DE102018221209A1

DE102018221209A1 - Vorrichtung und Verfahren zur Entladung eines Zwischenkreiskondensators

Info

Publication number: DE102018221209A1
Application number: DE102018221209.0A
Authority: DE
Inventors: Marco Denk; Stefan Hain
Original assignee: ZF Friedrichshafen AG
Current assignee: ZF Friedrichshafen AG
Priority date: 2018-12-07
Filing date: 2018-12-07
Publication date: 2020-06-10
Also published as: WO2020114696A1; US20220029526A1; EP3891857A1; CN211809095U

Abstract

Vorliegend wird eine Vorrichtung (105) zur Entladung eines Zwischenkreiskondensators (140) vorgestellt, wobei die Vorrichtung (105) eine Entladungseinheit (145) zum Entladen des Zwischenkreiskondensators (140) aufweist, wobei die Entladungseinheit (145) zwischen zwei Anschlussklemmen (155) des Zwischenkreiskondensators (140) schaltbar oder geschaltet ist, wobei eine Entladung des Zwischenkreiskondensators (140) durch eine an einem Ansteuereingang (160) der Entladungseinheit (145) angelegte Ansteuerspannung (U) steuerbar ist. Ferner umfasst die Vorrichtung (105) eine Ansteuereinheit (150), die zum Beaufschlagen des Ansteuereingangs (160) der Entladungseinheit (145) mit der Ansteuerspannung (U) ausgebildet ist, wobei die Ansteuereinheit (150) ferner ausgebildet ist, um die Ansteuerspannung (U) während eines Entladungsvorgangs oder zum Start eines Entladungsvorgangs des Zwischenkreiskondensators (125) zu verändern.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Entladung eines Zwischenkreiskondensators gemäß den Hauptansprüchen.
Ein Zwischenkreiskondensator in einem leistungselektronischen Antriebsstrang sollte in einem vorliegenden Fehlerfall aus Sicherheitsgründen kontrolliert entladen werden können. Dazu wird nach beispielsweise eine permanent anliegende, passive Entladung durch hochohmige Widerstände oder eine redundante, aktive Entladeschaltung eingesetzt. Die aktive Entladeschaltung kann beispielsweise mehrere Leistungswiderständen, welche die Energie des Zwischenkreiskondensators aufnehmen, und/oder einem Hochspannungshalbleiterschalter umfassen, welcher die Lastwiderstände mit dem Zwischenkreiskondensator im Bedarfsfall zusammenschaltet. Diese Technologie kann beispielsweise für Systeme bis 400V genutzt werden.
Für 800V-Systeme besteht die Problematik, dass der Hochspannungshalbleiterschalter und die Lastwiderstände signifikant größer werden, da der Zwischenkreiskondensator bei gleicher Kapazität die vierfache Energie enthält.
Vor diesem Hintergrund schafft die vorliegende Erfindung eine verbesserte Vorrichtung sowie ein verbessertes Verfahren zum Entladen eines Zwischenkreiskondensators gemäß den Hauptansprüchen. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung.
Es wird eine Vorrichtung zur Entladung eines Zwischenkreiskondensators vorgestellt, wobei die Vorrichtung die folgenden Merkmale umfasst:

- eine Entladungseinheit zum Entladen des Zwischenkreiskondensators, wobei die Entladungseinheit zwischen zwei Anschlussklemmen des Zwischenkreiskondensators schaltbar oder geschaltet ist, wobei eine Entladung des Zwischenkreiskondensators durch eine an einem Ansteuereingang der Entladungseinheit angelegte Ansteuerspannung steuerbar ist; und
- eine Ansteuereinheit, die zum Beaufschlagen des Ansteuereingangs der Entladungseinheit mit der Ansteuerspannung ausgebildet ist, wobei die Ansteuereinheit ferner ausgebildet ist, um die Ansteuerspannung während eines Entladungsvorgangs oder zum Start eines Entladungsvorgangs des Zwischenkreiskondensators zu verändern.

Unter einer Entladungseinheit kann beispielsweise eine Einheit oder ein Element verstanden werden, welches einen Stromfluss, ansprechend auf ein Ansteuersignal, ermöglicht, um den Zwischenkreiskondensator in einem Entladungsvorgang zu entladen. Beispielsweise kann die Entladungseinheit ein Halbleiterbauelement, insbesondere aus dem Bereich der Leistungselektronik sein. Unter einer Ansteuereinheit kann eine Einheit, insbesondere eine elektronische Einheit, verstanden werden, die die Ansteuerspannung entsprechend einer vorbestimmten Vorschrift oder Schaltungstolpologie erzeugt. Die Ansteuerspannung kann beispielsweise numerisch oder schaltungstechnisch generiert werden. Beispielsweise kann als die Entladungseinheit eine Komponente oder ein Element eines Wechselrichters verwendet werden.
Der hier vorgeschlagene Ansatz basiert auf der Erkenntnis, dass eine Entladungseinheit, beispielsweise in Abhängigkeit von einer aktuellen Temperatur, ein unterschiedliches Durchschaltverhalten aufweisen kann, sodass durch die Beaufschlagung des Ansteuereingangs der Entladungseinheit mit einer veränderbaren Ansteuerspannung zuverlässig ein Arbeitspunkt der Entladungseinheit angesteuert wird, bei dem auch eine sichere Entladung des Zwischenkreiskondensators erreicht wird. Der hier vorgestellte Ansatz bietet den Vorteil, mit technisch einfachen und kostengünstigen Mitteln den Zwischenkreiskondensator in unterschiedlichen Einsatzszenarien sicher entladen zu können, ansprechend auf das Ansteuersignal bzw. die Ansteuerspannung.
