DE102019203526A1 - Discharge device, electrical unit and discharge method - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft eine Entladevorrichtung (4) zum Entladen eines elektrischen Netzes oder einer elektrisch betriebenen Einheit (1), aufweisend einen an die Netzspannung (U) angeschlossenen ersten Entladewiderstand (6), dem ein zu entladendes Bauteil (2, 3) des Netzes bzw. der elektrisch betriebenen Einheit (1) zugeschaltet ist, eine Entladeschaltung (5), die einen zweiten Entladewiderstand (7) und ein steuerbares Schaltelement (8) aufweist, und eine dem Schaltelement (8) steueranschlussseitig zugeordnete Steuerschaltung (13) zum Zuschalten des zweiten Entladewiderstand (7) zum ersten Entladewiderstand (6), wenn die Netzspannnung (U) eine vorgegebene Referenzspannung (U) unterschreitet.The invention relates to a discharge device (4) for discharging an electrical network or an electrically operated unit (1), having a first discharge resistor (6) connected to the network voltage (U), to which a component (2, 3) of the network or to be discharged . The electrically operated unit (1) is connected, a discharge circuit (5) which has a second discharge resistor (7) and a controllable switching element (8), and a control circuit (13) assigned to the switching element (8) on the control connection side for connecting the second Discharge resistor (7) to the first discharge resistor (6) when the mains voltage (U) falls below a specified reference voltage (U).
Description
Die Erfindung betrifft eine Entladevorrichtung zum Entladen eines elektrischen Netzes, insbesondere eines Hochspannungsnetzes, oder einer elektrisch betriebenen Einheit eines solchen Netzes. Des Weiteren betrifft die Erfindung eine solche elektrische Einheit sowie ein Entladeverfahren.The invention relates to a discharge device for discharging an electrical network, in particular a high-voltage network, or an electrically operated unit of such a network. The invention also relates to such an electrical unit and to a discharge method.
Bei modernen Kraftfahrzeugen werden üblicherweise parallel zu den mit einer Spannung mit einem Spannungswert von 12 Volt betriebenen Komponenten häufig auch solche Komponenten eingesetzt, die mit einem höheren Betriebsspannungswert betrieben werden. Insbesondere bei Fahrzeugen mit einem rein elektrischen Antrieb oder mit einem Hybridantrieb können derart hohe Betriebsspannungen einen Wert von 100 Volt überschreiten. Dabei werden im Automobilbereich bereits Spannungswerte von mehr als 60 Volt als „Hochspannung (HV)“ bezeichnet. Insbesondere die mit Hochspannung betriebenen elektrischen Einheiten, typischerweise elektrische Antriebssysteme, die zum Beispiel einen Fahrmotor, eine Kühl- oder Schmiermittelpumpe, ein Klimakompressor oder dergleichen umfassen, sind dabei in einem sogenannten „Hochspannungsnetz“ eingebunden. Ein solches Hochspannungsnetz umfasst in der Regel auch wenigstens einen Energiespeicher (z. B. einen Kondensator), der jeweils einer oder allen elektrischen Einheiten des Hochspannungsnetzes zugeordnet ist. Dieser dient beispielsweise dazu, den für die elektrische Einheit oder die elektrischen Einheiten erforderlichen Betriebsspannungswert konstant zu halten.In modern motor vehicles, components that are operated with a higher operating voltage value are usually used in parallel with the components operated with a voltage with a voltage value of 12 volts. In particular in vehicles with a purely electric drive or with a hybrid drive, such high operating voltages can exceed a value of 100 volts. In the automotive sector, voltage values of more than 60 volts are referred to as "high voltage (HV)". In particular, the electrical units operated with high voltage, typically electrical drive systems, which include, for example, a traction motor, a coolant or lubricant pump, an air conditioning compressor or the like, are integrated in a so-called “high voltage network”. Such a high-voltage network generally also includes at least one energy store (for example a capacitor), which is assigned to one or all of the electrical units of the high-voltage network. This serves for example to keep the operating voltage value required for the electrical unit or the electrical units constant.
