DE102016010844A1

DE102016010844A1 - Vorladen einer Zwischenkreiskapazität

Info

Publication number: DE102016010844A1
Application number: DE102016010844.4A
Authority: DE
Inventors: Steffen Zawierucha; Marcus Zacher; Hannes Walz
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2016-09-08
Filing date: 2016-09-08
Publication date: 2017-03-30

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Vorladeschaltung (11), bei dem eine Zwischenkreiskapazität (8) eines Gleichspannungszwischenkreises (12) eines elektrisch antreibbaren Kraftfahrzeugs mit elektrischer Energie aus einer elektrischen Gleichspannungsquelle (1) des elektrisch antreibbaren Kraftfahrzeugs über die Vorladeschaltung (11) vorgeladen wird, wobei eine steuerbare Schalteinheit (15) der Vorladeschaltung (11) zum elektrischen Koppeln der elektrischen Gleichspannungsquelle (1) mit dem Gleichspannungszwischenkreis (12) mittels einer Steuereinheit (16) gesteuert wird, wobei wenigstens zwei elektrische Kondensatoren (14) der Schalteinheit (15) mittels einem quellenseitigen Hauptschaltelement (9, 10) und einem zwischenkreisseitigen Hauptschaltelement (5, 6) abwechselnd mit der Gleichspannungsquelle (1) oder mit dem Gleichspannungszwischenkreis (12) elektrisch gekoppelt werden, wobei die wenigstens zwei elektrischen Kondensatoren (14) mittels eines Schaltwerks (13) der Schalteinheit (15) abhängig von jeweiligen Schaltzuständen von einer Mehrzahl von mit den Kondensatoren verbundenen, steuerbaren Koppelschaltelementen (S1 bis S15) des Schaltwerks (13) in Reihe geschaltet oder parallelgeschaltet werden.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorladeschaltung zum Vorladen einer Zwischenkreiskapazität eines Gleichspannungszwischenkreises eines elektrisch antreibbaren Kraftfahrzeugs mit elektrischer Energie aus einer elektrischen Gleichspannungsquelle des elektrisch antreibbaren Kraftfahrzeugs, wobei die Vorladeschaltung eine steuerbare Schalteinheit zum elektrischen Koppeln der elektrischen Gleichspannungsquelle mit dem Gleichspannungszwischenkreis und eine Steuereinheit zum Steuern der Schalteinheit aufweist. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Betreiben einer Vorladeschaltung, bei dem eine Zwischenkreiskapazität eines Gleichspannungszwischenkreises eines elektrisch antreibbaren Kraftfahrzeugs mit elektrischer Energie aus einer elektrischen Gleichspannungsquelle des elektrisch antreibbaren Kraftfahrzeugs über die Vorladeschaltung vorgeladen wird, wobei eine steuerbare Schalteinheit der Vorladeschaltung zum elektrischen Koppeln der elektrischen Gleichspannungsquelle mit dem Gleichspannungszwischenkreis mittels einer Steuereinheit gesteuert wird.
Gattungsgemäße Vorladeschaltungen und Verfahren zu deren Betrieb sind im Stand der Technik umfänglich bekannt, so beispielsweise aus der DE 10 2012 017 679 A1 , die eine Vorladeeinrichtung und ein Verfahren zum Koppeln einer Hochvoltbatterie mit einem Fahrzeugnetz offenbart. Das Fahrzeugnetz weist einen ersten Kondensator auf. Ein erster Pol der Hochvoltbatterie wird mit dem ersten Kondensator durch Schließen eines ersten Schützes gekoppelt. Ein zweiter Pol der Hochvoltbatterie wird mit dem Kondensator durch Schließen eines als Relais ausgebildeten Schalters der Vorladeeinrichtung gekoppelt, welcher einen Transistor oder MOSFET umfasst. Der erste Kondensator wird durch einen Strom mit einer Stromstärke geladen, die von dem Transistor oder MOSFET in zeitlicher Abhängigkeit von dem Schließen des Relais begrenzt wird. Nach dem Laden des ersten Kondensators erfolgt ein Schließen eines zweiten Schützes parallel zur Vorladeeinrichtung. Der MOSFET wird hier also nach Art eines Vorladewiderstands betrieben.
Häufig enthält eine Hochvoltbatterie zur Vorladung des Gleichspannungszwischenkreises im Kraftfahrzeug die Vorladeschaltung, mittels welcher eine Zwischenkreiskapazität des Gleichspannungszwischenkreises vorgeladen werden kann. Diese Vorladeschaltung kann beispielsweise einen elektrischen Widerstand und ein elektromechanisches Schaltelement aufweisen, wie auch durch die DE 10 2012 017 679 A1 offenbart. Wenn die elektrische Spannung am Gleichspannungszwischenkreis einen vorgegebenen Wert erreicht, können Hauptschaltelemente zugeschaltet werden, mittels denen die Vorladeschaltung deaktiviert wird und die Hochvoltbatterie unmittelbar mit dem Gleichspannungszwischenkreis elektrisch gekoppelt wird.
