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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Entladen eines Zwischenkreiskondensators gemäß dem Oberbegriff der unabhängigen Patentansprüche.
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Die
DE 10 2013 224 884 A1 offenbart eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Entladen eines Zwischenkreiskondensators in einem Spannungsumrichter. Hierzu wird der Entladevorgang des Zwischenkreiskondensators durch einen Entladeregler derart gesteuert, dass der Zwischenkreiskondensator über eine elektrische Last mit einem vorgegebenen Entladestrom entladen wird. Der Entladestrom ist dabei vorzugsweise über den Entladezeitraum zumindest annähernd konstant. Auf diese Weise erfolgt eine rasche und effiziente Entladung des Zwischenkreiskondensators.
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Es ist eine Aufgabe dieser Erfindung, eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Entladen eines Zwischenkreiskondensators bereitzustellen, durch welche die Entladung des Zwischenkreiskondensators verbessert werden kann.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass beim Stand der Technik die aktive Entladung entweder im Bordnetz direkt an der Trennvorrichtung der Hochvoltbatterie, also z.B. dem oder den Schütz(en) bzw. Schaltschütz(en), gelöst wird oder innerhalb der Leistungselektronik über eine Entladeschaltung mit PTC-Elementen oder ohmschen Widerständen sowie Leistungshalbleitern zur Ansteuerung. Wird eine aktive Entladung auch bei ausgefallener Versorgungsspannung (Klemme 30) gefordert, so ist im aktuellen Stand der Technik ein Hochvoltnetzteil als redundante Spannungsversorgung zur Diagnose der Schaltung eingesetzt, oder der Entladewiderstand wird so ausgelegt, dass er bei dauerhaft geschlossenem Trennschalter betrieben werden kann und die geforderten Entladezeiten erreicht, sobald der Schütz geöffnet ist.
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Um die aktive Entladung unabhängig von der Niedervoltversorgung (Klemme 30) durchführen zu können, wird in den meisten Fällen ein relativ aufwändiges Hochvoltnetzteil eingesetzt. Bisher bekannte Lösungen behandeln die Problematik eines klemmenden oder verzögert auslösenden mechanischen Trennschalters (Schütz) nur unzureichend. Hierfür müssen für die Widerstände der aktiven Entladung sehr hohe Leistungsreserven vorgehalten werden, damit alle Anforderungen erfüllt werden können, also z.B. ein Entladen zwei Sekunden nach Öffnen des mechanischen Trennschalters. Die passive Entladung erfolgt aktuell meist über Festwiderstände, welche direkt zwischen den beiden Hochvolt-Potentialen liegen und die Spannung am Zwischenkreiskondensator innerhalb von zwei Minuten abbauen (können).
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Die Leistungselektronik wie z.B. DC/DC Wandler, Wechselrichter, etc. wird in einem elektrischen Fahrzeug in den meisten Fällen aus einer Hochvoltbatterie versorgt. Im Falle einer Fehlfunktion sowie beim Abstellen des Systems muss die gefährliche Hochspannung, welche im Zwischenkreiskondensator der Leistungselektronik gespeichert ist, möglichst schnell abgebaut werden. Um die Hochvoltbatterie vom System zu trennen werden als Trennschalter meist ein oder mehrere Schütze verwendet. Diese können aber je nach aktuell fließender Stromstärke und mechanischem Aufbau sowie Alter eine unterschiedliche Zeitdauer zum Öffnen haben. Deshalb kann es passieren, dass beim Aktivieren der aktiven Entladung die Hochvoltbatterie noch an der Leistungselektronik angeschlossen ist, obwohl die Schütze geöffnet sein sollten.
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Damit die aktive Entladungsschaltung weiterhin die Anforderung einer schnellen Entladung (meist 2 Sekunden nach Öffnen der Schütze) erfüllen kann, sollten die Schütze bzw. die Spannung des Zwischenkreiskondensators diagnostiziert werden. Eine solche Diagnose muss auch bei ausgefallener Klemme 30-Versorgung der Leistungselektronik sichergestellt werden. Wird die aktive Entladungsschaltung bei noch geschlossenen Schützen aktiviert, so muss sie eine sehr große Leistung vernichten können, was ohne eine Anbindung an das Kühlwasser und entsprechend große Bauteile nicht möglich ist. Zusätzlich soll die Schaltung ohne eine redundante Spannungsversorgung zur Klemme 30 verwendet werden können.
