DE102017004297A1 - DC intermediate circuit and method for its operation - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Gleichspannungszwischenkreis (12) eines elektrischen Bordnetzes (10) eines Kraftfahrzeugs, mit einem Zwischenkreiskondensator (14) zum Bereitstellen einer Zwischenkreisgleichspannung (16) für das elektrische Bordnetz (10), einem elektrischen Energiespeicher (18) und einem getakteten Energiewandler (20) zum bidirektionalen Wandeln von elektrischer Energie, wobei der elektrische Energiespeicher (18) mittels des getakteten Energiewandlers (20) parallel am Zwischenkreiskondensator (14) angeschlossen ist. Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, einen Gleichspannungszwischenkreis der gattungsgemäßen Art zu verbessern. Erfindungsgemäß weist der Gleichspannungszwischenkreis (12) eine Steuereinheit (22) auf, die ausgebildet ist, den getakteten Energiewandler (20) abhängig von einem Ladungszustand des Zwischenkreiskondensators (14) zu steuern, wobei der getaktete Energiewandler (20) ausgebildet ist, die elektrische Energie bidirektional zu wandeln.The invention relates to a DC intermediate circuit (12) of an electrical onboard network (10) of a motor vehicle, comprising an intermediate circuit capacitor (14) for providing a DC intermediate voltage (16) for the electrical system (10), an electrical energy store (18) and a clocked energy converter (20 ) for the bidirectional conversion of electrical energy, wherein the electrical energy store (18) by means of the clocked energy converter (20) is connected in parallel to the intermediate circuit capacitor (14). The invention is therefore based on the object to improve a DC voltage intermediate circuit of the generic type. According to the invention, the DC intermediate circuit (12) has a control unit (22) which is designed to control the cycled energy converter (20) as a function of a charge state of the intermediate circuit capacitor (14), wherein the clocked energy converter (20) is designed to bidirectionally direct the electrical energy to change.

Description

Die Erfindung betrifft einen Gleichspannungszwischenkreis eines elektrischen Bordnetzes eines Kraftfahrzeugs, mit einem Zwischenkreiskondensator zum Bereitstellen einer Zwischenkreisgleichspannung für das elektrische Bordnetz, einem elektrischen Energiespeicher und einem getakteten Energiewandler, wobei der elektrische Energiespeicher mittels des getakteten Energiewandlers parallel am Zwischenkreiskondensator angeschlossen ist. Darüber hinaus betrifft die Erfindung auch ein Verfahren zum Betreiben eines Gleichspannungszwischenkreis eines elektrischen Bordnetzes eines Kraftfahrzeugs, bei dem mittels eines Zwischenkreiskondensators eine Zwischenkreisgleichspannung für das elektrische Bordnetz bereitgestellt wird, wobei der Zwischenkreiskondensator mittels eines getakteten Energiewandlers mit einem elektrischen Energiespeicher gekoppelt wird.The invention relates to a DC intermediate circuit of an electrical system of a motor vehicle, with an intermediate circuit capacitor for providing a DC link voltage for the electrical system, an electrical energy storage and a clocked energy converter, wherein the electrical energy storage is connected by means of the clocked energy converter in parallel to the DC link capacitor. In addition, the invention also relates to a method for operating a DC intermediate circuit of an electrical system of a motor vehicle, in which by means of an intermediate circuit capacitor DC link voltage for the electrical system is provided, wherein the DC link capacitor is coupled by means of a clocked energy converter with an electrical energy storage.

Ein Gleichspannungszwischenkreis sowie ein Verfahren zu dessen Betrieb sind im Bereich der Anlagentechnik aus der EP 2 642 652 A1 bekannt. Diese offenbart einen Spannungszwischenkreisumrichter mit schlankem Zwischenkreis mit zusätzlichem geregeltem Pufferzwischenkreis und ein Verfahren zu dessen Betrieb. Parallel zu einem Zwischenkreiskondensator ist bei dieser Lehre ein Pufferkondensator über eine Diode und einen parallel zur Diode geschalteten Tiefsetzsteller angeschlossen. Durch die Diode kann der Pufferkondensator vom Zwischenkreiskondensator mit elektrischer Ladung aufgeladen werden, wobei bei Bedarf von zusätzlicher elektrischer Ladung im Zwischenkreis der Tiefsetzsteller elektrische Energie dem Zwischenkreiskondensator aus dem Pufferkondensator zuführt. Gesteuert wird der Tiefsetzsteller abhängig von einer Netzimpedanz, was für den Anlagenbereich in der elektrischen Energieversorgung sinnvoll ist.A DC intermediate circuit and a method for its operation are in the field of plant engineering from the EP 2 642 652 A1 known. This discloses a voltage link converter with a slim DC link with additional regulated buffer intermediate circuit and a method for its operation. Parallel to a DC link capacitor is connected in this teaching, a buffer capacitor via a diode and a parallel to the diode buck converter. Through the diode, the buffer capacitor can be charged by the DC link capacitor with electrical charge, wherein, if necessary, additional electrical charge in the DC link of the buck converter electrical energy to the DC link capacitor from the buffer capacitor supplies. The buck converter is controlled depending on a network impedance, which makes sense for the system area in the electrical power supply.

