DE102017102743A1

DE102017102743A1 - Antriebseinheit mit einer Leistungselektronik mit integrierter Zwischenkreisentladung und Verfahren zu deren Betrieb

Info

Publication number: DE102017102743A1
Application number: DE102017102743.2A
Authority: DE
Inventors: Daniel Eckstein; Jürgen Tipper
Original assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2017-02-13
Filing date: 2017-02-13
Publication date: 2018-08-16

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Antriebseinheit (1) eines elektrischen Antriebsstrangs eines Kraftfahrzeugs, mit einer Gleichspannungsquelle (2), die unter Zwischenschaltung einer umwandelnden Leistungselektronik (3), die zumindest eine einen Zwischenkreis (4) ausbildende Halbbrücke (5) aufweist, eine elektrische Maschine (6) mit Wechselspannung versorgt, wobei in die Leistungselektronik (3) ein Kondensator (7) integriert ist, der dazu vorbereitet ist, die von der Gleichspannungsquelle (2) bereitgestellte Energie zwischenzuspeichern, wobei die Halbbrücke (5) in einem Energieentladezustand des Kondensators (7) dazu vorbereitet ist, Energie über zumindest einen Leistungshalbleiter (8) aufzunehmen. Außerdem betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Entladen eines Kondensators (7), der in einer Leistungselektronik (3) einer Antriebseinheit (1) verbaut ist, mit drei Halbbrücken (5, 5a, 5b), die beim Entladen des Kondensators (7) wahlweise angesteuert werden.