Aus Sicherheitsgründen ist es jedoch erforderlich, dass derartige Hochspannungsnetze einerseits abgeschaltet und andererseits insbesondere entladen werden können. Dies ist insbesondere dann der Fall, wenn Personen mit dem jeweiligen Hochspannungsnetz in Kontakt gelangen können, oder es anderweitig zu Kurzschlüssen kommen kann, beispielsweise bei einer Fahrzeugwartung oder Fahrzeugreparatur oder unter Umständen auch bei einem Unfall.For safety reasons, however, it is necessary that such high-voltage networks on the one hand be switched off and on the other hand, in particular, can be discharged. This is particularly the case when people can come into contact with the respective high-voltage network, or short-circuits can otherwise occur, for example during vehicle maintenance or repair or, under certain circumstances, in the event of an accident.
Um eine automatische Entladung beispielweise eines Hochspannug führenden Kondensators als Energiespeicher zu ermöglichen, kann entweder ein rein passives resistives Verfahren oder eine Schaltung mit steuernden Halbleitern (Halbleiterschaltern) eingesetzt werden (aktives Entladen). Resistive Verfahren haben den Nachteil, dass eine sehr hohe Verlustleitung erzeugt wird, oder dass die Hochspannung erst nach recht langer Zeit auf einen ungefährlichen Wert abgesenkt ist. Entladeschaltungen, bei denen die Entladung der elektrischen Einheit oder zumindest des zugeordneten Energiespeichers reversibel über einen steuerbaren Schalter (Halbleiterschalter) als Leistungsverbraucher erfolgt, scheitern häufig daran, dass hierfür erforderliche Halbleiterschalter nicht für einen gewünschten Linearbetrieb zugelassen oder geeignet sind.To enable an automatic discharge of, for example, a high-voltage capacitor as an energy store, either a purely passive resistive method or a circuit with controlling semiconductors (semiconductor switches) can be used (active discharge). Resistive methods have the disadvantage that a very high power loss is generated, or that the high voltage is only lowered to a harmless value after a very long time. Discharge circuits in which the discharge of the electrical unit or at least the associated energy storage device takes place reversibly via a controllable switch (semiconductor switch) as a power consumer, often fail because the semiconductor switches required for this are not approved or suitable for a desired linear operation.
Hingegen sind denkbare Schaltungen mit zur Steuerung der Halbleiterschalter verwendeten Mikokontrollern (Controllersteuerungen) nur dann funktionell, wenn diese dauerhaft fehlerfrei arbeiten. Darüber hinaus benötigen Schaltungen, die auch Spannungsgradienten berücksichtigen, einen hohen Software-Aufwand (SW-Overhead). Diese Schaltungen sind zudem empfindlich gegen Spannungsschwankungen oder Spannungspulse im Last- oder Ruhebetrieb.In contrast, conceivable circuits with microcontrollers (controller controls) used to control the semiconductor switches are only functional if they work permanently without errors. In addition, circuits that also take voltage gradients into account require a high level of software complexity (software overhead). These circuits are also sensitive to voltage fluctuations or voltage pulses in load or idle mode.
