DE102016117337B4 - Stromstoß-Testeinrichtung für Kurzschlusstests von Komponenten eines Hochvolt-Systems sowie Verfahren - Google Patents

Abstract

Stoßstrom-Testeinrichtung (100) für Kurzschlusstests von Komponenten eines Hochvolt-Systems, die ausgebildet ist, bei einer Hochvolt-Spannungslage von bis etwa 1000 V Ströme bis 20 kA bei einer Stromanstiegszeit von bis zu 500 A pro 10 µs, insbesondere 1000 A pro 10 µs, für eine Dauer von bis zu 50 ms bereitzustellen,- mit einem ersten Anschluss (106) und einem zweiten Anschluss (108) für einen Prüfling (104),- mit einer Kondensatoreinrichtung (C1), die mit den beiden Anschlüssen (106, 108) elektrisch verbunden ist, und die eingerichtet ist, eine Hochvolt-Spannung (U) an den Anschlüssen (106, 108) bereitzustellen,- mit einer Anzahl von zusätzlichen Kondensatoren (C2, C3, C4, C5, C6, C7, C8, C9, C10, C11), die mit der Kondensatoreinrichtung (C1) elektrisch in Reihe schaltbar sind,- mit einer Steuereinrichtung (110), die ausgebildet ist, eine Spannungsverlaufsgröße der Hochvolt-Spannung (U) zu überwachen und einen weiteren zusätzlichen Kondensator (C2, C3, C4, C5, C6, C7, C8, C9, C10, C11) zusätzlich in Reihe zu schalten, wenn die Spannungsverlaufsgröße einen Schwellwert (430) unterschreitet,- mit jeweils einem Thyristor (Th2, Th3, Th4) pro zusätzlichem Kondensator (C2, C3, C4, C5, C6, C7, C8, C9, C10, C11) sowie einem Thyristor (Th1) für die Kondensatoreinrichtung (C1), wobei der je ein Thyristor (Th1, Th2, Th3, Th4) jeweils eine Elektrode des zugeordneten Kondensators (C1, C2, C3, C4, C5, C6, C7, C8, C9, C10, C11) mit dem zweiten Anschluss (108) verbindet,- wobei die Anzahl der zusätzlichen Kondensatoren (C2, C3, C4, C5, C6, C7, C8, C9, C10, C11) in der Reihenfolge ihres Zuschaltens eine gleiche oder eine abnehmende Kapazität, sowie jeweils eine Spannung zwischen etwa 45 V und etwa 80 V aufweisen,- wobei die Spannung der zusätzlichen Kondensatoren (C2, C3, C4, C5, C6, C7, C8, C9, C10, C11) im Moment des Zuschaltens einer Differenz zwischen einer Soll-Ausgangsspannung (U) und einer den Schwellwert (430) repräsentierenden Referenzspannung (U) entspricht.