Description

Die Erfindung betrifft eine Antriebseinheit eines zumindest teilelektrischen oder vollelektrischen Antriebsstrangs eines Kraftfahrzeugs, mit einer Gleichspannungsquelle, vorzugsweise einer Hochvolt-Batterie, die unter Zwischenschaltung einer umwandelnden Leistungselektronik, die zumindest eine einen Zwischenkreis ausbildende Halbbrücke aufweist, eine elektrische Maschine, wie einen Elektromotor, mit Wechselspannung versorgt. In die Leistungselektronik ist hierbei ein Kondensator integriert, der dazu vorbereitet ist, die von der Gleichspannungsquelle bereitgestellte Energie zwischenzuspeichern.
Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren, um eine Entladung eines in einem Zwischenkreis angeordneten Kondensators effizient und sicher zu gewährleisten.
In gattungsgemäßen Antriebseinheiten erfüllen die Leistungselektroniken die Funktion eines Wechselrichters / Inverters und sind in aller Regel dazu ausgelegt, aus dem Gleichstrom der Gleichspannungsquelle einen dreiphasigen Wechselstrom, auch Drehstrom genannt, zu erzeugen. In dem vorliegenden Anwendungsgebiet wird mittels jenes Drehstroms vorzugsweise ein Elektromotor zum Antrieb eines Kraftfahrzeugs betreiben. Hierbei kann es sich sowohl um reine Elektrofahrzeuge, als auch um Elektrohybridfahrzeuge handeln.
Die Sicherheit einer Leistungselektronik und somit die einer elektrischen, oder zumindest teilelektrischen, Antriebseinheit kann dadurch erhöht werden, dass eine Spannung, wie etwa eine Hochvolt-Gleichspannung, wie sie im Zwischenkreis der gattungsgemäßen Leistungselektroniken vorkommt, innerhalb von kurzer Zeit (etwa weniger als 5 Sekunden) abgebaut wird. Dies wird überdies von einschlägigen Sicherheitsnormen gefordert. Für jenen Abbau innerhalb von kurzer Zeit ist es notwendig, die in der Leistungselektronik, vorzugsweise im (Zwischenkreis-) Kondensator, vorhandene Energie / Spannung, die je nach Spannungsklasse mehrere hundert Volt betragen kann und vorzugsweise rund 450V beträgt, zu wandeln. Hierfür bietet sich die Wandlung in thermische Energie über einen elektrischen Widerstand an.
Im Stand der Technik sind Mechanismen für eine zeiteffiziente Entladung offenbart. Üblicherweise erfolgt die Entladung hier über eine aktive Entladeschaltung, die einen Teil der Leistungselektronik darstellt. Die aktive Entladeschaltung weist zumindest einen Leistungshalbleiterschalter und einen zusätzlichen Leistungswiderstand zur Umwandlung der gespeicherten Energie in Wärme auf. Zusätzlich ist jene Schaltung mit einer Logikansteuerung zu koppeln, bei der es sich um ein weiteres elektronisches Bauelement handelt.
Zwar gewährleistet jener Stand der Technik eine ausreichend hohe Betriebssicherheit, doch ist hieran nachteilig, dass sich die zusätzlichen Bauelemente der aktiven Entladeschaltung zum ersten negativ auf den Bauraumbedarf auswirken. Zum zweiten sind sie in ihrer Anschaffung mit negativem wirtschaftlichem Aufwand verbunden. Auch ist eine zusätzliche Kühlung und Ansteuerung für die aktive Entladeschaltung zu implementieren.
Vor dem Hintergrund dieses Standes der Technik ist es die Aufgabe der Erfindung, jene Nachteile zu beheben und insbesondere eine Leistungselektronik zur Verfügung zu stellen, die bei minimalem Bauraumbedarf eine Entladung des Zwischenkreiskondensators innerhalb kürzester Zeit ermöglicht, um eine hohe Sicherheit zu garantieren. Weiterhin zielt die Erfindung darauf ab, die Leistungsdichte der eingesetzten Elektronik zu erhöhen.
Darüber hinaus liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur effizienten Entladung eines Kondensators bei kompakter Anordnung zu gewährleisten.
Dies wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die Halbbrücke in einem Energieentladezustand des Kondensators dazu vorbereitet ist, Energie über zumindest einen, vorzugsweise zumindest zwei, Leistungshalbleiter aufzunehmen. Zwei Leistungshalbleiter sind an der Entladung beteiligt, da ansonsten kein Stromkreis zustande kommt. Der Energieentladezustand beschreibt hierbei den Zustand, in dem die im Kondensator zwischengespeicherte Energie möglichst zeiteffizient aus dem Zwischenstromkreis bzw. der gesamten Leistungselektronik abzuführen ist, um kein Risiko für einen Bediener, der mit der Leistungselektronik in Kontakt kommt, darzustellen. Somit folgt die Entladung des (Hochspannungs-)Zwischenkreises über Leistungshalbleiter, die bereits vorhanden sind, um die Umrichtungs-/Wechselrichtungsfunktion der Leistungselektronik zu realisieren und somit ohnehin vorhanden sind. Der Einsatz einer zusätzlichen Entladeschaltung entfällt, wodurch die Antriebseinheit im Bauraum kompakter und in der Anschaffung wirtschaftlicher fertigbar ist.
Das erfindungsgemäße Verfahren wird im weiteren Verlauf dieses Textes tiefergehend behandelt.
Vorteilhafte Ausführungsformen der Antriebseinheit sind Gegenstand der Unteransprüche und werden nachfolgend näher erläutert.
So ist es vorteilhaft, wenn zumindest einer der Leistungshalbleiter, vorzugsweise beide, dazu vorbereitet ist, die im Energieentladezustand aufgenommene Energie in Wärme zu wandeln und an einen Kühlmittelkreislauf abzugeben. Über einen internen Widerstand ist somit eine effiziente Wandlung gespeicherten Energie in Wärme realisierbar. Jener Verfahrensschritt der Wandlung von elektrischer in thermische Energie ist in der Praxis gut erprobt und somit robust und sicher realisierbar.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform folgt im vorstehend beschriebenen Energieentladezustand eine Zunahme eines Massestroms des die Antriebseinheit kühlenden Kühlmittelstroms, um die Temperatur der Leistungselektronik im Energieentladezustand im Wesentlichen konstant zu halten. Auf diese Weise ist auch bei der Kühlung der Leistungselektronik auf Komponenten, nämlich den Kühlmittelkreislauf, zurückgegriffen, die bereits in der Antriebseinheit vorhanden sind. Eine effiziente Kühlung der Leistungselektronik bzw. der Antriebseinheit ist somit bei konstantem Bauraumbedarf gewährleistet. Darüber hinaus garantiert jene Anordnung, dass der Energieabtransport aus dem Zwischenkreis ohne eine Temperaturerhöhung der Leistungselektronik realisiert ist, wodurch die Lebensdauer der beanspruchten Komponenten nicht beeinträchtigt ist.