Für den Einsatz bei Kraftfahrzeugen ist ein derartiges Steuerverfahren jedoch wenig geeignet. So kommt es – im Unterschied zur Lehre der EP 2 642 652 A1 – bei Kraftfahrzeugen weniger darauf an, eine Netzimpedanz zu betrachten, sondern vielmehr darauf, die Zwischenkreisgleichspannung am Gleichspannungszwischenkreis beziehungsweise am Zwischenkreiskondensator möglichst konstant, in der Realität in einem vorgegebenen Spannungsbereich, zu halten. Dies soll für den bestimmungsgemäßen Betrieb des Kraftfahrzeugs und des elektrischen Bordnetzes möglichst unabhängig von einer Netzimpedanz erfolgen.However, such a control method is less suitable for use in motor vehicles. So it comes - in contrast to the teaching of EP 2 642 652 A1 - For motor vehicles less concerned to consider a network impedance, but rather to keep the DC link DC voltage at the DC intermediate circuit or the DC link capacitor as constant as possible, in reality in a predetermined voltage range. This should be done for the proper operation of the motor vehicle and the electrical system as independent as possible of a network impedance.

Kraftfahrzeuge weisen ein elektrisches Bordnetz auf, das die elektrischen Einrichtungen des Kraftfahrzeugs energietechnisch koppelt, damit diese für ihren bestimmungsgemäßen Betrieb in vorgegebener Weise mit elektrischer Energie versorgt werden können. Ist das Kraftfahrzeug ein elektrisch antreibbares Kraftfahrzeug, welches zum Zwecke des Antriebs auch eine elektrische Antriebseinrichtung umfasst, ist diese ebenfalls in vorgebbarer Weise mit elektrischer Energie durch das Bordnetz zu versorgen.Motor vehicles have an electrical system, which couples the electrical equipment of the motor vehicle energy, so that they can be supplied for their intended operation in a predetermined manner with electrical energy. If the motor vehicle is an electrically drivable motor vehicle, which also includes an electric drive device for the purpose of the drive, this is likewise to be supplied in a predeterminable manner with electrical energy through the vehicle electrical system.

Mittels der Antriebseinrichtung ist das Kraftfahrzeug für den bestimmungsgemäßen Fahrbetrieb antreibbar. Die elektrische Antriebseinrichtung umfasst in der Regel einen Wechselrichter, der ein Wechselspannungsnetz bereitgestellt, an das eine rotierende elektrische Maschine angeschlossen ist, die dem Antrieb des Kraftfahrzeugs dient. Das elektrische Bordnetz kann darüber hinaus eine elektrische Energiequelle wie einen mittels einer Verbrennungskraftmaschine angetriebenen elektrischen Generator, eine Brennstoffzelle und/oder dergleichen umfassen. In der Regel umfasst das elektrische Bordnetz auch den elektrischen Energiespeicher, der häufig durch einen Zwischenkreiskondensator gebildet ist. Darüber hinaus können an das elektrische Bordnetz auch ein oder mehrere Akkumulatoren, bei elektrisch antreibbaren Kraftfahrzeugen insbesondere Hochvolt-Batterien, angeschlossen sein.By means of the drive device, the motor vehicle for the intended driving operation can be driven. The electric drive device usually comprises an inverter, which provides an alternating voltage network to which a rotating electrical machine is connected, which serves to drive the motor vehicle. The electrical system can furthermore comprise an electrical energy source such as an electric generator driven by an internal combustion engine, a fuel cell and / or the like. In general, the electrical system also includes the electrical energy storage, which is often formed by a DC link capacitor. In addition, one or more accumulators may be connected to the electrical system and, in the case of electrically driven motor vehicles, in particular high-voltage batteries.

Der Zwischenkreiskondensator dient dazu, die Zwischenkreisgleichspannung für das elektrische Bordnetz bereitzustellen. Für den bestimmungsgemäßen Betrieb des elektrischen Bordnetzes ist es gewünscht, die Zwischenkreisgleichspannung möglichst in einem vorgegebenen Bereich zu halten, damit der zuverlässige Betrieb sämtlicher elektrischer Einheiten des elektrischen Bordnetzes beziehungsweise Einrichtungen, die an das elektrische Bordnetz angeschlossen ist, gewährleisten zu können.The DC link capacitor serves to provide the DC link voltage for the electrical system. For the proper operation of the electrical system, it is desired to keep the DC link voltage as possible in a predetermined range, so that the reliable operation of all electrical units of the electrical system or devices that is connected to the electrical system can ensure.

Dabei hat sich gezeigt, dass der Aufwand für den Zwischenkreiskondensator insbesondere bei hohen Anforderungen an eine Stabilität der Zwischenkreisgleichspannung, entsprechend hoch ist. Dies erfordert insbesondere einen entsprechend groß gewählten Zwischenkreiskondensator, der hinsichtlich der elektrischen Belastbarkeit geeignet ausgebildet sein muss. Ein solcher Kondensator benötigt nicht nur einen entsprechend großen Bauraum, sondern er führt auch zu einem entsprechenden Gewicht. Beides ist für das Kraftfahrzeug ungünstig.It has been found that the expense of the DC link capacitor is correspondingly high, especially with high requirements for stability of the DC link voltage. This requires in particular a correspondingly large selected intermediate circuit capacitor, which must be designed to be suitable in terms of electrical capacity. Such a capacitor not only requires a correspondingly large space, but it also leads to a corresponding weight. Both are unfavorable for the motor vehicle.

