DE102018203363A1

DE102018203363A1 - Fahrzeuggeräteschaltung mit Halbleiter-Schaltelementen für Hochvoltspannung sowie Kraftfahrzeug und Betriebsverfahren

Info

Publication number: DE102018203363A1
Application number: DE102018203363.3A
Authority: DE
Inventors: Stefan Maiwald; Thomas Ferber
Original assignee: Audi AG
Current assignee: Audi AG
Priority date: 2018-03-07
Filing date: 2018-03-07
Publication date: 2019-09-12

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Fahrzeuggeräteschaltung (18), die dazu ausgelegt ist, zwischen einer Plusleitung (15) und einer Masseleitung (16) eine elektrische Hochvoltspannung (U) zu führen, wobei elektrisch zwischen die Plusleitung (15) und die Masseleitung (15) zumindest eine Reihenschaltung (19) aus jeweils zwei Halbleiter-Schaltelementen (20) geschaltet ist und eine Steuereinrichtung (22) der Fahrzeuggeräteschaltung (18) vorsieht, für einen Ruhebetrieb der Fahrzeuggeräteschaltung (18) die beiden Halbleiter-Schaltelemente (20) bei anliegender Hochvoltspannung (U) in einen elektrisch sperrenden Zustand zu schalten. Die Erfindung sieht vor, dass für den Ruhebetrieb zumindest eine Ausgleichsmaßnahme (23, 27) vorgesehen ist, welche in der zumindest einen Reihenschaltung (19) an einem die beiden Halbleiter-Schaltelemente (20) elektrisch verbindenden Verbindungspunkt (21) eine elektrische Spannung (U1) auf eine Ruhespannung einstellt, die der halben Hochvoltspannung (U) entspricht oder die in einem Toleranzintervall liegt, das die halbe Hochvoltspannung (U) umfasst und höchstens um 20% der Hochvoltspannung (U) von der halben Hochvoltspannung (U) abweicht.

Description

Die Erfindung betrifft eine Fahrzeuggeräteschaltung, wie sie in einem Fahrzeuggerät eines Kraftfahrzeugs bereitgestellt sein kann, um eine Hochvoltspannung zu schalten. Die Fahrzeuggeräteschaltung sieht hierzu eine Plusleitung und eine Minus- oder Masseleitung vor, über welche die Hochvoltspannung geführt wird. Zwischen die beiden Leitungen ist zumindest eine Reihenschaltung aus zwei Halbleiter-Schaltelementen, beispielsweise eine Halbbrückenschaltung, geschaltet. Zu der Erfindung gehören auch ein Kraftfahrzeug mit zumindest einer erfindungsgemäßen Fahrzeuggeräteschaltung sowie ein Verfahren zum Betreiben der Fahrzeuggeräteschaltung.
Ein Kraftfahrzeug, insbesondere ein elektrisch antreibbares Kraftfahrzeug, kann eine Hochvolt-Batterie aufweisen, mittels welcher eine Hochvoltspannung bereitgestellt werden kann. Unter einer Hochvoltspannung ist im Zusammenhang mit der Erfindung eine elektrische Spannung größer als 60 Volt, insbesondere größer als 100 Volt zu verstehen. Die Hochvoltspannung ist insbesondere eine Gleichspannung. Durch eine Hochvoltbatterie kann ein Zwischenkreis mit der Hochvoltspannung versorgt werden. Wird das Kraftfahrzeug geparkt, muss der Zwischenkreis spannungsfrei geschaltet werden, wozu die Hochvolt-Batterie mit Schützen versehen ist, welche die elektrische Verbindung zum Zwischenkreis in Abhängigkeit von einem Schaltsignal unterbrechen. Eine Hochvolt-Batterie mit den beschriebenen Schützen zum elektrischen Trennen der Hochvolt-Batterie von einem Zwischenkreis ist aus der DE 10 2014 200 206 A1 bekannt.
Allerdings müssen die Schütze geschlossen sein, das heißt elektrisch leitend geschaltet sein, wenn die Hochvolt-Batterie im Stand des Kraftfahrzeugs geladen wird. Zudem bleiben die Schütze auch geschlossen, wenn das Kraftfahrzeug während der Fahrt still steht, beispielsweise im Stau oder an einer roten Ampel. In diesen Zeiten liegt also die Hochvoltspannung im Zwischenkreis an und damit auch an den am Zwischenkreis angeschlossenen Fahrzeuggeräten, wie beispielsweise einem Inverter für einen Elektromotor und/oder an einem DC/DC-Wandler, über welchen ein Niedervolt-Bordnetz, z.B. ein 12-Volt-Bordnetz, oder ein Mittelvolt-Bordnetz, z.B. ein 48-Volt-Bordnetz, mit dem Zwischenkreis des Hochvolt-Bordnetzes, gekoppelt sein kann.