Der hier vorgestellte Ansatz bietet somit eine Lösung, wie die redundante, aktive Entladung gemäß einer Ausführungsform durch ein geeignetes Ansteuern von Halbleiterschaltern als Entladungseinheit beispielsweise als Teil des Wechselrichters realisiert werden kann. Entsprechende Lastwiderstände und ein dazugehöriger Hochspannungslastwiderstand können dadurch eingespart werden. Der/die Leistungshalbleiter als Ausführungsform der Entladungseinheit wird/werden dazu beispielsweise im Linearbereich betrieben und auf diese Weise ein definierter Widerstand und Entladestrom für die Entladung des Zwischenkreiskondensators eingestellt.
Gemäß einem Aspekt des hier vorgestellten Ansatzes wird somit ermöglicht, ein besonders einfaches und funktionales Ansteuerverfahren für Leistungshalbleiter als Ausführugnsform einer Entladungseinheit zu realisieren, um eine aktive Entladung des Zwischenkreiskondensators kontrolliert durchzuführen. Es wird daher gemäß einer Ausführungsform des hier vorgestellten Ansatzes ein neuartiges Ansteuerverfahren der Entladungseinheit, beispielsweise in der Form eines Leistungshalbleiters, vorgeschlagen, um die Funktion einer redundanten, aktiven Entladung des Zwischenkreiskondensators in die Ansteuerung integrieren zu können.
Gemäß einer besonders günstigen Ausführungsform kann die Ansteuereinheit ausgebildet sein, um die Ansteuerspannung von einem niedrigen Spannungspegel zu einem hohen Spannungspegel zu verändern. Auf diese Weise lässt sich vorteilhaft die Entladungseinheit derart anzusteuern, dass der Zwischenkreiskondensator möglichst schnell und sicher über die Entladungseinheit entladen wird.
Auch kann gemäß einer weiteren Ausführungsform die Ansteuereinheit ausgebildet sein, um die Ansteuerspannung gleichmäßig, linear und/oder monoton, insbesondere streng monoton zu verändern. Auf diese Weise kann beispielsweise sichergestellt werden, dass die Entladungseinheit in einem optimalen Spannungsbereich der Ansteuerspannung hinreichend lange angesteuert wird, sodass der Zwischenkreiskondensator zuverlässig und schnell entladen werden kann. Zugleich lässt sich eine solche Ansteuerspannung technisch einfach und effizient bereitstellen.
Besonders vorteilhaft ist eine Ausführungsform des hier vorgeschlagenen Ansatzes, bei der die Ansteuereinheit ein RC-Glied aufweist, um einen Spannungspegel der Ansteuerspannung zu ermitteln. Eine solche Ausführungsform ist schaltungstechnisch sehr einfach realisierbar.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform des hier vorgestellten Ansatzes kann die Ansteuereinheit ausgebildet sein, um bei einem oder für einen Beginn des Entladungsvorgangs einen Spannungssprung der Ansteuerspannung zu bewirken und/oder nach einem Ende des Entladungsvorgangs einen Spannungssprung der Ansteuerspannung zu bewirken. Eine solche Ausführungsform bietet den Vorteil, die Entladungseinheit derart anzusteuern, dass vor dem gewünschten Beginn des Entladungsvorgangs keine versehentliche Entladung des Zwischenkreiskondensators erfolgt und/oder nach der Beendigung des Entladungsvorgangs die Entladungseinheit wieder schnell in einen Zustand gebracht werden kann, in welchem der Zwischenkreiskondensator wieder aufgeladen werden kann.
In diesem Zusammenhang ist eine Ausführungsform des hier vorgestellten Ansatzes besonders vorteilhaft, bei der die Ansteuereinheit ausgebildet ist, um bei einem Beginn des Entladungsvorgangs die Ansteuerspannung auf einen Pegel von 0 Volt zu setzen, insbesondere ausgehend von einem minimalsten Wert, der vor einem Beginn des Entladungsvorgangs am Ansteuereingang der Entladungseinheit angelegen hat und/oder wobei die Ansteuereinheit ausgebildet ist, um nach einem Ende des Entladungsvorgangs die Ansteuerspannung auf einen minimalen Wert zu setzen, insbesondere ausgehend von einem maximalen Wert, der an einem Ende des Entladungsvorgangs am Ansteuereingang der Entladungseinheit angelegen hat. Auf diese Weise kann die Entladungseinheit derart angesteuert werden, dass eine möglichst große Sicherheit der Entladung des Zwischenkreiskondensators zu gewünschten Entladungszeitpunkten bzw. Entladungszeitintervallen erfolgt, während zu den anderen Zeitpunkten bzw. Zeitintervallen eine Entladung des Zwischenkreiskondensators möglichst zuverlässig vermieden werden kann.
Auch kann gemäß einer anderen Ausführungsform des hier vorgeschlagenen Ansatzes die Entladungseinheit als ein Halbleiterschalter, insbesondere ein Leistungshalbleiterschalter ausgebildet sein. Auf diese Weise lässt sich eine sehr schnelle und einfache Ansteuerung der Entladung des Zwischenkreiskondensators realisieren. Zugleich kann dieser Halbleiterschalter beispielsweise Teil eines Wechselrichters des Zwischenkreises sein, sodass bereits zu verwendende Komponenten des Zwischenkreises für eine zusätzliche Funktionalität genutzt werden können und hierdurch zusätzliche, separate Komponenten eingespart werden können, wodurch sich der hier vorgestellte Ansatz sehr kostengünstig implementieren lässt. Besonders günstig kann auch der Halbleiterschalter in einem linearen (Kennlinien-) Bereich betrieben werden, wodurch die technischen Funktionen des Halbleiterschalters möglichst effizient für den Entladungsvorgang des Zwischenkreises genutzt werden können, beispielsweise zur Umwandlung der in den Zwischenkreiskondensator gespeicherten elektrischen Energie in thermische Energie.