Die aus dem Stand der Technik bekannte Lehre der EP 2 642 652 A1 eignet sich jedoch aus den vorgenannten Gründen nicht für den Einsatz bei einem elektrischen Bordnetz eines Kraftfahrzeugs.The well-known from the prior art doctrine EP 2 642 652 A1 However, for the aforementioned reasons, it is not suitable for use in an electrical vehicle electrical system of a motor vehicle.

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, einen Gleichspannungszwischenkreis der gattungsgemäßen Art zu verbessern.The invention is therefore based on the object to improve a DC voltage intermediate circuit of the generic type.

Als Lösung werden mit der Erfindung ein Gleichspannungszwischenkreis sowie ein Verfahren zu dessen Betrieb gemäß den unabhängigen Ansprüchen vorgeschlagen.As a solution with the invention, a DC voltage intermediate circuit and a method proposed for its operation according to the independent claims.

Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich anhand von Merkmalen der abhängigen Ansprüche.Advantageous developments will become apparent from the features of the dependent claims.

Bezüglich eines gattungsgemäßen Gleichspannungszwischenkreises wird insbesondere vorgeschlagen, dass dieser eine Steuereinheit aufweist, die ausgebildet ist, den getakteten Energiewandler abhängig von einem Ladungszustand des Zwischenkreiskondensators zu steuern, und der getaktete Energiewandler ausgebildet ist, die elektrische Energie bidirektional zu wandeln.With regard to a generic DC voltage intermediate circuit, it is in particular proposed that it has a control unit which is designed to control the clocked energy converter as a function of a charge state of the intermediate circuit capacitor, and the clocked energy converter is designed to convert the electrical energy bidirectionally.

Bezüglich eines gattungsgemäßen Verfahrens wird insbesondere vorgeschlagen, dass der getaktete Energiewandler elektrische Energie bidirektional wandelt und der getaktete Energiewandler mittels einer Steuereinheit abhängig von einem Ladungszustand des Zwischenkreiskondensators gesteuert wird.With regard to a generic method, it is in particular proposed that the clocked energy converter converts electrical energy bidirectionally and the clocked energy converter is controlled by means of a control unit depending on a charge state of the intermediate circuit capacitor.

Mit der Erfindung ist es also möglich, eine Zusatzschaltung zu schaffen, mittels der der Zwischenkreiskondensator entlastet werden kann, und zwar derart, dass er hinsichtlich seiner Abmessungen und seines Gewichts reduziert werden kann. Die Erfindung erreicht dies dadurch, dass mittels des elektrischen Energiespeichers, der vorzugsweise ebenfalls ein Kondensator ist, eine Entlastung des Zwischenkreiskondensators gesteuert durch den getakteten Energiewandler erreicht werden kann. Dabei kann aufgrund des Betriebs des getakteten Energiewandlers eine spannungsbezogene Entkopplung des elektrischen Energiespeichers vom Zwischenkreiskondensator erreicht werden, sodass ein momentaner Spannungspegel am elektrischen Energiespeicher erheblich von der Zwischenkreisgleichspannung am Gleichspannungszwischenkreis abweichen kann. Dadurch kann eine elektrische Kapazität des elektrischen Energiespeichers erheblich effizienter genutzt werden als dies bei dem Zwischenkreiskondensator möglich ist. Die Kapazität des Zwischenkreiskondensators ist nämlich so auszulegen, dass Leistungsschwankungen im Gleichspannungszwischenkreis möglichst nicht zu signifikanten Schwankungen der Zwischenkreisgleichspannung führen, die einen vorgegebenen Wert überschreiten. Dadurch ist die Kapazität des Zwischenkreiskondensators entsprechend hoch zu wählen.With the invention, it is thus possible to provide an additional circuit by means of which the intermediate circuit capacitor can be relieved, in such a way that it can be reduced in terms of its dimensions and weight. The invention achieves this by virtue of the fact that, by means of the electrical energy store, which is preferably likewise a capacitor, a discharge of the intermediate circuit capacitor can be achieved controlled by the clocked energy converter. In this case, due to the operation of the clocked energy converter, a voltage-related decoupling of the electrical energy storage can be achieved by the DC link capacitor, so that an instantaneous voltage level on the electrical energy storage can differ significantly from the DC link DC voltage at the DC link. As a result, an electrical capacity of the electrical energy store can be used considerably more efficiently than is possible with the DC link capacitor. The capacitance of the DC link capacitor is to be interpreted in such a way that power fluctuations in the DC link do not lead to significant fluctuations in the DC link voltage which exceed a predetermined value. As a result, the capacity of the DC link capacitor is to be selected correspondingly high.

Diese hohen Anforderungen braucht die elektrische Spannung am elektrischen Energiespeicher nicht einzuhalten. Durch den getakteten Energiewandler ist der elektrische Energiespeicher hiervon im Wesentlichen vollständig entkoppelt. Dadurch steht ein voller technisch möglicher Spannungsbereich zur Bereitstellung beziehungsweise zur Aufnahme von elektrischer Ladung zur Verfügung. Durch geeignetes Steuern des getakteten Energiewandlers kann somit dem Gleichspannungszwischenkreis bedarfsgerecht elektrische Ladung zugeführt beziehungsweise von diesem elektrische Ladung entnommen werden, um die Zwischenkreisgleichspannung zusätzlich zu stabilisieren.These high requirements do not have to comply with the electrical voltage at the electrical energy storage. By the clocked energy converter, the electrical energy storage thereof is substantially completely decoupled. As a result, a full technically possible voltage range is available for providing or receiving electrical charge. By suitably controlling the clocked energy converter, the DC intermediate circuit can thus be supplied with electric charge as required or be removed from this electrical charge in order to additionally stabilize the DC link voltage.

