DE102019212377A1 - Schaltungsanordnung zum Entladen von zumindest einem, auf eine Hochspannung aufgeladenen Energiespeicher - Google Patents
Schaltungsanordnung zum Entladen von zumindest einem, auf eine Hochspannung aufgeladenen Energiespeicher Download PDFInfo
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Abstract
Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zum Entladen von zumindest einem, auf eine Hochspannung aufgeladenen Energiespeicher (ES) in einem Kraftfahrzeug, mit einer Entladeschaltung (RD, TD; DC-DC1, DC-DC2), die dem Energiespeicher (ES) parallelgeschaltet ist, mit einem Hilfs-Mikrocontroller (MC1) zur Ansteuerung der Entladeschaltung (RD, TD; DC-DC1, DC-DC2), der mit einer geringen Spannung von 3-5 Volt betreibbar ist, mit einer ersten Spannungsversorgungschaltung (SV1) zur Versorgung des Hilfs-Mikrocontrollers (MC1) mit der geringen Spannung von 3-5 Volt, die aus einem Pufferkondensator (C_Puffer) mit einer Spannung von 10-15 Volt gespeist wird, und mit einem Haupt-Mikrocontroller (MC2), der ausgebildet ist, den Hilfs-Mikrocontroller (MC1) zur Ansteuerung der Entladeschaltung (RD, TD; DC-DC1, DC-DC2) anzusteuern.
Description
- Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zum Entladen von zumindest einem, auf eine Hochspannung aufgeladenen Energiespeicher in einem Kraftfahrzeug mit einer Entladeschaltung, die dem Energiespeicher parallelgeschaltet ist.
- Eine solche Schaltungsanordnung ist aus der
DE 10 2016 222 632 A1 bekannt. Dort wird vor einer Entladung des auf eine Hochspannung aufgeladenen Energiespeichers zunächst über einen Timer eine kurze Testentladung durchgeführt und dabei mittels eines Spannungsfallerfassers bzw. eines Rate-Detectors überprüft, ob der Energiespeicher, der hier ein Zwischenkreiskondensator ist, von der Hochvoltbatterie getrennt ist und damit ohne die Gefahr eines zu hohen Stromflusses aus der Hochvoltbatterie entladen werden kann. Erst dann wird, gesteuert über den Spannungsfallerfasser, eine Entladung durchgeführt. Der Timer und der Spannungsfallerfasser können in einem Mikrocontroller realisiert sein, wobei eine Versorgung des Mikrocontrollers über einen Pufferkondensator erfolgen kann, der über einen Linearregler aus dem Energiespeicher geladen wird. - In elektrischen oder hybridelektrischen Fahrzeugen werden zum Transport der elektrischen Energie von einer Hochvoltbatterie zum elektrischen Traktionsmotor oder vom Ladegerät zur Hochvoltbatterie Starkstrom leitungen verwendet, an denen eine hohe Gleichspannung mit Werten von einigen hundert Volt anliegen kann. Zur Glättung von Stromspitzen oder zur kurzzeitigen höheren Energielieferung werden dabei an diese Starkstrom- oder Hochvoltleitungen Energiespeicher, zumeist in Form von Zwischenspeicherkondensatoren, angeschlossen, die dann ebenfalls auf die hohe Spannung aufgeladen sind.
- Die Hochvoltbatterie ist zumeist über Schalter, oft als Schütze bezeichnet, mit den elektrischen Schaltungen und der Hochvoltleitung verbunden, wobei die Energiespeicher auf der Seite der elektrischen Schaltungen an die Hochvoltleitung angeschlossen sind.
- Wenn das Fahrzeug eine längere Zeit stillsteht, eine Inspektion oder eine Reparatur durchgeführt wird, oder bei einem Unfall muss der oder die Energiespeicher zumindest unter die Berührungsspannung von 60 Volt entladen werden, so dass Menschen nicht durch die Hochspannung gefährdet werden.
- In den U.S. Federal Motor Safety Standards (FMVSS) wird gefordert, dass Kondensatoren an den Hochspannungsleitungen in bestimmten Situationen innerhalb von 5 Sekunden auf unter 60 Volt entladen werden.
- Entladeschaltungen benötigen allerdings eine Spannungsversorgung, die jedoch im Falle eines Fahrzeugunfalls unterbrochen sein kann, weil beispielsweise die Kabel der 12-Volt-Fahrzeugbatterie abgerissen sind. Die Verwendung der Hochspannung zur Spannungsversorgung führt zu aufwändigen Isolationsanforderungen bei der Auslegung der Entladeschaltung und erfordert hochspannungsfeste und damit teure Bauteile.