Description

• Technisches Gebiet
• Die vorliegende Erfindung betrifft eine Stoßstrom-Testeinrichtung für Kurzschlusstests von Komponenten eines Hochvolt-Systems mit einer Energiespeichervorrichtung sowie ein Verfahren zum Bereitstellen einer Hochvolt-Spannung für Kurzschlusstests von Komponenten eines Hochvolt-Systems mittels einer Stoßstrom-Testeinrichtung.
• Technischer Hintergrund
• Die vorliegende Erfindung wird im Folgenden hauptsächlich in Verbindung mit HV-Systemen (Hochvolt-Systemen) in Kraftfahrzeugen erläutert. Es versteht sich, dass die vorliegende Erfindung aber in jeder Anwendung eingesetzt werden kann, in der Ströme und Spannungen für kurze Zeit benötigt werden, wie diese beispielsweise von Lithium-Ionen-Speichern bereitgestellt werden können.
• Im Bereich der Elektromobilität kommen üblicherweise Batteriesysteme mit Li-Ionen-Zellen zum Einsatz. Diese Systeme sind sehr leistungsfähig und können auch kurzzeitig sehr hohe Ströme bis beispielsweise 20 kA abgeben. Dabei erweisen sich die Systeme als sehr dynamisch mit Stromanstiegszeiten von 1000 A pro 10 µs. Diese hohe Anstiegsgeschwindigkeit resultiert aus der geringen Induktivität von kleiner 10 µH der verwendeten Batteriesysteme.
• Sicherheitsanforderungen und Kundenerwartungen bedingen, dass Komponenten und Systeme in diesem Umfeld für den Fall eines Kurzschlusses erprobt werden müssen. Dabei gehen die Auslegungen von Strömen bis 20 kA, Spannungslagen um die 1000 V und einer Induktivität von maximal 10 µH aus. Die Testzeiten liegen dann üblicherweise bei bis zu 50 ms. Batterien scheiden aufgrund der extremen Belastungen und der daraus resultierenden (chemischen) Risiken aus. Alle bisher bekannten Lösungen wurden für herkömmliche Anforderungen entwickelt, wie sie in der Energiewirtschaft benötigt werden.
• Eine Variante ist die Verwendung von Stoßstromgeneratoren, die die Energiespitze über gespeicherte kinetische Energie abdecken können. Aufgrund des Generators sind diese Systeme mit Induktivitäten von 100 µH und mehr behaftet. Dies führt bei schnellen Stromänderungen zu hohen Störspannungen. Dieses Verhalten steht im Gegensatz zu den Gegebenheiten in Batteriesystemen. Die daraus resultierenden Testergebnisse sind somit nur eingeschränkt verwertbar. Die derzeit am Markt befindlichen Stoßstromgeneratoren auf magnetischer Basis können die Anforderungen der Elektromobilität nicht abbilden.
• Eine andere Möglichkeit der Bereitstellung der Stoßenergie besteht in der Nutzung von Kondensatoren. Für Test an HV-Systemen werden kurzzeitig (kleiner 200 ms) extreme Energien von 1000 V und 20 kA benötigt. Übliche Verfahren nutzen einen Kondensator, der vollgeladen wird und dann die gespeicherte Energie daraus kurzzeitig entnommen wird. Da die Spannung des Testsystems während der Nutzungsdauer nur maximal 10 Prozent in Bezug auf die Nennspannung abnehmen darf, wird auch nur 10 Prozent der Ladung des Kondensators genutzt. 90 Prozent verbleiben als Restladung ungenutzt im Kondensator. Dem kann mit einer erheblichen Vergrößerung der Kapazität begrenzt entgegen gewirkt werden, allerdings mit beträchtlich höherem Platzbedarf und den daraus resultierenden Kosten. Im sonst üblichen Spannungs- und Strombereich ist das auch kein Problem, da dort Kondensatoren günstig sind. Im hier genannten Fall betragen jedoch die Kosten ca. 1.000.000,- Euro.
• Beispiele hierfür finden sich beispielsweise in Patentanmeldungen beziehungsweise Patentschriften. So beschreibt die amerikanische Patentanmeldung US 2012 / 0 038 224 ein System zur Erzeugung eines Spannungspulses, wie dieser in Forschungszentren oder Physik-Laboratorien zu Erzeugung von Hochspannung-Impulsen eingesetzt wird. Die Übersetzung der europäoschen Patentschrift DE 602 02 516 T2 beschreibt ein Leistungsmodul zu Erzeugung von Impulsen von hohem Strom. Das Leistungsmodul ist dazu eingerichtet, PWM-Signale Mittels einer Vielzahl von Kondensatoren, welche parallel über Relais auf den Ausgang des Leistungsmoduls geschaltet werden, zu erzeugen. Das deutsche Patent DE 10 2006 060 417 B4 offenbart ein System zu Erzeugung eines Spannungspulses mit einem Impuls-Generator sowie ein entsprechendes Verfahren zum Betreiben.
• Auch hier gibt es zwei Varianten der Lösung mit Kondensatoren.
• Die klassische Variante sind Folienkondensatoren. Diese benötigen besonders viel Platz bei einfachem Systemaufbau. Wenn man eine Kapazität von 50 F veranschlagt, ist mit einem Flächenbedarf von 160 m² bei 2,5 m Bauhöhe zu rechnen.
