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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung für ein Kraftfahrzeug mit einem Energiespeicher, einem Zwischenkreis einschließlich eines Zwischenkreiskondensators und einer Vorladeschaltung zum Vorladen des Zwischenkreiskondensators mit Ladung aus dem Energiespeicher, wobei die Vorladeschaltung einen Transformator aufweist, dessen Primärspule in Serie mit einem Schaltelement geschaltet ist. In Elektrofahrzeugen sowie in Hybridfahrzeugen werden in der Regel Hochvoltbatterien als Energiespeicher für den Antrieb eingesetzt. Derartige Hochvoltbatterien stellen Spannungen von üblicherweise mehr als 100 V zur Verfügung.
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Die Schaltungsanordnung, in die die Hochvoltbatterie und ein Antriebsaggregat des Fahrzeugs und gegebenenfalls weitere Verbraucher eingebettet sind, verfügt über einen üblichen Zwischenkreis. Dieser Zwischenkreis besitzt typischerweise einen Zwischenkreiskondensator, der Ladung bzw. Energie puffert. Der Zwischenkreis bzw. der Zwischenkreiskondensator wird über ein oder mehrere Schaltelemente an die Hochvoltbatterie geschaltet. Dabei können hohe Ströme fließen, wenn der Zwischenkreiskondensator nicht geladen ist. In Folge dessen werden meist sogenannte Vorladeeinheiten vorgesehen, um den Zwischenkreiskondensator in geeigneter Weise aufzuladen. Eine solche Vorladeeinheit kann beispielsweise einen Widerstand und ein Schaltelement besitzen.
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Weist der Zwischenkreis einen Defekt, beispielsweise einen Kurzschluss auf, so kann die Vorladeeinheit, insbesondere der Vorladewiderstand, aufgrund des zu hohen Stroms beschädigt oder zerstört werden. Ein Fehler wird daher immer erst detektiert, wenn also das HV-Potenzial der Batterie über mindestens ein HV-Schaltelement und den Vorladeschalter auf den Zwischenkreis gegeben wird und das BMS (Batteriemanagementsystem) erkennt, dass das zu erfüllende Vorladekriterium nicht erreicht wird. Ein solches Kriterium kann z. B. lauten, dass die Linkspannung (Spannung am Zwischenkreiskondensator) zu 95% der Packspannung (Spannung an dem HV-Batteriepack) innerhalb einer definierten Zeit entspricht.
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Dadurch dass ein solcher Vorladevorgang häufig nicht galvanisch getrennt erfolgt, wird ein Defekt im Zwischenkreis immer erst detektiert, wenn die Batterie in das defekte System hereingeschaltet wird. Es sind jedoch bereits auch Vorladeschaltungen mit galvanischer Trennung bekannt.
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So offenbart die Druckschrift
DE 10 2014 217 908 A1 eine Schaltungsanordnung zum Aufladen eines Zwischenkreiskondensators, umfassend eine Hauptbatterie, welche mittels eines ersten Hauptschalter und eines zweiten Hauptschalter elektrisch mit dem Zwischenkreiskondensator verbindbar ist, und eine Vorladeschaltung zum Aufladen des Zwischenkreiskondensators, welche ein ansteuerbares Schaltelement aufweist. Die Vorladeschaltung umfasst dabei einen Transformator mit einem Primärkreis und einem Sekundärkreis, wobei das ansteuerbare Schaltelement in dem Primärkreis angeordnet ist. Solange die an dem Zwischenkreis gemessene Spannung kleiner ist als eine vorgegebene Spannung, bleibt die Ansteuerung des Schaltelements der Vorladeschaltung mit einem alternierenden Ansteuersignal von einem Batteriemanagementsystem erhalten. Dabei werden die Zwischenkreiskondensatoren weiter geladen. Wenn die an dem Zwischenkreis gemessene Spannung größer oder gleich der vorgegebenen Spannung ist, sind die Zwischenkreiskondensatoren ausreichend geladen. Bei ausreichend geladenen Zwischenkreiskondensatoren wird dann in einem weiteren Schritt die Hauptbatterie elektrisch mit dem Zwischenkreis verbunden.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, das Laden eines Zwischenkreiskondensators sicherer zu gestalten.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gelöst durch eine Schaltungsanordnung nach Anspruch 1. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Entsprechend der vorliegenden Erfindung wird demnach eine Schaltungsanordnung für ein Kraftfahrzeug mit einem Energiespeicher, einem Zwischenkreis einschließlich eines Zwischenkreiskondensators und einer Vorladeschaltung zum Vorladen des Zwischenkreises mit Ladung aus dem Energiespeicher bereitgestellt. Die Vorladeschaltung weist einen Transformator auf, dessen Primärspule in Serie mit einem Schaltelement geschaltet ist. Eine Diode ist zum Schutz des Schaltelements parallel zu der Primärspule geschaltet.
