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 EP 2 248 238 B1 ist eine Entladeschaltung mit einem PTC-Widerstand (Widerstandes mit positivem Temperaturkoeffizient) bekannt, der mittels eines als Transistor ausgeführten Schalters aktiviert bzw. deaktiviert wird und mit diesem thermisch gekoppelt ist, wobei der dadurch gebildete schaltbare Widerstand einem Kondensator parallel geschaltet ist. Der Steueranschluss des Transistors wird aus der Netzspannung gespeist und über eine Steuerschaltung mit einem Bipolartransistor angesteuert, der seinerseits von einer Steuereinheit angesteuert wird. Sobald der Transistor eingeschaltet ist, erhöht der von diesem erwärmte PTC-Widerstand den Widerstandswert, wodurch die Steuerspannung des Transistors verändert und der Entladestrom durch den Transistor und den PTC-Widerstand verringert wird.From the EP 2 248 238 B1 a discharge circuit with a PTC resistor (resistor with positive temperature coefficient) is known, which is activated or deactivated by means of a switch designed as a transistor and is thermally coupled to this, the switchable resistor formed thereby being connected in parallel to a capacitor. The control connection of the transistor is fed from the mains voltage and controlled via a control circuit with a bipolar transistor, which in turn is controlled by a control unit. As soon as the transistor is switched on, the PTC resistor heated by it increases the resistance value, as a result of which the control voltage of the transistor is changed and the discharge current through the transistor and the PTC resistor is reduced.

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 claim 9. In addition, the object is achieved according to the invention by a discharge method with the features of Claim 10. Advantageous and in part inventive embodiments and developments of the invention are set out in the subclaims and in the following description. The conjunction “and / or” here and in the following is to be understood in particular in such a way that the features linked by means of this conjunction can be designed both together and as alternatives to one another.

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 gemäß 1 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 gemäß 3 den Spannungsverlauf bei beschleunigter Entladung mit zwei unterschiedlichen Refererenzspannungen (Spannungswerten).
Exemplary embodiments of the invention are explained in more detail below with reference to a drawing. Show in it:
  • 1 In a schematic circuit diagram, a discharge device for an electrically operated unit of a vehicle,
  • 2 in view according to 1 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 to 3 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 1 ist in einem schematischen Blockschaltbild ein Teil eines elektrischen Hochspannungsnetzes einer elektrisch betriebenen Einheit 1 dargestellt. Die elektrisch betriebene Einheit 1 umfasst dabei als Bauteile einen nicht näher dargestellten Elektromotor sowie einen Energiespeicher zur Stabilisierung eines zum Betrieb des Elektromotors erforderlichen Betriebsspannungswertes. Der Energiespeicher ist im Ausführungsbeispiel durch einen ersten Kondensator 2 und einen diesem parallel geschalteten zweiten Kondensatoren 3 gebildet. Um in bestimmten Fällen die Kondensatoren 2, 3 entladen zu können, weist die elektrisch betriebene Einheit 1 eine Entladevorrichtung 4 auf. Die Entladevorrichtung 4 weist wiederum eine Entladeschaltung 5 auf, die den Kondensatoren 2, 3 parallel geschaltet ist.In 1 is a schematic block diagram of part of an electrical high-voltage network of an electrically operated unit 1 shown. The electrically operated unit 1 comprises as components an electric motor, not shown in detail, and an energy store for stabilizing an operating voltage value required for operating the electric motor. In the exemplary embodiment, the energy store is provided by a first capacitor 2 and a second capacitor connected in parallel to this 3 educated. To in certain cases the capacitors 2 , 3 To be able to discharge, the electrically operated unit 1 an unloader 4th on. The unloader 4th again has a discharge circuit 5 on that the capacitors 2 , 3 is connected in parallel.

Die Entladeschaltung 5 umfasst einen ersten Entladewiderstand 6 und einen zweiten Entladewiderstand 7 sowie ein steuerbares Schaltelement 8. Der erste Entladewiderstand 6 ist den Kondensatoren 2, 3 parallel geschaltet. Der erste Entladewiderstand 6 und die Kondensatoren 2, 3 sind an eine Netzspannung UN angeschlossen und dabei zwischen den Pluspol (+) und den Minuspol (-) einer Hochspannung (HV) geschaltet.The discharge circuit 5 comprises a first discharge resistor 6th and a second discharge resistor 7th as well as a controllable switching element 8th . The first discharge resistor 6th is the capacitors 2 , 3 connected in parallel. The first discharge resistor 6th and the capacitors 2 , 3 are connected to a mains voltage U N connected and connected between the positive pole (+) and the negative pole (-) of a high voltage (HV).