• Eine höhere Energiedichte besitzen die Supercaps. Systembedingt haben diese nur eine Spannung von maximal 3,3 V. Die Hersteller bündeln diese zu Modulen von üblicherweise 60 V. Zur Erreichung von Spannungen wie die geforderten 1000 V ist eine Vielzahl von Modulen zu verschalten. Die Anzahl der benötigten Kondensator-Module wächst mit der Verdoppelung der Spannung im Quadrat. Gleichzeitig sind erhebliche Überwachungsmaßnahmen für die Module vorzusehen.
• Die derzeitigen Kondensatoranlagen in den Testlaboren sind zu klein und können den geforderten Strom über die geforderte Zeit bei Einhaltung der Spannungsgrenzen nicht liefern.
• Beschreibung der Erfindung
• Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, elektrische Energie für den Test von Hochvolt-Systemen bereitzustellen, die der von Lithium-Ionen-Batterien annähernd entspricht, jedoch mit kürzeren Ladezyklen und für eine kürzere Zeitdauer. Gleichzeitig sollen die chemischen Risiken, wie beispielsweise Brand, reduziert werden.
• Die Aufgabe wird durch die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche gelöst.
• Die vorgestellte Lösung zielt darauf ab, den Energiegehalt der Kondensatoren effektiver zu nutzen.
• Eine erfindungsgemäße Stoßstrom-Testeinrichtung für Kurzschlusstests von Komponenten eines Hochvolt-Systems umfasst zwei Anschlüsse für einen Prüfling, eine Kondensatoreinrichtung, eine Anzahl von zusätzlichen Kondensatoren sowie eine Steuereinrichtung. Die Kondensatoreinrichtung ist ausgebildet, eine Hochvolt-Spannung an den beiden Anschlüssen bereitzustellen. Dabei entspricht die Hochvolt-Spannung zu Beginn in der Regel der Nenn-Spannung der Stoßstrom-Testeinrichtung. Die Anzahl von zusätzlichen Kondensatoren ist mit der Kondensatoreinrichtung einzeln in Reihe schaltbar. Die Steuereinrichtung ist eingerichtet, eine Spannungsverlaufsgröße der bereitgestellten Hochvolt-Spannung zu überwachen und zumindest einen weiteren zusätzlichen Kondensator der Anzahl von zusätzlichen Kondensatoren zusätzlich in Reihe zu schalten, wenn die Spannungsverlaufsgröße einen Schwellwert unterschreitet. So kann bei jedem Unterschreiten der Spannungsverlaufsgröße unter den Schwellwert ein zusätzlicher Kondensator in Reihe geschaltet werden, um die Spannungsverlaufsgröße wieder über den Schwellwert zu heben. So kann vorteilhafterweise die bereitgestellte Hochvolt-Spannung in einem Spannungsbereich gehalten werden, welcher an der unteren Grenze durch den Schwellwert und an der oberen Grenze durch die Nenn-Spannung oder Lade-Spannung des Kondensatormoduls beziehungsweise durch die Spannung des Schwellwerts plus der Ladespannung des zugeschalteten Kondensators definiert ist.
• Unter einem Stoßstrom-Testsystem kann ein Kurzschlusstester oder Stromstoßspeicher verstanden werden. Dabei kann unter der bereitgestellten Hochvolt-Spannung eine Ausgangsspannung verstanden werden, insbesondere mit einem Prüfstrom, Stoßstrom oder Impulsstrom. Unter einem Kondensator kann auch ein Kondensatormodul mit einer Vielzahl von Kondensatoren verstanden werden, die parallel und ergänzend oder alternativ in Reihe geschaltet sind. Die Vielzahl von Kondensatoren eines Kondensatormoduls kann dabei zu einer Baueinheit zusammengefasst sein. Die Kondensatoreinrichtung kann aus einer Vielzahl von Kondensatoren oder Kondensatormodulen gebildet werden, die in Reihe und optional parallel geschaltet sind, um die geforderte Hochvolt-Spannung bereitzustellen.
• Unter der Hochvolt-Spannung kann eine Ausgangsspannung der Stoßstrom-Testeinrichtung verstanden werden. Die vorgestellte Lösung hat den Vorteil, dass beispielsweise zur Hälfte Kondensatoren eingesetzt werden können, die nicht die volle Spannung benötigen, sondern nur die Spannungsfestigkeit des Arbeitsbereiches benötigen. In einer solchen Ausführungsform geht man davon aus, dass die Kondensatoreinrichtung aus einer Vielzahl von Kondensatoren gebildet wird, die in der Summe die volle Nennspannung bereitstellen. Die Vielzahl der die Kondensatoreinrichtung bildenden Kondensatoren kann dann beispielsweise in etwa der Anzahl der zusätzlichen Kondensatoren entsprechen. Die Anzahl der zusätzlichen Kondensatoren weist dann die Spannungsfestigkeit des Arbeitsbereiches auf. Somit kann der Flächenbedarf der Kondensatoren erheblich reduziert werden. Da zur Umschaltung kostengünstige Elektronik eingesetzt wird, trägt dies zu einer beträchtlichen Kostenreduzierung bei. Die Ladung der Kondensatoren ist in bekannter Weise möglich.