Der Gleichspannungszwischenkreis dient der Verteilung von elektrischer Energie zwischen an dem Gleichspannungszwischenkreis angeschlossenen elektrischen Einheiten des Kraftfahrzeugs. Solche elektrischen Einheiten können neben einem elektrischen Energiespeicher, beispielsweise der Hochvoltbatterie oder dergleichen, elektrischen Verbrauchern und/oder dergleichen, auch eine elektrische Energiequelle, beispielsweise ein Generator, eine Brennstoffzelle oder dergleichen, sowie insbesondere bei elektrisch antreibbaren Kraftfahrzeugen auch eine elektrische Antriebseinrichtung umfassen, die dem Antrieb des elektrisch antreibbaren Kraftfahrzeugs dient. Darüber hinaus kann eine Reihe weiterer elektrischer Einheiten, beispielsweise eine Beleuchtungseinheit, Scheinwerfer des Kraftfahrzeugs, eine Innenbeleuchtung des Kraftfahrzeugs und/oder dergleichen, aber auch weitere Funktionseinheiten wie ein Autoradio, ein Navigationsgerät, ein elektrisch angetriebener Klimakompressor und/oder dergleichen umfasst sein.
Ein elektrisch antreibbares Kraftfahrzeug ist insbesondere ein Elektrofahrzeug, ein Hybrid-Fahrzeug und/oder dergleichen. Das Kraftfahrzeug ist vorzugsweise ein Kraftwagen, insbesondere ein Personenkraftwagen.
Die Gleichspannungsquelle ist in der Regel durch einen Akkumulator gebildet, der eine oder mehrere galvanische Zellen aufweist, die geeigneter Weise miteinander elektrisch gekoppelt sind, um in vorgegebener Weise an Anschlüssen der Gleichspannungsquelle angeschlossen zu werden. Die Gleichspannungsquelle ist über diese Anschlüsse mit dem Gleichspannungszwischenkreis elektrisch koppelbar. Zumindest bei elektrisch antreibbaren Kraftfahrzeugen weist der Akkumulator häufig eine Hochvoltbatterie auf.
Nicht nur, aber insbesondere bei elektrisch antreibbaren Kraftfahrzeugen, besonders bei Elektrofahrzeugen oder Hybrid-Fahrzeugen, ist der Gleichspannungszwischenkreis in der Regel mit einer hohen elektrischen Gleichspannung, beispielsweise von etwa 400 V oder auch mehr, beaufschlagt. Die Größe dieser elektrischen Gleichspannung ist vor allem aus sicherheitstechnischen Gründen eine Herausforderung, weshalb hier zum Beispiel besondere Sicherheitsanforderungen zu beachten sind, die insbesondere durch die Normung vorgegeben sein können. Beispielsweise ist durch die Norm ECE R 100 vorgegeben, dass bei einer elektrischen Gleichspannung von größer als 60 V besondere Maßnahmen zum Schutz von Personen vor elektrischem Schlag vorzusehen sind. Aus diesem Grund ist zum Beispiel bei einer Gleichspannungsquelle, die üblicherweise durch einen elektrischen Energiespeicher, wie einen Akkumulator, gebildet sein kann, und die beispielsweise als Traktionsbatterie benutzt wird, vorgesehen, dass die Gleichspannungsquelle, insbesondere der elektrische Energiespeicher mit einem integrierten Schütz ausgerüstet sein soll. Das integrierte Schütz kann aufgrund entsprechender Ansteuerung die elektrischen Anschlüsse der Gleichspannungsquelle, die an entsprechende Leitungen des Gleichspannungszwischenkreises angeschlossen sind, von den galvanischen Zellen der Gleichspannungsquelle beziehungsweise des Energiespeichers, die dessen Gleichspannung bereitstellen, elektrisch trennen. Diese Einrichtung hat sich dem Grunde nach bewährt, jedoch führt sie im bestimmungsgemäßen Betrieb zu Nachteilen.
In der Regel ist das Schütz der Gleichspannungsquelle derart gesteuert, dass galvanische Zellen der Gleichspannungsquelle beziehungsweise des elektrischen Energiespeichers nur während eines bestimmungsgemäßen Fahrbetriebs des Kraftfahrzeugs an den Gleichspannungszwischenkreis angeschlossen sind. Dadurch kann sichergestellt werden, dass der Gleichspannungszwischenkreis des Kraftfahrzeugs außerhalb des bestimmungsgemäßen Fahrbetriebs, beispielsweise bei einem Unfall, bei Wartungsarbeiten und/oder dergleichen, nicht mit Gleichspannung der Gleichspannungsquelle beaufschlagt wird. Sobald das Schütz die Gleichspannungsquelle vom Gleichspannungszwischenkreis elektrisch trennt, wird die Zwischenkreisspannung am Gleichspannungszwischenkreis über die an den Gleichspannungszwischenkreis angeschlossenen elektrischen Einheiten entladen. Dadurch kann nach einer bestimmten Entladezeit am Gleichspannungszwischenkreis gearbeitet werden, ohne dass gefährliche elektrische Spannungen vorliegen.
