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Die Erfindung betrifft eine Leistungselektronik für ein insbesondere elektrisch antreibbares Kraftfahrzeug, mit einem elektrischen Hochspannungsnetz, das einen oder mehreren Kondensatoren und/oder Verbraucher, insbesondere eine elektrische Antriebsmaschine, aufweist und mit einer Hochspannungsbatterie elektrisch verbindbar/verbunden ist, und mit einer ansteuerbaren Trenneinrichtung, durch welche das Hochspannungsnetz von der Hochspannungsbatterie trennbar ist.
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Weiterhin betrifft die Erfindung ein Kraftfahrzeug mit einem Hochspannungsnetz, das eine Hochspannungsbatterie und eine elektrischen Antriebsmaschine sowie eine derartige Leistungselektronik aufweist.
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Stand der Technik
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Eine Leistungselektronik der gattungsgemäßen Art ist aus dem Stand der Technik bereits bekannt. Bei Kraftfahrzeugen mit Elektroantrieb oder Hybridantrieb stehen zusätzlich zum klassischen Niederspannungsnetz ein Hochspannungsnetz für die elektrische Antriebsmaschine, ein Gleichspannungswandler, der als Ersatz für eine vom Verbrennungsmotor betriebenen Lichtmaschine dient und/oder weitere elektrische Komponenten wie Klimakompresse und/oder Ladegerät zur Verfügung. Das Hochspannungsnetz wird aus einer Hochspannungsbatterie gespeist, die durch eine externe Ladestation oder während dem Fahrbetrieb durch einen generatorischen Betrieb der Antriebsmaschine aufladbar ist. Zur Topologie gehört es, dass das Hochspannungsnetz durch eine Einrichtung von der Hochspannungsbatterie trennbar ist, um das Hochspannungssystem zeitnah abschalten beziehungsweise spannungsfrei schalten zu können. Dadurch unterscheidet sich das Hochspannungsnetz vom herkömmlichen Niederspannungsnetz, bei welchem die Verbraucher permanent mit Spannung versorgt werden.
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Das Hochspannungsnetz weist üblicherweise einen Zwischenkreis mit mehreren Kondensatoren, Zwischenkreiskondensatoren genannt, auf, in welchem eine Zwischenkreisspannung anliegt. Durch die Zwischenkreiskondensatoren werden kurzzeitige Strom- und/oder Spannungsspitzen ausgeglichen oder Ansprüche an die elektromagnetische Verträglichkeit des Gesamtsystems erfüllt. Nach Fahrtende, wenn ein Benutzer die Zündung des Kraftfahrzeugs ausschaltet, und insbesondere wenn die Hochspannungsbatterie geladen ist, wird die Einrichtung betätigt, um das Hochspannungsnetz von der Hochspannungsbatterie zu trennen. Aufgrund der in dem Hochspannungsnetz enthaltenen Kapazitäten würde nach dem Abtrennen der Batterie die Zwischenkreisspannung im Hochspannungsnetz ohne weitere Maßnahmen nur langsam sinken. Es ist daher bekannt, eine Einrichtung zum Reduzieren der elektrischen Spannung im Hochspannungsnetz vorzusehen, mittels welcher gezielt die elektrische Spannung nach dem Abschalten des Systems reduzierbar ist. Hierzu ist es beispielsweise bekannt, ein PTC-Element (elektrischer Widerstand mit positivem Temperaturkoeffizienten) in das Hochspannungsnetz zu integrieren. Durch dieses wird die elektrische Energie in Wärme umgewandelt und dadurch die elektrische Spannung reduziert. Auch ist es bekannt, Halbleiterschalter einer Brückenschaltung der Leistungselektronik zur Entladung anzusteuern, indem durch kurzes Einschalten die vorhandene Energie in einem Transistor in Wärme umgewandelt wird.