• Die Anzahl der zusätzlichen Kondensatoren weist in der Reihenfolge ihres Zuschaltens eine gleiche oder günstiger eine abnehmende Kapazität auf. So weist vorteilhafterweise die Kondensatoreinrichtung die größte Kapazität auf. Dadurch lassen sich Kostenvorteile erzielen, ohne technisch eine Einschränkung zu bewirken.
• Dabei können auch Superkondensatoren sowohl bei der Kondensatoreinrichtung als auch bei der Anzahl zusätzlicher Kondensatoren zum Einsatz kommen. So kann ein Teil der Kondensatoren als Superkondensatoren ausgebildet sein oder ein Teil von diesen. Unter einem Superkondensator kann dabei ein Supercap oder Ultrakondensator verstanden werden oder allgemeiner formuliert ein elektrochemischer Kondensator oder Doppelschichtkondensator.
• Jedem zusätzlichen Kondensator sowie der Kondensatoreinrichtung ist eine Schalteinrichtung zugeordnet. Die Schalteinrichtung ist ein Teil der Steuereinrichtung. Als Schalteinrichtung wird ein Thyristor verwendet. Ein erster Anschluss der Stoßstrom-Testeinrichtung wird von einer ersten Elektrode der Kondensatoreinrichtung gebildet. Die Schalteinrichtungen sind mit einem zweiten Anschluss der Stoßstrom-Testeinrichtung verbunden und dazu eingerichtet, eine Elektrode des zugeordneten Kondensators auf den zweiten Anschluss zu schalten. Durch eine entsprechende Auswahl der verwendeten Thyristoren kann ein Teil der Logik der Steuereinrichtung in die Schalteinrichtung verlagert werden. So kann der Schwellwert als Schaltschwelle durch Parameter des Thyristors abgebildet sein. So können in einem Bauteil mehrere Funktionen vereint werden und somit die Komplexität und die Kosten reduziert werden.
• Die zusätzlichen Kondensatoren weisen jeweils eine Spannung zwischen etwa 45 V und etwa 80 V auf. Unter der Spannung kann eine Nenn-Spannung oder Lade-Spannung der Kondensatoren verstanden werden. Noch günstiger ist es, wenn die zusätzlichen Kondensatoren jeweils eine Spannung zwischen etwa 50 V und etwa 60 V aufweisen. Die Auswahl der Spannung der Kondensatoren definiert den Spannungsbereich, in dem die von der Stoßstrom-Testeinrichtung bereitgestellte Hochvolt-Spannung schwankt.
• Die Stoßstrom-Testeinrichtung ist ausgebildet, bei einer Hochvolt-Spannungslage von bis etwa 1000 V Ströme bis 20 kA bei einer Stromanstiegszeit von bis zu 500 A pro 10 µs, insbesondere 1000 A pro 10 µs, für eine Dauer von bis zu 50 ms bereitzustellen. So kann die Kondensatoreinrichtung eine Nennspannung von 1000 V aufweisen. Dies ist vorteilhafterweise mittels Superkondensatoren realisierbar.
• Die Spannungsverlaufsgröße kann in einer Variante eine Zeit und der Schwellwert ein vorabdefiniertes Zeitintervall sein. So kann die Steuereinrichtung beispielsweise kostengünstig unter Verwendung eines Zählers und eines Oszillators realisiert werden. Der Spannungsbereich wird dadurch eingehalten, dass die Entladezeit oder Entladung über die Zeit der Kondensatoren der Stoßstrom-Testeinrichtung bekannt ist und somit eine indirekte Regelung erfolgen kann. In einer alternativen Variante kann die Spannungsverlaufsgröße ein Spannungswert der Hochvolt-Spannung sein und der Schwellwert eine Referenzspannung oder ein Referenzspannungswert sein. So wird direkt ein den Spannungsbereich der Hochvolt-Spannung charakterisierender physikalischer Wert als Steuergröße verwendet. Im Moment des Zuschaltens eines zusätzlichen Kondensators entspricht bei Verwendung eines Spannungswertes als Spannungsverlaufsgröße die Spannung des zugeschalteten zusätzlichen Kondensators einer Differenz zwischen einer Soll-Ausgangsspannung und der den Schwellwert repräsentierenden Referenzspannung.
• Die Steuereinrichtung weist einen Komparator auf, um die Hochvolt-Spannung mit einer den Schwellwert repräsentierenden Referenzspannung zu vergleichen. Ein Ergebnis-Signal des Komparators wird von der Steuereinrichtung ausgewertet, um die Schalteinrichtungen oder Thyristoren anzusteuern und somit einen zusätzlichen Kondensator in Reihe zu schalten. So kann kostengünstig die Einhaltung des Schwellwerts überwacht werden.
• Günstig ist es auch, wenn die Steuereinrichtung von der Kondensatoreinrichtung, den zusätzlichen Kondensatoren und ergänzend oder alternativ den Thyristoren galvanisch entkoppelt ist.
• Die vorliegende Erfindung basiert auf der Erkenntnis, dass es vorteilhaft ist, den Energiespeicher nicht als eine Einheit zu sehen, deren gespeicherte Energie nur zu maximal 10 % nutzbar ist. Vielmehr ist es das Ziel, einen möglichst hohen Anteil der gespeicherten Energie nutzbar zu machen. So kann vorteilhaft die Größe der Energiespeichereinrichtung als auch ihr Preis reduziert werden, da der Energiegehalt zu einem großen Anteil genutzt werden kann, ohne dass die Spannung unter einen geforderten Prüfrahmen sinkt. Das vorgestellte Konzept schafft eine effektivere, erhöhte Ausnutzung einer Kondensatorbank für extreme Energiemengen.