Das Schaltelement 8 und der zweiten Entladewiderstand 7 sind in Reihe geschaltet, bilden also eine Reihenschaltung. Diese ist an die Netzspannung UN angeschlossen, wobei die Reihenschaltung aus dem zweiten Entladewiderstand 7 und dem Schaltelement 8 zwischen den Pluspol (+) und den Minuspol (-) der Hochspannung (+HV, -HV) geschaltet ist. Das Schaltelement 8 ist vorzugsweise ein normal sperrender, hochspannungsfester n-Kanal FET (Feldeffekttransistor) mit einem Drain-Anschluss (Kollektoranschluss) 9 und mit einem Source-Anschluss (Emitteranschluss) 10 sowie mit einem Gate-Anschluss (Steueranschluss) 11. Der Drain-Anschluss (Kollektoranschluss) 9 ist über den zweiten Entladewiderstand 7 an den Pluspol (+) der Hochspannung geschaltet. Der Source-Anschluss (Ermitteranschluss) 10 ist an den Minuspol (-) der Hochspannung geschaltet. Der Minuspol der Hochspannung kann auch ein Referenzpotentiel, z. B. Masse, sein. The switching element 8th and the second discharge resistor 7th are connected in series, i.e. form a series circuit. This is connected to the mains voltage U N connected, the series circuit consisting of the second discharge resistor 7th and the switching element 8th is connected between the positive pole (+) and the negative pole (-) of the high voltage (+ HV, -HV). The switching element 8th is preferably a normally blocking, high voltage resistant n-channel FET (field effect transistor) with a drain connection (collector connection) 9 and with a source connection (emitter connection) 10 as well as with a gate connection (control connection) 11 . The drain connection (collector connection) 9 is across the second discharge resistor 7th connected to the positive pole (+) of the high voltage. The source connection (emitter connection) 10 is connected to the negative pole (-) of the high voltage. The negative pole of the high voltage can also be a reference potential, e.g. B. Mass.

Zwischen dem Schaltelement 8 und der zweiten Entladewiderstand 7 ist ein Messanschluss 12 vorgesehen, an dem die Drain-Spannung (UD ) des Schaltelements 8 als Messsignal SD zu Diagnosezwecken abgreifbar ist.Between the switching element 8th and the second discharge resistor 7th is a measuring connection 12 provided at which the drain voltage ( U D ) of the switching element 8th as a measurement signal S D can be tapped for diagnostic purposes.

Die Entladevorrichtung 4 weist eine Steuerschaltung 13 auf. Diese ist im Ausführungsbeispiel ein Komparator mit einem ersten (invertierenden) Eingang 14 und mit einem zweiten (nicht-invertierenden) Eingang 15 sowie mit einem Ausgang 16, der an den Gate-Anschluss (Steueranschluss) 11 des Schaltelements 8 geführt ist. Die Steuerschaltung 13 ist zu deren Versorgung mit dem Pluspol (+) und mit dem Minuspol (-) der Hochspannung (+HV, -HV) verbunden.The unloader 4th has a control circuit 13 on. In the exemplary embodiment, this is a comparator with a first (inverting) input 14th and with a second (non-inverting) input 15th as well as with an exit 16 connected to the gate connection (control connection) 11 of the switching element 8th is led. The control circuit 13 is connected to the positive pole (+) and the negative pole (-) of the high voltage (+ HV, -HV) to supply them.

Bei der Ausführung nach 1 ist dem ersten Eingang 14 der Steuerschaltung 13 die Netzspannung UN als Vergleichsspannung UV zugeführt. Der Steuerschaltung 13 ist über den zweiten Eingang 15 eine Referenzspannung UR zugeführt. Zusätzlich kann der Steuerschaltung 13 ein Steuersignal (Aktivierungssignal) SA zur Aktivierung oder zur Deaktivierung der Entladeschaltung 5 zugeführt werden.When running after 1 is the first entrance 14th the control circuit 13 the mains voltage U N as equivalent stress U V fed. The control circuit 13 is via the second entrance 15th a reference voltage U R fed. In addition, the control circuit 13 a control signal (activation signal) S A to activate or deactivate the discharge circuit 5 are fed.