Wird aber ein Fahrzeuggerät, das an die Hochvoltspannung direkt angeschlossen ist, nicht benötigt, wie beispielsweise der Inverter des Elektromotors im Stillstand des Kraftfahrzeugs, so werden die H-Brücken des Inverters elektrisch sperrend geschaltet. Eine Beschreibung einer H-Brücke ist beispielsweise aus der DE 10 2010 048 747 A1 bekannt. Eine H-Brücke sieht zwei Halbbrücken vor, von denen jede die bereits erwähnte Reihenschaltung aus zwei Halbleiter-Schaltelementen darstellt. Werden nun beide Halbleiter-Schaltelemente einer solchen Reihenschaltung elektrisch sperrend geschaltet, so fällt die Hochvoltspannung über der Reihenschaltung ab und teilt sich hierbei auf die beiden Halbleiter-Schaltelemente auf. Zu welchen Anteilen diese Aufteilung der Hochvoltspannung auf die beiden Halbleiter-Schaltelemente ausfällt, das heißt welcher Spannungsbetrag durch jedes der Halbleiter-Schaltelemente jeweils gesperrt oder ausgehalten werden muss, kann dabei beispielsweise von einem letzten Schaltzustand der Reihenschaltung abhängen oder aber es ergibt sich ein undefinierter Pegel, der aufgrund parasitärer Effekte in den Halbleiter-Schaltelementen dafür sorgt, dass der Verbindungspunkt zwischen den beiden Halbleiter-Schaltelementen zum Potential der Plusleitung oder der Masseleitung driftet. Dann fällt die Hochvoltspannung vollständig über dem anderen Halbleiter-Schaltelement ab, d.h. dieses Halbleiter-Schaltelement wird mit der vollen Hochvoltspannung oder mit einem Großteil davon belastet.
Nun kann es sein, dass bei einem Höhenstrahlungsereignis ein Halbleiter-Schaltelement zerstört wird, das heißt dauerhaft elektrisch leitend geschaltet wird, weil beispielsweise durch eine Ionisierung des Materials der Sperrschicht des Halbleiter-Schaltelements und den durch die elektrische Spannung verursachten Lawineneffekt in der Sperrschicht ein elektrisch leitender Kanal entsteht. Da der Lawineneffekt von dem Betrag der über dem Halbleiter-Schaltelement abfallenden elektrischen Spannung abhängig ist, ergibt sich ein besonders einflussreicher Lawineneffekt, wenn über einem einzelnen der Halbleiter-Schaltelemente die volle Hochvoltspannung abfällt.
Des Weiteren fällt der Effekt eines Höhenstrahlungsereignisses umso stärker aus, je kühler ein Halbleiter-Schaltelement ist, da dies die mittlere freie Weglänge für den Lawineneffekt vergrößert.
Somit sind also Halbleiter-Schaltelemente einer Fahrzeuggeräteschaltung immer dann besonders gefährdet, wenn sie in einem Ruhebetrieb der Fahrzeuggeräteschaltung elektrisch sperrend geschaltet sind und dennoch die Hochvoltspannung an der Fahrzeuggeräteschaltung anliegt.
Aus der DE 10 2009 028 915 A1 ist für einen Mikrostoßantrieb eine H-Brückenschaltung bekannt, bei welcher ein Potential des elektrischen Verbindungspunkts zwischen den zwei Halbleiter-Schaltelementen einer Halbbrücke der H-Brückenschaltung mittels eines Spannungsteilers aus Kondensatoren auf einen vorbestimmten Spannungswert eingestellt wird. Dies wirkt aber nur für Wechselspannungen, da ein Ausgleichsstrom bei einem stationären Schaltzustand und Gleichspannung über Kondensatoren hinweg nicht möglich ist.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, in einer Fahrzeuggeräteschaltung Halbleiter-Schaltelemente einer Reihenschaltung bei anliegender Hochvoltspannung vor einer Zerstörung durch ein Höhenstrahlungsereignis zu schützen.
Die Aufgabe wird durch die Gegenstände der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind durch die abhängigen Patentansprüche, die folgende Beschreibung sowie die Figuren beschrieben.
Durch die Erfindung ist eine Fahrzeuggeräteschaltung bereitgestellt, wie sie in einem Fahrzeuggerät, beispielsweise einem Inverter für eine elektrische Maschine, bereitgestellt sein kann. Die Fahrzeuggeräteschaltung ist dazu ausgelegt, zwischen einer Plusleitung und einer Masseleitung oder Minusleitung eine elektrische Hochvoltspannung, insbesondere eine Hochvolt-Gleichspannung, zu führen. Mit anderen Worten kann die Fahrzeuggeräteschaltung an ein Hochvolt-Bordnetz eines Kraftfahrzeugs angeschlossen sein. Zwischen die Plusleitung und die Masseleitung ist bei der Fahrzeuggeräteschaltung zumindest eine Kaskade oder Hintereinanderschaltung oder Reihenschaltung aus jeweils zwei Halbleiter-Schaltelementen elektrisch geschaltet. Mit „zwischen“ ist hierbei nur das elektrische Verschalten gemeint, also die Schaltungstopologie. Es ist nicht aber tatsächlich eine physikalische Position zwischen den beiden Leitungen notwendig. „Reihenschaltung“ bedeutet, dass die zwei Halbleiter-Schaltelemente hintereinander geschaltet sind oder in einer Kaskade verschaltet sind, sodass ausgehend von der Plusleitung zunächst eines der Halbleiter-Schaltelemente erreichbar ist und jenseits dieses Halbleiter-Schaltelements über einen Verbindungspunkt der beiden Halbleiter-Schaltelemente hinweg das zweite Halbleiter-Schaltelement erreichbar ist, das dann mit der Masseleitung verbunden sein kann. An dem Verbindungspunkt kann sich ein Abgriff oder eine Verzweigung befinden.