Gleichwohl erweist es sich als problematisch, dass für eine Inbetriebnahme des Gleichspannungszwischenkreises das Schütz, und zwar zumindest ein Schaltelement des Schützes, eine unmittelbare elektrische Verbindung zwischen dem Gleichspannungszwischenkreis und der Gleichspannungsquelle herstellt. In der Regel umfasst nämlich der Gleichspannungszwischenkreis eine Zwischenkreiskapazität, die beispielsweise bei einer elektrischen Antriebseinrichtung ein Zwischenkreiskondensator eines Wechselrichters sein kann, an den wechselspannungsseitig eine elektrische Maschine angeschlossen ist, die dem Antrieb des Kraftfahrzeugs dient.
Wird nämlich eine derartige elektrische Verbindung hergestellt, ist aufgrund einer Spannungsdifferenz, die teilweise sehr hoch sein kann, ein entsprechend hoher Stromfluss die Folge. Dies belastet sämtliche beteiligte Komponenten, insbesondere auch Schaltelemente des Schützes, den Zwischenkreiskondensator sowie die Gleichspannungsquelle. Darüber hinaus wird hierdurch auch eine Reihe von Störungen erzeugt, die weitere elektrische Einheiten des Kraftfahrzeugs bei der Ausübung ihrer bestimmungsgemäßen Funktion stören können.
Aus diesem Grund sieht der Stand der Technik vor, dass zur Herstellung der Fahrbereitschaft des Kraftfahrzeugs ein Anschluss der Gleichspannungsquelle zunächst über die sogenannte Vorladeschaltung erfolgt, die dem Vorladen der Zwischenkreiskapazität des Gleichspannungszwischenkreises dient. Das Schaltelement des Schützes bleibt währenddessen zunächst geöffnet. Die Vorladeschaltung begrenzt den Strom, mit dem die Zwischenkreiskapazität durch die Gleichspannungsquelle aufgeladen wird. Dadurch kann der hohe Einschaltstromfluss vermieden werden.
In der Regel umfasst die Vorladeschaltung ein eigenes Schaltelement, welches mit einem elektrischen Widerstand in Reihe geschaltet ist. Diese Reihenschaltung ist dann parallel zum Schaltelement des Schützes geschaltet. Zur Herstellung der Fahrbereitschaft wird demnach das Schaltelement der Vorladeschaltung betätigt beziehungsweise geschlossen, sodass über den elektrischen Widerstand ein Aufladen der Zwischenkreiskapazität durch die Gleichspannungsquelle erfolgen kann. Durch geeignete Wahl des elektrischen Widerstands können die entsprechenden gewünschten Parameter, hier insbesondere ein maximaler Strom, eingestellt werden. Sobald eine gewisse Mindestladung erreicht ist oder auch die Zwischenkreiskapazität auf die elektrische Gleichspannung der Gleichspannungsquelle aufgeladen ist, kann dann das Schaltelement des Schützes betätigt und die Vorladeschaltung dadurch kurzgeschlossen, das heißt, deaktiviert werden. Das Schaltelement der Vorladeschaltung kann in diesem Betriebszustand wieder geöffnet werden.
Auch wenn sich diese Art der Vorladeschaltung bewährt hat, so zeigen sich dennoch Probleme. Als problematisch erweist sich insbesondere die beim Vorladen auftretende Verlustleistung, die besonders bei hohen Spannungen in Verbindung mit großen Zwischenkreiskapazitäten zu deutlichen Verlusten führen kann. Dies zieht nicht nur eine Reduzierung des Wirkungsgrads nach sich, sondern es führt darüber hinaus zumindest zeitweise auch zu einer thermisch hohen Beanspruchung der beteiligten Einheiten beziehungsweise Komponenten.
Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, eine Vorladeschaltung sowie ein Verfahren zu deren Betrieb zu verbessern.
Als Lösung werden mit der Erfindung eine Vorladeschaltung sowie ein Verfahren gemäß den unabhängigen Ansprüchen vorgeschlagen.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich anhand von Merkmalen der abhängigen Ansprüche.
Die Erfindung basiert auf der Erkenntnis, dass aus technischen und/oder platztechnischen Gründen anstelle einer klassischen Vorladung über einen Widerstand eine Vorladung auf Basis einer Umladung sinnvoll sein kann. Die Gleichspannungsquelle würde dann erst zugeschaltet werden, wenn eine Gleichspannung am Gleichspannungszwischenkreis einen vordefinierten Vergleichswert erreicht. Das Prinzip der Erfindung ist bei Gleichspannungsquellen nahezu beliebiger Art anwendbar, insbesondere Gleichspannungsquellen, die Akkumulatoren aufweisen, wie beispielsweise Hochvoltbatterien in unterschiedlichsten Energie-, Leistungs- und/oder Spannungslagen. Durch die Erfindung ist es möglich, eine Vorladung des Gleichspannungszwischenkreises vorzunehmen, ohne große Verluste hinnehmen zu müssen. Dadurch kann ein besonders hoher Wirkungsgrad bereits während des Vorladens erreicht werden.