- Es ist damit die Aufgabe der Erfindung, eine Schaltungsanordnung zum Entladen von zumindest einem, auf eine Hochspannung aufgeladenen Energiespeicher in einem Kraftfahrzeug anzugeben, die im Niederspannungsbereich realisiert werden kann und trotzdem eine unfallsichere Spannungsversorgung hat.
- Die Aufgabe wird durch eine Schaltungsanordnung gemäß Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen angegeben.
- Demnach ist eine erfindungsgemäße Schaltungsanordnung zum Entladen von zumindest einem, auf eine Hochspannung aufgeladenen Energiespeicher in einem Kraftfahrzeug mit einer Entladeschaltung, die dem Energiespeicher parallelgeschaltet ist, mit einem Hilfs-Mikrocontroller zur Ansteuerung der Entladeschaltung, der mit einer geringen Spannung von 3-5 Volt betreibbar ist, mit einer ersten Spannungsversorgungschaltung zur Versorgung des Hilfs-Mikrocontrollers mit der geringen Spannung von 3-5 Volt, die aus einem Pufferkondensator mit einer Spannung von 10-15 Volt gespeist wird, und mit einem Haupt-Mikrocontroller, der ausgebildet ist, den Hilfs-Mikrocontroller zur Ansteuerung der Entladeschaltung anzusteuern, gebildet.
- Durch die Verwendung eines Hilfs-Mikrocontrollers, der von einer geringen Spannung von 3-5 Volt versorgt werden kann, die von der ersten Spannungsversorgungschaltung bereitgestellt wird, kann ein relativ kleiner Pufferkondensator zum Versorgen der ersten Spannungsversorgungschaltung verwendet werden, wobei die Entladeschaltung trotzdem für eine geforderte Zeit von 5 Sekunden, die ausreichen, um die Energiespeicher zu entladen, in Betrieb gehalten werden kann, selbst wenn die eigentliche Spannungsversorgung, nämlich die 12-Volt-Fahrzeugbatterie nicht mehr verbunden ist.
- In einer ersten Ausführung ist die Entladeschaltung mit einem Entladewiderstand und einem dazu in Serie geschalteten Entladetransistor gebildet, wobei der Hilfs-Mikrocontroller über eine Treiberschaltung mit der Entladeschaltung verbunden ist.
- Dies stellt eine sehr sichere Art der Entladung dar, da die im Energiespeicher gespeicherte elektrische Energie lediglich über einen Entladewiderstand, der über einen zu diesem in Serie geschalteten Entladetransistor dem Energiespeicher parallelgeschaltet wird, in Wärmeenergie umgewandelt wird, was zumeist ohne Nebenbedingungen problemlos erfolgen kann.
- In einer alternativen zweiten Ausführung ist die Entladeschaltung mit einem DC-DC-Wandler gebildet, der ausgangsseitig mit einer Hochspannungsbatterie verbunden ist und mit einer ansteuernden Steuerschaltung verbunden ist, die mit dem Hilfs-Mikrocontroller verbunden ist.
- Hierdurch ist es in vorteilhafter Weise möglich, die im Energiespeicher gespeicherte elektrische Energie nicht lediglich in Wärme umzusetzen, sondern in die Hochvoltbatterie zurück zu speichern.
- Da unter bestimmten Umständen jedoch Bedingungen herrschen können, unter denen eine ausreichend schnelle Entladung durch Rekuperation nicht möglich ist, kann in vorteilhafter Weise die Entladeschaltung außerdem mit einem Entladewiderstand und einem dazu in Serie geschalteten Entladetransistor gebildet sein, die dem DC-DC-Wandler parallelgeschaltet sind.
- Hierdurch kann dann in jedem Fall eine sichere Entladung vorgenommen werden, allerdings, ohne die Energie zurück zu gewinnen.
- Um den Pufferkondensator zur Versorgung des Hilfs-Mikrocontrollers zu laden, kann dieser in vorteilhafter Weise mit einer zweiten Spannungsversorgungsschaltung verbunden sein, die zum Betrieb mit der Dauerplus-Spannungs-Klemme (der sogenannten Klemme 30) im elektrischen Bordspannungsnetz des Kraftfahrzeugs verbunden ist.
- Der Pufferkondensator wird dadurch aus dem elektrischen Bordspannungsnetz des Kraftfahrzeugs geladen, wobei bei auch nach einem Unfall intakten Kabeln der Hilfs-Mikrocontroller auch aus dem Bordspannungsnetz direkt versorgt werden kann.