Eine Steuereinrichtung der Fahrzeuggeräteschaltung sieht vor, für einen Ruhebetrieb der Fahrzeuggeräteschaltung die beiden Halbleiter-Schaltelemente bei anliegender Hochvoltspannung in einen elektrisch sperrenden Zustand zu schalten. Der Ruhebetrieb sieht also vor, dass die beiden Halbleiter-Schaltelemente keinen Strom führen und/oder elektrisch sperrend geschaltet sind. Damit fällt also in der beschriebenen Weise die Hochvoltspannung vollständig über den beiden Halbleiter-Schaltelementen ab. Eine Aufteilung der Hochvoltspannung auf die beiden Halbleiter-Schaltelemente hängt dabei von dem elektrischen Potential des Verbindungspunkts zwischen den beiden Halbleiter-Schaltelementen ab. Dieser kann „floaten“, was bedeutet, dass sich beispielsweise durch die beschriebenen parasitären Effekte die Aufteilung der Hochvoltspannung verändert. Zudem hängt das Potential des Verbindungspunkts natürlich auch vom letzten Schaltvorgang ab. Falls beispielsweise der Verbindungspunkt durch Schalten eines der Halbleiter-Schaltelemente vor dem Ruhebetrieb zunächst mit der Plusleitung oder der Masseleitung elektrisch verbunden gewesen ist, so weist der Verbindungspunkt natürlich nach dem Öffnen oder Sperren beider Halbleiter-Schaltelemente das Potential der Plusleitung beziehungsweise der Masseleitung auf.
Um nun während des Ruhebetriebs für die Halbleiter-Schaltelemente einen Schutz vor einem Höhenstrahlungsereignis bereitzustellen, sieht die Erfindung vor, dass für den Ruhebetrieb (beide Halbleiter-Schaltelemente bei anliegender Hochvoltspannung elektrisch sperrend geschaltet) zumindest eine Ausgleichsmaßnahme vorgesehen ist, welche in der zumindest einen Reihenschaltung jeweils an dem die beiden Halbleiter-Schaltelemente elektrisch verbindenden Verbindungspunkt eine elektrische Spannung auf eine Ruhespannung einstellt. Mit anderen Worten driftet oder „floatet“ der Verbindungspunkt nicht mehr frei, sondern wird durch die zumindest eine Ausgleichsmaßnahme auf die Ruhespannung eingestellt. Die Ruhespannung kann beispielsweise bezüglich der Masseleitung oder der Plusleitung definiert oder gemessen sein. Die Ruhespannung weist dabei einen Wert auf, welcher der halben Hochvoltspannung entspricht oder der in einem Toleranzintervall liegt, welches die halbe Hochvoltspannung umfasst und höchstens um 20 Prozent der Hochvoltspannung von der halben Hochvoltspannung abweicht. Mit anderen Worten liegt der Wert in einem Toleranzintervall, welches eine obere Intervallgrenze und/oder eine untere Intervallgrenze aufweist, welche höchstens um 20 Prozent der Hochvoltspannung von dem halben Wert der Hochvoltspannung entfernt liegt. Weist beispielsweise die Hochvoltspannung einen Wert von 100 Volt auf, so liegt die halbe Hochvoltspannung bei 50 Volt. Das Toleranzintervall weicht um höchstens 20 Prozent, das heißt um höchstens 20 Volt (20 Prozent von 100 Volt) von diesem halben Wert der Hochvoltspannung, also von 50 Volt ab, sodass das Toleranzintervall von 30 Volt bis 70 Volt reichen kann. Die Abweichung von 20 Prozent ist dabei die größtmögliche Abweichung der oberen/unteren Intervallgrenze vom halben Wert der Hochvoltspannung. Bevorzugt ist vorgesehen, dass das Toleranzintervall um höchstens 10 Prozent, insbesondere höchstens 5 Prozent, der Hochvoltspannung von dem halben Wert der Hochvoltspannung abweicht. Bei einem Wert der Hochvoltspannung von 100 Volt ergeben sich somit Toleranzintervalle von 40 Volt bis 60 Volt (10 Prozent) oder 45 Volt bis 55 Volt (5 Prozent).
Indem die Ruhespannung auf die halbe Hochvoltspannung beziehungsweise auf einen Wert in dem besagten Toleranzintervall eingestellt wird, wird der Spannungsabfall, der sich über jedem der Halbleiter-Schaltelemente ergibt, derart aufgeteilt, dass im Ruhebetrieb über jedem Halbleiter-Schaltelement eine entsprechend begrenzte elektrische Spannung abfällt. Es wird also mit anderen Worten sichergestellt, dass über jedem der Halbleiter-Schaltelemente im Ruhebetrieb nicht die volle oder ganze Hochvoltspannung abfallen kann. Insbesondere kann durch wählen des Toleranzintervalls sichergestellt werden, dass über einem Halbleiter-Schaltelement nicht mehr als 70 Prozent der Hochvoltspannung (Toleranzintervall basierend auf 20 Prozent der Hochvoltspannung) oder nicht mehr als 60 Prozent (Toleranzintervall basierend auf 10 Prozent der Hochvoltspannung) oder 55 Prozent (Toleranzintervall basierend auf 5 Prozent der Hochvoltspannung) abfällt. Kommt es dann zu einem Höhenstrahlungsereignis, so kann die Auswirkung eines Lawineneffekts, wie sie sich durch die über dem Halbleiter-Schaltelement abfallende elektrische Spannung ergeben kann, entsprechend begrenzt oder verringert sein. Wird die Ruhespannung auf die halbe Hochvoltspannung eingestellt, so reduziert sich der Höhenstrahlungseinfluss um Zehnerpotenzen.