Auch kann gemäß einer weiteren Ausführungsform des hier vorgestellten Ansatzes die Entladungseinheit als ein Transistor, insbesondere ein MOSFET-Transistor, oder ein IGBT ausgebildet sein. Eine solche Ausführungsform bietet den Vorteil einer besonders schnellen und zuverlässigen Ansteuerungsmöglichkeit der Entladungseinheit bzw. der Entladung des Zwischenkreiskondensators, wobei beispielsweise wieder eine Komponente des Zwischenkreises für die weitere Funktion als Entladungseinheit verwendet werden kann, wodurch sich Herstellungskosten für die Implementierung des hier vorgestellten Ansatzes reduzieren lassen.
Auch kann in einer weiteren Ausführungsform des hier vorgestellten Ansatzes die Ansteuereinheit ausgebildet sein, um die Ansteuerspannung in Abhängigkeit von einer Temperatur der Entladungseinheit oder einer Komponente der Entladungseinheit zu bestimmen. Eine solche Ausführungsform bietet den Vorteil, einen optimalen Arbeitspunkt der Entladungseinheit möglichst schnell passenden Ansteuerspannung anzusteuern, sodass der Zwischenkreiskondensator möglichst schnell entladen werden kann.
Besonders einfach und kostengünstig lässt sich der hier vorgeschlagene Ansatz implementieren, wenn eine Schaltungstopologie verwendet wird, bei der die Ansteuereinheit zumindest zwei Widerstände aufweist, wobei einer der Widerstände mittels eines ersten Schalters mit dem anderen der Widerstände parallelschaltbar oder mit dem Ansteuereingang der Entladungseinheit gekoppelt oder koppelbar ist und/oder wobei die Ansteuereinheit eine Kapazität aufweist, die zwischen den Ansteuereingang der Entladungseinheit und einen Anschluss des Zwischenkreiskondensators schaltbar oder geschaltet ist, insbesondere wobei die Kapazität einen zweiten Schalter aufweist, um eine Parallelschaltung der Kapazität zwischen dem Ansteuereingang und dem Anschluss des Zwischenkreiskondensators zu bewirken. Eine solche Ausführungsform des hier vorgestellten Ansatzes bietet den Vorteil, mit technisch einfachen Mitteln die gewünschte Veränderung der Ansteuerspannung während des Entladungsvorgangs oder zum Einleiten des Entladungsvorgangs bereitstellen zu können.
Besonders effizient lässt sich eine Ausführungsform des hier vorgeschlagenen Ansatzes in einem Zwischenkreis zur Übertragung einer elektrischen Energie aus einer Energiequelle an einen Aktor einsetzen, wobei der Zwischenkreis einen Zwischenkreiskondensator und eine mit dem Zwischenkreiskondensotor gekoppelte Vorrichtung gemäß einer hier vorgestellten Variante aufweist, insbesondere wobei die Vorrichtung zumindest eine Komponente (mit-) nutzt, die ferner von einem mit dem Zwischenkreiskondensator zusammengeschalteten Wechselrichter genutzt wird. Die von dem Wechselrichter genutzte Komponente kann heribei als die Entladungseinheit der Vorrichtung genutzt werden. Eine solche Ausführungsform bietet den Vorteil, den Zwischenkreiskondensator effizient, schnell und zuverlässig durch die Vorrichtung entladen zu können.
Von Vorteil ist ferner eine Ausführungsform des hier vorgeschlagenen Ansatzes als Verfahren zur Entladung eines Zwischenkreiskondensators mittels einer Variante einer hier vorgestellten Vorrichtung, wobei das Verfahren den folgenden Schritt aufweist:

- Beaufschlagen des Ansteuereingangs der Entladungseinheit mit einer Ansteuerspannung, wobei das Beaufschlagen derart erfolgt, dass die Ansteuerspannung während oder für einen Beginn eines Entladungsvorgangs des Zwischenkreiskondensators verändert wird.

Auch durch eine solche Ausführungsform lassen sich die Vorteile des hier vorgestellten Ansatzes schnell und effizient realisieren.
Günstig ist weiterhin eine Ausführungsform des hier vorgestellten Ansatzes als Steuergerät, das eingerichtet ist, um den Schritt einer Varianten eines hier vorgestellten Verfahrens in einer entsprechenden Einheit auszuführen und/oder anzusteuern.
Ein Steuergerät kann ein elektrisches Gerät sein, das elektrische Signale, beispielsweise Sensorsignale verarbeitet und in Abhängigkeit davon Steuersignale ausgibt. Das Steuergerät kann eine oder mehrere geeignete Schnittstelle aufweisen, die hard- und/oder softwaremäßig ausgebildet sein können. Bei einer hardwaremäßigen Ausbildung können die Schnittstellen beispielsweise Teil einer integrierten Schaltung sein, in der Funktionen der Vorrichtung umgesetzt sind. Die Schnittstellen können auch eigene, integrierte Schaltkreise sein oder zumindest teilweise aus diskreten Bauelementen bestehen. Bei einer softwaremäßigen Ausbildung können die Schnittstellen Softwaremodule sein, die beispielsweise auf einem Mikrocontroller neben anderen Softwaremodulen vorhanden sind.
Von Vorteil ist auch ein Computerprogrammprodukt mit Programmcode, der auf einem maschinenlesbaren Träger wie einem Halbleiterspeicher, einem Festplattenspeicher oder einem optischen Speicher gespeichert sein kann und zur Durchführung des Verfahrens nach einer der vorstehend beschriebenen Ausführungsformen verwendet wird, wenn das Programm auf einem Computer oder einem Steuergerät ausgeführt wird.