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Die Erfindung löst dieses Problem, indem sie eine von der Versorgungsspannung unabhängige diagnostizierbare, eigensichere aktive Entladungsschaltung bereitstellt. Diese Schaltung beginnt mit der aktiven Entladung erst, sobald die Schütze wirklich geöffnet sind und die Spannung aus dem Zwischenkreis ohne Überhitzen der Schaltung abgebaut werden kann.
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Bereitgestellt wird dazu eine Entladeschaltung, die über einen Zwischenkreis einer Leistungselektronik mit zumindest einer Hochspannungsversorgung verbunden ist, wobei der Zwischenkreis einen Zwischenkreiskondensator umfasst, der über zumindest einen Trennschalter, insbesondere Schütz, mit der zumindest einen Hochspannungsversorgung trennbar verbunden ist, und wobei die Entladeschaltung dazu eingerichtet ist, den Zwischenkreiskondensator zu entladen, und einen Öffnungszustand des zumindest einen Trennschalters basierend auf einem erfassten Spannungsfall im Zwischenkreis abhängig vom Öffnungszustand des zumindest einen Trennschalters zu erfassen, wobei die Entladeschaltung den Zwischenkreiskondensator erst dann entlädt, wenn erfasst ist, dass der zumindest eine Trennschalter geöffnet ist. Wenn mehrere Trennschalter vorgesehen sind, ist insbesondere vorgesehen, dass die Entladeschaltung den Zwischenkreiskondensator erst dann entlädt, wenn erfasst ist, dass alle Trennschalter geöffnet sind.
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In einer Ausführung ist die Entladeschaltung dazu eingerichtet, bei Erfassen, dass der zumindest eine (oder alle) Trennschalter wieder geschlossen ist, die Entladung des Zwischenkreiskondensators zu stoppen.
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In einer Ausführung umfasst die Entladeschaltung ein Entladenetzwerk und eine Aktiventladungsschaltung, wobei die Aktiventladungsschaltung dazu eingerichtet ist, den Zwischenkreiskondensator zu entladen.
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Vorteilhafterweise umfasst die Aktiventladungsschaltung einen Spannungsfallerfasser, der dazu ausgelegt ist, die Geschwindigkeit eines Spannungsfalls am Zwischenkreis zu überwachen, um zu bestimmen, ob der zumindest eine Trennschalter geöffnet oder geschlossen ist, und den Zwischenkreiskondensator über das Entladenetzwerk zu entladen, wenn der zumindest eine (oder alle) Trennschalter geöffnet ist.
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In einer Ausführung umfasst die Aktiventladungsschaltung einen Timer, der dazu eingerichtet ist, einen Entlade-Testpuls zu erzeugen, der das Entladenetzwerk für eine vorbestimmte Zeitdauer aktiviert, und wenn der Spannungsfallerfasser erfasst, dass der Zwischenkreiskondensator entladen werden kann, der Timer die Aktiventladungsschaltung zum Entladen des Zwischenkreiskondensators über das Entladenetzwerk aktiviert.
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In einer Ausführung stoppt der Timer die Aktiventladungsschaltung zum Entladen des Zwischenkreiskondensators über das Entladenetzwerk, wenn der Spannungsfallerfasser basierend auf dem Entlade-Testpuls erfasst, dass der Zwischenkreiskondensator nicht entladen werden kann.
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In einer Ausführung weist der Timer eine Einschaltverzögerung auf. In einer Ausführung sind der Spannungsfallerfasser und der Timer über eine ODER-Schaltung verbunden.