Anders als im Stand der Technik kommt es bei der Erfindung also nicht darauf an, für die Steuerung des getakteten Energiewandlers eine Netzimpedanz in Betracht zu ziehen. Vielmehr erfolgt die Steuerung des getakteten Energiewandlers im Wesentlichen abhängig vom Ladungszustand des Zwischenkreiskondensators. Ist der Ladungszustand nämlich entsprechend hoch, kann mittels des getakteten Energiewandlers elektrische Energie dem Zwischenkreiskondensator entnommen und dem elektrischen Energiespeicher zugeführt werden. Im umgekehrten Fall, wenn der Ladungszustand des Zwischenkreiskondensators gering ist, kann mittels des getakteten Energiewandlers dem elektrischen Energiespeicher elektrische Ladung entnommen und dem Zwischenkreiskondensator zugeführt werden. Dadurch wird die Zwischenkreisspannung am Zwischenkreiskondensator stabilisiert. Der elektrische Energiespeicher braucht also lediglich eine vergleichsweise geringe elektrische Kapazität gegenüber dem Zwischenkreiskondensator aufzuweisen, weil sich die elektrische Spannung unabhängig von der Zwischenkreisgleichspannung und über einen weiten Spannungsbereich einstellen kann. Dadurch kann insgesamt eine Reduzierung der Baugröße und des Gewichts erreicht werden, auch wenn zusätzlich der getaktete Energiewandler erforderlich ist. Entsprechend kann auch die elektrische Kapazität des Zwischenkreiskondensators reduziert werden, wodurch ebenfalls Baugröße und Gewicht eingespart werden können.Unlike in the prior art, it is therefore not important in the invention to consider network impedance for the control of the clocked energy converter. Rather, the control of the clocked energy converter is essentially dependent on the charge state of the intermediate circuit capacitor. If the state of charge is correspondingly high, electrical energy can be taken from the intermediate circuit capacitor and supplied to the electrical energy store by means of the clocked energy converter. In the opposite case, when the charge state of the intermediate circuit capacitor is low, can be removed by means of the clocked energy converter electrical energy storage electrical charge and fed to the DC link capacitor. As a result, the DC link voltage is stabilized on the DC link capacitor. Thus, the electrical energy storage only needs to have a comparatively small electrical capacitance with respect to the intermediate circuit capacitor, because the electrical voltage can be set independently of the DC link voltage and over a wide voltage range. As a result, a total reduction of the size and weight can be achieved, even if additionally the clocked energy converter is required. Accordingly, the electrical capacitance of the DC link capacitor can be reduced, which also size and weight can be saved.

Der getaktete Energiewandler ist vorzugsweise als bidirektionaler DC/DC-Wandler ausgebildet. Die Steuereinheit kann als elektronische Hardwareschaltung ausgebildet sein und/oder eine Rechnereinheit umfassen, die mittels eines geeigneten Rechnerprogramms gesteuert wird. Darüber hinaus ist die Steuereinheit ausgebildet, zumindest die Zwischenkreisgleichspannung am Zwischenkreiskondensator zu erfassen, um daraus dessen Ladungszustand zu ermitteln. Vorzugsweise ist ein vorgegebener Spannungsbereich für die Zwischenkreisgleichspannung vorgesehen und die Steuereinheit vergleicht den mittels eines Spannungssensors erfassten Wert der Zwischenkreisgleichspannung mit dem vorgegebenen Wert. Ist die Zwischenkreisgleichspannung außerhalb des vorgegebenen Bereichs wird in vorbeschriebener Weise dem Zwischenkreiskondensator elektrische Energie zugeführt beziehungsweise aus dem Zwischenkreiskondensator abgeführt.The clocked energy converter is preferably designed as a bidirectional DC / DC converter. The control unit may be designed as an electronic hardware circuit and / or comprise a computer unit, which is controlled by means of a suitable computer program. In addition, the control unit is designed to detect at least the DC link DC voltage on the DC link capacitor in order to determine its charge state therefrom. Preferably, a predetermined voltage range is provided for the intermediate circuit DC voltage, and the control unit compares the value of the DC link voltage detected by a voltage sensor with the predetermined value. If the intermediate circuit DC voltage is outside the predetermined range, electrical energy is supplied to the DC link capacitor or removed from the DC link capacitor in the manner described above.