Die Erfindung umfasst auch Ausführungsformen, durch die sich zusätzliche Vorteile ergeben.
Gemäß einer Ausführungsform sieht die zumindest eine Ausgleichsmaßnahme eine Spannungsteilerschaltung mit zwei ohmschen Widerstandselementen vor, wobei ein Verbindungspunkt der Widerstandselemente mit dem besagten Verbindungspunkt der Halbleiter-Schaltelemente der jeweiligen Reihenschaltung elektrisch verbunden ist. Die Spannungsteilerschaltung verbindet dabei die Plusleitung mit der Masseleitung genauso wie bei der zumindest einen Reihenschaltung deren Halbleiter-Schaltelemente die Plusleitung mit der Masseleitung verbinden können. Durch die Spannungsteilerschaltung auf Basis von zwei ohmschen Widerstandselementen wird also das Potential des Verbindungspunkts der Halbleiter-Schaltelemente eingestellt. Hierdurch ergibt sich der Vorteil, dass ein Driften oder Floaten des Potentials des Verbindungspunkts damit verhindert ist.
Eine Ausführungsform sieht vor, dass zumindest ein Unterbrechungsschalter vorgesehen ist, um einen elektrischen Strom durch die Spannungsteilerschaltung zu unterbrechen. Die Spannungsteilerschaltung ist also nur dann aktiv, wenn der zumindest eine Unterbrechungsschalter geschlossen oder elektrisch leitend ist. Die Steuereinrichtung der Fahrzeuggeräteschaltung ist dazu eingerichtet, den Strom außerhalb des Ruhebetriebs, wenn also der Verbindungspunkt nicht auf die Ruhespannung eingestellt werden muss, durch Schalten oder Öffnen des zumindest einen Unterbrechungsschalters zu unterbrechen. Somit ist in vorteilhafter Weise der Stromfluss durch die Spannungsteilerschaltung außerhalb des Ruhebetriebs unterbrochen. Hierdurch ergibt sich der Vorteil, dass ein Energieverbrauch der Spannungsteilerschaltung verhindert ist.
Eine Ausführungsform sieht vor, dass die zumindest eine Ausgleichsmaßnahme zusätzlich oder alternativ zu der Spannungsteilerschaltung umfasst, dass die Steuereinrichtung zumindest zu einem jeweiligen Beginn des Ruhebetriebs, also immer dann, wenn der Ruhebetrieb beginnen soll, eine Umladungsmaßnahme von Ausgangskapazitäten der jeweiligen Halbleiter-Schaltelemente der zumindest einen Reihenschaltung durchführt. Mit anderen Worten werden durch die Umladungsmaßnahme die Ausgangskapazitäten jeweils mit elektrischer Ladung geladen oder umgeladen. Die Umladungsmaßnahme sieht vor, dass bei der zumindest einen Reihenschaltung die Steuereinrichtung eines der beiden Halbleiter-Schaltelemente in einen elektrisch leitenden Zustand schaltet und hierdurch die Spannung des Verbindungspunkts der Halbleiter-Schaltelemente auf die Ruhespannung einregelt oder einstellt. Liegt also die Spannung des Verbindungspunkts zu niedrig, also ist sie höher als die Ruhespannung, so kann durch Schalten des Halbleiter-Schaltelements, das zur Plusleitung führt, die Spannung des Verbindungspunkts erhöht werden. Ist die Spannung des Verbindungspunkts größer als die Ruhespannung, so kann durch elektrisch leitend Schalten des Halbleiter-Schaltelements, das zur Masseleitung führt, die Spannung verringert werden. Insbesondere bei zwei Reihenschaltungen, deren Verbindungspunkte über eine induktive Last, z.B. eine elektrische Maschine, verbunden sind, kann vorgesehen sein, ausgehend vom letzten Schaltzustand durch impulsweises Umschalten der beiden Reihenschaltungen die Ruhespannung bei beiden Verbindungspunkten einzustellen. Diese Ausgleichsmaßnahme weist den Vorteil auf, dass auf eine Spannungsteilerschaltung und damit auf zusätzliche elektrische Bauteile verzichtet werden kann. In diesem Fall (ohne Spannungsteilerschaltung) kann die Spannung des Verbindungspunkts allerdings durch die beschriebenen parasitären Effekte driften oder floaten.
Eine Ausführungsform hierzu sieht vor, dass die zumindest eine Ausgleichsmaßnahme auch umfasst, dass die Steuereinrichtung den Ruhebetrieb zum erneuten Durchführen der Umladungsmaßnahme unterbricht. Mit anderen Worten erfolgt ein Nachladen der Ausgangskapazitäten der Halbleiter-Schaltelemente während einer Ruhephase, indem der Ruhebetrieb für das Durchführen der Umladungsmaßnahme unterbrochen wird. die Unterbrechung kann hierbei weniger als eine Sekunde betragen. Danach kann der Ruhebetrieb fortgesetzt werden. Es wird also ein Drift des Verbindungspunkts der Halbleiter-Schaltelemente ausgeglichen oder in anderen Worten die Spannung wieder auf die Ruhespannung zurückgeführt.