• Die erfinderische Idee lässt sich auch effizient in einem Verfahren zum Bereitstellen einer Hochvolt-Spannung für Kurzschlusstests von Komponenten eines Hochvolt-Systems mittels einer Stoßstrom-Testeinrichtung umsetzen, wobei eine Spannungsverlaufsgröße der Hochvolt-Spannung überwacht wird und ein weiterer zusätzlicher Kondensator zusätzlich in Reihe geschaltet wird, wenn die Spannungsverlaufsgröße einen Schwellwert unterschreitet.
• Weitere, besonders vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen sowie der nachfolgenden Beschreibung, wobei die Merkmale verschiedener Ausführungsbeispiele zu neuen Ausführungsbeispielen kombiniert werden können. Insbesondere können die unabhängigen Ansprüche einer Anspruchskategorie auch analog zu den abhängigen Ansprüchen einer anderen Anspruchskategorie weitergebildet sein.
• Figurenliste
• Das Prinzip der Erfindung wird im Folgenden unter Hinweis auf die beigefügten Figuren beispielshalber noch näher erläutert. Dabei sind in den verschiedenen Figuren gleiche Komponenten mit identischen Bezugsziffern versehen. Es zeigen:
• 1a und 1b einen vereinfachten Schaltplan einer Stoßstrom-Testeinrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
• 2a bis 2c Ersatzschaltbilder einer Stoßstrom-Testeinrichtung in einem zeitlichen Ablauf gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
• 3 eine Prinzipschaltung der Steuerung einer Stoßstrom-Testeinrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
• 4 einen Spannungsverlauf einer Hochvolt-Spannung einer Stoßstrom-Testeinrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
• 5 einen Schaltplan einer Stoßstrom-Testeinrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung; und
• 6 einen Ablaufplan eines Verfahrens zum Bereitstellen einer Hochvolt-Spannung für Kurzschlusstests von Komponenten eines Hochvolt-Systems gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
• Detaillierte Beschreibung
• 1a zeigt einen vereinfachten Schaltplan einer Stoßstrom-Testeinrichtung 100 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Die Stoßstrom-Testeinrichtung 100 umfasst eine Energiespeichervorrichtung 102, einen mit einem Prüfling 104 verbundenen ersten Anschluss 106 und einen mit dem Prüfling 104 verbundenen zweiten Anschluss 108 sowie eine Steuereinrichtung 110. Ein Teil der Steuereinrichtung 110 ist als eine Schalteinrichtung 112 ausgebildet und wird in dem dargestellten Ausführungsbeispiel durch Thyristoren Th1, Th2, Th3, Th4 gebildet.
• Zwischen dem ersten Anschluss 106 und dem zweiten Anschluss 108 fällt eine Hochvolt-Spannung U_out als Ausgangsspannung ab.
• Die Energiespeichervorrichtung 102 umfasst eine Kondensatoreinrichtung C1 sowie zumindest drei zusätzliche Kondensatoren C2, C3, C4. Eine erste Elektrode der Kondensatoreinrichtung C1 ist mit dem ersten Anschluss 106 verbunden. Eine zweite Elektrode der Kondensatoreinrichtung C1 ist mit einer ersten Elektrode des ersten zusätzlichen Kondensators C2 und über einen ersten Thyristor Th1 als Schaltelement der Schalteinrichtung 112 mit dem zweiten Anschluss 108 verbunden. Eine zweite Elektrode des ersten zusätzlichen Kondensators C2 ist über einen zweiten Thyristor Th2 als Schaltelement der Schalteinrichtung 112 mit dem zweiten Anschluss 108 verbunden.
• Die weiteren zusätzlichen Kondensatoren C3 und C4 und die denen als Schaltelement der Schalteinrichtung 112 zugeordneten Thyristoren Th3 und Th4 sind ähnlich elektrisch gekoppelt. So ist die zweite Elektrode des ersten zusätzlichen Kondensators C2 mit einer ersten Elektrode des zweiten zusätzlichen Kondensators C3 elektrisch gekoppelt, eine zweite Elektrode des zweiten zusätzlichen Kondensators C3 ist über einen dritten Thyristor Th3 als Schaltelement der Schalteinrichtung 112 mit dem zweiten Anschluss 108 verbunden.
• Die zweite Elektrode des zweiten zusätzlichen Kondensators C3 ist mit einer ersten Elektrode des dritten zusätzlichen Kondensators C4 elektrisch gekoppelt, eine zweite Elektrode des dritten zusätzlichen Kondensators C3 ist über einen vierten Thyristor Th4 als Schaltelement der Schalteinrichtung 112 mit dem zweiten Anschluss 108 verbunden.
• Zwischen dem ersten Anschluss 106 und dem zweiten Anschluss 108 ist zur Spannungsstabilisierung ein Kondensator CH angeordnet und mit diesen elektrisch gekoppelt.
