b ) with the DC link capacitor ( 16 . 17 ) connected is. Schaltungsanordnung (20) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Sekundärkreis (24) einen Gleichrichter (14) umfasst.Circuit arrangement ( 20 ) according to one of the preceding claims, characterized in that the secondary circuit ( 24 ) a rectifier ( 14 ). Schaltungsanordnung (20) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Gleichrichter (14) als Diode ausgeführt ist, welche in dem Sekundärkreis (24) angeordnet ist.Circuit arrangement ( 20 ) according to claim 6, characterized in that the rectifier ( 14 ) is designed as a diode, which in the secondary circuit ( 24 ) is arranged. Schaltungsanordnung (20) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Batteriemanagementsystem (26) vorgesehen ist, welches die Hauptschalter (2a, 2b) und das Schaltelement (12) ansteuert.Circuit arrangement ( 20 ) according to one of the preceding claims, characterized in that a battery management system ( 26 ) is provided, which the main switch ( 2a . 2 B ) and the switching element ( 12 ). Verfahren zum Betrieb einer Schaltungsanordnung (20) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Schaltelement (12) mittels eines alternierenden Ansteuersignals (11) angesteuert wird, und eine an dem Zwischenkreiskondensator (16, 17) anliegende Spannung gemessen wird, und bei Erreichen einer vorgegebenen Spannung die Hauptbatterie (1) mittels des ersten Hauptschalters (2a) und des zweiten Hauptschalters (2b) elektrisch mit dem Zwischenkreiskondensator (16, 17) verbunden wird.Method for operating a circuit arrangement ( 20 ) according to one of the preceding claims, wherein the switching element ( 12 ) by means of an alternating drive signal ( 11 ), and one on the DC link capacitor ( 16 . 17 ) voltage is measured, and upon reaching a predetermined voltage, the main battery ( 1 ) by means of the first main switch ( 2a ) and the second main switch ( 2 B ) electrically connected to the DC link capacitor ( 16 . 17 ) is connected. Verwendung der Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 8 und/oder des Verfahrens nach Anspruch 9 in einem Elektrofahrzeug (EV), in einem Hybridfahrzeug (HEV), oder in einem Plug-In-Hybridfahrzeug (PHEV).Use of the circuit arrangement according to one of claims 1 to 8 and / or the method according to claim 9 in an electric vehicle (EV), in a hybrid vehicle (HEV), or in a plug-in hybrid vehicle (PHEV).
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