Die Erfindung wird anhand der beigefügten Zeichnungen beispielhaft näher erläutert. Es zeigen:

1 eine schematische Darstellung eines Fahrzeugs, in welchem eine Vorrichtung zur Entladung eines Zwisdchenkreiskondensators gemäß einem Ausführungsbeispiel eingesetzt werden kann;
2 ein Diagramm zur Darstellung des Aussteuerverhaltens eines Leistungshalbleiters als Entladungseinheit;
3 eine schematische Darstellung eines Verlaufs der Ansteuerspannung;
4 ein Diagramm entsprechend dem Diagramm aus 2, wobei nun jedoch erkennbar ist, dass durch die veränderliche Gate-Spannung ein optimaler Arbeitspunkt bzw. eine optimale Gate-Spannung auf einer Kennlinie erreicht wird;
5 eine mögliche Schaltungstopologie, die zur einfachen und kostengünstigen Realisierung des hier vorgestellten Ansatzes verwendet werden kann;
6 ein Diagramm zur Darstellung unterschiedlicher elektrischer Größen über die Zeit zum vertieften Verständnis der Funktion der Schaltung aus der 5; und
7 ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens gemäß einem Ausführungsbeispiel.

In der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden für die in den verschiedenen Figuren dargestellten und ähnlich wirkenden Elemente gleiche oder ähnliche Bezugszeichen verwendet, wobei auf eine wiederholte Beschreibung dieser Elemente verzichtet wird.
1 zeigt eine schematische Darstellung eines Fahrzeugs 100, in welchem eine Vorrichtung 105 zur Entladung eines Zwisdchenkreiskondensators gemäß einem Ausführungsbeispiel eingesetzt werden kann. Das Fahrzeug 100 ist beispielsweise als Hybrid- oder Elektrofahrzeug ausgestaltet. Das Fahrzeug 100 wird von einer Batterie bzw. einem Akkumulator als Energiespeicher 110 mit elektrischer Energie versorgt, der beispielsweise eine Spannung U_B von 400 Volt oder, bei neueren Fahrzeugen, auch 800 Volt in ein Energieversorgungssystem 115 des Fahrzeugs 100 einspeist. Um nun einen Antriebsmotor 120 des Fahrzeugs 100 mit dieser Energie aus dem Energiespeicher 110 betreiben zu können, ist oftmals ein Zwischenkreis 125 mit einem Wechselrichter 130 erforderlich, um beispielsweise aus der als Gleichspannung von der Energiequelle 110 auf das Energieversorgungssystem 115 des Fahrzeugs 100 eingespeisten Energie eine Wechselspannung, insbesondere eine mehrphasige Wechselspannung in einem Antriebsenergieversorgungssystem 135 zum Betreiben des Antriebsmotors 120 zu generieren. Hierzu kann der Wechselrichter 130 ein oder mehrere in der 1 aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht dargestellte Brückenschaltungen aufweisen, um aus der Gleichspannung U_B aus dem Energieversorgungssystem 115 die geeignete Wechselspannung zur Einsprisung in das Antriebsenergieversorgungssystem 135 zu ermitteln.
Um nun Schwankungen der Spannung U_B im Energieversorgungssystem 115 bei wechselnder Last des Antriebsmotors 120 zu vermeiden oder zu glätten, ist ein Zwischenkreiskondensator 140 vorgesehen. Dieser Zwischenkreiskondensator 140 ist dabei meist derart ausgelegt, dass er eine teilweise große Energiemenge aufnehmen kann, um die entsprechenden Schwankungen der Spannung U_B im Energieversorgungssystem 115 abzufangen. Tritt nun allerdings ein Fehlerfall im elektrischen System des Fahrzeugs 100, beispielsweise ein Kurzschluss oder ein elektrischer Defekt auf, kann es aus Sicherheitsgründen erforderlich sein, den Zwischenkreiskondensator 140 möglichst schnell zu entladen, um beispielsweise die Brandgefahr des Fahrzeugs 100 oder die Gefahr eines elektrischen Schlags für Insassen des Fahrzeugs 100 durch die eventuell noch im Zwischenkreiskondensator 140 befindliche hohe elektrische Spannung zu minimieren. Hierzu wird meist eine entsprechende Schutzschaltung verwendet, wie sich die hier vorgestellte Vorrichtung 105 zur Entladung des Zwischenkreiskondensators 140 darstellt.
Die Vorrichtung 105 zur Entladung des Zwischenkreiskondensators 140 weist hierbei eine Entladungseinheit 145 sowie eine Ansteuereinheit 150 auf. Die Entladungseinheit 145 kann hierbei beispielsweise zwischen Anschlussklemmen 155 des Zwischenkreiskondensators 140 geschaltet sein, wobei eine Entladung des Zwischenkreiskondensators 140 durch die Entladungseinheit 145 mittels einer an einem Ansteuereingang 160 angelegte Ansteuerspannung steuerbar ist. Die Ansteuereinheit 150 ist ausgebildet, um den Ansteuereingang 160 der Entladungseinheit 145 mit der Ansteuerspannung zu beaufschlagen, wobei die Ansteuereinheit 150 die Anstreicherspannung derart bereitstellt, dass die Ansteuerspannung während des Entladungsvorgangs oder für eine Entladung (d. h. zu einem Starten der Entladung) des Zwischenkreiskondensators 140 verändert wird.