Aus der
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine möglichst sichere Entladung eines elektrischen Netzes oder einer elektrisch betriebenen Einheit eines solchen elektrischen Netzes zu ermöglichen. Insbesondere soll bei gleichzeitig geringer Verlustleitung eine möglichst hohe Entladegeschwindigkeit erreicht werden.The invention is based on the object of enabling the most reliable possible discharge of an electrical network or an electrically operated unit of such an electrical network. In particular, the highest possible discharge speed should be achieved with a low conduction loss.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Entladevorrichtung zum aktiven Entladen mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Des Weiteren wird diese Aufgabe erfindungsgemäß gelöst durch eine elektrisch betriebene Einheit mit den Merkmalen des Anspruchs 9. Außerdem wird die Aufgabe erfindungsgemäß gelöst durch ein Entladeverfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 10. Vorteilhafte und teils für sich erfinderische Ausführungsformen und Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen und in der nachfolgenden Beschreibung dargelegt. Dabei ist die Konjunktion „und/oder“ hier und im Folgenden insbesondere derart zu verstehen, dass die mittels dieser Konjunktion verknüpften Merkmale sowohl gemeinsam als auch als Alternativen zueinander ausgebildet sein können.This object is achieved according to the invention by a discharge device for active discharging with the features of claim 1. Furthermore, this object is achieved according to the invention by an electrically operated unit with the features of
Die erfindungsgemäße Entladevorrichtung dient zum Entladen eines elektrischen Netzes, insbesondere eines Hochspannungsnetzes, oder einer elektrisch betriebenen Einheit, welche vorzugsweise Teil eines solchen Hochspannungsnetzes (Bordnetzes) ist oder ein solches umfasst.The discharge device according to the invention is used to discharge an electrical network, in particular a high-voltage network, or an electrically operated unit, which is preferably part of such a high-voltage network (on-board network) or includes one.
Die Entladevorrichtung weist einen ersten Entladewiderstand auf, der an die Netzspannung angeschlossenen ist. Dem ersten Entladewiderstand ist ein zu entladendes Bauteil des Netzes bzw. der elektrisch betriebenen Einheit zugeschaltet. Der erste Entladewiderstand ist geeigneter Weise zwischen einen Pluspol und einen Minuspol der Netzspannung geschaltet. Der Minuspol kann auch ein Referenzpotential, z. B. Masse, sein. Das zu entladende Bauteils ist insbesondere ein (elektrischer) Kondensator oder eine Parallelschaltung mehrerer Kondensatoren oder eine Kondensatorbank.The discharge device has a first discharge resistor that is connected to the mains voltage. A component of the network or of the electrically operated unit to be discharged is connected to the first discharge resistor. The first discharge resistor is suitably connected between a positive pole and a negative pole of the mains voltage. The negative pole can also be a reference potential, e.g. B. Mass. The component to be discharged is in particular an (electrical) capacitor or a parallel connection of several capacitors or a capacitor bank.
Die Entladevorrichtung weist zudem eine Entladeschaltung auf, die einen zweiten Entladewiderstand und ein steuerbares Schaltelement zum Zuschalten des zweiten Entladewiderstands zum ersten Entladewiderstand aufweist. Zweckmäßigerweise ist das Schaltelement durch einen hochspannungsfesten, vorzugsweise einen normal sperrenden, Leistungstransistor, insbesondere einen IGBT oder einen SiCMOS oder einen GaN-FET, gebildet. Die Entladeschaltung weist den ersten Entladewiderstand und vorzugsweise eine Reihenschaltung des steuerbaren Schaltelements und des zweiten Entladewiderstandes auf, wobei der zweite Entladewiderstand geeigneter Weise zwischen den Pluspol der Netzspannung und den Drain-Anschluss des Schaltelements (Leistungstransistors) geschaltet ist, dessen Source-Anschluss an den Minuspol bzw. an das Referenzpotential der Netzspannung geführt ist.The discharge device also has a discharge circuit which has a second discharge resistor and a controllable switching element for connecting the second discharge resistor to the first discharge resistor. The switching element is expediently formed by a high-voltage-resistant, preferably a normally blocking, power transistor, in particular an IGBT or a SiCMOS or a GaN-FET. The discharge circuit has the first discharge resistor and preferably a series connection of the controllable switching element and the second discharge resistor, the second discharge resistor being suitably connected between the positive pole of the mains voltage and the drain connection of the switching element (power transistor), the source connection of which is connected to the negative pole or to the reference potential of the mains voltage.