Alternativ oder ergänzend kann die Steuereinheit auch einen Stromsensor aufweisen, der einen elektrischen Strom des Zwischenkreiskondensators erfasst. Damit ist es möglich, unmittelbar Ladungsänderungen des Zwischenkreiskondensators zu erfassen und eine entsprechende Steuerung des getakteten Energiewandlers zu veranlassen. Der getaktete Energiewandler ist vorzugsweise ausgebildet, sowohl ein Hochsetzstellen als auch ein Tiefsetzstellen realisieren zu können. Dadurch kann eine nahezu vollständige Spannungsentkopplung des elektrischen Energiespeichers vom Zwischenkreiskondensator erreicht werden. Alternatively or additionally, the control unit can also have a current sensor which detects an electrical current of the intermediate circuit capacitor. This makes it possible to detect changes in the charge of the DC link capacitor directly and to initiate a corresponding control of the clocked energy converter. The clocked energy converter is preferably designed to be able to realize both a boosting and a step-down. As a result, an almost complete decoupling of the voltage of the electrical energy store from the DC link capacitor can be achieved.

Die für den erfindungsgemäßen Gleichspannungszwischenkreis angegebenen Vorteile und Wirkungen ergeben sich in gleicher Weise auch für das erfindungsgemäße Verfahren und umgekehrt. Dementsprechend können für Vorrichtungsmerkmale auch Verfahrensmerkmale und umgekehrt formuliert sein.The advantages and effects stated for the DC voltage intermediate circuit according to the invention also arise in the same way for the method according to the invention and vice versa. Accordingly, device features and also vice versa can be formulated for device features.

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.Further advantages, features and details of the invention will become apparent from the following description of a preferred embodiment and from the drawing. The features and feature combinations mentioned above in the description as well as the features and feature combinations mentioned below in the figure description and / or alone in the single figure can be used not only in the respectively indicated combination but also in other combinations or alone, without the frame to leave the invention.

Dabei zeigt die einzige Fig. in einer schematischen Schaltbilddarstellung einen Gleichspannungszwischenkreis gemäß der Erfindung.The single FIGURE shows a schematic circuit diagram representation of a DC intermediate circuit according to the invention.

In einer schematischen Schaltbilddarstellung zeigt die einzige Fig. einen Ausschnitt aus einem elektrischen Bordnetz 10 eines nicht weiter dargestellten, elektrisch angetriebenen Kraftfahrzeugs, vorliegend ein Elektrofahrzeug. In der Fig. ist nicht dargestellt, dass das Elektrofahrzeug eine elektrische Antriebseinrichtung aufweist, die zum Zwecke der Versorgung mit elektrischer Energie an dem elektrischen Bordnetz 10 angeschlossen ist. Zu diesem Zweck weist das Bordnetz 10 einen Gleichspannungszwischenkreis 12 auf, der seinerseits einen Zwischenkreiskondensator 14 umfasst, der der Bereitstellung einer Zwischenkreisgleichspannung 16 für das elektrische Bordnetz 10 dient.In a schematic diagram representation, the only Fig. Shows a section of an electrical system 10 a not shown, electrically driven motor vehicle, in this case an electric vehicle. In the figure, it is not shown that the electric vehicle has an electric drive device, for the purpose of supplying electrical energy to the electrical system 10 connected. For this purpose, the electrical system 10 a DC voltage intermediate circuit 12 on, in turn, a DC link capacitor 14 comprising providing a DC link voltage 16 for the electrical system 10 serves.

An dem Zwischenkreiskondensator 14 ist ein Ausgleichskondensator 18 als elektrischer Energiespeicher mittels eines DC/DC-Wandlers 20 als elektrischem Energiewandler parallel angeschlossen. Der DC/DC-Wandler 20 ist ausgebildet, elektrische Energie bidirektional wandeln zu können. Erfindungsgemäß ist eine Steuereinheit 22 vorgesehen, die ausgebildet ist, den DC/DC-Wandler 20 abhängig von einem Ladungszustand des Zwischenkreiskondensators 14 zu steuern. Zu diesem Zweck erfasst die Steuereinheit 22 mittels eines nicht weiter dargestellten Spannungssensors die Zwischenkreisgleichspannung 16 am Zwischenkreiskondensator 14.At the DC link capacitor 14 is a balancing capacitor 18 as an electrical energy storage by means of a DC / DC converter 20 connected in parallel as an electrical energy converter. The DC / DC converter 20 is designed to be able to convert electrical energy bidirectionally. According to the invention, a control unit 22 provided, which is formed, the DC / DC converter 20 depending on a charge state of the DC link capacitor 14 to control. For this purpose, the control unit detects 22 by means of a voltage sensor, not shown, the intermediate circuit DC voltage 16 at the DC link capacitor 14 ,

Wie aus der Fig. ersichtlich ist, umfasst der DC/DC-Wandler 20 vier Schaltelemente, die vorliegend als Halbleiterschaltelemente, und zwar als Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor (MOSFET) 24, 26, 28, 30 ausgebildet sind. Dabei ist aus den MOSFET's 24, 26 eine Reihenschaltung gebildet, die parallel zum Zwischenkreiskondensator 14 am Gleichspannungszwischenkreis 10 angeschlossen ist. Ein Mittelabgriff 32 ist an einen ersten Anschluss einer elektrischen Induktivität L1 angeschlossen.As can be seen from the figure, the DC / DC converter comprises 20 Four switching elements, in the present case as semiconductor switching elements, as a metal oxide semiconductor field effect transistor (MOSFET) 24 . 26 . 28 . 30 are formed. It is from the MOSFET's 24 . 26 a series circuit is formed, which is parallel to the DC link capacitor 14 at the DC voltage intermediate circuit 10 connected. A middle tap 32 is connected to a first terminal of an electrical inductance L1.

