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Die Erfindung betrifft eine Vorladeschaltung zum Vorladen eines Zwischenkreiskondensators und ein Verfahren zum Vorladen eines Zwischenkreiskondensators.
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Für elektrische Fahrzeugantriebe mit Batteriespeichern wird generell eine Vorrichtung zur Begrenzung des kapazitiven Einschaltstoßstromes benötigt. Im Einschaltzustand des Antriebssystems ist die dafür vorgesehene Batterie des Fahrzeuges auf ein gewisses Spannungsniveau aufgeladen, während die kapazitiven Energiespeicher sowohl funktional und parasitär stets entladen sind. Diese müssen aus Sicherheitsgründen nach Abschalten des Antriebes entladen werden. Bei einem direkten Zuschalten der Batterie stellen die Kondensatoren des Antriebs vor allem von großen Zwischenkreiskondensatoren im Einschaltmoment einen Kurzschluss dar. Dadurch fließen sehr große mit e-Funktion abklingende Einschaltströme. Diese Ströme sind so hoch, dass Batteriezellen, Leitungen, Stecker und Kondensatoren geschädigt oder gar zerstört werden können. Es kann somit eine Brandgefahr bestehen.
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Nach dem Stand der Technik werden hierzu Vorrichtungen in der Batterie vorgesehen, welche die Ströme begrenzen. Ein Beispiel ist ein elektromechanisches Vorladerelais, welches zusammen mit einem strombegrenzenden Vorladewiderstand das Spannungsniveau der Zwischenkreiskondensatoren auf ein angepasstes Niveau vorladen. Das elektromechanische Relais kann durch Halbleiterschalter ersetzt werden (Solid State Relais). Nachteilig bei beiden ist, dass die Bauteile relativ groß und schwer sind. Bei Halbleitern kommen zudem Energieverluste hinzu. Bei elektromechanischen Relais kommt eine eingeschränkte Lebensdauer bzw. begrenzte Anzahl an Schaltzyklen hinzu.
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Die
DE 10 2008 013 706 A1 betrifft eine Ladeschaltung für einen Zwischenkreiskondensator, der einem Umrichter in einem Hybridfahrzeug vorgeschaltet ist, wobei der Zwischenkreiskondensator zweipolig mittels zweier separat schaltbarer Pole eines Hauptschützes mit einer Spannungsquelle verbindbar ist und wobei parallel zu einem der Pole eine Reihenschaltung eines Schalters mit einer Vorladeschaltung vorgesehen ist, wobei die Vorladeschaltung als eine Stromquelle bzw. als ein im linearen Bereich betriebener Halbleiter ausgebildet ist. Die Stromquelle ist eine Konstantstromquelle. Hierbei wird der Zwischenkreiskondensator zunächst einpolig mittels eines der Pole mit der Spannungsquelle verbunden, wobei der andere der Pole durch Schließen des Schalters von der Stromquelle überbrückt wird, mit der der Zwischenkreiskondensator vorgeladen wird, wobei bei einem vorgegebenen Ladezustand des Zwischenkreiskondensators der andere der Pole geschlossen und der Zwischenkreiskondensator geladen wird.
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Der Einsatz der Konstantstromquelle in
DE 10 2008 013 706 A1 hat den Nachteil, dass die Energieverluste sowie der Aufwand für eine notwendige Kühlung der eingesetzten Halbleiter hoch ist.
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Die
DE 10 2012 017 673 A1 betrifft eine Schaltungsanordnung zum Koppeln einer Hochvolt-Batterie (HV-Batterie) eines Fahrzeugs mit einem Fahrzeugnetz, aufweisend einen ersten Schütz, wobei ein Feldeffekttransistor in Reihe zu dem ersten Schütz geschaltet ist und zur Stromunterbrechung zwischen der HV-Batterie und dem Fahrzeugnetz ausgelegt ist.