- In einer Weiterbildung der Schaltungsanordnung ist das hohe Potential der Hochspannung mit einer Überwachungsschaltung verbunden, die mit dem Hilfs-Mikrocontroller und über eine galvanisch entkoppelte Leitung mit dem Haupt-Mikrocontroller verbunden ist.
- Hiermit kann der Entladestrom sowohl vom Hilfs-Mikrocontroller als auch vom Haupt-Mikrocontroller überwacht werden.
- In einer vorteilhaften Ausbildung der Schaltungsanordnung ist auch die Ansteuerleitung zwischen dem Haupt-Mikrocontroller und dem Hilfs-Mikrocontroller galvanisch entkoppelt. Dabei werden in einer Ausbildung Optokoppler verwendet.
- Hierdurch kann eine gute Entkopplung zwischen dem Niederspannungsbereich, in dem der Haupt-Mikrocontroller weitere Aufgaben erfüllen muss und dem Hochspannungsbereich, mit dem der Hilfs-Mikrocontroller in Verbindung ist, erzielt werden.
- In einer vorteilhaften Weiterbildung kann die Entladeschaltung mit einem weiteren DC-DC-Wandler gebildet sein, der ausgangsseitig mit einer Niederspannungsbatterie (der Klemme 30) verbunden ist und mit einer weiteren ansteuernden Steuerschaltung verbunden ist, die mit dem Hilfs-Mikrocontroller verbunden ist.
- Damit kann die im Energiespeicher gespeicherte Energie nicht nur in die Hochspannungsbatterie, sondern auch in die Niederspannungsbatterie rekuperiert werden.
- In einer vorteilhaften Ausbildung der Schaltungsanordnung ist der Entladetransistor ein
IGBT (insulated gate bipolar transistor), der mit einer ansteuernden Treiberschaltung verbunden ist, die mit der zweiten Spannungsversorgungsschaltung verbunden ist. - Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen mit Hilfe von Figuren näher erläutert. Dabei zeigen
-
1 ein erstes Ausführungsbeispiel der Schaltungsanordnung mit einer Entladeschaltung mit einem Entladewiderstand und einem dazu in Serie geschalteten Entladetransistor, und -
2 ein zweites Ausführungsbeispiel der Schaltungsanordnung mit einem DC-DC-Wandler, der ausgangsseitig mit einer Hochspannungsbatterie verbunden ist. - Die
1 zeigt in schematischer Weise einen EnergiespeicherES , der zwischen zwei Hochvoltleitungen verschaltet ist, die ein hohes PotentialHV_DC+ bzw. ein niederes PotentialHV_DC- haben. Der EnergiespeicherES kann dabei mit einem oder auch einer Mehrzahl von Kondensatoren gebildet sein, die entweder als Glättungskondensatoren für Strom- und Spannungsspitzen dienen oder auch im Bedarfsfall einen höheren Laststrom zur Unterstützung der Hochvoltbatterie, mit der sie über nicht dargestellte Schutzschalter verbunden sind, zu ermöglichen. - Zur Entladung des Energiespeichers
ES ist diesem im dargestellten Ausführungsbeispiel der1 die Serienschaltung aus einem EntladewiderstandRD und einem EntladetransistorTD , der im dargestellten Ausführungsbeispiel alsIGBT (insulated gate bipolar transistor) mit Substratdiode ausgebildet ist, parallelgeschaltet. Der EntladetransistorTD wird von einer TreiberschaltungTS angesteuert, die einerseits aus einer beispielsweise 12 Volt Quelle versorgt wird und andererseits an das niedere PotentialHV_DC- angeschlossen ist. Die TreiberschaltungTS wird ihrerseits von einem Hilfs-MikrocontrollerMC1 angesteuert, der seinerseits von einem Haupt-MikrocontrollerMC2 angesteuert wird, um ein Entladen des EnergiespeichersES herbeizuführen. - Der Hilfs-Mikrocontroller