Sobald der zumindest eine Leistungshalbleiter derart ansteuerbar ist, dass der eingestellte Widerstand, der die aufgenommene elektrische Energie, variierbar ist, realisiert die erfindungsgemäße Antriebseinheit eine hochflexible Anordnung, die auf verschiedene Betriebszustände innerhalb kurzer Zeit reagiert.
Vorteilhaft ist es insbesondere auch, wenn die Antriebseinheit eine Logikschaltung aufweist, die dazu vorbereitet ist, den zumindest einen Leistungshalbleiter, vorzugsweise die zwei Leistungshalbleiter, analog anzusteuern. Die im Betrieb des Elektromotors bevorzugte digitale Ansteuerung des / der Leistungshalbleiter/s wird im Energieentladezustand somit ausgesetzt, um den Kondensator möglichst effizient entladen zu können.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist die Logikschaltung in einen Gate-Treiber der Antriebseinheit integriert. Unter dem Gate-Treiber ist eine diskrete oder integrierte elektronische Schaltung, welche Leistungsschalter ansteuert, zu verstehen. Eine Integration bietet sich insbesondere dann an, wenn der Treiber als ASIC (anwendungsspezifische integrierte Schaltung; Englisch application-specific integrated circuit), das heißt eine elektronische Schaltung, die als integrierter Schaltkreis realisiert wurde, ausgestaltet ist.
Ein weiterer Vorteil entfaltet sich, wenn der Widerstand, der von dem zumindest einen Leistungshalbleiter eingestellt ist, zu Beginn des Energieentladezustands größer ist als gegen Ende des Energieentladezustands. Der Betrag des Widerstands ist derart zu wählen, dass es in dem (Zwischen-)Stromkreis zu keinem Kurzschluss kommt. Da zu Beginn des Energieentladezustands noch eine höhere Spannung angelegt ist, ist hierbei ein höherer Widerstand des Leistungshalbleiters einzustellen. In kurzer Zeit, vorzugsweise nach wenigen Sekunden, kann jener Widerstand gesenkt werden, ohne dass ein Kurzschluss riskiert wird.
In einer bevorzugten Ausführungsform sind drei Halbbrücken mit jeweils zwei Halbleitern in der Leistungselektronik angeordnet. Auf diese Weise ist die Ausfallsicherheit (Redundanz) erhöht, da auch bei Ausfall eines Halbleiters weiter eine gesteuerte Entladung möglich ist.
Die Erfindung betrifft ebenfalls ein Verfahren zum Entladen eines Kondensators, der in einer Leistungselektronik einer Antriebseinheit verbaut ist. In jener Leistungselektronik ist ein eine erste Halbbrücke, die mit einer ersten Spule verbunden ist, eine zweite Halbbrücke, die mit einer zweiten Spule verbunden ist, und eine dritte Halbbrücke, die mit einer dritten Spule verbunden ist, wobei die Halbbrücken mit demselben Kondensator verbunden sind. Jenes Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass beim Entladen des Kondensators wahlweise eine der drei Halbbrücken angesteuert wird. Jene Ansteuerung ist vorzugsweise von einer bereits in die Leistungselektronik integrierten Steuerung vorgenommen. Der erfindungsgemäße Kondensator soll in einem Energieentladezustand innerhalb von möglichst kurzer Zeit die im Betrieb von einer Gleichspannungsquelle zwischengespeicherte Energie abgeben, um geltenden Sicherheitsstandards gerecht zu werden. Mittels der wahlweisen Ansteuerung der Halbbrücken wird die im Kondensator zwischengespeicherte Energie kontrolliert und schonend abgebaut.
In anderen Worten ausgedrückt ist die Erfindung auf neuartige Topologien für eine elektronische Schaltungstechnik gerichtet. Hierbei ist die erfindungsgemäße Schaltung dazu ausgelegt, eine schnelle Entladung der Kondensatoren im Hochvolt-Gleichspannungszwischenkreis und somit eine Absenkung der Spannung in einer vorgegebenen Zeit zu erreichen.
Gegenwärtig sind hierbei etwa 450V innerhalb von weniger als 5 Sekunden auf weniger als 60V abzusenken. Um Kosten- und Bauraumvorteile zu erwirken, wird erfindungsgemäß auf zusätzliche Bauteile für die Funktion einer aktiven Zwischenkreisentladung verzichtet. Die Leistungsdichte des gesamten Antriebssystems kann somit in ihrer Kennzahl verbessert werden.
Im Kern der Erfindung steht dabei, dass die Entladung des Hochspannungszwischenkreises über die ohnehin vorhandenen Leistungshalbleiter in der Leistungselektronik erfolgt. Die somit entstehende (zusätzliche) Verlustwärme wird über eine aktive Kühlung der Leistungshalbleiter realisiert. Somit bleibt das Wärmeniveau in der Elektronik konstant. Mittels einer Logikschaltung wird der Entladestrom begrenzt. Vorzugsweise kann diese Logikschaltung in den meist ohnehin vorhandenen Gate-Treiber integriert werden.
Bei dem erfindungsgemäßen Entladevorgang werden zwei Leistungshalbleiter derselben Halbbrücke im analogen Betrieb angesteuert, wodurch der Zwischenkreis entladen werden kann und gleichzeitig ein Kurzschluss vermieden wird. Um stets eine symmetrische Belastung bzw. Ausnutzung der Leistungshalbleiter einzuhalten, ist es überdies zu empfehlen, bei jedem Entladevorgang das Paar der Leistungshalbleiter in der Halbbrücke zu variieren.
Die Erfindung wird nun nachfolgend anhand einer Figur näher erläutert. Diese zeigt:

1: eine Schaltungstopologie einer erfindungsgemäßen Leistungselektronik.

Die Figur ist lediglich schematischer Natur und dient ausschließlich dem Verständnis der Erfindung.
1 zeigt eine Antriebseinheit 1 eines elektrischen, zumindest eines teilelektrischen, Antriebsstrangs eines Kraftfahrzeugs. Eine Gleichspannungsquelle 2, wie eine HV-Batterie, stellt eine Gleichspannung parat, die von einer Leistungselektronik 3 in eine Wechselspannung gewandelt wird. Die Leistungselektronik 3 kann somit als Umrichter / Inverter angesehen werden und weist zumindest eine einen Zwischenkreis 4 ausbildende Halbbrücke 5 auf. In dem vorliegenden Beispiel bildet die Leistungselektronik 3 drei Halbbrücken 5, 5a, 5b aus. Jede der drei Halbbrücken 5, 5a, 5b ist mit einer Phase einer elektrischen Maschine 6, wie einem Elektromotor, gekoppelt, um diesen mit Wechselspannung zu versorgen.
In die Leistungselektronik 3 ist überdies ein Kondensator 7 integriert. Dieser nimmt die Funktion eines Zwischenkreiskondensators ein und ist dazu vorbereitet, die von der Gleichspannungsquelle 2 bereitgestellte Energie zwischenzuspeichern.
Jede Halbbrücke 5, 5a, 5b weist jeweils zwei Leistungshalbleiter 8 auf. Zwischen den einzelnen Leistungshalbleitern 8 ist ein Anschluss 9 angeordnet, der die jeweilige Halbbrücke 5, 5a, 5b mit der jeweiligen Phase der elektrischen Maschine 6 koppelt. So ist es ermöglicht, Wechselstrom von der ersten Halbbrücke 5 auf eine erste Phase 10 zu übertragen. Ebenso wird aus der zweiten Halbbrücke 5a unter Ausbildung eines Anschlusses 9 eine Wirkkopplung zu einer zweiten Phase 10a der elektrischen Maschine 6 hergestellt. Analog ist dies auf die dritte Halbbrücke 5b und eine dritte Phase 10b der elektrischen Maschine 6 anzuwenden.
Mit dem Bezugszeichen 11 sind Pfeile versehen, die den Stromfluss, der in einem Energieentladezustand des Kondensators 7 vorliegt, zu verdeutlichen. So ist in dem vorliegenden Zustand von der Gleichspannungsquelle 2 keine Spannung parat gestellt, die Antriebseinheit 1 wird also nicht beschleunigt. Um die in dem Kondensator 7 zwischengespeicherte elektrische Energie in thermische Energie zu wandeln und somit über einen nicht dargestellten Kühlmittelkreislauf aus dem vorliegenden System abzutragen, wird der Strom in einem ersten Zustand entlang der Pfeile 11 durch den Zwischenkreis 4 geleitet. Hierbei wird von einer nicht dargestellten Logikschaltung der von den einzelnen Leistungshalbleitern 8 eingestellte Widerstand derart geregelt, dass einerseits möglichst schnell die Energie aus dem Kondensator 7 genommen wird und andererseits kein Kurzschluss zustande kommt. Dies ist mittels einer analogen Ansteuerung der Leistungshalbleiter 8 möglich.
Erfindungsgemäß wird die elektrische Energie aus dem Kondensator 7 in dem Leistungshalbleiter 8 zwar in thermische Energie gewandelt, jedoch handelt es sich bei der Antriebseinheit 1 dennoch um ein isothermes System. Das heißt, die Temperatur bleibt konstant. Dies wird dadurch ermöglicht, dass ein Massestrom eines Kühlmittels, das die Antriebseinheit 1 und insbesondere die Leistungselektronik 3 ohnehin kühlt, erhöht wird. Somit ist ein erhöhter Wärmeabtransport ermöglicht, was wodurch die Temperatur konstant gehalten ist.
Bezugszeichenliste