Ein zweiter Anschluss der elektrischen Induktivität L1 ist an einen Mittelabgriff 34 einer Reihenschaltung gebildet aus den MOSFET's 28, 30 angeschlossen. Die Reihenschaltung aus den MOSFET's 28, 30 ist parallel an den Ausgleichskondensator 18 angeschlossen.A second terminal of the electrical inductance L1 is connected to a center tap 34 a series circuit formed of the MOSFETs 28 . 30 connected. The series connection of the MOSFET's 28 . 30 is parallel to the equalization capacitor 18 connected.

Die MOSFET's 24, 26, 28, 30 werden durch die Steuereinheit 22 mittels geeigneter Steuersignale im Taktbetrieb betrieben, um die gewünschte Energiewandlung realisieren zu können. Anstelle der MOSFET's können natürlich auch andere geeignete Halbleiterschalter, beispielsweise bipolare Transistoren, Insulated Gate Bipolar Transistor (IGBT) und/oder dergleichen eingesetzt werden. Darüber hinaus ist es natürlich möglich, die Induktivität L1 auch durch einen Transformator auszubilden, der es erlaubt, eine galvanische Trennung zwischen den jeweiligen Reihenschaltungen der MOSFET's 24, 26 auf der einen Seite und 28, 30 auf der anderen Seite ausbilden zu können.The mosfets 24 . 26 . 28 . 30 be through the control unit 22 operated by suitable control signals in clock mode to realize the desired energy conversion can. Of course, other suitable semiconductor switches, such as bipolar transistors, Insulated Gate Bipolar Transistor (IGBT) and / or the like can be used instead of the MOSFETs. In addition, it is of course possible to form the inductance L1 by a transformer, which allows a galvanic isolation between the respective series circuits of the MOSFET's 24 . 26 on the one hand and 28 . 30 to be able to train on the other side.

Durch die Erfindung ist es möglich, dass der Zwischenkreiskondensator 14 reduziert werden kann, und zwar hinsichtlich seiner Kapazität und infolgedessen auch hinsichtlich seiner Baugröße und seines Gewichts. Dies ist dadurch möglich, dass zumindest ein Teil der auszugleichenden Energie beziehungsweise Ladung durch den Ausgleichskondensator 18 bereitgestellt werden kann, der hinsichtlich seiner elektrischen Kapazität, seinen Abmessungen sowie seinem Gewicht ebenfalls deutlich kleiner als der Zwischenkreiskondensator 14 ausgebildet sein kann. Da aufgrund der Entkoppleung mittels des DC/DC-Wandlers 20 ein Spannungshub am Ausgleichskondensator 18 wesentlich größer als beim Zwischenkreiskondensator 14 sein kann, können die kleinen Kapazitäten am Ausgleichskondensator 18 sowie auch am Zwischenkreiskondensator 14 bei zugleich vorgegebener Wirksamkeit realisiert werden. Dabei ist es möglich, dass ein Spannungshub am Ausgleichskondensator 18 auch über einen Wert am Zwischenkreis 10 angehoben werden kann.By the invention it is possible that the intermediate circuit capacitor 14 can be reduced, in terms of its capacity and consequently also in terms of its size and weight. This is possible because at least part of the energy or charge to be compensated by the compensating capacitor 18 can be provided, which in terms of its electrical capacity, its dimensions and weight also significantly smaller than the DC link capacitor 14 can be trained. Because of the decoupling by means of the DC / DC converter 20 a voltage swing on the balancing capacitor 18 much larger than the DC link capacitor 14 can be, the small capacity on the equalizing capacitor 18 as well as on the DC link capacitor 14 be realized at the same time given effectiveness. It is possible that a voltage swing at the equalizing capacitor 18 also via a value at the DC link 10 can be raised.

Bei bestimmten Komponenten, wie zum Beispiel einem Bordlader oder dergleichen, ist eine Spannungswelligkeit der Zwischenkreisgleichspannung 16 durch eine feste Frequenz vorgegeben. In diesem Fall kann das System, welches aus dem DC/DC-Wandler 20 und dem Ausgleichskondensator 18 gebildet ist, zielgerichtet dafür genutzt werden, diese Spannungswelligkeit zu reduzieren. Das System reagiert also nicht auf einen Spannungseinbruch, sondern es arbeitet präventiv dagegen.For certain components, such as an on-board charger or the like, a voltage ripple is the DC link voltage 16 given by a fixed frequency. In this case, the system, which consists of the DC / DC converter 20 and the equalization capacitor 18 is formed, purposefully used to reduce this voltage ripple. The system does not respond to a voltage dip, but it works preventively against it.

Zudem kann das System aus dem DC/DC-Wandler 20 und dem Ausgleichskondensator 18 bei einem anstehenden Schaltvorgang einer Komponente so voreingestellt werden, dass durch den Schaltvorgang ausgelöste Störungen nach außen kompensiert werden können.In addition, the system can from the DC / DC converter 20 and the equalization capacitor 18 be pre-adjusted in a pending switching operation of a component so that can be compensated by the switching process triggered disturbances to the outside.