Bezüglich der gattungsgemäßen Vorladeschaltung wird deshalb insbesondere vorgeschlagen, dass die Schalteinheit wenigstens zwei elektrische Kondensatoren, ein Schaltwerk, ein quellenseitiges Hauptschaltelement zum elektrischen Koppeln des Schaltwerks mit der Gleichspannungsquelle sowie ein zwischenkreisseitiges Hauptschaltelement zum elektrischen Koppeln des Schaltwerks mit dem Gleichspannungszwischenkreis umfasst, wobei das Schaltwerk eine Mehrzahl von mit den Kondensatoren verbundenen, steuerbaren Koppelschaltelementen aufweist und ausgebildet ist, die Kondensatoren abhängig von den jeweiligen Schaltzuständen der Koppelschaltelemente in Reihe zu schalten oder parallelzuschalten.
Bezüglich eines gattungsgemäßen Verfahrens wird insbesondere vorgeschlagen, dass wenigstens zwei elektrische Kondensatoren der Schalteinheit mittels eines quellenseitigen Hauptschaltelements und eines zwischenkreisseitigen Hauptschaltelements abwechselnd mit der Gleichspannungsquelle oder mit dem Gleichspannungszwischenkreis elektrisch gekoppelt werden, wobei die wenigstens zwei elektrischen Kondensatoren mittels eines Schaltwerks der Schalteinheit abhängig von jeweiligen Schaltzuständen von einer Mehrzahl von mit den Kondensatoren verbundenen, steuerbaren Koppelschaltelementen des Schaltwerks in Reihe geschaltet oder parallelgeschaltet werden.
Die Erfindung nutzt die Kondensatoren, um mittels der Kondensatoren eine Ladungsübertragung vorzunehmen, und zwar von der Gleichspannungsquelle zum Gleichspannungszwischenkreis. Zu diesem Zweck ist vorzugsweise vorgesehen, dass die Kondensatoren in Reihe geschaltet mit der Gleichspannungsquelle elektrisch gekoppelt werden, wohingegen sie parallelgeschaltet mit dem Gleichspannungszwischenkreis elektrisch gekoppelt werden. Dadurch ist es möglich, die Kondensatoren zunächst auf vergleichsweise kleine Spannungen aufzuladen, die durch die Gleichspannung der Gleichspannungsquelle und die Anzahl der in Reihe geschalteten Kondensatoren bestimmt ist. Dabei wird davon ausgegangen, dass im Regelfall die Kondensatoren die gleiche elektrische Kapazität aufweisen. In alternativen Ausgestaltungen kann natürlich auch vorgesehen sein, dass die Kondensatoren unterschiedliche Kapazitäten aufweisen.
Dadurch dass die Kondensatoren parallelgeschaltet an den Gleichspannungszwischenkreis angeschlossen werden, ist die Spannungsdifferenz zwischen den Kondensatoren und dem entladenen Zwischenkreis oder einem lediglich teilaufgeladenen Zwischenkreis vergleichsweise gering, sodass eine unmittelbare Schalthandlung vorgesehen werden kann, die vorzugsweise keine dämpfenden Elemente, insbesondere Vorwiderstände, benötigt.
Zu diesem Zweck ist vorgesehen, dass die Hauptschaltelemente das Schaltwerk mit den Kondensatoren abwechselnd mit der Gleichspannungsquelle und dem Gleichspannungszwischenkreis elektrisch koppeln. Dadurch sind die Kondensatoren über das Schaltwerk im Vorladebetrieb vorzugsweise jeweils immer nur mit entweder der Gleichspannungsquelle oder dem Gleichspannungszwischenkreis elektrisch gekoppelt.
Erreicht die Zwischenkreisspannung einen vorgegebenen Vergleichswert oder überschreitet diesen, kann vorgesehen sein, dass beide Hauptschaltelemente gleichzeitig aktiviert werden, um die Gleichspannungsquelle unmittelbar mit dem Gleichspannungszwischenkreis elektrisch zu verbinden. Die Vorladefunktion durch das Schaltwerk mit den Kondensatoren ist in diesem Schaltzustand dann deaktiviert. DIE Hauptschaltelemente können somit zugleich auch die vorschriftmäßige Trennungsfunktion realisieren.
Die Erfindung ist natürlich nicht auf die Verwendung von zwei Kondensatoren begrenzt. Dem Grunde nach kann eine Anzahl von Kondensatoren beliebig groß sein, beispielsweise drei Kondensatoren, vier Kondensatoren oder auch mehr. Das Prinzip der Erfindung wird hiervon im Wesentlichen nicht beeinflusst. Lediglich der Steuerungsaufwand und der Aufwand für das Schaltwerk erhöht sich entsprechend. Durch die Anzahl der Kondensatoren kann letztendlich auch eine Auflösung hinsichtlich des Vorladevorgangs gewählt werden. Bei vielen Kondensatoren ist eine sehr geringe Auflösung möglich, wohingegen bei wenigen Kondensatoren, insbesondere bei zwei Kondensatoren, lediglich eine grobe Auflösung möglich ist.