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Offenbarung der Erfindung
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Die erfindungsgemäße Leistungselektronik mit den Merkmalen des Anspruchs 1 hat den Vorteil, dass eine Reduzierung der im Hochspannungsnetz vorhandenen elektrischen Spannung in besonders kurzer Zeit erfolgt, wobei die hierfür vorgesehene Lösung keinen zusätzlichen Bauraum beansprucht, kostengünstig realisierbar ist und einfach bedienbar ist. Erfindungsgemäß ist hierzu vorgesehen, dass die Einrichtung zumindest eine Gasentladungsröhre (gas discharge tube) aufweist. Diese zeichnet sich dadurch aus, dass eine Spannung an sie anlegbar ist, die bis zu einem Grenzwert erhöhbar ist, ohne dass die Gasentladungsröhre elektrisch leitend wird. Erst wenn der Grenzwert durch die angelegte elektrische Spannung überschritten wird, wird die Gasentspannungsröhre elektrisch leitfähig. Dabei ist die Zeit, bis die Gasentladungsröhre leitfähig wird, abhängig von der Steilheit der angelegten Spannung. So muss beispielsweise zunächst ein Mindeststrom von 0,5 A fließen. Nachdem die Gasentladungsröhre leitend geworden ist, können Ströme von über 1000 A, gegebenenfalls auch bis zu 20000 A geleitet werden. Der Stromfluss endet, wenn die angelegte Spannung unter einen zweiten Grenzwert sinkt, von beispielsweise 10 bis 12 V oder der Strom unter den Ruhestrom von 0,5 A.
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Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung weist die Einrichtung mehrere Gasentladungsröhren auf. Hierdurch ist ein sicherer und schneller Abbau der vorhandenen elektrischen Spannung gewährleistet.
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Besonders bevorzugt sind die mehreren Gasentladungsröhren elektrisch in Reihe geschaltet, so dass sie insbesondere nacheinander wirken und die Spannung reduzieren.
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Bevorzugt ist der jeweiligen Gasentladungsröhre ein erster elektrischer Widerstand zugeordnet. Die Widerstände dienen dazu, die Spannungsverteilung auf die mehreren Gasentladungsröhren einzustellen. Vorzugsweise ist zu jeder Gasentladungsröhre ein erster Widerstand parallel geschaltet.
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Besonders bevorzugt sind dazu die ersten Widerstände derart gewählt, dass sie die auf die Gasentladungsröhren wirkende elektrische Spannung gleichmäßig auf die Gasentladungsröhren verteilen. Hierdurch wird eine Überanspruchung einzelner Gasentladungsröhren sicher verhindert und die Last auf die Gasentladungsröhren gleichmäßig verteilt. Dadurch wird unter anderem auch einer vorzeitigen Alterung der Leistungselektronik entgegengewirkt. Zudem wird eine ungewollte Aktivierung einer oder mehrerer Gasentladungsröhren verhindert.
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Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung weist die Einrichtung außerdem einen betätigbaren Schalter, insbesondere Transistor, auf, durch welchen zumindest eine der Gasentladungsröhren, insbesondere alle Gasentladungsröhren, mit einem Masseanschluss der Leistungselektronik verbindbar sind. Erst dann, wenn der Schalter betätigt wird, um die Verbindung zu dem Masseanschluss herzustellen, erfolgt die gewünschte Entladung des Systems. Dadurch ist die Entladung des Hochspannungsnetzes gezielt durchführbar.
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Besonders bevorzugt ist zumindest eine der Gasentladungsröhren durch einen zweiten elektrischen Widerstand mit dem Schalter elektrisch verbunden. Insbesondere sind alle bis auf die letzte in der Reinschaltung vorhandenen Gasentladungsröhren durch jeweils einen zweiten Widerstand mit dem Schalter verbunden. Hierdurch wird sichergestellt, dass die Gasentladungsröhren nacheinander wirken.
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Insbesondere ist zumindest einem der zweiten Widerstände eine Diode nachgeschaltet, durch welche verhindert wird, dass der Strom zurück in das Hochspannungsnetz beziehungsweise in falscher Richtung durch eine der Gasentladungsröhren strömen kann. Insbesondere sind allen bis auf der in der Reinschaltung ersten Gasentladungsröhre jeweils eine Diode dem jeweiligen zweiten Widerstand nachgeschaltet.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist der zumindest einen Gasentladungsröhre eine Induktivität zugeordnet. Hierdurch wird eine induktive dynamische Überhöhung der elektrischen Spannung möglich, durch welche das Zusammenwirken aus elektrischer Spannung und Grenzwert der jeweiligen Gasentladungsröhre umgangen werden kann.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung weist die jeweilige Gasentladungsröhre eine Vorrichtung zum Einstellen oder Beeinflussen ihrer Grenzspannung auf. Bei dieser Vorrichtung handelt es sich insbesondere um eine dritte Elektrode, mit deren Hilfe der erste und/oder zweite Grenzwert der Gasentladungsröhre reduzierbar ist, um die Entladung zu starten. Dadurch kann die Anzahl der Gasentladungsröhren insgesamt reduziert werden.