In vorteilhafter Ausgestaltung ist die Reihenschaltung des steuerbaren Schaltelements und des zweiten Entladewiderstandes dem ersten Entladewiderstand parallel geschaltet. Das zu entladende Bauteil ist dem ersten Entladewiderstand vorzugsweise parallel geschaltet.In an advantageous embodiment, the series connection of the controllable switching element and the second discharge resistor is connected in parallel to the first discharge resistor. The component to be discharged is preferably connected in parallel to the first discharge resistor.
Die Entladevorrichtung weist ferner eine dem Schaltelement steueranschlussseitig zugeordnete Steuerschaltung zum Zuschalten des zweiten Entladewiderstand auf, wenn die Netzspannung einen vorgegeben Spannungswert unterschreitet. Geeigneter Weise ist die Steuerschaltung als ein Komparator ausgeführt, dessen Ausgang an den Steuereingang des Schaltelements geführt ist. Der Steuerschaltung ist geeigneter Weise über einen ersten Eingang eine die Netzspannung repräsentierende Vergleichsspannung und über einen zweiten Eingang eine Referenzspannung zugeführt.The discharging device also has a control circuit assigned to the switching element on the control connection side for switching on the second discharge resistor when the mains voltage falls below a predetermined voltage value. The control circuit is suitably designed as a comparator, the output of which is fed to the control input of the switching element. The control circuit is suitably supplied with a comparison voltage representing the mains voltage via a first input and a reference voltage via a second input.
In besonders zweckmäßiger Ausführung ist der erste Entladungswiderstand als Spannungsteiler mit einem Spannungsabgriff ausgeführt, der mit der Steuerschaltung eingangsseitig verbunden ist und dieser somit auf einfache Weise die Vergleichsspannung liefert. Der Steuerschaltung kann somit die Netzspannung direkt oder über einen Spannungsteiler als Vergleichsspannung zugeführt werden.In a particularly expedient embodiment, the first discharge resistor is designed as a voltage divider with a voltage tap, which is connected on the input side to the control circuit and which thus supplies the comparison voltage in a simple manner. The control circuit can thus be supplied with the mains voltage directly or via a voltage divider as a comparison voltage.
Zu Diagnosezwecken ist an die Entladeschaltung vorzugsweise ein Messanschluss geführt. Dieser befindet sich vorzugsweise zwischen dem steuerbaren Schaltelement und dem zweiten Entladewiderstand. Zusätzlich oder alternativ ist an die Steuerschaltung ein Signalanschluss zur Aktivierung des steuerbaren Schaltelements geführt.For diagnostic purposes, a measuring connection is preferably connected to the discharge circuit. This is preferably located between the controllable switching element and the second discharge resistor. Additionally or alternatively, a signal connection for activating the controllable switching element is routed to the control circuit.
In einem Entladebetrieb ist das zu entladende Bauteil über die Entladeschaltung des Hochspannungsnetzes bzw. der elektrisch betriebenen Einheit mit dem Minuspol bzw. Referenzpotential der Netzspannung verbunden. Dabei erfolgt die Entladung über die Parallelschaltung des ersten und des zweiten Entladewiderstandes, wenn dieser mittels des Schaltelementes dem ersten Entladewiderstand zugeschaltet ist. Der Widerstandswert des zweiten Entladewiderstandes ist vorzugsweise kleiner als derjenige des ersten Entladewiderstandes. Insbesondere ist der Widerstandswert des zweiten Entladewiderstandes ca. das 0,25- bis 0,33-fache (1/4 bis 1/3) des Widerstandswert des ersten Entladewiderstandes. Grund hierfür ist, dass der zweiten Entladewiderstand vorzugsweise erst bei einer vergleichsweise geringen Netzspannung zugeschaltet wird.In a discharging mode, the component to be discharged is connected to the negative pole or reference potential of the network voltage via the discharge circuit of the high-voltage network or the electrically operated unit. The discharge takes place via the parallel connection of the first and the second discharge resistor when this is connected to the first discharge resistor by means of the switching element. The resistance value of the second discharge resistor is preferably smaller than that of the first discharge resistor. In particular, the resistance value of the second discharge resistor is approximately 0.25 to 0.33 times (1/4 to 1/3) the resistance value of the first discharge resistor. The reason for this is that the second discharge resistor is preferably only switched on when the line voltage is comparatively low.