Um eine Entladung des Zwischenkreiskondensators 140 einzuleiten, kann beispielsweise ansprechend auf einen von einer Fehlererkennungseinheit 165 erkannten und mittels eines Fehlerssignals 170 an die Anstreuereinheit 150 übermittelten Fehlers, beispielsweise eines Defekts im elektrischen System des Fahrzeugs 100, in der Ansteuereinheit 150 die entsprechende Ansteuerspannung U_ge generiert und dem Ansteuereingang 160 der Entladungseinheit 145 beaufschlagt werden, wie dies nachfolgend noch näher beschrieben ist.
Wird nun als Entladungseinheit 145 ein Leistungshalbleiter verwendet, beispielsweise der ein Teil des Wechselrichters 130 oder einer Brückenschaltung des Wechselrichters 130 ist, kann ein Problem imn Bezug auf ein kontrolliertes Ansteuern dieses Leistungshalbleiters auftreten, damit dieser anstelle seines nominellen Stromes (einige Hundert Ampere) nur einen sehr kleinen Strom (einige Hundert Milliampere) führt. Dazu sollte die Gate-Spannung U_ge dieses Leistungshalbleiters (d. h., der Spannung zwischen dem Gate und dem Source-Anschluss des als Entladungseinheit 145 verwendeten Leistungshalbleiters), welche den Stromfluss I im Leistungshalbleiter einstellt, auf einen bestimmten konstanten Wert (U_ge,konst ) eingestellt werden. Da für einen gewünschten, kontrolliert niedrigen Entladestrom die dafür notwendige Gate-Spannung U_ge von vielen Parameteren wie Temperatur und Herstellungstoleranzen abhängt, ist die aktive Entladung durch das Anlegen einer zuvor fest definierten Gate-Spannung U_ge nicht möglich.
2 zeigt ein Diagramm zur Darstellung des Aussteuerverhaltens eines Leistungshalbleiters als Entladungseinheit 145, in welchem auf der Abszisse die Gate-Spannung U_ge und auf der Ordinate der durch den Leistungshalbleiter fließende Strom I_C aufgetragen ist. Ferner sind drei Kennlinien 200 in das Diagramm eingetragen, wobei eine erste 200a der Kennlinien 200 den Stromfluss I_c in Abhängigkeit der Gate-Spannung U_ge bei einer Temperatur von 150°C des Leistungshalbleiters, eine zweite 200b der Kennlinien 200 den Stromfluss I_c in Abhängigkeit der Gate-Spannung U_ge bei einer Temperatur von 25°C des Leistungshalbleiters und eine dritte 200c der Kennlinien 200 den Stromfluss I_c in Abhängigkeit der Gate-Spannung U_ge bei einer Temperatur von -40°C des Leistungshalbleiters abbildet. Aus der 2 wird hierbei erkennbar, dass der zur Entladung des Zwischenkreiskondensators 140 erforderliche Entladungsstrom 210 nur für die Temperatur 25°C des Leistungshalbleiters zuverlässig erreicht ist; für den Fall, dass der Leistungshalbleiter eine Temperatus von -25°C hat, ist die konstante Gate-Spannung U_ge zu niedrig, während für die Temperatur 150°C des Leistungshalbleiters die konstante Gate-Spannung U_ge zu hoch ist.
2 verdeutlicht somit das Problem am Beispiel der zuverlässigen Ansteuerung der Entladungseinheit 145 am Beispiel eines Leistungshalbleiters als Entladungseinheit bei einer variablen Temperatur, welche den größten Einfluss auf den Entladestrom hat. 2 zeigt somit die Problematik des nicht-kontrollierbaren Entladestromes I_C bei einer konstanten Gate-Spannung (U_ge,konst ) einer Entladungseinheit 145 in der Form eines Leistungshalbleiters in Abhängigkeit der Temperatur.
In dem in der 2 dargestellten Ausführungsbeispiel wird, mit anderen Worten ausgedrückt, die konstante Gate-Spannung (U_ge,konst ) für eine Temperatur von 25°C so eingestellt, dass der gewünschte Entladestrom I_C fließt. Wird der Halbleiter jedoch zu heiß (T=150°C), fließt bei der gleichen angelegten Gate-Spannung ein zu hoher Entladestrom über den bzw. die Halbleiter der Entladungseinheit 145, wodurch diese geschädigt oder zerstört werden können. Für tiefe Temperaturen (T=-40°C) kann die Problematik auftreten, dass die Gate-Spannung nicht ausreicht, um den Elektronenkanal des Halbleiters als Entladungseinheit 145 zu öffnen und es fließt kein Entladestrom I_C . Diese Problematik führt dazu, dass eine aktive Entladung über die Leistungshalbleiter als Entladungseinheit 145 nicht genutzt werden konnte.
Um diesem Problem der parameterabhängigen Gate-Spannung für einen konstanten und kontrollierten Entladestrom zu begegnen, wird gemäß einem Ausführungsbeispiel hier ein neues Ansteuerverfahren vorgeschlagen. Dabei werden die Entladungseinheit 145, die hier beispilshaft als Halbleiter ausgebildet ist, nicht mit einer konstanten Gate-Spannung, sondern mit einer veränderlichen Ansteuerspannung wie beispielsweise einer Gatespannungsrampe angesteuert.
3 zeigt eine schematische Darstellung eines Verlaufs 300 der Ansteuerspannung, wie sie gemäß einem Ausführungsbeispiel des hier vorgestellten Ansatzes dem Ansteuereingang 160 der Entladungseinheit 145 beaufschlagt werden kann. Hierbei ist auf der Abszisse des in der 3 dargestellten Diagramms die Zeit t und auf der Ordinate die Gate-Spannung U_ge aufgetragen. Erkennbar ist der linear bzw. monoton oder gar streng monoton ansteigende Verlauf der Gate-Spannung U_ge für zunehmend spätere Zeitpunkte t, wobei der Zeitpunkt im Urpsung einem Zeitpunkt der Aktivierung des Entladungsvorgangs, beispielsweise ansprechend auf das Fehlersignal 170 entspricht. Die Gate-Spannung U_ge wird somit als veränderliche Ansteuerspannung bzw. Gatespanngungsramte dem Ansteuereingang 160 aufgeprägt.