• Auch 1b zeigt einen vereinfachten Schaltplan einer Stoßstrom-Testeinrichtung 100 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Die beiden Figuren 1a und 1b unterscheiden sich durch einen Pfeil, mit dem die Funktionalität beschrieben werden kann. In 1a ist der erste Thyristor Th1 leitend geschaltet, sodass die von der Kondensatoreinrichtung C1 bereitgestellte Spannung als Ausgangsspannung U_out an den Anschlüssen 106, 108 anliegt. Die weiteren Thyristoren Th2, Th3, Th4 sind nicht-leitend geschaltet. Bei Absinken der Ausgangsspannung U_out unter einen Schwellwert wird der zweite Thyristor Th2 leitend geschaltet, der erste Thyristor Th1 wird somit stromlos und geht in den nicht-leitenden Zustand . Somit sind die Kondensatoreinrichtung C1 und der erste zusätzliche Kondensator C2 in Reihe geschaltet. Die Ausgangsspannung U_out ergibt sich aus der Summe der Spannung der Kondensatoreinrichtung C1 und des ersten zusätzlichen Kondensators C2.
• Zum Zuschalten der Zusatzkondensatoren C2, C3, C4 und deren Umschaltung werden die physikalischen Eigenschaften der Thyristoren Th1, Th2, Th3, Th4 genutzt. Durch die Zuschaltung eines weiteren Kondensators C2, C3, C4, wird der jeweils vorherige Thyristor Th1, Th2, Th3 stromlos und sperrt damit. Somit ist eine unterbrechungsfreie Aufstockung der Spannung des Hauptkondensators C1 möglich. Immer wenn also ein weiterer Kondensator C2, C3, C4 mit dem zugehörigen Thyristor Th2, Th3, Th4 zugeschaltet wird, wird der vorher gezündete Thyristor Th1, Th2, Th3 stromlos und es entsteht eine Reihenschaltung von Kondensatoren C1, C2, C3, C4. Die nutzbare Ausgangsspannung pendelt also zwischen 1000 V und 940 V sägezahnförmig, wenn man von einer Nennspannung von 1000 V für die Kondensatoreinrichtung, einer Referenzspannung von 940 V und einer Nennspannung der zusätzlichen Kondensatoren C2, C3, C4 in Höhe von 60 V ausgeht. Die sich ergebende Ausgangsspannung U_out als Hochvolt-Spannung U_out ist in 4 in ihrem zeitlichen Verlauf dargestellt.
• Zur Gewährleistung der elektrischen Sicherheit der Steuerschaltung ist eine galvanische Trennung notwendig. Der Einsatz von Optokopplern ist hier eine Möglichkeit. Zur Erfassung der Spannung am Ausgang kann ein handelsüblicher schneller Trennverstärker verwendet werden.
• Jedes Mal wenn die Ausgangsspannung U_out unter den Schwellwert fällt, wird ein weiterer Kondensator C_n+1 zusätzlich in Reihe geschaltet. Diese Sequenz wird durch die vereinfachten Ersatzschaltbilder der 2a bis 2c symbolisiert. Während einer ersten Phase (2a) ergibt sich die bereitgestellte Ausgangsspannung U_out oder Hochvolt-Spannung U_out alleine aus der von der Kondensatoreinrichtung C1 bereitgestellten Spannung. Da diese über die Zeit absinkt, wird in einer zweiten Phase (siehe 2b) ein zusätzlicher Kondensator C2 in Reihe dazu geschaltet, in einer dritten Phase (siehe 2c) wird erneut ein zusätzlicher Kondensator C3 in Reihe dazu geschaltet, sodass sich in der dritten Phase eine Reihenschaltung der Kondensatoreinrichtung C1 mit den zusätzlichen Kondensatoren C2 und C3 ergibt. Dies lässt sich nun quasi beliebig skalieren, um beispielsweise bei einer Hochvolt-Spannungslage von bis etwa 1000 V Ströme bis 20 kA bei einer Stromanstiegszeit von bis zu 500 A pro 10 µs, insbesondere 1000 A pro 10 µs, für eine Dauer von bis zu 50 ms bereitzustellen.
• Mit anderen Worten wird in dem in 2a dargestellten ersten Schritt der Hauptkondensator (C1) solo betrieben. Sinkt die Kondensatorspannung bis an die Grenze des Arbeitsbereichs (U_ref ) wird ein zusätzlicher Kondensator in Reihe zum ersten Kondensator geschaltet, um den Spannungsverlust auszugleichen, wie in 2b dargestellt. Da die Spannung immer weiter sinkt, wird bei Erreichen der unteren Grenze U_ref des Arbeitsbereichs ein weiterer Kondensator zugeschaltet, wie dies in 2c visualisiert wird.
• Immer wenn sich die Ausgangsspannung U_out dem unteren Level U_ref des Arbeitsbereiches nähert wird die Spannung des Hauptkondensators durch einen Zusatzkondensator aufgestockt. Die Nutzung von Zusatzkondensatoren liegt in einem günstigen Ausführungsbeispiel etwa bei fünf bis acht. Mit weiterer Steigerung der Anzahl der Kondensatoren nimmt der nutzbare Effekt stark ab, da sich alle Kondensatoren entladen. Diese Zusatzkondensatoren benötigen nur eine kleine Spannung (z.B. 60 V) und sind somit kompakt und preiswert. Das Zuschalten der Kondensatoren kann über preisgünstige Thyristoren erfolgen. Der Zeitpunkt des Zuschaltens der Kondensatoren ist über Komparatoren oder zeitgesteuert möglich.