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In einer Ausführung weist das Entladenetzwerk ferner einen Entladewiderstand auf, der dazu eingerichtet und angeordnet ist, den Zwischenkreiskondensator zu entladen, wobei der Entladewiderstand eine Erwärmung abhängig vom Spannungsfall am Zwischenkreis aufweist, wobei Entladeschaltung ferner dazu eingerichtet ist den Entladewiderstand thermisch zu überwachen, und wobei bei Erfassen eines Überschreitens einer vorgegebenen Wärmeschwelle des Entladewiderstands die Entladeschaltung dazu eingerichtet ist, die Entladung des Zwischenkreiskondensators zu stoppen.
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Wird eine aktive Entladung z.B. aktiv durch den Mikrocontroller oder eigeninitiiert bei Ausfall des Mikrocontrollers angefordert, führt die Schaltung eine Testentladung durch, mit Hilfe derer diagnostiziert wird, ob der (oder die Schütze, wenn mehrere vorhanden sind) Schütz schon geöffnet ist. Solange der Schütz noch geschlossen ist, wird die Entladung sofort wieder abgebrochen.
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Ferner wird durch die Überwachung des Entladewiderstands sichergestellt, dass die aktive Entladungsschaltung thermisch nicht überlastet wird wodurch die Forderung nach der schnellen Entladung nicht mehr eingehalten werden könnte. Dies kann sowohl über einen kleinen stromsparenden Mikrocontroller oder eine reine Hardwareschaltung realisiert werden.
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Gleichzeitig wird durch die Spannungsversorgung der Schaltung eine passive Entladung des Zwischenkreiskondensators realisiert. Durch diese Konstantstromquelle wird ebenfalls innerhalb einer geforderten Zeit, z.B. zwei Minuten, entladen. Vorteilhaft ist hier der lineare Abbau der Zwischenkreisspannung gegenüber dem Spannungsabbau als E-Funktion mit Festwiderständen. Dadurch kann z.B. innerhalb von zwei Minuten auf 0 (Null) Volt entladen werden, was bei der Verwendung von Festwiderständen wesentlich länger dauert.
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Ferner wird ein Verfahren zur Entladung eines Zwischenkreiskondensators in einem Zwischenkreis einer mit einer Spannungsversorgung über zumindest einen Trennschalter verbundenen Leistungselektronik bereitgestellt, wobei der Zwischenkreiskondensator nur dann entladen wird, wenn der zumindest eine Trennschalter geöffnet ist und das Entladen gestoppt oder nicht gestartet wird, wenn der zumindest eine (oder alle) Trennschalter geschlossen ist.
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Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen der Erfindung, anhand der Figuren der Zeichnung, die erfindungsgemäße Einzelheiten zeigt, und aus den Ansprüchen. Die einzelnen Merkmale können je einzeln für sich oder zu mehreren in beliebiger Kombination bei einer Variante der Erfindung verwirklicht sein.
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Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnung näher erläutert. Es zeigt:
- 1 zeigt eine prinzipielle Anordnung einer aktiven Entladungsschaltung eines Zwischenkreiskondensators in einem Wechselrichter.
- 2 zeigt eine detaillierte Ansicht einer Entladungsschaltung gemäß einer Ausführung der vorliegenden Erfindung.
- 3 zeigt eine detaillierte Ansicht einer Aktiventladungsschaltung als Bestandteil der Entladungsschaltung gemäß der vorliegenden Erfindung.
- 4 zeigt einen beispielhaften Schaltungsaufbau der Entladungsschaltung gemäß einer Ausführung der vorliegenden Erfindung.
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In den nachfolgenden Figurenbeschreibungen sind gleiche Elemente bzw. Funktionen mit gleichen Bezugszeichen versehen.