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Die
DE 10 2012 017 679 A1 betrifft ein Verfahren zum Koppeln einer HV-Batterie mit einem Fahrzeugnetz, das einen Kondensator aufweist, mit den Schritten: Koppeln eines ersten Pols der HV-Batterie mit dem Kondensator durch Schließen eines ersten Schützes; Koppeln eines zweiten Pols der HV-Batterie mit dem Kondensator durch Schließen eines als Relais ausgebildeten Schalters einer Vorladeeinrichtung, welche einen in Sättigung betriebenen Transistor bzw. einen MOSFET umfasst; Laden des Kondensators durch einen Strom mit einer Stromstärke, die von dem Transistor bzw. MOSFET in zeitlicher Abhängigkeit von dem Schließen des Relais begrenzt wird; und Schließen eines zweiten Schützes parallel zur Vorladeeinrichtung nach dem Laden des ersten Kondensators.
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In der
DE 10 2012 017 673 A1 und der
DE 10 2012 017 679 A1 sind Leistungs-Halbleiterschalter in Reihe vorgesehen. Dies hat den Nachteil eines dauerhaften Energieverlusts, da die Halbleiter immer im Strompfad der Batterie sind. Diese Halbleiter müssen für den gesamten Batteriestrom ausgelegt werden. Somit sind die Bauteile sehr groß und ein hoher Kühlungsaufwand ist notwendig.
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Der Stand der Technik hat den Nachteil, dass schaltungstechnische Maßnahmen für die stetige Überwachung der strombegrenzenden Funktion notwendig sind.
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Es ist also Aufgabe der Erfindung, die Nachteile aus dem Stand der Technik zu vermeiden oder wenigstens zu mildern. Insbesondere soll Energie eingespart werden. Darüberhinaus ist es erwünscht, Vorladeschaltungen mit geringem Bauraum, geringen Kosten und geringem Gewicht zu bilden.
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Diese Aufgabe wird bei einer gattungsgemäßen Vorrichtung erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass eine Vorladeschaltung zum Vorladen eines Zwischenkreiskondensators bereitgestellt wird. Die Vorladeschaltung umfasst eine Ladungspumpe. Die Ladungspumpe ist ausgebildet, eine in einem Fahrzeugnetz integrierte vorgegebene Wechselspannung zeitlich verzögert in eine für den Zwischenkreiskondensator vorgesehene Gleichspannung umzuwandeln.
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Somit kann eine stetige Überwachung der strombegrenzenden Funktion weggelassen werden. Hierdurch wird ferner Energie eingespart.
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Die vorgegebene Wechselspannung kann von einem Bordnetz, welches an eine Niedervolt, NV, Batterie angeschlossen ist geliefert werden, zum Beispiel ein 12V Bordnetz. Zum Beispiel kann die vorgegebene Wechselspannung mittels einer Halbbrückenschaltung und einem daran angeschlossenen Transformator geliefert werden. Somit kann die vorgegebene Wechselspannung auch galvanisch von dem Bordnetz getrennt sein.
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Die Ladungspumpe kann elektrische Spannungen im Wert vergrößern. Die mit Wechselspannung gespeiste Ladungspumpe kann als Gleichrichter betrieben werden, um aus der Wechselspannung eine Gleichspannung zu erzeugen, die in ihrer Spannung bezogen auf einen Scheitelwert der Wechselspannung einen vervielfachten Wert aufweist. Die Ladungspumpe kann außerdem aus der zugeführten Wechselspannung eine betragsmäßig höhere Gleichspannung erzeugen, als mit einem Gleichrichter erreicht werden kann. Die vorliegende Ladungspumpe kann somit gleichzeitig als Spannungsvervielfacher und Gleichrichter verstanden werden. Die Ladungspumpe kann mit Hilfe von Kondensatoren und Dioden gebildet sein.
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Vorteilhafte Ausführungsformen sind in den Unteransprüchen beansprucht und werden nachfolgend näher erläutert.
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Die Ladungspumpe kann in Form einer Kaskade von Greinacher Schaltungen vorgesehen sein, um eine Spannungsvervielfachung im Verhältnis einer Anzahl an Stufen der Kaskade bereitzustellen. Hierbei kann jede Stufe der Kaskade eine Greinacher Schaltung aufweisen, zum Beispiel genau eine Stufe.
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Hierdurch kann durch einfaches Anpassen einer Anzahl an Stufen und/oder Anpassen der Wechselspannung und/oder Anpassen der in den Stufen enthaltenden Schaltungselemente die für den Zwischenkreiskondensator vorgesehene Gleichspannung in einer vorbestimmten Zeit erzielt werden.