• 3 zeigt eine Prinzipdarstellung einer Steuerung einer Stoßstrom-Testeinrichtung 100 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Die dargestellte Steuerung stellt einen Teil einer in 1 dargestellten Steuereinrichtung 110 dar. Die Steuereinrichtung 110 umfasst in dem Ausführungsbeispiel einen Komparator 320 sowie einen Zähler 322. Weiterhin wird eine Referenzspannung U_ref bereitgestellt. Am Komparator 320 liegt sowohl die Hochvolt-Spannung U_out als auch die Referenzspannung U_ref an - bezogen auf Masse GND. Der Ausgang des Komparators 320 ist mit Pin 14 beziehungsweise dem Eingang CP0 des Zählers 322 verbunden. Pin 13 (-CP1) und Pin 15 (MR) sind mit Masse GND elektrisch gekoppelt. Entsprechende (Schalt-)Ausgänge des Zählers sind als Steuerung mit den Thyristoren verbunden, beispielsweise Pin2(CNTR01) mit dem zweiten Thyristor Th2, Pin4(CNTR02) mit dem dritten Thyristor Th3 und Pin7(CNTR03) mit dem dritten Thyristor Th3.
• Die Erzeugung der Zündimpulse für die Thyristoren Thx kann z.B. in einem speziellen Ausführungsbeispiel durch den Zähler MOS4017 erfolgen. Dessen Ansteuerung erfolgt durch einen Komparator 320, der die Spannung U_out am Prüfling mit der minimalen Arbeitsspannung U_ref vergleicht. Immer wenn die untere Arbeitsspannung U_ref erreicht ist, wird der Zähler 322 einen Schritt weiter geschaltet und somit der nächste Thyristor Thx angesteuert. Alternativ kann die Steuerung auch durch einen Prozessor (µC) und eine Software realisiert werden. Thyristor 1 wird separat gestartet und dann übernimmt die Steuerung die Zuschaltung der Kondensatoren über die Thyristoren Th2, Th3, Th4. Für den erneuten Start der Schaltung ist ein Neustart (Reset) des Zählers erforderlich.
• 4 zeigt in einem kartesischen Koordinatensystem einen Spannungsverlauf U_out(t) einer Hochvolt-Spannung U_out einer Stoßstrom-Testeinrichtung 100 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Auf der Abszisse ist die Zeit t und auf der Ordinate die Spannung U_out dargestellt. Das Diagramm zeigt neben der Hochvolt-Spannung über die Zeit U_out(t) auch eine als (unteren) Schwellwert 430 dienende Referenzspannung U_ref . Die Spannungsmaximalwerte der Hochvolt-Spannung über die Zeit U_out(t) liegen auf dem Niveau einer Soll-Spannung U_soll , die auch als Nenn-Spannung der Stoßstrom-Testeinrichtung bezeichnet wird.
• 5 zeigt einen Schaltplan einer Stoßstrom-Testeinrichtung 100 gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Die Darstellung ist ähnlich zur Darstellung in 1. Die Energiespeichervorrichtung 102 weist zehn zusätzliche Kondensatoren C2, C3, C4, C5, C6, C7, C8, C9, C10, C11 auf. Die Schalteinrichtung 112 ist symbolisch dargestellt - aktuell ist beispielhaft die zweite Elektrode des neunten zusätzlichen Thyristors Th10 mit dem zweiten Anschluss 108 verbunden. Um die geforderte Charakteristik zu erzielen, weisen die Kondensatoreinrichtung C1 und die zusätzlichen Kondensatoren C2, C3, C4, C5, C6, C7, C8, C9, C10, C11 eine sich verringernde Kapazität in der Reihenfolge ihres Zuschaltens auf. Die Kondensatoreinrichtung weist eine Kapazität von C = 10 F auf, die folgenden Kondensatoren weisen immer eine um 1 F niedrigere Kapazität auf, als der vorhergehende Kondensator C_n-1, mit der Ausnahme der Kondensatoren C6 und C7, die beide jeweils eine Kapazität von C = 5 F aufweisen.
• 5 zeigt einen Grundansatz zur Erfindung, dass die Supercaps, d.h. die Anzahl von zusätzlichen Kondensatoren C_n+1 in der Anzahl verkleinert werden können und gleichzeitig die darin gespeicherte Energiemenge in größerem Umfang genutzt wird.
• 6 zeigt einen Ablaufplan eines Verfahrens zum Bereitstellen einer Hochvolt-Spannung für Kurzschlusstests von Komponenten eines Hochvolt-Systems gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Das Verfahren umfasst zumindest zwei Schritte S1, S2. Im ersten Schritt wird die Spannungsverlaufsgröße der Hochvolt-Spannung U_out überwacht. Dies ist in zwei bevorzugten Ausführungsbeispielen entweder die verstrichene Zeit seit dem letzten Ereignis oder ein Spannungswert. In einem zweiten Schritt S2 wird ein weiterer zusätzlicher Kondensator zusätzlich in Reihe geschaltet, wenn die Spannungsverlaufsgröße einen Schwellwert 430 unterschreitet.
• Da es sich bei der vorhergehend detailliert beschriebenen Vorrichtungen und Verfahren um Ausführungsbeispiele handelt, können sie in üblicher Weise vom Fachmann in einem weiten Umfang modifiziert werden, ohne den Bereich der Erfindung zu verlassen. Insbesondere sind die mechanischen und elektrischen Anordnungen und die Größenverhältnisse der einzelnen Elemente zueinander lediglich beispielhaft.
• Bezugszeichenliste