Die Verwendung einer solchen veränderlichen Gate-Spannung U_ge als dem Ansteuereingang 160 beaufschlagten Ansteuerspannung, beispielweise in der Form der Gatespannungsrampe gemäß einem Ausführungsbeispiel des hier vorgestellen Ansatzes, ermöglicht dabei, die Ansteuerspannung in Abhängigkeit der Zeit mit einem festeingestellten Gradienten zu erhöhen, sodass nach und nach alle relevanten Gate-Spannungen U_ge durchlaufen werden. Diese Ansteuerung führt dazu, dass am Halbleiter als der Entladungseinheit 145, unabhängig von seiner Temperatur und anderen Parametern, auf jeden Fall irgendwann die Gate-Spannung U_ge anliegt, die zum Öffnen des Elektronenkanals und dem Fließen des optimalen Entladestroms I_C durch die Entladungseinheit 145 als dem Halbleiter führt, sodass hierdurch der Zwischenkreiskondensator 145 entladen werden kann.
4 zeigt das Diagramm entsprechend dem Diagramm aus 2, wobei nun jedoch erkennbar ist, dass durch die veränderliche Gate-Spannung U_ge ein optimaler Arbeitspunkt bzw. eine optimale Gate-Spannung auf einer der Kennlinien 200 unabhängig von der aktuellen Temperatur des Halbleiters als Entladungseinheit 145 erreicht wird, der zum Öffnen der Entladungsheit 145 in der Form eines Halbleiters führt, sodass der Zwischenkreiskondensator 130 zuverlässig und schnell entladen werden kann. In der 4 ist somit eine optimale Ansteuerung des Halbleiters als Entladungseinheit 145 durch die beispielhafte veränderliche Gatespannungsrampe als dem Ansteuereingang 160 einzuprägende Ansteuerspannung dargestellt. Für jede Temperatur des Halbleiters als Entladungseinheit 145 wird somit der gewünschte bzw. erforderliche Entladestrom 210 schnell und zuverlässig erreicht.
Mit der Steigung der Rampe kann eingestellt werden, wie schnell der Elektronenkanal des als Entladungseinheit 145 verwendeten Halbleiters geöffnet werden soll und somit wie dynamisch der Entladevorgang des Zwischenkreiskondensators 140 vorgenommen werden soll.
5 zeigt eine mögliche Schaltungstopologie 500, die zur einfachen und kostengünstigen Realisierung des hier vorgestellten Ansatzes verwendet werden kann. Die Schaltungstopologie 500 kann hierbei als ein Schaltungskonzept zur Erzeugung der veränderlichen Ansteuerspannung, beispielsweise als Gatespannungsramp, verstanden werden. Die Realisierung der Ansteuerspannung bzw. Gatespannungsrampe kann jedoch auch durch andere Möglichkeiten erfolgen, beispielsweise durch eine numerische bzw. digitale Ansteuerung von entsprechenen Spannungsquellen. Die in der 5 dargestellte Schaltungsstruktur 500 bietet jedoch eine sehr einfache Realisierungsmöglichkeit des hier vorgeschlagenen Ansatzes.
Die Ansteuerschaltung bzw. Ansteuereinheit 150 des Halbleiters (als Entladungseinheit 145) wird dabei um vier weitere Bauteile ergänzt, nämlich den ersten Schalter S1, den zweiten Schalter S2, eine Kapazität C_AD und einen Widerstand R_AD , wobei beispielsweise die beiden Schalter S1 und S2 in Abhängigkeit von dem Fehlersignal 170 unter Vermittlung einer Schaltersteuereinheit 510 geschlossen oder geöffnet werden können. Hierbei wird als Entladungseinheit 145 beispielsweise ein Halbleiter oder Leistungshalbleiter (hier beispielhaft ein MOSFET-Lesitungstransistor) verwendet, der auch ein Teil des Wechselrichters 130, beispielsweise einer Brückenschaltung des Wechselrichters 130 zur Wandlung der Gleichspannung U_B in eine Wechselspannung zum Betriebb des Anstriebsmotors 120 sein kann.
Im normal schaltenden Betrieb (d. h., wenn kein Fehlerfall vorliegt) ist erste Schalter S1 geschlossen und zweite Schalter S2 geöffnet. Da der Widerstand R_AD so gewählt wird, dass er viel größer (beispielsweise um den Faktor 10) als der Gatewiderstand R_g ist, wird durch die Parallelschaltung von R_AD und R_g das Schaltverhalten des Halbleiters als Entladungseinheit 145 nicht beeinflusst. Durch den geöffneten zweiten Schalter S2 ist die Kapazität C_AD nicht wirksam. Soll der Zwischenkreis 125 bzw. der Zwischenkreiskondensator 140 entladen werden, so wird dies beispielsweise durch das Fehlersignal 170 eingeleitet und die Schaltersteuereinheit 510 steuert eine Spannungsquelle an, um eine Steuerspannung Us auf eine positive Steuerspannung zu schalten, wobei der erste Schalter S1 geöffnet und zweite Schalter S2 geschlossen wird. Da die Kapazität von C_AD günstigerweise viel größer (beispielsweise um den Faktor 10) ist als die Gate-Source-Kapazität des Halbleiters als Entladungseinheit 145, wird die Spannung der Gate-Source-Kapazität sofort der Spannung der Kapazität CAD angeglichen (beispielsweise durch einen typischen Sprung von -5V auf 0V). Der weitere Verlauf der Gate-Spannung U_ge ist durch das Aufladen des RC-Zeitglieds bestehend aus R_AD und C_AD bestimmt, wodurch die gewünschte Gatespannungsrampe U_ge , beispielsweise entsprechend der Darstellung aus der 4 erreicht wird.