Die erfindungsgemäße elektrisch betriebene Einheit ist vorzugsweise Teil eines Fahrzeugs und insbesondere zum Hochspannungsbetrieb eingerichtet. Die elektrisch betriebene Einheit ist somit Teil eines vorstehend beschriebenen Hochspannungsnetzes oder bildet ein derartiges Hochspannungsnetz selbst aus. Die erfindungsgemäße elektrisch betriebene Einheit weist dabei die vorstehend beschriebene Entladevorrichtung auf.The electrically operated unit according to the invention is preferably part of a vehicle and in particular set up for high-voltage operation. The electrically operated unit is thus part of a high-voltage network described above or forms such a high-voltage network itself. The electrically operated unit according to the invention has the discharge device described above.
Das erfindungsgemäße Entladeverfahren dient zum Entladen des vorstehend beschrieben elektrischen (Hochspannungs-)Netzes bzw. der vorstehend beschriebenen elektrisch betriebenen Einheit. Das vorzugsweise passive Entladeverfahren wird mittels der vorstehend beschriebenen Entladevorrichtung insbesondere selbsttätig durchgeführt. Dabei wird mittels der Entladeschaltung der zweite Entladewiderstand dem ersten Entladewiderstand zugeschaltet, wenn die Netzspannung den vorgegeben Spannungswert unterschreitet. Dadurch wird das zu entladende Bauteil über die Entladeschaltung mit hoher Entladegeschwindigkeit und somit in besonders kurzer Zeit entladen.The discharge method according to the invention is used to discharge the electrical (high-voltage) network described above or the electrically operated unit described above. The preferably passive discharge method is carried out in particular automatically by means of the discharge device described above. In this case, the second discharge resistor is connected to the first discharge resistor by means of the discharge circuit when the mains voltage falls below the specified voltage value. As a result, the component to be discharged is discharged via the discharge circuit at a high discharge speed and thus in a particularly short time.
Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, dass mit der Entladeschaltung, insbesondere im Vergleich zu einer rein resistiven Entladung, eine besonders geringe (Dauer-)Verlustleistung bei gleichzeitig höherer Entladegeschwindigkeit erreicht wird. Hingegen sind ein möglicher Softwareaufwand und eine eventuell erforderliche Speicherbelegung in einem Mikrokontoller geringer als bei einer aktiven Entladung. Zudem ist eine thermische Anbindung des bevorzugt als steuerbarer Halbleiterschalter ausgeführten Schaltelementes an einen Thermistor oder dergleichen nicht erforderlich, was den Schaltungsaufwand und den Bauraum sowie bei langsam ansteigender Hochspannung die Verlustleistung entsprechend reduziert, die Entladeschaltung vereinfacht und die Fehlersicherheit erhöht.The advantages achieved with the invention are in particular that with the discharge circuit, in particular in comparison to a pure resistive discharge, a particularly low (continuous) power loss is achieved with a higher discharge speed at the same time. On the other hand, a possible software expenditure and a possibly required memory occupancy in a microcontroller are lower than with an active discharge. In addition, a thermal connection of the switching element, which is preferably designed as a controllable semiconductor switch, to a thermistor or the like is not required, which correspondingly reduces the circuit complexity and installation space and, with slowly increasing high voltage, the power loss, simplifies the discharge circuit and increases the reliability.
Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen:
-
1 in einem schematischen Schaltbild eine Entladevorrichtung für eine elektrisch betriebene Einheit eines Fahrzeugs, -
2 in Ansicht gemäß1 ein weiteres Ausführungsbeispiel der Entladevorrichtung, -
3 in einem Spannungs-Zeitdiagramm den Entladeverlauf mit normaler und verkürzter Zeitdauer bis zum Unterschreiten eines vorgegebenen Spannungswertes (Sicherheitsspannung), und -
4 in einem Diagramm gemäß3 den Spannungsverlauf bei beschleunigter Entladung mit zwei unterschiedlichen Refererenzspannungen (Spannungswerten).
-
1 In a schematic circuit diagram, a discharge device for an electrically operated unit of a vehicle, -
2 in view according to1 another embodiment of the unloading device, -
3 in a voltage-time diagram the course of discharge with normal and shortened time until the voltage falls below a specified value (safety voltage), and -
4th in a diagram according to3 the voltage curve for accelerated discharge with two different reference voltages (voltage values).
Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren stets mit gleichen Bezugszeichen versehen.Corresponding parts are always provided with the same reference symbols in all figures.
In
Die Entladeschaltung
Das Schaltelement
Zwischen dem Schaltelement
Die Entladevorrichtung
Bei der Ausführung nach
Die Steuerschaltung
Durch Einschalten des Schaltelements
Die in
Ansonsten entspricht die in
Der Gegenstand der Erfindung ist nicht auf die vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt. Vielmehr können weitere Ausführungsformen der Erfindung von dem Fachmann aus der vorstehenden Beschreibung abgeleitet werden. Insbesondere können die anhand der verschiedenen Ausführungsbeispiele beschriebenen Einzelmerkmale der Erfindung und deren Ausgestaltungsvarianten auch in anderer Weise miteinander kombiniert werden.The subject matter of the invention is not limited to the exemplary embodiments described above. Rather, further embodiments of the invention can be derived from the above description by a person skilled in the art. In particular, the individual features of the invention described on the basis of the various exemplary embodiments and their design variants can also be combined with one another in other ways.
Beispielsweise kann als Schaltelement ein GaN-FET oder auch ein IGBT (insulated-gate bipolar transistor) oder auch ein CMOS (Complementary metal-oxidesemiconductor), z. B. ein SiCMOS, verwendet werden.For example, a GaN-FET or an IGBT (insulated-gate bipolar transistor) or a CMOS (complementary metal-oxide semiconductor), e.g. B. a SiCMOS can be used.
BezugszeichenlisteList of reference symbols
- 11
- elektrisch betriebene Einheitelectrically operated unit
- 22
- erster Kondensatorfirst capacitor
- 33
- zweiter Kondensatorsecond capacitor
- 44th
- EntladevorrichtungUnloading device
- 55
- EntladeschaltungDischarge circuit
- 66th
- erster Entladewiderstandfirst discharge resistor
- 6a,b,c6a, b, c
- Widerstandresistance
- 77th
- zweiter Entladewiderstandsecond discharge resistor
- 88th
- Schaltelement/MOSFETSwitching element / MOSFET
- 99
- Drain-/Kollektor-AnschlussDrain / collector connection
- 1010
- Source-/Emitter-AnschlussSource / emitter connection
- 11 11
- Gate-/Steuer-AnschlussGate / control connection
- 1212
- MessanschlussMeasuring connection
- 1313
- Steuerschaltung/KomparatorControl circuit / comparator
- 1414th
- erster Eingangfirst entrance
- 1515th
- zweiter Eingangsecond entrance
- 1616
- Ausgangoutput
- 1717th
- Spannungsabgriff Voltage tap
- SA S A
- Steuer-/AktivierungssignalControl / activation signal
- SD S D
- Messsignal Measurement signal
- UN U N
- NetzspannungMains voltage
- UR U R
- ReferenzspannungReference voltage
- US U S
- SicherheitsspannungSafety voltage
- UV U V
- VergleichsspannungEquivalent stress
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDED IN THE DESCRIPTION
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