Die Hauptschaltelemente sowie auch die Koppelschaltelemente können durch elektrische Schaltelemente gebildet sein. Beispielsweise können elektromechanische Schaltelemente oder auch elektronische Schaltelemente, basierend auf Halbleiterschaltern und/oder dergleichen, vorgesehen sein. Ein Halbleiterschalter kann beispielsweise durch einen Transistor, insbesondere einen bipolaren Transistor, einen Feldeffekttransistor, vorzugsweise einen MOSFET (metal oxide semiconductor field effect transistor), oder dergleichen gebildet sein. Das Schaltelement kann beispielsweise ebenso ausgestaltet sein wie ein Schaltelement des Schützes.
Die Hauptschaltelemente sowie auch die Koppelschaltelemente sind vorzugsweise an die Steuereinheit angeschlossen, die deren Schaltzustand steuert. Die Hauptschaltelemente sowie die Koppelschaltelemente sind deshalb insbesondere in einem Schaltbetrieb betrieben. Die Hauptschaltelemente und die Koppelschaltelemente können gleich ausgebildet sein. Es können aber auch unterschiedlich ausgebildete Schaltelemente vorgesehen sein.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels sowie anhand der Zeichnung. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in der einzigen Figur alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
Die einzige Figur zeigt ein schematisches Schaltbild für eine Vorladeschaltung gemäß der Erfindung mit vier Kondensatoren, die mittels eines Schaltwerks sowohl in Reihe als auch parallelgeschaltet werden können.
Die einzige Figur zeigt ein schematisches Schaltbild einer exemplarischen Hochvoltbatterie 1 als Gleichspannungsquelle, die einen Hochvolt-Plus-Anschluss 2 und einen Hochvolt-Minus-Anschluss 3 aufweist. Die Hochvoltbatterie 1 ist über eine Vorladeschaltung 11 an einen Gleichspannungszwischenkreis 12 angeschlossen. An der Hochvoltbatterie 1, die eine Mehrzahl von nicht bezeichneten galvanischen Zellen umfasst, die entsprechend in Reihe geschaltet sind, liegt eine Gleichspannung als Batteriespannung 4 von etwa 400 V an.
Ein Gleichspannungszwischenkreis 12 weist eine Zwischenkreiskapazität 8 auf, an der eine Zwischenkreisgleichspannung 6 anliegt. Der Gleichspannungszwischenkreis 12 ist in einem nicht weiter dargestellten elektrisch antreibbaren Kraftfahrzeug angeordnet.
Die Vorladeschaltung 11 weist vorliegend vier Hauptschaltelemente auf, nämlich ein erstes Schaltelement 5 für HV-Plus, das an den Gleichspannungszwischenkreis 12 angeschlossen ist, ein zweites Schaltelement 6 für HV-Minus, das an den Gleichspannungszwischenkreis 12 angeschlossen ist, ein drittes Schaltelement 9 für HV-Plus, das an den Hochvolt-Plus-Anschluss 2 angeschlossen ist, sowie ein viertes Schaltelement 10 für HV-Minus, das an den Hochvolt-Minus-Anschluss 2 angeschlossen ist. Die Schaltelemente 9 und 10 stellen somit ein quellenseitiges Hauptschaltelement bereit, wohingegen die Schaltelemente 5 und 6 ein zwischenkreisseitiges Hauptschaltelement bereitstellen. Die Hauptschaltelemente dienen unter anderem der elektrischen Trennung der Hochvoltbatterie 1 und des Gleichspannungszwischenkreises 12.
Die Schaltelemente 5 und 9 einerseits sowie die Schaltelemente 6 und 10 andererseits sind ihrerseits in Reihe geschaltet und stellen eine schaltbare elektrische Kopplung zwischen den jeweiligen Anschlüssen der Hochvoltbatterie 1 und des Gleichspannungszwischenkreises 12 bereit. An den Verbindungsstellen der Schaltelemente 5 und 9 sowie 6 und 10 ist ein Schaltwerk 13 mit Koppelschaltelementen S₁ bis S₁₅ sowie vier elektrischen Kondensatoren 14 vorgesehen. Die Schaltelemente 5, 6, 9, 10 sowie S₁ bis S₁₅ sind vorliegend durch Halbleiterschalter gebildet. Alternativ könnten sie zumindest teilweise auch durch elektromechanische Schaltelemente gebildet sein. Die Halbleitschalter sind vorliegend ferner durch Transistoren gebildet, die in einem Schaltbetrieb betrieben werden. Bevorzugt sind sie durch Feldeffekttransistoren, insbesondere MOSFET's (metaloxide semiconductor field effect transistor), gebildet. Sie können alternativ aber auch zumindest teilweise durch bipolare Transistoren gebildet sein. Die Schaltelemente 5, 6, 9, 10 sowie S₁ bis S₁₅ sind vorzugsweise durch die Steuereinheit 16 steuerbar.