6 zeigt ein Diagramm unterschiedlicher, auf den Ordinaten links (Spannungen Uce, U_ge und Strom I_C ) und rechts (Verlustleistung bzw. Verlustenergie) des Diagramms aufgetragener elektrischer Größen über die auf der Abszisse aufgetragenen Zeit t zum vertieften Verständnis der Funktion der Schaltung aus der 5. Hierbei wird das Entladekonzept des hier vorgestellten Ansatzes anhand von Messergebnissen und einem Funktionsnachweis des hier vorgestellten ansteuerintegrierten, aktiven Entladekonzepts dargestellt.
Zum Zeitpunkt t=0s wird die Entladeschaltung aktiviert, wodurch die Gate-Spannung (Kennlinie 600) zum Zeitpunkt 0s auf den Wert 0V springt. Anschließend wird die Gatespannungsrampe eingeprägt. Im Bereich 610 beginnt sich der Kanal des als Entladungseinheit 145 wirkenden Halbleiters zu öffnen und es fließt ein kontrollierter Entladestrom (Kennline 620), der maximal 1A beträgt. Die Spannung des Zwischenkreises U_ce (Kennlinie 630) sinkt durch den Entladestrom I_C innerhalb eines Entladungszeitintervalls t_d von 0.7s von 800V auf 0V. Hierbei wird eine Verlustleistung p_loss von 500W bei iner Verlustenergie e_loss von 200 J abgebaut.
Ein wichtiger Aspekt des hier vorgestellten Ansatzes kann darin gesehen werden, dass die Ansteuerung der Entladungseinheit (dier hier als Halbleiter realisiert ist) über eine veränderliche Ansteuerspannung, wie beispielsweise eine Gatespannungsrampe, zum Auslösen einer aktiven Entladung des Zwischenkreiskondensators 140 erreicht werden kann. Die veränderliche Ansteruspannung bzw. Rampe kann dabei durch unterschiedliche Varianten, wie beispielsweise ein RC-Glied mit angelegter Spannung oder einer definierten Stromquelle, erzeugt werden. Der große Vorteil eines solchen Ausführungsbeispiels ist, dass somit alle Entladungseinheitstypen wie beispielsweise günstigerweise zu verwendende Halbleitertypen (Si-IGBTs, Si-MOSFETs und SiC-MOSFETs) in vielen relevanten Spannungsklassen (650V, 1200V, 1700V) genutzt werden können, um eine redundante, ansteuerintegrierte, aktive Entladeschaltung entsprechend dem hier vorgeschlagenen Konzept zu realisieren.
7 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Ausführungsbeispiels als Verfahren 700 zur Entladung eines Zwischenkreiskondensators mittels einer Variante einer hier vorgestellten Vorrichtung, wobei das Verfahren 700 den Schritt 710 des Beaufschlagens des Ansteuereingangs der Entladungseinheit mit einer Ansteuerspannung aufweist, wobei das Beaufschlagen derart erfolgt, dass die Ansteuerspannung während eines Entladungsvorgangs oder zum Start eines Entladungsvorgangs des Zwischenkreiskondensators verändert wird.
Die beschriebenen und in den Figuren gezeigten Ausführungsbeispiele sind nur beispielhaft gewählt. Unterschiedliche Ausführungsbeispiele können vollständig oder in Bezug auf einzelne Merkmale miteinander kombiniert werden. Auch kann ein Ausführungsbeispiel durch Merkmale eines weiteren Ausführungsbeispiels ergänzt werden.
Ferner können erfindungsgemäße Verfahrensschritte wiederholt sowie in einer anderen als in der beschriebenen Reihenfolge ausgeführt werden.
Umfasst ein Ausführungsbeispiel eine „und/oder“ Verknüpfung zwischen einem ersten Merkmal und einem zweiten Merkmal, so kann dies so gelesen werden, dass das Ausführungsbeispiel gemäß einer Ausführungsform sowohl das erste Merkmal als auch das zweite Merkmal und gemäß einer weiteren Ausführungsform entweder nur das erste Merkmal oder nur das zweite Merkmal aufweist.
Bezugszeichenliste

100: Fahrzeug
105: Vorrichtung zur Entladung
110: Energiespeicher
115: Energieversorgungssystem
120: Antriebsmotor
125: Zwischenkreis
130: Wechselrichter
135: Antriebsenergieversorgungssystems
140: Zwischenkreiskondensator
145: Entladungseinheit
150: Ansteuereinheit
155: Anschlussklemmen
160: Ansteuereingang
165: Fehlererkennungseinheit
170: Fehlerssignal
200, 200a, 200b, 200c: Kennlinien
210: Entladungsstrom
300: Verlauf der Ansteuerspannung
500: Schaltungstopologie
510: Schaltersteuereinheit
S1: erster Schalter
S2: zweiter Schalter
C_AD: Kapazität
R_AD: Widerstand
600: Kennlinie
610: Kennlinie
620: Kennlinie
630: Kennline
700: Verfahren zur Entladung eines Zwischenkreiskondensators
710: Schritt des Beaufschlagens

Claims

Vorrichtung (105) zur Entladung eines Zwischenkreiskondensators (140), wobei die Vorrichtung (105) die folgenden Merkmale umfasst: - eine Entladungseinheit (145) zum Entladen des Zwischenkreiskondensators (140), wobei die Entladungseinheit (145) zwischen zwei Anschlussklemmen (155) des Zwischenkreiskondensators (140) schaltbar oder geschaltet ist, wobei eine Entladung des Zwischenkreiskondensators (140) durch eine an einem Ansteuereingang (160) der Entladungseinheit (145) angelegte Ansteuerspannung (U_ge) steuerbar ist; und - eine Ansteuereinheit (150), die zum Beaufschlagen des Ansteuereingangs (160) der Entladungseinheit (145) mit der Ansteuerspannung (U_ge) ausgebildet ist, wobei die Ansteuereinheit (150) ferner ausgebildet ist, um die Ansteuerspannung (U_ge) während eines Entladungsvorgangs oder zum Start eines Entladungsvorgangs des Zwischenkreiskondensators (125) zu verändern.