Gemäß einer Ausführungsform ist die besagte jeweilige Reihenschaltung der Halbleiter-Schaltelemente ein Bestandteil einer Halbbrücke oder einer H-Brückenschaltung oder einer aktiven Inverterschaltung (Wechselrichterschaltung) oder einer DC/DC-Wandlerschaltung (Gleichspannungswandlerschaltung) oder einer redundanten Unterbrechungsschaltung. Eine Unterbrechungsschaltung kann hierzu zwei in Reihe geschaltete Halbleiter-Schaltelemente aufweisen, um bei Ausfall oder Defekt eines Halbleiter-Schaltelements einen Strom mittels des verbleibenden, redundanten Halbleiter-Schaltelements unterbrechen zu können.
Eine Ausführungsform sieht vor, dass an dem Verbindungspunkt der Halbleiter-Schaltelemente eine elektrische Maschine angeschlossen ist. Die elektrische Maschine kann ein Antriebsmotor des Kraftfahrzeugs oder eines Kompressors des Kraftfahrzeugs sein. Die Erfindung ist hier besonders vorteilhaft, da eine elektrische Maschine selbst keine Sperrwirkung für elektrischen Strom aufweist, wenn sie ruht oder stillsteht. Somit ist hier der Schutz der Halbleiter-Schaltelemente besonders vorteilhaft.
Eine Ausführungsform sieht vor, dass die Halbleiter-Schaltelemente jeweils durch zumindest einen Transistor gebildet sind. Ein Transistor kann beispielsweise als MOSFET (metal-oxide-semiconductor field-effect transistor) oder als IGBT (insulated gate bipolar transistor) ausgestaltet sein. Mit anderen Worten sind die Halbleiter-Schaltelemente jeweils ein Leistungshalbleiter-Schaltelement.
Die Erfindung umfasst auch ein Kraftfahrzeug mit einem elektrischen Hochvolt-Bordnetz und mit zumindest einem an das Hochvolt-Bordnetz angeschlossenen Fahrzeuggerät, das jeweils zumindest eine Fahrzeuggeräteschaltung gemäß der Erfindung aufweist. In dem Hochvolt-Bordnetz kann somit eine Hochvoltspannung beispielsweise durch eine Hochvolt-Batterie bereitgestellt sein, und auch im Stillstand des Kraftfahrzeugs und/oder während eines Ruhebetriebs des jeweiligen Fahrzeuggeräts kann die Hochvoltspannung im Hochvolt-Bordnetz bleiben. Das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug ist bevorzugt als Kraftwagen, insbesondere als Personenkraftwagen oder Lastkraftwagen, ausgestaltet.
Die Erfindung umfasst schließlich auch ein Verfahren zum Betreiben einer Fahrzeuggeräteschaltung, wobei zwischen einer Plusleitung und einer Masseleitung eine elektrische Hochvoltspannung geführt wird und elektrisch zwischen die Plusleitung und die Masseleitung zumindest eine Reihenschaltung aus jeweils zwei Halbleiter-Schaltelementen betrieben wird, sodass also die Plusleitung und die Masseleitung über die zumindest eine Reihenschaltung verbunden sind. Eine Steuereinrichtung der Fahrzeuggeräteschaltung schaltet für einen Ruhebetrieb die beiden Halbleiter-Schaltelemente bei anliegender Hochvoltspannung in einen elektrisch sperrenden Zustand. Im Ruhebetrieb ruht also das Fahrzeuggerät oder die Fahrzeuggeräteschaltung. Für den Ruhebetrieb wird aber die besagte zumindest eine Ausgleichsmaßnahme vorgesehen, welche in der jeweiligen Reihenschaltung an den die beiden Halbleiter-Schaltelemente elektrisch verbindenden Verbindungspunkt eine elektrische Spannung auf eine Ruhespannung eingestellt wird, die der halben Hochvoltspannung entspricht oder die in einem Werteintervall liegt, dass die halbe Hochvoltspannung umfasst und höchstens um 20 Prozent, insbesondere höchstens 10 Prozent oder 5 Prozent, der Hochvoltspannung von der halben Hochvoltspannung abweicht.
Die Erfindung umfasst auch Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens, die Merkmale aufweisen, wie sie bereits im Zusammenhang mit den Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Fahrzeuggeräteschaltung betrieben worden sind. Aus diesem Grund sind die entsprechenden Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens hier nicht noch einmal beschrieben.
Die Erfindung umfasst auch die Kombinationen der beschriebenen Ausführungsformen.
Im Folgenden sind Ausführungsbeispiele der Erfindung beschrieben. Hierzu zeigt:

1 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Kraftfahrzeugs; und
2 ein Flussschaudiagramm einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens.

Bei den im Folgenden erläuterten Ausführungsbeispielen handelt es sich um bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung. Bei den Ausführungsbeispielen stellen die beschriebenen Komponenten der Ausführungsformen jeweils einzelne, unabhängig voneinander zu betrachtende Merkmale der Erfindung dar, welche die Erfindung jeweils auch unabhängig voneinander weiterbilden und damit auch einzeln oder in einer anderen als der gezeigten Kombination als Bestandteil der Erfindung anzusehen sind. Des Weiteren sind die beschriebenen Ausführungsformen auch durch weitere der bereits beschriebenen Merkmale der Erfindung ergänzbar.