1: Antriebseinheit
2: Gleichspannungsquelle
3: Leistungselektronik
4: Zwischenkreis
5: Erste Halbbrücke
5a: Zweite Halbbrücke
5b: Dritte Halbbrücke
6: elektrische Maschine
7: Kondensator
8: Leistungshalbleiter
9: Anschluss
10: Erste Phase
10a: Zweite Phase
10b: Dritte Phase
11: Stromkreis mit erster Halbbrücke

Claims

Antriebseinheit (1) eines elektrischen Antriebsstrangs eines Kraftfahrzeugs, mit einer Gleichspannungsquelle (2), die unter Zwischenschaltung einer umwandelnden Leistungselektronik (3), die zumindest eine einen Zwischenkreis (4) ausbildende Halbbrücke (5) aufweist, eine elektrische Maschine (6) mit Wechselspannung versorgt, wobei in die Leistungselektronik (3) ein Kondensator (7) integriert ist, der dazu vorbereitet ist, die von der Gleichspannungsquelle (2) bereitgestellte Energie zwischenzuspeichern, dadurch gekennzeichnet, dass die Halbbrücke (5) in einem Energieentladezustand des Kondensators (7) dazu vorbereitet ist, Energie über zumindest zwei Leistungshalbleiter (8) aufzunehmen.
Antriebseinheit (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Leistungshalbleiter (8) dazu vorbereitet ist, die im Energieentladezustand aufgenommene Energie in Wärme zu wandeln und an einen Kühlmittelkreislauf abzugeben.
Antriebseinheit (1) nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass im Energieentladezustand eine Zunahme eines Massestroms des die Antriebseinheit (1) kühlenden Kühlmittelstroms folgt, um die Temperatur der Leistungselektronik (3) im Energieentladezustand im Wesentlichen konstant zu halten.
Antriebseinheit (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Leistungshalbleiter (8) derart ansteuerbar ist, dass der von ihm eingestellte Widerstand, der die aufgenommene Energie steuert, variierbar ist.
Antriebseinheit (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Antriebseinheit (1) eine Logikschaltung aufweist, die dazu vorbereitet ist, die zwei Leistungshalbleiter (8) analog anzusteuern.
Antriebseinheit (1) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Logikschaltung in einen Gate-Treiber der Antriebseinheit (1) integriert ist.
Antriebseinheit (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Widerstand, der von dem zumindest einen Leistungshalbleiter (8) eingestellt ist, zu Beginn des Energieentladezustands größer ist als gegen Ende des Energieentladezustands.
Antriebseinheit (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass drei Halbbrücken (5, 5a, 5b) mit jeweils zwei Leistungshalbleitern (8) in der Leistungselektronik (3) angeordnet sind.
Antriebseinheit (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass in dem zumindest einen Zwischenkreis (4) zwei Leistungshalbleiter (8) in Serie geschaltet sind und die Leistungshalbleiter (8) bauidentisch sind.
Verfahren zum Entladen eines Kondensators (7), der in einer Leistungselektronik (3) einer Antriebseinheit (1) verbaut ist, mit einer ersten Halbbrücke (5), die mit einer ersten Spule verbunden ist, einer zweiten Halbbrücke (5a), die mit einer zweiten Spule verbunden ist, und einer dritten Halbbrücke (5b), die mit einer dritten Spule verbunden ist, wobei die Halbbrücken (5, 5a, 5b) mit demselben Kondensator (7) verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, dass beim Entladen des Kondensators (7) wahlweise eine der drei Halbbrücken (5, 5a, 5b) angesteuert wird.