Die Steuerschaltung 13, die vorzugsweise als Komparator ausgeführt ist, vergleicht die an dessen Eingängen 14 und 15 anliegende Spannungswerte, d. h. die Netzspannung UN als Vergleichsspannung UV und die Referenzspannung UR und zeigt am Ausgang 16 an, beispielweise in binärer oder digitaler Form, welche Eingangspannung höher ist. Wenn die Netzspannung UN als Vergleichsspannung UV die Referenzspannung UR unterschreitet, diese also größe ist als die Netzspannung UN , nähert sich die Steuerspannung US am Ausgang 16 der positiven Versorgungsspannung der Steuerschaltung 13, und das Schaltelement 8 wird eingeschaltetet, d. h. der FET wechselt vom sperrenden in den leitenden Zustand.The control circuit 13 , which is preferably designed as a comparator, compares the inputs at its inputs 14th and 15th applied voltage values, ie the mains voltage U N as equivalent stress U V and the reference voltage U R and shows at the exit 16 indicate, for example in binary or digital form, which input voltage is higher. When the line voltage U N as equivalent stress U V the Reference voltage U R falls below, this is therefore greater than the mains voltage U N , the control voltage approaches U S at the exit 16 the positive supply voltage of the control circuit 13 , and the switching element 8th is switched on, ie the FET changes from the blocking to the conducting state.

Durch Einschalten des Schaltelements 8, wenn also der FET leitend geschaltet ist, wird der zweite Entladungswiderstand 7 dem ersten Entladungswiderstand 6 parallel geschaltet. Somit wird der Gesamtwiderstand kleiner als der Wert des ersten Entladungswiderstands 6 (und auch kleiner als die Summe der Werte des zweiten Entladungswiderstands 7 und des Widerstandes des leitenden Schaltelementes 8, der praktisch jedoch vernachlässigbar ist). Dadurch wird der Entladevorgang beschleunigt, d. h. die Kondensatoren 2, 3 werden schneller entladen und die Zeitdauer bis zum Erreichen oder Unterschreiten einer Sicherheitsspannung US , z. B. 60V, wird entsprechend verkürzt.By switching on the switching element 8th , so when the FET is turned on, the second discharge resistor becomes 7th the first discharge resistor 6th connected in parallel. Thus, the total resistance becomes smaller than the value of the first discharge resistance 6th (and also smaller than the sum of the values of the second discharge resistor 7th and the resistance of the conductive switching element 8th which is practically negligible). This accelerates the discharge process, ie the capacitors 2 , 3 are discharged faster and the time until reaching or falling below a safety voltage U S , e.g. B. 60V is shortened accordingly.

Die in 2 gezeigte elektrisch betriebene Einheit 1 weist gegenüber derjenigen nach 1 eine vereinfachte Bereitstellung der Vergleichsspannung UV auf. Hierzu ist der erste Entladungswiderstand 6 als Spannungsteiler mit zwei Widerständen 6a, 6b sowie im Ausführungsbeispiel mit einem dritten Widerstand 6c ausgeführt. Zwischen den Widerständen 6a und 6b ist eine Spannungsabgriff 17, der an die Steuerschaltung 13 geführt ist und dieser die Vergleichsspannung UV bereitstellt. Die Vergleichsspannung UV beträgt beispielsweise 2V bis 3V.In the 2 shown electrically operated unit 1 proves against those 1 a simplified provision of the equivalent stress U V on. This is the first discharge resistor 6th as a voltage divider with two resistors 6a , 6b as well as in the exemplary embodiment with a third resistor 6c executed. Between the resistors 6a and 6b is a voltage tap 17th that goes to the control circuit 13 and this is the equivalent voltage U V provides. The equivalent stress U V is for example 2V to 3V.

Ansonsten entspricht die in 2 gezeigte elektrisch betriebene Einheit 1 derjenigen nach 1 und weist ebenfalls eine Entladevorrichtung 4 mit zwei Kondensatoren 2, 3 sowie mit der Entladeschaltung 5 mit dem ersten Entladewiderstand sowie mit der diesem parallel geschalteten Reihenschaltung aus dem zweiten Entladewiderstand 7 und dem steuerbaren Schaltelement 8 auf, um die parallel geschalteten Kondensatoren 3 nach Zuschalten des zweiten Entladewiderstands 7 zum den in Reihe geschalteten Widerständen 6a, 6b, 6c mit verkürzter Entladezeit t1 auf den Spannungswert US zu entladen. Zwischen dem Schaltelement 8 und der zweiten Entladewiderstand 7 ist ebenfalls der Messanschluss 12 zu Diagnosezwecken vorgesehen. Auch kann der Steuerschaltung 13 das Aktivierungssignal SA zugeführt werden.Otherwise the in 2 shown electrically operated unit 1 after those 1 and also has an unloading device 4th with two capacitors 2 , 3 as well as with the discharge circuit 5 with the first discharge resistor and with the series connection of the second discharge resistor connected in parallel with this 7th and the controllable switching element 8th on to the capacitors connected in parallel 3 after switching on the second discharge resistor 7th to the resistors connected in series 6a , 6b , 6c with reduced discharge time t 1 on the voltage value U S to unload. Between the switching element 8th and the second discharge resistor 7th is also the measuring connection 12 intended for diagnostic purposes. The control circuit 13 the activation signal S A are fed.