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Das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug mit den Merkmalen des Anspruchs 12 zeichnet sich durch die erfindungsgemäße Leistungselektronik aus. Es ergeben sich hierdurch die bereits genannten Vorteile. Weitere Vorteile, bevorzugte Merkmale und Merkmalskombinationen ergeben sich aus dem zuvor Beschriebenen sowie aus den Ansprüchen.
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Im Folgenden wird die Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert. Dazu zeigen:
- 1 ein Kraftfahrzeug mit einem Hochspannungsnetz in einer vereinfachten Darstellung,
- 2 eine vorteilhafte Einrichtung zum Reduzieren einer elektrischen Spannung im Hochspannungsnetz und
- 3 eine alternative Ausbildung der Einrichtung, jeweils in einer vereinfachten Darstellung.
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1 zeigt in einer vereinfachten Darstellung ein Kraftfahrzeug 1, das eine elektrische Maschine 2 als Antriebsmaschine aufweist. Die elektrische Maschine 2 ist durch ein Hochspannungsnetz 3 mit einer Hochspannungsbatterie 4 verbunden. Das Hochspannungsnetz 3 weist neben einer Leistungselektronik 5 und der elektrischen Maschine 2 optional noch weitere Verbraucher 6, wie beispielsweise eine elektrische Klimaanlage oder dergleichen, auf. Außerdem ist das Hochspannungsnetz 3 durch einen Gleichspannungswandler 7 bei Bedarf mit einem Niederspannungsnetz 8 des Kraftfahrzeugs 1 verbunden, welches mehrere Verbraucher 9, wie beispielsweise ein elektrisches Verriegelungssystem für Türen des Kraftfahrzeugs, ein Beleuchtungssystem oder dergleichen aufweist.
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In dem Hochspannungsnetz 3 sind wie üblich mehrere Kondensatoren - hier nicht gezeigt - beziehungsweise Kapazitäten enthalten, die dafür sorgen, dass nach einem Abschalten der Zündung des Kraftfahrzeugs 1 durch den Fahrer elektrische Spannung beziehungsweise Zwischenkreisspannung UZ im Hochspannungsnetz 3 verbleibt. Während das Niederspannungsnetz 8 eine übliche Spannungshöhe von beispielsweise 12 V aufweist, weist das Hochspannungsnetz 3 eine Spannung von bis zu 500 V oder mehr auf. Damit unterscheidet sich das Hochspannungsnetz 3 von dem Niederspannungsnetz 8 durch eine deutlich höhere Energiespannung.
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2 zeigt eine vorteilhafte Einrichtung 10 der Leistungselektronik 5, die dazu dient, in dem Hochspannungsnetz 3 in kürzester Zeit insbesondere nach dem Abschalten der Zündung des Kraftfahrzeugs 1 die elektrische Spannung zu reduzieren beziehungsweise abzubauen. Dabei ist zwischen dem Hochspannungsnetz 3 und der Hochspannungsbatterie 4 außerdem eine Trenneinrichtung 11 geschaltet, bei deren Betätigung die elektrische Verbindung zwischen Hochspannungsbatterie 4 und Hochspannungsnetz 3 unterbrochen wird, so dass die Energie nach dem Abschalten des Kraftfahrzeugs nicht zurück in den Hochvoltspeicher fließen kann.
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Die Trenneinrichtung 11 sowie die Leistungselektronik 5 werden bevorzugt durch ein Steuergerät 12 angesteuert, wie es in 2 beispielhaft gezeigt ist. 2 zeigt außerdem in einer vereinfachten Darstellung die Einrichtung 10 zur Spannungsreduzierung. Die Einrichtung 10 weist mehrere in Reihe hintereinander geschaltete Gasentladungsröhren GDT1, GDT2, GDT3, GDT4, auf. Zu jeder der Gasentladungsröhren ist jeweils ein erster elektrischer Widerstand R1, R2, R3 beziehungsweise R4 parallel geschaltet. Die in der Reihe zuletzt liegende Gasentladungsröhre GDT4 sowie der als letztes in der Reihe befindliche Widerstand R4 sind jeweils mit einem Masseanschluss 13 des Kraftfahrzeugs 1 beziehungsweise der Leistungselektronik 5 verbunden.