In den Figuren sind funktionsgleiche Elemente jeweils mit denselben Bezugszeichen versehen.
1 zeigt ein Kraftfahrzeug 10, bei dem es sich um einen Kraftwagen, insbesondere einen Personenkraftwagen oder Lastkraftwagen, handeln kann. Das Kraftfahrzeug 10 kann ein Fahrzeuggerät 11 aufweisen, bei dem es sich zum Beispiel um einen elektrischen Fahrantrieb oder ein Antriebsaggregat des Kraftfahrzeugs 10 handeln kann. Das Fahrzeuggerät 11 kann beispielsweise auch ein Kompressor für eine Klimaanlage des Kraftfahrzeugs 10 sein. Das Fahrzeuggerät 11 kann auch beispielsweise ein DC/DC-Wandler sein.
Das Fahrzeuggerät 11 kann an ein Hochvolt-Bordnetz 12 des Kraftfahrzeugs angeschlossen sein. Das Hochvolt-Bordnetz 12 kann eine Hochvolt-Batterie 13 aufweisen. Des Weiteren kann ein Zwischenkreis 14 vorgesehen sein, von dem in 1 ein Zwischenkreiskondensator 14 dargestellt ist. Indem das Fahrzeuggerät 11 an das Hochvolt-Bordnetz 12 angeschlossen ist, liegt zwischen einer Plusleitung 15 und einer Minusleitung oder Masseleitung 16 eine Hochvoltspannung U an. Eine Funktionskomponente 17 des Fahrzeuggeräts 11 kann mit der Plusleitung 15 und der Masseleitung 16 jeweils über eine Fahrzeuggeräteschaltung 18 verschaltet sein, die in dem in 1 gezeigten Fall eine H-Brückenschaltung H aufweisen kann. Allgemein kann die Fahrzeuggeräteschaltung 18 zumindest eine Reihenschaltung 19 aus zwei Halbleiter-Schaltelementen 20 aufweisen. Die Reihenschaltung 19 kann jeweils die Plusleitung 15 mit der Masseleitung 16 verbinden.
Die beiden Halbleiter-Schaltelemente 20 können jeweils beispielsweise durch einen MOSFET oder (wie dargestellt) einen IGBT realisiert sein. Die beiden Halbleiter-Schaltelemente 20 können in jeder Reihenschaltung 19 jeweils über einen Verbindungspunkt 21 elektrisch verbunden sein. An den Verbindungspunkt 21 jeder Reihenschaltung 19 kann jeweils die Funktionskomponente 17 angeschlossen sein, wodurch sich die H-Brücke H ergibt. Die Funktionskomponente 19 kann beispielsweise eine elektrische Maschine M sein. Die H-Brückenschaltung H kann durch eine Steuereinrichtung 22 der Fahrzeuggeräteschaltung 18 gesteuert sein. Die Steuereinrichtung 22 kann beispielsweise auf der Grundlage eines Mikrocontrollers realisiert sein. Die Steuereinrichtung 22 kann beispielsweise einen jeweiligen Schaltzustand der Halbleiter-Schaltelemente 20 einstellen oder steuern.
Wenn die Gerätekomponente 17 nicht in dem Kraftfahrzeug 10 benötigt wird, also beispielsweise die elektrische Maschine M stillstehen soll oder frei rotieren können soll, kann die Steuereinrichtung 22 einen Ruhebetrieb vorsehen, in welchem die Halbleiter-Schaltelemente 20 in jeder Reihenschaltung 19 elektrisch sperrend geschaltet sind. Dann fällt die Hochspannung U über den beiden Halbleiter-Schaltelementen 20 jeder Reihenschaltung 19 ab. Hierbei wird das jeweilige elektrische Potential oder die elektrische Spannung U1 der jeweiligen Verbindungspunkte 21 jeder Reihenschaltung 19 mittels einer Ausgleichsmaßnahme 23 auf eine Ruhespannung eingestellt, die insbesondere die Hälfte der Hochspannung U beträgt. Hierzu kann die Ausgleichsmaßnahme 23 eine Spannungsteilerschaltung 24 vorsehen, die durch eine Reihenschaltung aus zwei ohmschen Widerstandselementen 25 realisiert sein kann. Ein Verbindungspunkt 26 der Spannungsteilerschaltung 24 zwischen den beiden Widerstandselementen 25 kann mit den Verbindungspunkten 21 jeder Reihenschaltung 19 elektrisch verbunden sein. In 1 ist dargestellt, wie dies auch durch die Funktionskomponente 17 hindurch realisiert sein kann. Somit ist durch die Ausgleichsmaßnahme 23 sichergestellt, dass in dem Ruhebetrieb die Hochspannung U nicht ausschließlich über eine der beiden Halbleiter-Schaltelemente 20 der jeweiligen Reihenschaltung 19 abfällt. Eine weitere Ausgleichsmaßnahme 27 kann eine Steuermaßnahme sein, bei welcher die Steuereinrichtung 22 durch Schalten der Halbleiter-Schaltelemente 20 in der Reihenschaltung 19 die Spannung U1 des Verbindungspunkts 21 auf die gewünschte Ruhespannung einstellt, also beispielsweise auf die halbe Hochspannung U.