3 veranschaulicht die verkürzte Entladedauer bei zugeschaltetem zweiten Entladungswiderstand 7. Dargestellt ist der Spannungsverlauf (U(t)) über die Zeit t. Erkennbar wird nach anfänglich passiv resistiver Entladung die zusätzliche Entladung zum Zeitpunkt t0 ausgelöst, zu dem die Referenzspannung UR unterschritten wird. Dabei zeigt der strichlinierte Verlauf B die über die Zeit t rein passive (resistive) Entladung, bei der erst zum Zeitpunkt t2 die Sicherheitsspannung (der Spannungswert) US erreicht wird. Hingegen wird, aufgrund der Zuschaltung des zweiten Entladewiderstandes 7 zum ersten Entladewiderstand 6, gemäß dem Verlauf A mit verkürzter Entladedauer die Sicherheitsspannung Us bereits zum früheren Zeitpunkt t1 erreicht. 3 illustrates the shortened discharge time when the second discharge resistor is connected 7th . The voltage curve (U (t)) over time t is shown. After the initially passive resistive discharge, the additional discharge at the point in time can be recognized t 0 triggered to which the reference voltage U R is fallen below. The dashed curve B shows the purely passive (resistive) discharge over the time t, in which the safety voltage (the voltage value) only reaches the time t 2 U S is achieved. However, due to the connection of the second discharge resistor 7th to the first discharge resistor 6th , according to curve A with a shortened discharge time, the safety voltage Us already at the earlier point in time t 1 reached.

4 veranschaulicht wiederum die verkürzte Entladedauer bei zugeschaltetem zweitem Entladungswiderstand 7 unter Bereitstellung von zwei Schwellen mit unterschiedlich hohen Referenzspannungen UR1 und UR2 . Dargestellt ist wiederum der Spannungsverlauf (U(t)) über die Zeit t. Erkennbar wird nach anfänglich passiv resistiver Entladung bei Unterschreiten der ersten, höheren Referenzspannung UR1 die zusätzliche Entladung zum Zeitpunkt t01 ausgelöst. Wenn die Vergleichsspannung UV zum Zeitpunkt t02 den Wert der zweiten, niedrigeren Referenzspannung UR2 erreicht oder unterschreitet, wird die Entladung weiter beschleunigt. Erkennbar liegt der Zeitpunkt t'1 , zu dem die Sicherheitsspannung (der Spannungswert) US erreicht ist, noch vor dem Zeitpunkt t1 aus 3. 4th again illustrates the shortened discharge time when the second discharge resistor is connected 7th providing two thresholds with different reference voltages U R1 and U R2 . Again, the voltage curve (U (t)) is shown over time t. It becomes recognizable after initially passive resistive discharge when falling below the first, higher reference voltage U R1 the additional discharge at the time t 01 triggered. When the equivalent stress U V at the time t 02 the value of the second, lower reference voltage U R2 reaches or falls below, the discharge is further accelerated. The point in time is recognizable t ' 1 to which the safety voltage (the voltage value) U S is reached, even before the point in time t 1 out 3 .

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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Zitierte PatentliteraturPatent literature cited

  • EP 2248238 B1 [0006]EP 2248238 B1 [0006]

Claims (10)