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In vorteilhafter Weise ist also gemäß der vorliegenden Erfindung parallel an die Primärspule eine Freilaufdiode geschaltet. Wenn also beispielsweise das in Serie mit der Primärspule verbundene Schaltelement bei Stromfluss geöffnet wird, kann der Strom über die Freilaufdiode weiterfließen, ohne dass Gefahr besteht, dass das Schaltelement beschädigt wird.
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Vorzugsweise handelt es sich bei dem Energiespeicher um eine Hochvoltbatterie. Prinzipiell können aber auch andere Batterien von der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung profitieren.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung ist eine Serienschaltung aus einer Sekundärspule des Transformators und einer zweiten Diode parallel zu dem Zwischenkreiskondensator geschaltet. Eine solche Sperrdiode auf der Sekundärseite soll bewirken, dass der Zwischenkreiskondensator in gewünschter Weise geladen wird.
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Darüber hinaus kann die Schaltungsanordnung eine Steuerschaltung aufweisen, mit der das Schaltelement mit einer wählbaren Taktfrequenz betreibbar ist. Durch eine solche Variabilität der Taktfrequenz kann die Geschwindigkeit des Aufladens des Zwischenkreiskondensators entsprechend variiert werden.
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Darüber hinaus kann vorgesehen sein, dass die Schaltungsanordnung eine Spannungsmesseinrichtung aufweist, mit der je eine Spannung an dem Zwischenkreiskondensator und/oder dem Energiespeicher messbar ist, wobei das Schaltelement von der Steuerschaltung offengehalten wird, wenn die Spannung an dem Zwischenkreiskondensator größer oder gleich der Spannung an dem Energiespeicher ist. Hierdurch kann gewährleistet werden, dass die Vorladeschaltung nur solange an dem Energiespeicher bzw. dem Zwischenkreiskondensator hängt, wie das Laden des Zwischenkreiskondensators tatsächlich erfolgt.
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Die vorliegende Erfindung wird anhand der beigefügten Zeichnung näher erläutert, die ein Schaltbild einer erfindungsgemäßen Schaltanordnung zeigt.
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Die nachfolgend näher geschilderten Ausführungsbeispiele stellen bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung dar. Dabei ist zu beachten, dass die einzelnen Merkmale nicht nur in den geschilderten Merkmalskombinationen, sondern auch in Alleinstellung oder in anderen technisch sinnvollen Kombinationen realisiert werden können.
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Die Fig. zeigt ein Schaltbild einer exemplarischen Batterie mit Vorladeeinheit und angeschlossenem Zwischenkreis. Eine derartige Schaltungsanordnung kann in einem Kraftfahrzeug zu dessen Antrieb eingesetzt werden.
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Ein Energiespeicher 1 wird beispielsweise durch einen Stapel von einzelnen Zellen realisiert. Beispielsweise kann eine Hochvoltbatterie so aufgebaut sein. Im Folgenden wird stellvertretend für jeden anderen Energiespeicher von einer Hochvoltbatterie 1 gesprochen.
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Der Pluspol der Hochvoltbatterie 1 ist mit einem HV-Plus-Pfad 2 verbunden. Demgegenüber ist der Minuspol der Hochvoltbatterie 1 mit einem HV-Minus-Pfad 3 verbunden. An der Hochvoltbatterie 1, d. h. zwischen ihrem Pluspol und ihrem Minuspol fällt eine Spannung ab, die vorliegend als Packspannung 4 bezeichnet wird. In dem HV-Plus-Pfad 2 befindet sich ein erstes Schaltelement 7, z. B. ein Schütz. Er trennt die Batterieseite des HV-Plus-Pfads 2 von der Zwischenkreisseite. Darüber hinaus befindet sich in dem HV-Minus-Pfad 3 ein zweites Schaltelement 8, welches auch hier die Batterieseite des HV-Minus-Pfads von der Zwischenkreisseite trennt.
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Ein Zwischenkreiskondensator 6 ist zwischen die Zwischenkreisseite des HV-Plus-Pfads 2 und die Zwischenkreisseite des HV-Minus-Pfads 3 geschaltet. Über den Zwischenkreiskondensator 6 fällt eine Spannung ab, die vorliegend auch als Linkspannung 5 bezeichnet wird.