100

Stoßstrom-Testeinrichtung

102

Energiespeichervorrichtung

104

Prüfling

106

erster Anschluss

108

zweiter Anschluss

110

Steuereinrichtung

112

Schalteinrichtung

C1

Kondensatoreinrichtung

C2, C3, C4

zusätzlicher Kondensator

Th1, Th2

Thyristor

Th3, Th4

Thyristor

U_out

Ausgangsspannung, Hochvolt-Spannung

U_ref

Referenzspannung

320

Komparator

322

Zähler

U_soll

Soll-Ausgangsspannung

430

Schwellwert

C5, C6, C7, C8

zusätzliche Kondensatoren

C9, C10, C11

zusätzliche Kondensatoren

Claims (7)

1. Stoßstrom-Testeinrichtung (100) für Kurzschlusstests von Komponenten eines Hochvolt-Systems, die ausgebildet ist, bei einer Hochvolt-Spannungslage von bis etwa 1000 V Ströme bis 20 kA bei einer Stromanstiegszeit von bis zu 500 A pro 10 µs, insbesondere 1000 A pro 10 µs, für eine Dauer von bis zu 50 ms bereitzustellen, - mit einem ersten Anschluss (106) und einem zweiten Anschluss (108) für einen Prüfling (104), - mit einer Kondensatoreinrichtung (C1), die mit den beiden Anschlüssen (106, 108) elektrisch verbunden ist, und die eingerichtet ist, eine Hochvolt-Spannung (U_out) an den Anschlüssen (106, 108) bereitzustellen, - mit einer Anzahl von zusätzlichen Kondensatoren (C2, C3, C4, C5, C6, C7, C8, C9, C10, C11), die mit der Kondensatoreinrichtung (C1) elektrisch in Reihe schaltbar sind, - mit einer Steuereinrichtung (110), die ausgebildet ist, eine Spannungsverlaufsgröße der Hochvolt-Spannung (U_out) zu überwachen und einen weiteren zusätzlichen Kondensator (C2, C3, C4, C5, C6, C7, C8, C9, C10, C11) zusätzlich in Reihe zu schalten, wenn die Spannungsverlaufsgröße einen Schwellwert (430) unterschreitet, - mit jeweils einem Thyristor (Th2, Th3, Th4) pro zusätzlichem Kondensator (C2, C3, C4, C5, C6, C7, C8, C9, C10, C11) sowie einem Thyristor (Th1) für die Kondensatoreinrichtung (C1), wobei der je ein Thyristor (Th1, Th2, Th3, Th4) jeweils eine Elektrode des zugeordneten Kondensators (C1, C2, C3, C4, C5, C6, C7, C8, C9, C10, C11) mit dem zweiten Anschluss (108) verbindet, - wobei die Anzahl der zusätzlichen Kondensatoren (C2, C3, C4, C5, C6, C7, C8, C9, C10, C11) in der Reihenfolge ihres Zuschaltens eine gleiche oder eine abnehmende Kapazität, sowie jeweils eine Spannung zwischen etwa 45 V und etwa 80 V aufweisen, - wobei die Spannung der zusätzlichen Kondensatoren (C2, C3, C4, C5, C6, C7, C8, C9, C10, C11) im Moment des Zuschaltens einer Differenz zwischen einer Soll-Ausgangsspannung (U_soll) und einer den Schwellwert (430) repräsentierenden Referenzspannung (U_ref) entspricht.
2. Stoßstrom-Testeinrichtung (100) gemäß Anspruch 1, bei der die Kondensatoreinrichtung (C1) und/oder die zusätzlichen Kondensatoren (C2, C3, C4, C5, C6, C7, C8, C9, C10, C11) Superkondensatoren aufweisen.
3. Stoßstrom-Testeinrichtung (100) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, bei der die Spannungsverlaufsgröße eine Zeit und der Schwellwert (430) ein vorab definiertes Zeitintervall ist.
4. Stoßstrom-Testeinrichtung (100) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, bei der die Spannungsverlaufsgröße ein Spannungswert der Hochvolt-Spannung (U_out) ist und der Schwellwert (430) eine Referenzspannung oder ein Referenzspannungswert ist.
5. Stoßstrom-Testeinrichtung (100) gemäß Anspruch 4, bei der die Steuereinrichtung (110) einen Komparator (320) aufweist, um die Hochvolt-Spannung (U_out) mit einer den Schwellwert (430) repräsentierenden Referenzspannung (U_ref) zu vergleichen.
6. Stoßstrom-Testeinrichtung (100) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, bei der die Steuereinrichtung (110) von der Kondensatoreinrichtung (C1), den zusätzlichen Kondensatoren (C2, C3, C4, C5, C6, C7, C8, C9, C10, C11) und/oder den Thyristoren (Th1, Th2, Th3, Th4) galvanisch entkoppelt ist.
7. Verfahren zum Bereitstellen einer Hochvolt-Spannung (U_out) für Kurzschlusstests von Komponenten eines Hochvolt-Systems mittels einer Stoßstrom-Testeinrichtung (100), die ausgebildet ist, bei einer Hochvolt-Spannungslage von bis etwa 1000 V Ströme bis 20 kA bei einer Stromanstiegszeit von bis zu 500 A pro 10 µs, insbesondere 1000 A pro 10 µs, für eine Dauer von bis zu 50 ms bereitzustellen, wobei Stoßstrom-Testeinrichtung (100) - einen ersten Anschluss (106) und einen zweiten Anschluss (108), - eine Kondensatoreinrichtung (C1), die mit den beiden Anschlüssen (106, 108) elektrisch verbunden ist, und die eingerichtet ist, eine Hochvolt-Spannung (U_out) an den Anschlüssen (106, 108) bereitzustellen, - eine Anzahl von zusätzlichen Kondensatoren (C2, C3, C4, C5, C6, C7, C8, C9, C10, C11), die mit der Kondensatoreinrichtung (C1) elektrisch in Reihe schaltbar sind, - eine Steuereinrichtung (110), und - mit jeweils einem Thyristor (Th2, Th3, Th4) pro zusätzlichem Kondensator (C2, C3, C4, C5, C6, C7, C8, C9, C10, C11) sowie einem Thyristor (Th1) für die Kondensatoreinrichtung (C1), wobei der je ein Thyristor (Th1, Th2, Th3, Th4) jeweils eine Elektrode des zugeordneten Kondensators (C1, C2, C3, C4, C5, C6, C7, C8, C9, C10, C11) mit dem zweiten Anschluss (108) verbindet, umfasst, wobei - eine Spannungsverlaufsgröße der Hochvolt-Spannung (U_out) überwacht wird, und - ein weiterer zusätzlicher Kondensator (C2, C3, C4, C5, C6, C7, C8, C9, C10, C11) zusätzlich in Reihe geschaltet wird, wenn die Spannungsverlaufsgröße einen Schwellwert (430) unterschreitet, - wobei die Anzahl der zusätzlichen Kondensatoren (C2, C3, C4, C5, C6, C7, C8, C9, C10, C11) in der Reihenfolge ihres Zuschaltens eine gleiche oder eine abnehmende Kapazität, sowie jeweils eine Spannung zwischen etwa 45 V und etwa 80 V aufweisen, - wobei die Spannung der zusätzlichen Kondensatoren (C2, C3, C4, C5, C6, C7, C8, C9, C10, C11) im Moment des Zuschaltens einer Differenz zwischen einer Soll-Ausgangsspannung (U_soll) und einer den Schwellwert (430) repräsentierenden Referenzspannung (U_ref) entspricht.

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