Die Vorladeschaltung 11 dient dem Vorladen der Zwischenkreiskapazität 8 des Gleichspannungszwischenkreises 12 des nicht weiter dargestellten elektrisch antreibbaren Kraftfahrzeugs mit elektrischer Energie aus der Hochvoltbatterie 1 des elektrisch antreibbaren Kraftfahrzeugs. Die Vorladeschaltung 11 weist eine steuerbare Schalteinheit 15 zum elektrischen Koppeln der elektrischen Gleichspannungsquelle 1 mit dem Gleichspannungszwischenkreis 12 und eine Steuereinheit 16 zum Steuern der Schalteinheit 15 auf.
Erfindungsgemäß umfasst die Schalteinheit 15 vorliegend die vier elektrischen Kondensatoren 14, das Schaltwerk 13, ein quellenseitiges Hauptschaltelement gebildet durch die Schaltelemente 9, 10 zum elektrischen Koppeln des Schaltwerks 13 mit der Gleichspannungsquelle 1 sowie ein zwischenkreisseitiges Hauptschaltelement, gebildet durch die Schaltelemente 5, 6 zum elektrischen Koppeln des Schaltwerks 13 mit dem Gleichspannungszwischenkreis 12. Das Schaltwerk 13 weist die mit den Kondensatoren 14 verbundenen, steuerbaren Koppelschaltelemente S₁ bis S₁₅ auf und ist ausgebildet, die Kondensatoren 14 abhängig von jeweiligen Schaltzuständen der Koppelschaltelemente S₁ bis S₁₅ in Reihe zu schalten oder parallel zu schalten.
Vorliegend ist das Schaltwerk 13 ferner ausgebildet, die Kondensatoren 14 abhängig vom jeweiligen Schaltzustand der Koppelschaltelemente S₁ bis S₁₅ auch teilweise in Reihe zu schalten und/oder parallelzuschalten. Vorliegend kann demnach vorgesehen sein, dass paarweise zwei der Kondensatoren 14 parallelgeschaltet und die jeweiligen parallelgeschalteten Paare der Kondensatoren 14 ihrerseits wiederum in Reihe geschaltet sein können. Hiervon können auch beliebige Abweichungen vorgesehen sein. Es kann beispielsweise auch vorgesehen sein, dass lediglich drei der vier Kondensatoren 14 für einen bestimmten Vorladebetrieb oder eine bestimmte Phase des Vorladebetriebs aktiviert werden, und einer der Kondensatoren während dieser Phase des Vorladebetriebs deaktiviert bleibt. Je nach Anforderung und Vorladeverhalten kann eine Vielzahl von weiteren Verfahrensführungen diesbezüglich vorgesehen sein.
Vorliegend ist vorgesehen, dass mittels der Schaltelemente 9, 10 sowie auch mittels der Schaltelemente 5, 6 im ausgeschalteten Zustand eine zweipolige elektrische Trennung bereitgestellt wird. Auf diese Weise kann sowohl die Hochvoltbatterie 1 als auch der Gleichspannungszwischenkreis 12 von dem Schaltwerk 13 sowie den Kondensatoren 14 elektrisch getrennt werden.
Vorliegend ist vorgesehen, dass das Schaltwerk 13, insbesondere die vier elektrischen Kondensatoren 14 der Schalteinheit 15, mittels der Schaltelemente 5, 6, 9, 10 abwechselnd mit der Hochvoltbatterie 1 oder dem Gleichspannungszwischenkreis 12 elektrisch gekoppelt wird. Zu diesem Zweck werden die Kondensatoren 14 mittels des Schaltwerks 13 abhängig von jeweiligen Schaltzuständen der Koppelschaltelemente S₁ bis S₁₅ in Reihe geschaltet oder parallelgeschaltet.
Gemäß einem Aspekt einer erfindungsgemäßen Verfahrensführung werden zu Beginn einer Vorladung die Kondensatoren 14 abhängig von einer Batteriespannung 4 der Hochvoltbatterie 1 erst in Reihe geschaltet und mit steigender Zwischenkreisspannung 7 dann parallelgeschaltet auf die Zwischenkreiskapazität 8 geschaltet. Dadurch können Spannungsteiler gebildet werden, wobei sich an den Kondensatoren 14 in Abhängigkeit der Anzahl der Kondensatoren 14 eine Spannung gemäß der folgenden Formel einstellt: U_Kapazität = U_Batterie/n.
Es ist dabei vorliegend vorgesehen, dass die Kondensatoren 14 die gleiche elektrische Kapazität aufweisen. Abhängig von der elektrischen Kapazität der Kondensatoren 14 sowie der elektrischen Kapazität der Zwischenkreiskapazität 8 können mehrere, insbesondere eine Vielzahl, von derartigen Umladungen vorgesehen sein, um die Zwischenkreisspannung 7 am Gleichspannungszwischenkreis 12 an die Batteriespannung 4 anzupassen. Die hier beschriebene Topologie erlaubt mehrere mögliche Verfahrensführungen für die Vorladung. Die Kondensatoren 14 können nach erfolgter Aufladung beispielsweise entweder in Reihe geschaltet oder auch parallelgeschaltet auf den Gleichspannungszwischenkreis 12 geschaltet werden. Der Ablauf kann abhängig sein von

– einer Vorladezeit,
– einem Wert der Zwischenkreiskapazität 8,
– verwendeten elektrischen Kapazitäten der Vorladeschaltung 11 und/oder
– einer Anzahl der Kondensatoren 14 der Vorladeeinheit 11.