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1 zeigt eine prinzipielle Anordnung einer aktiven Entladungsschaltung 11 eines in einem Zwischenkreis vorhandenen Zwischenkreiskondensators 10 in einem Wechselrichter 1. Der Wechselrichter 1 ist in einem Fahrzeug 2 angeordnet, das dem Wechselrichter 1 sowohl das Hochvolt- als auch das Niedervoltbordnetz (KL30, KL15) bereitstellt. Im Fahrzeug 2 wird im Fehlerfall die Hochvoltbatterie 21 über einen oder mehrere mechanische Trennschalter 20, z.B. einen Schütz, abgetrennt. Im Wechselrichter 1 ist zur Pufferung der Spitzenströme beim Ansteuern der (nicht gezeigten) Motoren des Fahrzeugs 2 ein Zwischenkreis mit einem Zwischenkreiskondensator 10 verbaut. Dieser muss im Fehlerfall möglichst schnell entladen werden. Entladen heißt hierbei, dass die Restspannung unterhalb der Grenze für Schutzkleinspannungen gemäß einer vom Hersteller definierten Zeit festgelegt ist. Hierzu wird im Wechselrichter 1 ein Modul zur aktiven Entladung, nachfolgend als Aktiventladungsschaltung 112 bezeichnet, integriert. Dieses Modul 112 wird nachfolgend näher beschrieben.
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2 zeigt die schematische Übersicht der Entladeschaltung 11 zur eigensicheren, diagnostizierbaren aktiven Entladung des Zwischenkreiskondensators 10. Die Entladeschaltung 11 umfasst die Aktiventladungsschaltung 112, welche zur Triggerung und hardwaremäßigen Überwachung des in der Entladeschaltung 11 vorhandenen Entladenetzwerks 111 dient. Das Entladenetzwerk 111 dient zur Entladung des Zwischenkreiskondensators und weist hierzu beispielsweise einen Entladewiderstand R1 auf, wie in 4 gezeigt.
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Diese Aktiventladungsschaltung 112 wird von einem elektronischen Steuergerät ECU im Normalbetrieb getriggert bzw. zur Diagnose betätigt, was in 2 durch die mit T/E gekennzeichnete Leitung, was Trigger / Enable bezeichnet, dargestellt ist. Dabei überwacht die Aktiventladungsschaltung 112 die Spannung im Zwischenkreis 10 über die Diagnose-Leitung D. Ferner erfolgt eine thermische Überwachung des ohmschen Widerstands bzw. des Entladewiderstands R1 (siehe 4) im Entladenetzwerk 111.
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Versorgt wird die Aktiventladungsschaltung 112 entweder direkt über einen einfachen Linearregler aus dem Zwischenkreis 10, wie in 2 mit der Versorgungsleitung V1 angedeutet, oder in einer besonderen Ausführung aus dem Entladenetzwerk 111 direkt, wie in 2 mit der Versorgungsleitung V2 angedeutet. Im zweiten Fall kann auf teure (nicht gezeigte) PTC-Elemente zum Schutz vor durchlegierten FETs verzichtet werden und stattdessen kann eine günstige SMD-Sicherung zum Einsatz kommen. Zusätzlich zur reinen Hardwareüberwachung kann der Entladestrom durch einen Mikrocontroller gemessen werden, wie z.B. in 3 und 4 gezeigt und mit uC_Trigger gekennzeichnet. Dadurch kann die Schaltung zusätzlich diagnostiziert werden.
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Die in 3 gezeigte detaillierte Darstellung der Aktiventladungsschaltung 112 umfasst einen Timer 1121, der von dem Mikrocontroller uC_Trigger getriggert bzw. aktiviert oder deaktiviert werden kann. Der Timer 1121 initiiert bevorzugt nach einer kurzen Einschaltverzögerung einen kurzen Entlade-Testpuls, durch den getestet wird, ob der Zwischenkreiskondensator entladen werden kann. Die Entladung kann dabei über einen Hardware-Filter 1123 von einem Spannungsfallerfasser bzw. Rate-Detector 1122 überwacht werden. Wird vom Spannungsfallerfasser 1122 erkannt, dass der Zwischenkreis 10 bzw. der Zwischenkreiskondensator 10 entladen werden kann, weil der z.B. als Schütz ausgeführte Trennschalter 20 geöffnet ist, übernimmt der Spannungsfallerfasser 1122 das Entladen. Dieser überwacht den Entladewiderstand R1 im Entladenetzwerk 111 zusätzlich bezüglich der Temperatur. Dadurch kann die Entladeschaltung 11 überwacht werden. Wird der Schütz 20 während des Entladens des Zwischenkreises 10 wieder geschlossen, stoppt der Spannungsfallerfasser 1122 die Entladung automatisch. Solange die Klemme 30 aktiv ist, wird der Entladestrom über die Strommessung z.B. durch den Controller bzw. eine Steuereinheit der ECU überwacht. Über den Hardware-Filter 1123 vor oder in dem Spannungsfallerfasser 1122 werden Rippelspannungen, die durch die Verbraucher am Hochvoltbordnetz verursacht werden können, herausgefiltert. Der Timer 1121 und der Spannungsfallerfasser 1122 sind über eine Oderschaltung OR verbunden. Dabei kann die Oderschaltung OR entweder diskret oder über integrierte Bauteile gelöst sein.