MC1 wird im dargestellten Ausführungsbeispiel aus einer Spannungsversorgung mit einem niederen Spannungswert von 5 Volt versorgt und liegt mit seinem Bezugspotentialanschluss ebenfalls auf dem niederen PotentialHV_DC- der Hochvoltleitung, da er galvanisch mit dem Hochvoltteil verbunden ist. Die Ansteuerung des Hilfs-MikrocontrollersMC1 durch den Haupt-MikrocontrollerMC2 erfolgt über einen Optokoppler und ist folglich galvanisch entkoppelt, um den Haupt-MikrocontrollerMC2 vom Hochvoltteil der Schaltungsanordnung zu isolieren. Der Spannungspegel am Verbindungspunkt des EntladetransistorsTD mit dem EntladewiderstandRD wird über eine Überwachungsschaltung direkt an den Hilfs-MikrocontrollerMC1 geführt und außerdem über einen galvanisch entkoppelten Optokoppler dem Haupt-MikrocontrollerMC2 zugeführt, um das Ein- und Ausschalten des EntladetransistorsTD überwachen zu können. - In erfindungsgemäßer Weise wird die Versorgungsspannung von 5 Volt für den Hilfs-Mikrocontroller
MC1 von einer ersten SpannungsversorgungsschaltungSV1 bereitgestellt, die ihrerseits von einer zweiten SpannungsversorgungsschaltungSV2 mit einer Spannung von 12 Volt versorgt wird, die in erfindungsgemäßer Weise über einen PufferkondensatorC_puffer gestützt wird, um die geforderten 5 Sekunden der Versorgungsspannung für den Hilfs-MikrocontrollerMC1 bereitstellen zu können. - Die zweite Spannungsversorgungsschaltung
SV2 wird ihrerseits von der 12-Volt-Fahrzeugbatterie versorgt und ist an deren Pluspol, dem sog. DauerplusKL30 und als Klemme30 bezeichnet, angeschlossen. Sie liegt bezugspotentialmäßig am MinuspolKL31 der Fahrzeugbatterie, welcher als Klemme31 bezeichnet wird. Das Bezugspotential der ersten SpannungsversorgungsschaltungSV1 und auch des PufferkondensatorsC_puffer ist das niedere PotentialHV_DC- der Hochvoltleitung, was fordert, dass die zweite SpannungsversorgungsschaltungSV2 intern galvanisch isoliert sein sollte. - Durch die erfindungsgemäße Ausbildung der Schaltungsanordnung der
1 kann also auch für den Fall, dass das Batteriekabel abgerissen ist und damit an der Klemme 30 (KL30 ) keine Spannung mehr anliegt, der Hilfs-MikrocontrollerMC1 über die erste SpannungsversorgungsschaltungSV1 zumindest für eine vorgegebene Zeit weiter versorgt werden, da der PufferkondensatorC_puffer ausreichend groß dimensioniert ist, um die dafür erforderliche Energie bereitzustellen. - In der
2 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung dargestellt, in der gleiche Schaltungsbestandteile mit gleichen Bezugszeichen versehen sind. - Im Unterschied zur Ausführung der
1 wird hier ein EnergiespeicherES , der zwischen den HochvoltleitungspotentialenHV_DC+ undHV_DC- angeordnet ist, im Bedarfsfall gesteuert durch den Hilfs-MikrocontrollerMC1 und den Haupt-MikrocontrollerMC2 über einenDC/DC-Wandler DC-DC1 entladen, wobei jedoch in vorteilhafter Weise die im EnergiespeicherES gespeicherte Energie in die Hochvoltbatterie HVBatt zurückgespeichert wird. - Der
DC/DC-Wandler DC-DC1 wird dabei von einer SteuerschaltungCon1 in bekannter Weise gesteuert, wobei die SteuerschaltungCon1 vom Hilfs-MikrocontrollerMC1 über ein AnsteuersignalEN_1 angesteuert wird. - In einer Weiterbildung einer solchen alternativen Schaltungsanordnung ist in der
2 ebenfalls angedeutet, dass ein weitererDC/DC-Wandler DC-DC2 vorgesehen sein kann, über den der EnergiespeicherES in die NiedervoltbatterieNVBatt (welches die übliche 12 Volt Fahrzeugbatterie ist) entladen werden kann. - Der weitere
DC/DC-Wandler DC-DC2 wird dabei von einer weiteren SteuerschaltungCon2 gesteuert, welche ihrerseits vom Hilfs-MikrocontrollerMC1 über ein weiteres AnsteuersignalEN_2 angesteuert wird. - Sowohl die Hochvoltbatterie HVbatt als auch die Niedervoltbatterie NVbatt können von der Steuerschaltung
Con1 bzw. der weiteren SteuerschaltungCon2 über entsprechende VerbindungenHV_BCN_Sense bzw.LV_BCN_Sense verbunden sein, um den Ladezustand der Batterien den SteuerschaltungenCon1 ,Con2 zugänglich zu machen, um davon abhängig eine Entladung in die jeweiligen Batterien steuern zu können. - Nicht dargestellt in der