Eine Vereinfachung der Schaltung gemäß 1 bezüglich des DC/DC-Wandlers 20 kann ferner erreicht werden, wenn die maximale Spannung am Ausgleichskondensator 18 auf die minimal zulässige Zwischenkreisgleichspannung 16 begrenzt wird. Dadurch können die MOSFET's 28, 30 entfallen.A simplification of the circuit according to 1 with respect to the DC / DC converter 20 can also be achieved when the maximum voltage across the balancing capacitor 18 to the minimum permissible DC link voltage 16 is limited. This allows the MOSFET's 28 . 30 omitted.

Am folgenden Beispiel einer Bauteildimensionierung für eine Kondensatorbank zwischen einer Power Factor Control (PFC) und einem galvanisch isolierenden DC/DC-Wandler innerhalb eines nicht dargestellten Bordladers des Bordnetzes 10 soll dies weiter erläutert werden.The following example of a component dimensioning for a capacitor bank between a power factor control (PFC) and a galvanically insulating DC / DC converter within a not-shown on-board charger of the electrical system 10 this should be further explained.

In konventioneller Ausführung ist dabei eine Kapazität von 200 μF vorzusehen. Als Spannungsschwankung ist ein erlaubter Bereich von 384 V bis 396 V vorgesehen. Daraus ergibt sich eine zu speichernde Energie von 0,936 J.In conventional design is to provide a capacity of 200 uF. As a voltage fluctuation, a permissible range of 384 V to 396 V is provided. This results in an energy of 0.936 J. to be stored.

In einem ersten Beispiel mit einem aktiven Zwischenkreiskondensator gemäß der Erfindung ist vorgesehen, dass am Ausgleichskondensator 18 ein ausgenutzter Spannungsbereich von 100 V (U1) bis 500 V (U2) zur Verfügung steht. Es ergibt sich für die Kapazität des Ausgleichskondensators 18 wie folgt:

Figure DE102017004297A1_0002
In a first example with an active DC link capacitor according to the invention it is provided that the compensation capacitor 18 an exploited voltage range of 100 V (U 1 ) to 500 V (U 2 ) is available. It results for the capacity of the compensation capacitor 18 as follows:
Figure DE102017004297A1_0002

Aus dem vorgenannten ersten Beispiel ist ersichtlich, dass mit einer erheblich kleineren Kapazität ein vollständiger Ladungsausgleich erreicht werden kann. Der Zwischenkreiskondensator 14 kann dadurch erheblich kleiner gewählt werden.From the aforementioned first example, it can be seen that with a significantly smaller capacity, complete charge equalization can be achieved. The DC link capacitor 14 can be chosen considerably smaller.

Das folgende zweite Beispiel bezieht sich darauf, dass ein minimaler Wert der Zwischenkreisgleichspannung 16 größer ist als der maximale Wert am Ausgleichskondensator 18. Als Spannungsbereich für den Ausgleichskondensator 18 ist vorliegend ein Bereich von 50 V (U1) bis 350 V (U2) vorgesehen. Im DC/DC-Wandler 20 sind die MOSFET's 28, 30 einschließlich ihrer Freilaufdioden beziehungsweise Body-Dioden deshalb nicht enthalten. Die weiteren Bedingungen entsprechen den vorgenannten Bedingungen. Es ergibt sich ein Wert für die elektrische Kapazität des Ausgleichskondensators 18 wie folgt:

Figure DE102017004297A1_0003
The following second example refers to the fact that a minimum value of the DC link voltage 16 is greater than the maximum value at the equalizing capacitor 18 , As a voltage range for the compensation capacitor 18 In this case, a range of 50 V (U 1 ) to 350 V (U 2 ) is provided. In the DC / DC converter 20 are the mosfets 28 . 30 including their freewheeling diodes or body diodes therefore not included. The other conditions correspond to the aforementioned conditions. This results in a value for the electrical capacitance of the compensation capacitor 18 as follows:
Figure DE102017004297A1_0003

Auch in diesem Fall kann eine erhebliche Reduktion der Kapazität des Zwischenkreiskondensators 14 im Gleichspannungszwischenkreis 10 erreicht werden. Mit dem Ausgleichskondensator 18 kann ein vollständiger Ladungsausgleich erreicht werden.Also in this case, a significant reduction in the capacity of the DC link capacitor 14 in the DC intermediate circuit 10 be achieved. With the equalization capacitor 18 a complete charge balance can be achieved.

Insgesamt zeigen die Beispiele, dass mit der Erfindung die elektrische Kapazität des Zwischenkreiskondensators 14 erheblich reduziert werden kann. Dadurch können Bauraum und Gewicht eingespart werden.Overall, the examples show that with the invention, the electrical capacitance of the DC link capacitor 14 can be significantly reduced. As a result, space and weight can be saved.