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In 4 wird an einem vereinfachten Schaltungsvorschlag die Funktionsweise der Aktiventladungsschaltung 112 in Verbindung mit dem Entladenetzwerk 111 vorgestellt. Gezeigt ist eine Ausführung, in der sich die Aktiventladungsschaltung 112 direkt aus dem Entladenetzwerk 111 versorgt. Zur Sicherheit der Schaltung vor durchlegierten FETs wird eine Sicherung F1 verwendet.
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Im Schaltungsbereich 001 ist ein einfacher Linearregler gezeigt. Durch diesen Linearregler erfüllt die Schaltung eine zusätzliche Wechselrichterfunktion, nämlich die passive Entladung. Diese Konstantstromquelle entlädt dauerhaft den (nicht gezeigten) Zwischenkreiskondensator des Zwischenkreises 10. Der Linearregler stabilisiert die Spannung für den Timer 1121 im Timerbereich 002. Da der Linearregler die Spannung aus dem Entladenetzwerk 111 bzw. 003 generiert, das einen Transistor T1 und einen Entladewiderstand R1 umfasst, wird die Diode D1 verwendet, um den Timer 1121 bei eingeschaltetem Entladenetzwerk 111 bzw. 003 weiterhin aus dem Kondensator C1 zu versorgen.
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Der Timer 1121 wird vom Mikrocontroller über den Eingang uC_Trigger aktiviert oder deaktiviert. Anschließend erfolgt bevorzugt eine kurze Einschaltverzögerung, wodurch die Wahrscheinlichkeit eines offenen (nicht gezeigten) Schützes 20 erhöht wird. Danach wird im Timer 1121 ein Testpuls generiert, der das Entladenetzwerk 111 für eine sehr kurze Zeit aktiviert. Als sehr kurz ist eine Zeit definiert, die ausreicht, zu testen, ob der Schütz 20 offen ist oder nicht. Die Zeit ist aber nicht lange genug, um die Entladeschaltung 11 zu beschädigen, wenn der Schütz 20 nicht offen bzw. geschlossen ist. Durch den Testpuls kann entschieden werden, ob der Zwischenkreiskondensator 10 entladen werden kann (Schütz ist als offen erkannt) oder nicht (Schütz ist als geschlossen erkannt).
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Mit dem Schaltungsteil 004 wird der Spannungsfallerfasser 1122 realisiert. Er besteht prinzipiell aus einem Komparator IC1, der die Geschwindigkeit des Spannungsfalls am Hochvolt-Zwischenkreis 10 mit den Widerständen R3-R7, sowie den Filterkondensatoren C2 und C3 überwacht. Ist die Spannungsflanke steil genug, wird davon ausgegangen, dass der z.B. als Schütz ausgeführte Trennschalter (nicht gezeigt) geöffnet ist und der Zwischenkreis 10 entladen werden kann. Von diesem Zeitpunkt an übernimmt der Komparator die Ansteuerung des Transistors T1 über die Oder-Schaltung OR. Die Filterschaltung R3-R7 muss in geeigneter Weise dimensioniert werden, was vom Fachmann abhängig von der Auslegung der Schaltung übernommen werden kann.