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In der Verbindung zwischen den Gasentladungsröhren GDT1 und GDT2 sowie der Widerstände R1 und R2 ist ein zweiter Widerstand R11 angeschlossen, durch welchen die Gasentladungsröhre GDT1 mit einem Schalter 14, der durch das Steuergerät 12 betätigbar ist, verbunden. Wir der Schalter 14 betätigt, wird der Widerstand R11 mit dem Masseanschluss 13 verbunden.
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Gleichermaßen ist zwischen den Gasentladungsröhren GDT2 und GDT3 sowie zwischen den Widerständen R2 und R3 ein weiterer Widerstand R12 geschaltet, der durch eine Diode D mit dem Schalter 14 ebenfalls verbunden ist.
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Entsprechend ist auch zwischen den Gasentladungsröhren GDT3 und GDT4 sowie der Widerstand R3 und R4 ein weiterer Widerstand R13 angebunden, der durch eine Diode D mit dem Schalter 14 verbunden ist.
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Aufgrund der Reihenschaltung wäre eine maximale, heute übliche Zwischenkreisspannung von 500 V bei Reihenschaltung von vier Elementen des Typs CG2230 denkbar. Dabei sind auch andere Typen verwendbar. Vorliegend wird davon ausgegangen, dass die Gasentladungsröhren jeweils einen Grenzwert von 135 V aufweisen (Holdover-Spannung). Die ersten Widerstände R1 bis R4 symmetrieren die elektrische Spannung über die einzelnen Gasentladungsröhren, so dass die Spannung an jeder Gasentladungsröhre GDT1 bis GDT4 unterhalb der zulässigen Hold-over-Spannung beziehungsweise unterhalb des ersten Grenzwerts liegt. Soll die Entladung gestartet werden, wird der Schalter 14, der insbesondere als Transistor ausgebildet ist, betätigt beziehungsweise angeschaltet. Dadurch erfährt die Gasentladungsröhre GDT1 über den Widerstand R11 die Zwischenkreisspannung, die größer ist als der erste Grenzwert. Dadurch wird die Gasentladungsröhre GDT1 elektrisch leitfähig (ca. 12 V). In Folge erfährt nunmehr die zweite in der Reihe geschaltete Gasentladungsröhre GDT2 die Zwischenkreisspannung (abzüglich der 12 V für die Gasentladungsröhre GDT1) über den Widerstand R12 und wird ebenfalls elektrisch leitend. Für die Gasentladungsröhren GDT3 und GDT4 gilt das vorstehend bereits Gesagte in gleicher Weise. Nach wenigen Mikrosekunden ist dadurch die elektrische Spannung im Zwischenkreis auf unter 60 V (4 × 12 V = 48 V) entladen. Die Entladung findet in einer Größenordnung von 300 µs bei 1000 A Entladestrom, 650 µf Zwischenkreiskapazität und einer elektrischen Startspannung von 500 V statt.
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Weil der Schalter 14, die Dioden D und die Widerstände R11, R12, R13 nur für das Starten der Entladung notwendig sind, und daher nur während der Entladung Spannung sehen/erfahren, und zudem nur einen relativ kleinen Strom von weniger als 1 A tragen müssen, genügen hier einfache Standardelemente. Im Wesentlichen wird die elektrische Energie in den Gasentladungsröhren GDT1 bis GDT4 umgesetzt.
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Weil die Entladeschlussspannung abhängig von der Anzahl in Reihe geschalteter Gasentladungsröhren ist, kann eine vollständige Entladung über die Widerstände R11, R12, R13 erfolgen, im Wesentlichen auch durch den Widerstand R11. Weil die weitere Entladung aber nur noch von einer niedrigen Spannung aus erfolgt, ist die aufgenommene Energie relativ gering.
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3 zeigt ein alternatives Ausführungsbeispiel der Einrichtung 10, das sich von dem vorhergehenden Ausführungsbeispiel dadurch unterscheidet, dass anstelle der zweiten Widerstände R11, R12, R13 und der Dioden D eine Induktivität L1 vorhanden ist, durch welche eine induktive dynamische Überhöhung der Spannung möglich ist, um das Verhältnis der angelegten Spannung zum Grenzwert umgehen zu können.
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Ein weiteres Ausführungsbeispiel sieht vor, dass jede der Gasentladungsröhren GDT1 bis GDT4 eine dritte Elektrode aufweist, mit deren Hilfe der erste Grenzwert sowie die Haltespannung heruntergesetzt werden können, um die Entladung gezielt zu starten. Hierdurch kann auch die Anzahl der Gasentladungsröhren reduziert werden.