Vorrichtung (105) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Ansteuereinheit (150) ausgebildet ist, um die Ansteuerspannung (U_ge) von einem niedrigen Spannungspegel zu einem hohen Spannungspegel zu verändern.
Vorrichtung (105) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ansteuereinheit (150) ausgebildet ist, um die Ansteuerspannung (U_ge) gleichmäßig, linear und/oder monoton, insbesondere streng monoton zu verändern.
Vorrichtung (105) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ansteuereinheit (150) ein RC-Glied aufweist, um einen Spannungspegel der Ansteuerspannung (U_ge) zu ermitteln.
Vorrichtung (105) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ansteuereinheit (150) ausgebildet ist, um bei einem Beginn oder für einen Beginn des Entladungsvorgangs einen Spannungssprung der Ansteuerspannung (U_ge) zu bewirken und/oder nach einem Ende des Entladungsvorgangs einen Spannungssprung der Ansteuerspannung (U_ge) zu bewirken.
Vorrichtung (105) gemäß Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass Ansteuereinheit (150) ausgebildet ist, um bei einem Beginn des Entladungsvorgangs die Ansteuerspannung (U_ge) auf einen Pegel von 0 Volt zu setzen, insbesondere ausgehend von einem minimalsten Wert, der vor einem Beginn des Entladungsvorgangs am Ansteuereingang (160) der Entladungseinheit (150) angelegen hat und/oder wobei die Ansteuereinheit (150) ausgebildet ist, um nach einem Ende des Entladungsvorgangs die Ansteuerspannung (U_ge) auf einen minimalen Wert zu setzen, insbesondere ausgehend von einem maximalen Wert, der an einem Ende des Entladungsvorgangs am Ansteuereingang (160) der Entladungseinheit (150) angelegen hat.
Vorrichtung (105) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Entladungseinheit (145) als ein Halbleiterschalter, insbesondere ein Leistungshalbleiterschalter ausgebildet ist.
Vorrichtung (105) gemäß Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Entladungseinheit (145) als ein Transistor, insbesondere ein MOSFET-Transistor, oder ein IGBT ausgebildet ist.
Vorrichtung (105) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ansteuereinheit (150) ausgebildet ist, um die Ansteuerspannung (U_ge) in Abhängigkeit von einer Temperatur (T) der Entladungseinheit (145) oder einer Komponente der Entladungseinheit (145) zu bestimmen.
Vorrichtung (105) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ansteuereinheit (150) zumindest zwei Widerstände (R_AD, R_g) aufweist, wobei einer der Widerstände (R_g) mittels eines ersten Schalters (S1) mit dem anderen (R_AD) der Widerstände parallelschaltbar in mit dem Ansteuereingang (160) der Entladungseinheit (145) gekoppelt oder koppelbar ist und/oder wobei die Ansteuereinheit (150) eine Kapazität (C_AD) aufweist, die zwischen den Ansteuereingang (160) der Entladungseinheit (145) und einen Anschluss (155) des Zwischenkreiskondensators (140) schaltbar oder geschaltet ist, insbesondere wobei die Kapazität (C_AD) einen zweiten Schalter (S2) aufweist, um eine Parallelschaltung der Kapazität (C_AD) zwischen dem Ansteuereingang (160) und dem Anschluss (155) des Zwischenkreiskondensators (140) zu bewirken.
Zwischenkreis (125) zur Übertragung einer elektrischen Energie aus einer Energiequelle (110) an einen Aktor (120), wobei der Zwischenkreis (125) einen Zwischenkreiskondensator (140) und eine mit dem Zwischenkreiskondensator (140) gekoppelte Vorrichtung (105) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche aufweist, insbesondere wobei die Vorrichtung (105) zumindest eine Komponente (145) nutzt, die ferner von einem mit dem Zwischenkreis (125) zusammengeschalteten Wechselrichter (130) genutzt wird.
Verfahren (700) zur Entladung eines Zwischenkreiskondensators (140) mittels einer Vorrichtung (105) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche 1 bis 10, wobei das Verfahren (700) den folgenden Schritt aufweist: - Beaufschlagen (710) des Ansteuereingangs (160) der Entladungseinheit (145) mit einer Ansteuerspannung (U_ge), wobei das Beaufschlagen derart erfolgt, dass die Ansteuerspannung (U_ge) während eines Entladungsvorgangs oder zum Start eines Entladungsvorgangs des Zwischenkreiskondensators (140) verändert wird.
Steuergerät (510), das eingerichtet ist, um den Schritt (710) des Verfahrens (700) gemäß Anspruch 12 in einer entsprechenden Einheit auszuführen und/oder anzusteuern.
Computerprogramm, das dazu eingerichtet ist, den Schritt (710) des Verfahrens (700) gemäß Anspruch 12 in einer entsprechenden Einheit auszuführen und/oder anzusteuern.
Maschinenlesbares Speichermedium, auf dem das Computerprogramm nach Anspruch 14 gespeichert ist.