Entladevorrichtung (4) zum Entladen eines elektrischen Netzes oder einer elektrisch betriebenen Einheit (1), aufweisend - einen an die Netzspannung (UN) 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 Netzspannung (UN) eine vorgegebene Referenzspannung (UR) unterschreitet.Discharge device (4) for discharging an electrical network or an electrically operated unit (1), comprising - a first discharge resistor (6) connected to the network voltage (U N ), to which a component (2, 3) of the network or the electrically operated unit (1) is switched on, - 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 switching on the second Discharge resistor (7) to the first discharge resistor (6) when the mains voltage (U N ) falls below a predetermined reference voltage (U R ). Entladevorrichtung (4) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerschaltung (13) als Komparator ausgeführt ist, dessen Ausgang (16) an den Steuereingang (11) des Schaltelements (8) geführt ist.Unloading device (4) after Claim 1 , characterized in that the control circuit (13) is designed as a comparator, the output (16) of which is fed to the control input (11) of the switching element (8). Entladevorrichtung (4) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Steuerschaltung (13) über einen ersten Eingang (14) eine die Netzspannung (UN) repräsentierende Vergleichsspannung (UV) und über einen zweiten Eingang (15) die Referenzspannung (UR) zugeführt ist.Unloading device (4) after Claim 1 or 2 , characterized in that the control circuit (13) is fed a reference voltage (U V ) representing the mains voltage (U N ) via a first input (14) and the reference voltage (U R ) is fed via a second input (15). Entladevorrichtung (4) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Entladungswiderstand (6) als Spannungsteiler (6a, 6b, 6c) mit einem Spannungsabgriff (17) ausgeführt ist, der mit der Steuerschaltung (13) eingangsseitig verbunden ist.Unloading device (4) according to one of the Claims 1 to 3 , characterized in that the first discharge resistor (6) is designed as a voltage divider (6a, 6b, 6c) with a voltage tap (17) which is connected on the input side to the control circuit (13). Entladevorrichtung (4) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Entladewiderstand (6) zwischen einen Pluspol und einen Minuspol der Netzspannung (UN) geschaltet ist, und/oder dass das zu entladende Bauteil (2, 3) dem ersten Entladewiderstand (6) parallel geschaltet ist.Unloading device (4) according to one of the Claims 1 to 4th , characterized in that the first discharge resistor (6) is connected between a positive pole and a negative pole of the mains voltage (U N ), and / or that the component (2, 3) to be discharged is connected in parallel to the first discharge resistor (6). Entladevorrichtung (4) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Entladeschaltung (8) als Reihenschaltung des steuerbaren Schaltelements (8) und des zweiten Entladewiderstandes (7) ausgeführt ist, und/- oder dass die Entladeschaltung (8) dem ersten Entladewiderstand (6) parallel geschaltet ist.Unloading device (4) according to one of the Claims 1 to 5 , characterized in that the discharge circuit (8) is designed as a series connection of the controllable switching element (8) and the second discharge resistor (7), and / - or that the discharge circuit (8) is connected in parallel to the first discharge resistor (6). Entladevorrichtung (4) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass an die Entladeschaltung (5), insbesondere zwischen das steuerbare Schaltelements (8) und den zweiten Entladewiderstandes (7), ein Messanschluss (12), vorzugsweise zur Systemdiagnose, geführt ist, und/oder dass an die Steuerschaltung (13) ein Steuersignal (SA) zur Aktivierung des steuerbaren Schaltelements (8) geführt ist.Unloading device (4) according to one of the Claims 1 to 6th , characterized in that a measuring connection (12), preferably for system diagnosis, is led to the discharge circuit (5), in particular between the controllable switching element (8) and the second discharge resistor (7), and / or that to the control circuit (13 ) a control signal (S A ) for activating the controllable switching element (8) is performed. Entladevorrichtung (4) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Schaltelement (8) durch einen Leistungstransistor, vorzugsweise einen FET, insbesondere einen normal sperrenden n-Kanal FET, gebildet ist, und/oder dass das zu entladende Bauteil (2, 3) durch eine Kondensatorbank oder mindestens einen Kondensator gebildet ist.Unloading device (4) according to one of the Claims 1 to 7th , characterized in that the switching element (8) is formed by a power transistor, preferably an FET, in particular a normally blocking n-channel FET, and / or that the component (2, 3) to be discharged is formed by a capacitor bank or at least one capacitor is formed. Elektrisch betriebene Einheit (1) für ein Fahrzeug, welche die Entladevorrichtung (4) nach einem der Ansprüche 1 bis 8 umfasst.Electrically operated unit (1) for a vehicle, which the unloading device (4) according to one of the Claims 1 to 8th includes. Entladeverfahren zum Entladen eines elektrischen Netzes oder einer elektrisch betriebenen Einheit (1) mittels der Entladevorrichtung (4) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei mittel der Entladeschaltung (5) der zweite Entladewiderstand (7) dem ersten Entladewiderstand (6) zugeschaltet wird, wenn die Netzspannung (UN) eine vorgegebene Referenzspannung (UR) unterschreitet.Discharge method for discharging an electrical network or an electrically operated unit (1) by means of the discharge device (4) according to one of the Claims 1 to 9 , the second discharge resistor (7) being connected to the first discharge resistor (6) by means of the discharge circuit (5) when the mains voltage (U N ) falls below a predetermined reference voltage (U R ).
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