Damit in der Spannungsteilerschaltung 24 nicht dauerhaft ein Strom fließt, insbesondere außerhalb des beschriebenen Ruhebetriebs, kann zumindest ein Unterbrechungsschalter 28 vorgesehen sein, der beispielsweise durch ein Relais oder einen Transistor realisiert sein kann. Eine Spannungsfestigkeit oder eine Durchbruchspannung des jeweiligen Unterbrechungsschalters 28 kann kleiner als die Hochspannung U sein. Dies ist möglich, da stets ein Teil der Hochspannung U über den Widerstandselementen 25 abfällt. Zudem kann ein Schaltvorgang bei Stromfluss auf den durch die Spannungsteilerschaltung 24 fließenden Strom abgestimmt sein. Die Werte der Widerstandselemente 25 können derart gewählt sein, dass sich ein Stromfluss durch die Spannungsteilerschaltung 24 ergibt, der kleiner als 0,5 Ampere, insbesondere kleiner als 100 Milliampere ist.
2 veranschaulicht das sich im Betrieb der Fahrzeuggeräte 11 und insbesondere der Fahrzeuggeräteschaltung 18 ergebende Verfahren.
In einem Schritt S10 wird zwischen einer Plusleitung und einer Masseleitung eine elektrische Hochvoltspannung U geführt. In einem Schritt S11 wird elektrisch zwischen der Plusleitung 15 und der Masseleitung 16 zumindest eine Reihenschaltung 19 aus zwei Halbleiter-Schaltelementen 20 betrieben. In einem Schritt S12 schaltet eine Steuereinrichtung der Fahrzeuggeräteschaltung 18 für einen Ruhebetrieb die beiden Halbleiter-Schaltelemente 20 der jeweiligen Reihenschaltung 19 bei anliegender Hochvoltspannung U in einen elektrisch sperrenden Zustand. In einem Schritt S13 wird für den Ruhebetrieb eine Ausgleichsmaßnahme 23, 27 vorgesehen, welche in der jeweiligen Reihenschaltung an einem die beiden Halbleiter-Schaltelemente 20 elektrisch verbindenden Verbindungspunkt 21 eine elektrische Spannung U1 auf eine Ruhespannung einstellt, die der halben Hochvoltspannung U entspricht oder die in einem Werteintervall liegt, das die halbe Hochvoltspannung umfasst und höchstens um 20 Prozent, insbesondere höchstens um 10 Prozent, bevorzugt um höchstens 5 Prozent, der Hochvoltspannung U von der halben Hochvoltspannung abweicht.
Bei der Fahrzeuggeräteschaltung 18 wird also die H-Brücke H gezielt auf die halbe Hochvoltspannung U gezogen, sobald das Fahrzeuggerät 11 (Motor, DC/DC-Wandler) nicht benötigt wird (Ruhebetrieb). Dadurch reduziert sich der Höhenstrahlungseinfluss um zehner Potenzen.
Beispielhaft ist hierzu in 1 in einer Fahrzeuggeräteschaltung 18 mit einer Hochvolt-Spannungsquelle/Batterie 13, einem Zwischenkreiskondensator 14, vier Halbleiterschaltelementen 20 und einem Elektromotor M dies mit einem Spannungsteiler oder einer Spannungsteilerschaltung 24 zwischen der Plusleitung 15 und der Masseleitung 16 realisiert (Ausgleichsmaßnahme 23).
Die Spannungsteilerschaltung 24 kann auch mit aktiven Widerstandselementen realisiert werden, also beispielsweise kann ein Widerstandselement 25 durch einen Transistor oder mehrere Transistoren realisiert sein. Während der Fahrt lässt sich die Spannungsteilerschaltung 24 bevorzugt abschalten, das heißt ein Strom unterbrechen.
Eine weitere Realisierungsmöglichkeit einer Ausgleichsmaßnahme 27 besteht darin, die Halbleiter-Schaltelemente 20 zu Beginn des Ruhebetriebs gegenseitig zu pulsen (eine Reihenschaltung 19 wird auf die Plusleitung 15, die andere Reihenschaltung 19 wird auf die Masseleitung 16 geschaltet betreffend den jeweiligen Verbindungspunkt 21). Anschließend können dann alle Halbleiterschaltelemente 20 elektrisch sperrend geschaltet werden (alle Schaltelemente 20 werden gleichzeitig ausgeschaltet). Hierdurch „floatet“ dann der Verbindungspunkt 21. Durch symmetrische parasitäre Kondensatoren in den Halbleiter-Schaltelementen 20 stellt sich dann ebenfalls die halbe Hochvoltspannung als Spannung U ein. Das Pulsen sorgt nicht für einen Kurzschluss, da hier die Induktivität der elektrischen Maschine M eine Kurzschlussstrom blockiert.