Ein möglicher Vorladevorgang kann anhand der folgenden Tabelle realisiert sein:

Schalter	Aufladen der Kapazitäten (seriell); Hauptschalter 9 und 10 geschlossen, 5 und 6 offen	1. Vorladung Zwischenkreis; Hauptschalter 5 und 6 geschlossen, 9 und 10 offen	Aufladen der Kapazitäten (parallel), Hauptschalter 9 und 10 geschlossen, 5 und 6 offen	2. Vorladung Zwischenkreis; Hauptschalter 5 und 6 geschlossen, 9 und 10 offen
S1	geschlossen	geöffnet	geöffnet	geöffnet
S2	geschlossen	geöffnet	geöffnet	geöffnet
S3	geschlossen	geöffnet	geöffnet	geöffnet
S4	geschlossen	geöffnet	geöffnet	geöffnet
S5	geöffnet	geschlossen	geschlossen	geschlossen
S6	geöffnet	geschlossen	geschlossen	geschlossen
S7	geöffnet	geschlossen	geschlossen	geschlossen
S8	geöffnet	geschlossen	geschlossen	geschlossen
S9	geöffnet	geöffnet	geöffnet	geöffnet
S10	geöffnet	geöffnet	geöffnet	geöffnet
S11	geöffnet	geöffnet	geöffnet	geöffnet
S12	geöffnet	geöffnet	geöffnet	geöffnet
S13	geöffnet	geschlossen	geschlossen	geschlossen
S14	geöffnet	geschlossen	geschlossen	geschlossen
S15	geöffnet	geschlossen	geschlossen	geschlossen

Ein weiterer Vorteil der Vorladeschaltung 11 besteht darin, dass durch geeignete Auswahl einer Taktfrequenz beziehungsweise Betriebsfrequenz der Schaltelemente 5, 6, 9, 10, S₁ bis S₁₅ eine Geschwindigkeit der Vorladung flexibel eingestellt werden kann und somit alle Spannungslagen sowie Zwischenkreiskapazitäten, wie sie beispielsweise bei elektrisch antreibbaren Kraftfahrzeugen auftreten, abgedeckt werden können. Zusätzlich ist es möglich, die entsprechenden Spannungen 4, 7 genau angleichen zu können.
Die Vorladung kann mittels der Vorladeschaltung 11 elektrisch getrennt von der Hochvoltbatterie 1 erfolgen. Dadurch können etwaige Fehler, beispielsweise ein Kurzschluss im Gleichspannungszwischenkreis 12 oder dergleichen, erkannt werden und etwaige unerwünschte Rückwirkungen auf die Hochvoltbatterie 1 vermieden werden. Wird beispielsweise ein Fehler während des Vorladens detektiert, kann ein Zuschalten der Hochvoltbatterie 1 verhindert werden.
Sollten etwaige Spannungsspitzen beim Zuschalten der Kondensatoren 14 auf den Gleichspannungszwischenkreis 12 zu hoch sein, können diese durch Einbringen weiterer Elemente, beispielsweise von Induktivitäten und/oder dergleichen, begrenzt werden. Alternativ oder ergänzend kann auch vorgesehen sein, dass ein Betrieb der Schaltelemente 5, 6, 9, 10, S₁ bis S₁₅ zumindest teilweise in einem linearen Bereich realisiert wird, wenn diese als Transistoren ausgeführt sind.
Bei einer Vorladeschaltung des Stands der Technik, die einen Vorladewiderstand nutzt, erfolgt ein Anstieg der Zwischenkreisspannung 7 gemäß einer Aufladung eines RC-Glieds, das heißt, die elektrische Spannung ist erst nach etwa 4τ ausreichend angeglichen. Bei der Erfindung mit der erfindungsgemäßen Vorladeschaltung 11 ist das Vorladen von dieser Gesetzmäßigkeit entkoppelt, sodass die Zwischenkreisspannung 7 entsprechend einer eingestellten Taktfrequenz, mit der die Schaltelemente 5, 6, 9, 10 sowie S₁ bis S₁₅ betrieben werden, auch schneller an die Batteriespannung 4 angeglichen werden kann.
Das Ausführungsbeispiel dient lediglich der Erläuterung der Erfindung und ist für diese nicht beschränkend. Weiterhin ist anzumerken, dass die für die erfindungsgemäße Vorladeschaltung und das hiermit ausgerüstete Kraftfahrzeug angegebenen Vorteile und Merkmale sowie Ausführungsformen gleichermaßen für das entsprechende Verfahren gelten und umgekehrt. Darüber hinaus können für Vorrichtungsmerkmale auch entsprechende Verfahrensmerkmale und umgekehrt vorgesehen sein.