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Als ein weiterer Diagnosepfad ist eine Strommessung über den Widerstand R2 gezeigt, bei der der Spannungsfall an dem Widerstand R2 über eine geeignete Verstärkerschaltung und galvanische Trennung an den Mikrocontroller angeschlossen wird.
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Nicht gezeigt, bzw. in 3 mit T angedeutet, ist in dieser Schaltungsausgestaltung die thermische Überwachung des Entladewiderstands R1. Dieser kann z.B. über einen temperaturabhängigen Widerstand und eine Komparator-Auswerteschaltung realisiert sein. Wird der Widerstand R1 zu warm, müsste der Transistor T1 über eine logische Und-Schaltung wieder deaktiviert werden. Die Auslegung und Anordnung kann vom Fachmann übernommen werden.
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Prinzipiell sind weitere Ausführungen der Schaltung je nach Anwendung möglich. Sollte eine Sicherung F1 zum Schutz des Zwischenkreises 10 vor durchlegierten FETs nicht einsetzbar sein, könnte die Schaltung 001 auch direkt aus dem Zwischenkreis 10 versorgt werden, was mit der Versorgungsleitung V1 in 2 angedeutet ist. Dazu sollten allerdings dann auf die Drain-Seite der FETs ein PTC Widerstand geschalten werden, falls ein Schutz vor einem Durchlegieren der FETs gefordert ist.
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Eine weitere Schaltungsoption ist die Realisierung des Timers 1121 und der Spannungsfallerfasser-Schaltung bzw. Rate-Detector-Schaltung 1122 in einem Mikrocontroller. Diese Lösung hat den Vorteil, dass eine noch bessere Diagnose für das Wechselrichter-Steuergerät (ECU) bereitgestellt werden könnte. Zusätzlich könnten mit diesem Controller auch die relevanten Spannungen und Ströme der Transistoren, z.B. der IGBTs, ausgelesen werden und über eine Kommunikationsschnittstelle an die das Wechselrichter-Steuergerät (ECU) übertragen werden.
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Falls bei jedem Batterieabwurf zuverlässig ein Spannungseinbruch im Hochvolt-System detektiert werden kann, kann auf den Timer ebenfalls verzichtet werden, und die Überwachung und Diagnose der Schaltung würde allein über den Spannungsfallerfasser bzw. Rate-Detector arbeiten.
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Durch die vorgestellte Entladungsschaltung ist eine eigensichere, versorgungsspannungsunabhängige, diagnostizierbare, aktive Entladungsschaltung bereitgestellt, die kein Hochvoltnetzteil benötigt und dennoch mit kostengünstigen Bauteilen möglichst ohne Anbindung an eine Wasserkühlung realisierbar ist. Zusätzlich kann ein Schaltungsteil der Erfindung auch als passive Entladung genutzt werden.
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Die vorgestellte Entladungsschaltung kann in Fahrzeugen mit Hochvoltnetzen, in denen Spannungen vorhanden sind, die größer der Schutzkleinspannung von momentan 60V sind, zur aktiven Entladung des Zwischenkreiskondensators im Fehlerfall innerhalb der Leistungselektronik eingesetzt werden.
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In der Beschreibung wurde zumeist Bezug auf „einen“ oder „den“ Schütz bzw. Trennschalter genommen, da dies der leichteren Verständlichkeit dient. Wenn mehr als ein Trennschalter vorhanden ist, ist das gezeigte Prinzip ebenfalls anwendbar.
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Bezugszeichen
- 1
- Wechselrichter
- 2
- Fahrzeug
- 10
- Zwischenkreis mit Zwischenkreiskondensator
- 11
- Entladeschaltung
- 111
- Entladenetzwerk
- 112
- Aktiventladungsschaltung
- 1121
- Timer
- 1122
- Spannungsfallerfasser (Rate Detector)
- 1123
- Hardware-Filter
- 20
- Trennschalter
- 21
- Hochspannungsversorgung
- V1, V2
- Versorgungsleitung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102013224884 A1 [0002]