Insgesamt zeigen die Beispiele, wie durch die Erfindung eine Robustheit von Endstufen gegen Höhenstrahlung gesteigert werden kann.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102014200206 A1 [0002]
DE 102010048747 A1 [0004]
DE 102009028915 A1 [0008]

Claims

Fahrzeuggeräteschaltung (18), die dazu ausgelegt ist, zwischen einer Plusleitung (15) und einer Masseleitung (16) eine elektrische Hochvoltspannung (U) zu führen, wobei elektrisch zwischen die Plusleitung (15) und die Masseleitung (15) zumindest eine Reihenschaltung (19) aus jeweils zwei Halbleiter-Schaltelementen (20) geschaltet ist und eine Steuereinrichtung (22) der Fahrzeuggeräteschaltung (18) vorsieht, für einen Ruhebetrieb der Fahrzeuggeräteschaltung (18) die beiden Halbleiter-Schaltelemente (20) bei anliegender Hochvoltspannung (U) in einen elektrisch sperrenden Zustand zu schalten, dadurch gekennzeichnet, dass für den Ruhebetrieb zumindest eine Ausgleichsmaßnahme (23, 27) vorgesehen ist, welche in der zumindest einen Reihenschaltung (19) an einem die beiden Halbleiter-Schaltelemente (20) elektrisch verbindenden Verbindungspunkt (21) eine elektrische Spannung (U1) auf eine Ruhespannung einstellt, die der halben Hochvoltspannung (U) entspricht oder die in einem Toleranzintervall liegt, das die halbe Hochvoltspannung (U) umfasst und höchstens um 20% der Hochvoltspannung (U) von der halben Hochvoltspannung (U) abweicht.
Fahrzeuggeräteschaltung (28) nach Anspruch 1, wobei die zumindest eine Ausgleichsmaßnahme (23) eine Spannungsteilerschaltung (24) mit zwei ohmschen Widerstandselementen (25) vorsieht, wobei ein Verbindungspunkt (26) der Widerstandselemente (25) mit dem Verbindungspunkt (21) der Halbleiter-Schaltelemente (29) elektrisch verbunden ist.
Fahrzeuggeräteschaltung (18) nach Anspruch 2, wobei zumindest ein Unterbrechungsschalter (28) vorgesehen ist, um einen elektrischen Strom durch die Spannungsteilerschaltung (24) zu unterbrechen, und die Steuereinrichtung (22) dazu eingerichtet ist, den Strom außerhalb des Ruhebetriebs durch Schalten des zumindest einen Unterbrechungsschalters (28) zu unterbrechen.
Fahrzeuggeräteschaltung (18) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Ausgleichsmaßnahme (27) umfasst, dass die Steuereinrichtung (22) zumindest zu einem jeweiligen Beginn des Ruhebetriebs eine Umladungsmaßnahme von Ausgangskapazitäten der Halbleiter-Schaltelemente durchführt (20), indem die Steuereinrichtung (22) jeweils eines der beiden Halbleiter-Schaltelemente (20) der zumindest einen Reihenschaltung (19) in einen elektrisch leitenden Zustand schaltet und hierdurch die Spannung (U1) des jeweiligen Verbindungspunkts (21) der Halbleiter-Schaltelemente (20) auf die Ruhespannung einregelt oder einstellt.
Fahrzeuggeräteschaltung (18) nach Anspruch 4, wobei die zumindest eine Ausgleichsmaßnahme (27) umfasst, dass die Steuereinrichtung (22) den Ruhebetrieb zum erneuten Durchführen der Umladungsmaßnahme unterbricht.
Fahrzeuggeräteschaltung (18) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die zumindest eine Reihenschaltung (19) ein Bestandteil einer Halbbrücke oder einer H-Brückenschaltung (H) oder einer aktiven Inverterschaltung oder einer DC/DC-Wandlerschaltung oder einer redundanten Unterbrechungsschaltung ist.
Fahrzeuggeräteschaltung (18) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei an dem Verbindungspunkt (21) der Halbleiter-Schaltelemente (20) eine elektrische Maschine (M) angeschlossen ist.
Fahrzeuggeräteschaltung (18) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Halbleiter-Schaltelemente (20) jeweils durch zumindest einen Transistor gebildet sind.
Kraftfahrzeug (10) mit einem elektrischen Hochvolt-Bordnetz (12) und mit zumindest einem an das Hochvolt-Bordnetz (12) angeschlossenen Fahrzeuggerät (11), das jeweils zumindest eine Fahrzeuggeräteschaltung (18) nach einem der vorhergehenden Ansprüche aufweist.
Verfahren zum Betreiben einer Fahrzeuggeräteschaltung (18), wobei zwischen einer Plusleitung (15) und einer Masseleitung (16) eine elektrische Hochvoltspannung (U) geführt wird und elektrisch zwischen die Plusleitung (15) und die Masseleitung (16) zumindest eine Reihenschaltung (19) aus jeweils zwei Halbleiter-Schaltelementen (20) betrieben wird und eine Steuereinrichtung (22) der Fahrzeuggeräteschaltung (18) für einen Ruhebetrieb die beiden Halbleiter-Schaltelemente (20) bei anliegender Hochvoltspannung (U) in einen elektrisch sperrenden Zustand schaltet, dadurch gekennzeichnet, dass für den Ruhebetrieb zumindest eine Ausgleichsmaßnahme (23, 27) vorgesehen wird, welche in der zumindest einen Reihenschaltung (19) an einem die beiden Halbleiter-Schaltelemente (20) elektrisch verbindenden Verbindungspunkt (21) eine elektrische Spannung (U1) auf eine Ruhespannung einstellt, die der halben Hochvoltspannung (U) entspricht oder die in einem Werteintervall liegt, das die halbe Hochvoltspannung (U) umfasst und höchstens um 20% der Hochvoltspannung (U) von der halben Hochvoltspannung (U) abweicht.