Bezugszeichenliste

1: Hochvoltbatterie
2: Hochvolt-Plus-Anschluss der Hochvoltbatterie
3: Hochvolt-Minus-Anschluss der Hochvoltbatterie
4: Batteriespannung
5: Schaltelement für Hochvolt-Plus
6: Schaltelement für Hochvolt-Minus
7: Zwischenkreisspannung
8: Zwischenkreiskapazität
9: Schaltelement für Hochvolt-Plus
10: Schaltelement für Hochvolt-Minus
11: Vorladeschaltung
12: Gleichspannungszwischenkreis
13: Schaltwerk
14: Kondensatoren
15: Schalteinheit
16: Steuereinheit
S₁ bis S₁₅: Koppelschaltelemente

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 102012017679 A1 [0002, 0003]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

Norm ECE R 100 [0007]

Claims

Vorladeschaltung (11) zum Vorladen einer Zwischenkreiskapazität (8) eines Gleichspannungszwischenkreises (12) eines elektrisch antreibbaren Kraftfahrzeugs mit elektrischer Energie aus einer elektrischen Gleichspannungsquelle (1) des elektrisch antreibbaren Kraftfahrzeugs, wobei die Vorladeschaltung (11) eine steuerbare Schalteinheit (15) zum elektrischen Koppeln der elektrischen Gleichspannungsquelle (1) mit dem Gleichspannungszwischenkreis (12) und eine Steuereinheit (16) zum Steuern der Schalteinheit (15) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Schalteinheit (15) wenigstens zwei elektrische Kondensatoren (14), ein Schaltwerk (13), ein quellenseitiges Hauptschaltelement (9, 10) zum elektrischen Koppeln des Schaltwerks (13) mit der Gleichspannungsquelle (1) sowie ein zwischenkreisseitiges Hauptschaltelement (5, 6) zum elektrischen Koppeln des Schaltwerks (13) mit dem Gleichspannungszwischenkreis (12) umfasst, wobei das Schaltwerk (13) eine Mehrzahl von mit den Kondensatoren (14) verbundenen, steuerbaren Koppelschaltelementen (S₁ bis S₁₅) aufweist und ausgebildet ist, die Kondensatoren (14) abhängig von jeweiligen Schaltzuständen der Koppelschaltelemente (S₁ bis S₁₅) in Reihe zu schalten oder parallelzuschalten.
Vorladeschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schalteinheit (15) wenigstens drei Kondensatoren (14) aufweist und das Schaltwerk (13) ausgebildet ist, die Kondensatoren (14) abhängig von einem jeweiligen Schaltzustand der Koppelschaltelemente (S₁ bis S₁₅) teilweise in Reihe zu schalten und/oder parallelzuschalten.
Vorladeschaltung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das quellenseitige Hauptschaltelement (9, 10) und/oder das zwischenkreisseitige Hauptschaltelement (5, 6) ausgebildet sind, im ausgeschalteten Zustand eine zweipolige elektrische Trennung bereitzustellen.
Verfahren zum Betreiben einer Vorladeschaltung (11), bei dem eine Zwischenkreiskapazität (8) eines Gleichspannungszwischenkreises (12) eines elektrisch antreibbaren Kraftfahrzeugs mit elektrischer Energie aus einer elektrischen Gleichspannungsquelle (1) des elektrisch antreibbaren Kraftfahrzeugs über die Vorladeschaltung (11) vorgeladen wird, wobei eine steuerbare Schalteinheit (15) der Vorladeschaltung (11) zum elektrischen Koppeln der elektrischen Gleichspannungsquelle (1) mit dem Gleichspannungszwischenkreis (12) mittels einer Steuereinheit (16) gesteuert wird, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens zwei elektrische Kondensatoren (14) der Schalteinheit (15) mittels einem quellenseitigen Hauptschaltelement (9, 10) und einem zwischenkreisseitigen Hauptschaltelement (5, 6) abwechselnd mit der Gleichspannungsquelle (1) oder mit dem Gleichspannungszwischenkreis (12) elektrisch gekoppelt werden, wobei die wenigstens zwei elektrischen Kondensatoren (14) mittels eines Schaltwerks (13) der Schalteinheit (15) abhängig von jeweiligen Schaltzuständen von einer Mehrzahl von mit den Kondensatoren verbundenen, steuerbaren Koppelschaltelementen (S₁ bis S₁₅) des Schaltwerks (13) in Reihe geschaltet oder parallelgeschaltet werden.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass nach einem elektrischen Entkoppeln der wenigstens zwei Kondensatoren (14) von der Gleichspannungsquelle (1) beziehungsweise dem Gleichspannungszwischenkreis (12) und vor einem erneuten elektrischen Koppeln die Schaltung der Kondensatoren (14) mittels des Schaltwerks (13) gewechselt wird.
Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltung (14) der Kondensatoren mittels des Schaltwerks (13) abhängig von einer Zwischenkreisgleichspannung (7) am Gleichspannungszwischenkreis (12) gewechselt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Kondensatoren (14) in Reihe geschaltet mit der Gleichspannungsquelle (1) und parallelgeschaltet mit dem Gleichspannungszwischenkreis (12) elektrisch gekoppelt werden.