2 ist eine Weiterbildung der dortigen Schaltungsanordnung durch eine Erweiterung um eine Entladeschaltung gemäß der1 nämlich die Serienschaltung eines Entladewiderstands und eines Entladetransistors, um in jedem Fall, falls die Batterien nicht als Rückspeichermittel verwendet werden können, eine Entladung des EnergiespeichersES herbeiführen zu können. - ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
- Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
- Zitierte Patentliteratur
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- DE 102016222632 A1 [0002]
Claims (10)
- Schaltungsanordnung zum Entladen von zumindest einem, auf eine Hochspannung aufgeladenen Energiespeicher (ES) in einem Kraftfahrzeug mit einer Entladeschaltung (RD, TD; DC-DC1, DC-DC2), die dem Energiespeicher (ES) parallelgeschaltet ist, mit einem Hilfs-Mikrocontroller (MC1) zur Ansteuerung der Entladeschaltung (RD, TD; DC-DC1, DC-DC2), der mit einer geringen Spannung von 3-5 Volt betreibbar ist, mit einer ersten Spannungsversorgungschaltung (SV1) zur Versorgung des Hilfs-Mikrocontrollers (MC1) mit der geringen Spannung von 3-5 Volt, die aus einem Pufferkondensator (C_Puffer) mit einer Spannung von 10-15 Volt gespeist wird, und mit einem Haupt-Mikrocontroller (MC2), der ausgebildet ist, den Hilfs-Mikrocontroller (MC1) zur Ansteuerung der Entladeschaltung (RD, TD; DC-DC1, DC-DC2) anzusteuern.
- Schaltungsanordnung nach
Anspruch 1 , bei dem die Entladeschaltung mit einem Entladewiderstand (RD) und einem dazu in Serie geschalteten Entladetransistor (TD) gebildet ist, wobei der Hilfs-Mikrocontroller (MC1) über eine Treiberschaltung (TS) mit der Entladeschaltung (RD, TD) verbunden ist. - Schaltungsanordnung nach
Anspruch 1 , bei dem die Entladeschaltung mit einem DC-DC-Wandler (DC-DC1) gebildet ist, der ausgangsseitig mit einer Hochspannungsbatterie (HVBatt) verbunden ist und mit einer ansteuernden Steuerschaltung (Con1) verbunden ist, die mit dem Hilfs-Mikrocontroller (MC1) verbunden ist. - Schaltungsanordnung nach
Anspruch 3 , bei dem die Entladeschaltung (DC-DC1; DC-DC2) außerdem mit einem Entladewiderstand und einem dazu in Serie geschalteten Entladetransistor gebildet ist, die dem DC-DC-Wandler (DC-DC1, DC-DC2) parallelgeschaltet sind. - Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der der Pufferkondensator (C_Puffer) zum Laden mit einer zweiten Spannungsversorgungsschaltung (SV2) verbunden ist, die zum Betrieb mit der Dauerplus-Spannungs-Klemme (KL30) im elektrischen Bordspannungsnetz des Kraftfahrzeugs verbunden ist.
- Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der das hohe Potential (HV_DC+) der Hochspannung mit einer Überwachungsschaltung verbunden ist, die mit dem Hilfs-Mikrocontroller (MC1) und über eine galvanisch entkoppelte Leitung mit dem Haupt-Mikrocontroller (MC2) verbunden ist.
- Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Ansteuerleitung zwischen dem Haupt-Mikrocontroller (MC2) und dem Hilfs-Mikrocontroller (MC1) galvanisch entkoppelt ist.
- Schaltungsanordnung nach einem der
Ansprüche 3 bis7 , bei der die Entladeschaltung mit einem weiteren DC-DC-Wandler (DC-DC2) gebildet ist, der ausgangsseitig mit einer Niederspannungsbatterie (NVBatt) verbunden ist und mit einer weiteren ansteuernden Steuerschaltung (Con2) verbunden ist, die mit dem Hilfs-Mikrocontroller (MC1) verbunden ist. - Schaltungsanordnung nach einem der
Ansprüche 1 ,2 und4 bis8 , bei der der Entladetransistor (TD) ein IGBT ist, der mit einer ansteuernden Treiberschaltung (TS) verbunden ist, die mit der zweiten Spannungsversorgungsschaltung (SV2) verbunden ist. - Schaltungsanordnung nach einem der
Ansprüche 6 bis9 , bei der die galvanisch entkoppelten Leitungen mit Optokopplern gebildet sind.
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