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Eine Vorladeeinheit mit einem Transformator 11 dient zum Vorladen des Zwischenkreiskondensators 6 bevor die Schaltelemente 7 und 8 eingeschaltet werden. Die Vorladeeinheit besitzt zum einen ein Vorladeschaltelement 9, welches bevorzugt durch einen Halbleiterschalter, beispielsweise einen MOSFET, realisiert wird, um eine hohe Schaltfrequenz erzielen zu können. Zusätzlich besitzt die Vorladeeinheit einen Transformator 11, eine Freilaufdiode 10 zum Schutz des Vorladeschaltelements 9 auf der Primärseite und eine Sperrdiode 12 auf der Sekundärseite. Dabei verbindet eine Serienschaltung aus dem Vorladeschaltelement 9 und einer Primärspule des Transformators 11 die Batterieseite des HV-Plus-Pfads 2 mit der Batterieseite des HV-Minus-Pfads 3. Parallel zu der Primärspule liegt die Freilaufdiode 10, wobei deren Kathode zum HV-Plus-Pfad 2 gerichtet ist.
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Eine Serienschaltung aus der Sperrdiode 12 und einer Sekundärspule des Transformators 11 verbindet die Zwischenkreisseite des HV-Plus-Pfads 2 mit der Zwischenkreisseite des HV-Minus-Pfads 3.
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Im Folgenden wird der Vorladevorgang im Detail beschrieben. Durch Taktung des Vorladeschaltelements 9 wird in der Primärspule des Transformators 11 eine Spannung induziert, die einen Strom, den Vorladestrom, auf der Sekundärseite zur Folge hat. Der Vorladestrom fließt durch die Sperrdiode 12 und lädt anschließend die Zwischenkreiskapazität 6. Sobald die Linkspannung 5 der Packspannung 4 entspricht, bleibt das Vorladeschaltelement 9 geöffnet. Aufgrund der Sperrdiode bleibt die Zwischenkreiskapazität 6 geladen. Der Zwischenkreis wurde also galvanisch vollständig getrennt aufgeladen.
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Durch eine Spannungsmessung der Linkseite (Linkspannung 5) kann dabei vom BMS frühzeitig erkannt werden, ob ein Defekt, z. B. ein Kurzschluss, vorliegt. In einem solchen Fall würde der gemessene Spannungsanstieg nicht dem erwarteten Spannungsanstieg entsprechen. Ist dies der Fall, kann die Vorladung sofort gestoppt werden, indem das Vorladeschaltelement 9 geöffnet wird bzw. geöffnet bleibt. Dadurch wurde kein HV-Potenzial, also weder die Batterieseite des HV-Plus-Pfads 2 noch die Batterieseite des HV-Minus-Pfads 3, an den Zwischenkreis geschaltet, was vorteilhaft für die HV-Sicherheit ist.
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Konnte die Vorladung wie erwartet durchgeführt werden, dann können anschließend die beiden HV-Schaltelemente 7 und 8 geschlossen werden. Dadurch, dass die Packspannung 4 und die Linkspannung 5 nun angeglichen sind, können die HV-Schaltelemente lastfrei zuschalten. Die Batterie 1 ist nun vollständig betriebsbereit.
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Ein weiterer Vorteil der Schaltungsanordnung gemäß der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass durch geeignete Auswahl der Taktfrequenz des Vorladeschaltelements 9 die Geschwindigkeit der Vorladung flexibel eingestellt werden kann. Zusätzlich ist es möglich, die Packspannung 4 und die Linkspannung 5 sehr genau anzugleichen.
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Bei einer Vorladung, die durch einen Vorladewiderstand erfolgt, erfolgt der Anstieg der Linkspannung 5 gemäß einem RC-Glied, d. h. die Spannungen sind erst nach ca. dem Vierfachen der Zeitkonstante ausreichend angeglichen. Die Vorladung mit Hilfe des Transformators ist von dieser Gesetzmäßigkeit entkoppelt, sodass die Linkspannung 5 entsprechend der eingestellten Taktfrequenz auch schneller an die Packspannung angeglichen werden kann.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Hochvoltbatterie
- 2
- HV-Plus-Pfad
- 3
- HV-Minus-Pfad
- 4
- Packspannung
- 5
- Linkspannung
- 6
- Zwischenkreiskondensator
- 7
- Schaltelement
- 8
- Schaltelement
- 9
- Vorladeschaltelement
- 10
- Freilaufdiode
- 11
- Transformator
- 12
- Sperrdiode
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102014217908 A1 [0005]