Die Ausführungsbeispiele dienen lediglich der Erläuterung der Erfindung und sollen diese nicht beschränken.The embodiments are merely illustrative of the invention and are not intended to limit this.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

1010
elektrisches Bordnetzelectrical wiring system
1212
GleichspannungszwischenkreisDc link
1414
ZwischenkreiskondensatorLink capacitor
1616
ZwischenkreisgleichspannungIntermediate circuit voltage
1818
Ausgleichskondensatorcompensating capacitor
2020
DC/DC-WandlerDC / DC converter
2222
Steuereinheitcontrol unit
2424
MOSFETMOSFET
2626
MOSFETMOSFET
2828
MOSFETMOSFET
3030
MOSFETMOSFET
3232
Mittelabgriffcenter tap
3434
Mittelabgriffcenter tap
L1L1
Induktivitätinductance

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

  • EP 2642652 A1 [0002, 0003, 0008] EP 2642652 A1 [0002, 0003, 0008]

Claims (7)

Gleichspannungszwischenkreis (12) eines elektrischen Bordnetzes (10) eines Kraftfahrzeugs, mit einem Zwischenkreiskondensator (14) zum Bereitstellen einer Zwischenkreisgleichspannung (16) für das elektrische Bordnetz (10), einem elektrischen Energiespeicher (18) und einem getakteten Energiewandler (20) zum bidirektionalen Wandeln von elektrischer Energie, wobei der elektrische Energiespeicher (18) mittels des getakteten Energiewandlers (20) parallel am Zwischenkreiskondensator (14) angeschlossen ist, gekennzeichnet durch eine Steuereinheit (22), die ausgebildet ist, den getakteten Energiewandler (20) abhängig von einem Ladungszustand des Zwischenkreiskondensators (14) zu steuern, und der getaktete Energiewandler (20) ausgebildet ist, die elektrische Energie bidirektional zu wandeln.DC voltage intermediate circuit ( 12 ) of an electrical vehicle electrical system ( 10 ) of a motor vehicle, with a DC link capacitor ( 14 ) for providing a DC link voltage ( 16 ) for the electrical system ( 10 ), an electrical energy store ( 18 ) and a clocked energy converter ( 20 ) for bidirectional conversion of electrical energy, wherein the electrical energy storage ( 18 ) by means of the clocked energy converter ( 20 ) parallel to the DC link capacitor ( 14 ), characterized by a control unit ( 22 ), which is adapted to the clocked energy converter ( 20 ) depending on a charge state of the DC link capacitor ( 14 ), and the clocked energy converter ( 20 ) is designed to convert the electrical energy bidirectionally. Gleichspannungszwischenkreis nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der getaktete Energiewandler (20) zum Hochsetzstellen und zum Tiefsetzstellen ausgebildet ist.DC intermediate circuit according to claim 1, characterized in that the clocked energy converter ( 20 ) is designed for Hochsetzstellen and Tiefsetzstellen. Gleichspannungszwischenkreis nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine elektrische Kapazität des elektrischen Energiespeichers (18) abhängig von einer elektrischen Kapazität des Zwischenkreiskondensators (14), einem vorgebbaren Spannungsbereich der Zwischenkreisgleichspannung (16) und einem zulässigen Spannungsbereich des elektrischen Energiespeichers (18) gewählt ist.DC intermediate circuit according to claim 1 or 2, characterized in that an electrical capacitance of the electrical energy store ( 18 ) depending on an electrical capacitance of the DC link capacitor ( 14 ), a predefinable voltage range of the DC link voltage ( 16 ) and a permissible voltage range of the electrical energy store ( 18 ) is selected. Verfahren zum Betreiben eines Gleichspannungszwischenkreis (12) eines elektrischen Bordnetzes (10) eines Kraftfahrzeugs, bei dem mittels eines Zwischenkreiskondensators (14) eine Zwischenkreisgleichspannung (16) für das elektrische Bordnetz (10) bereitgestellt wird, wobei der Zwischenkreiskondensator (14) mittels eines getakteten Energiewandlers (20) mit einem elektrischen Energiespeicher (18) gekoppelt wird, dadurch gekennzeichnet, dass der getaktete Energiewandler (20) elektrische Energie bidirektional wandelt und der getaktete Energiewandler (20) mittels einer Steuereinheit (22) abhängig von einem Ladungszustand des Zwischenkreiskondensators (14) gesteuert wird.Method for operating a DC voltage intermediate circuit ( 12 ) of an electrical vehicle electrical system ( 10 ) of a motor vehicle, in which by means of an intermediate circuit capacitor ( 14 ) a DC link voltage ( 16 ) for the electrical system ( 10 ), wherein the DC link capacitor ( 14 ) by means of a clocked energy converter ( 20 ) with an electrical energy store ( 18 ), characterized in that the clocked energy converter ( 20 ) converts electrical energy bidirectionally and the clocked energy converter ( 20 ) by means of a control unit ( 22 ) depending on a charge state of the DC link capacitor ( 14 ) is controlled. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der getaktete Energiewandler (20) derart gesteuert wird, dass die Zwischenkreisgleichspannung (16) in einem vorgegebenen Spannungsbereich ist.Method according to Claim 4, characterized in that the clocked energy converter ( 20 ) is controlled such that the DC link voltage ( 16 ) is in a predetermined voltage range. Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass der getaktete Energiewandler (20) derart gesteuert wird, dass eine elektrische Energiespeicherspannung unabhängig von der Zwischenkreisgleichspannung (16) ist.Method according to claim 4 or 5, characterized in that the clocked energy converter ( 20 ) is controlled such that an electrical energy storage voltage independent of the DC link voltage ( 16 ). Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der getaktete Energiewandler (20) derart gesteuert wird, dass die elektrische Energiespeicherspannung kleiner als ein vorgegebener Wert für eine minimale Zwischenkreisgleichspannung (16) ist.Method according to one of claims 4 to 6, characterized in that the clocked energy converter ( 20 ) is controlled such that the electrical energy storage voltage is less than a predetermined value for a minimum DC link voltage ( 16 ).
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