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Zum Beispiel kann über einen Zeitschalter nach Ablauf der vorbestimmten Zeit eine zur Speisung des Zwischenkreiskondensators vorgesehene Batterie zugeschaltet werden. Die vorbestimmte Zeit kann durch eine der Wechselspannung unterliegenden Frequenz bestimmt sein.
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Weiterhin kann jede Stufe der Kaskade einen ersten Kondensator und einen zweiten Kondensator aufweisen. Ferner kann jede Stufe der Kaskade einen ersten Schalter und einen zweiten Schalter aufweisen. Der erste Schalter und der zweite Schalter sind ausgebildet, asynchron bezüglich der Polarität der Wechselspannung zueinander zu schalten, um basierend auf der Frequenz der Wechselspannung Ladungen zwischen dem ersten Kondensator und dem zweiten Kondensator zu verschieben.
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Die elektrische Ladung kann während des Betriebs der Ladungspumpe durch periodische Umschaltung (zwischen zwei Zuständen, zum Beispiel An und Aus) der ersten und zweiten Schalter mit Hilfe der ersten und zweiten Kondensatoren transportiert werden. Hierdurch kann die Spannungsvervielfachung eingestellt werden.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung kann der erste Schalter und/oder der zweite Schalter eine Diode oder ein MOSFET sein. Im Falle des MOSFETs kann dieser als eine Diode verschaltet sein, indem Gate und Drain des jeweiligen MOSFETs verbunden sind. Hierdurch kann der Wirkungsgrad der Vorladeschaltung weiter verbessert werden.
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In einer weiteren zweckmäßigen Ausführungsform können die Stufen der Kaskade so kaskadiert sein, dass Eingangsanschlüsse einer nachgeschalteten Stufe der Kaskade mit Ausgangsanschlüssen einer der nachgeschalteten Stufe der Kaskade vorgeschalteten Stufe der Kaskade verbunden sind. Die Eingangsanschlüsse jeder der nachgeschalteten Stufen der Kaskade können entsprechend definiert sein als erster Anschluss des ersten Kondensators und erster Anschluss des zweiten Kondensators. Die Ausgangsanschlüsse jeder der vorgeschalteten Stufen der Kaskade können entsprechend definiert sein als zweiter Anschluss des ersten Kondensators und zweiter Anschluss des zweiten Kondensators. Dies kann für jede Stufe gleich sein, zum Beispiel bis auf die erste und letzte Stufe der Kaskade.
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Somit kann eine definierte Ausgangsspannung erreicht werden. Insbesondere können die für jede Stufe verwendeten Schaltungselemente dieselben Werte aufweisen. Zum Beispiel kann der jeweils erste Kondensator jeder Stufe denselben Wert aufweisen. Dies gilt ebenfalls für den jeweils zweiten Kondensator jeder Stufe, die jeweils erste Diode jeder Stufe, sowie die jeweils zweite Diode jeder Stufe.
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Außerdem kann der erste Schalter den zweiten Anschluss des ersten Kondensators mit dem ersten Anschluss des zweiten Kondensators verbinden. In anderen Worten, der erste Schalter befindet sich zwischen bzw. ist zwischen dem zweiten Anschluss des ersten Kondensators und dem ersten Anschluss des zweiten Kondensators geschaltet.
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Der zweite Schalter kann den zweiten Anschluss des ersten Kondensators mit dem zweiten Anschluss des zweiten Kondensators verbinden. In anderen Worten, der zweite Schalter befindet sich zwischen bzw. ist zwischen dem zweiten Anschluss des ersten Kondensators und dem zweiten Anschluss des zweiten Kondensators geschaltet.
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Die obigen Ausführungen können sich ebenfalls wie zuvor auf jede Stufe beziehen. Es kann ferner vorgesehen sein, dass jedes Bauelement zwei Anschlüsse, nämlich einen ersten und zweiten Anschluss, aufweist.
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Durch die Verwendung der Kondensatoren und verlustarmer Schalter kann Leistung durch den vorwiegenden Verbrauch von Blindleistung eingespart werden.
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Zweckmäßigerweise kann die Vorladeschaltung eine Entkopplungsdiode umfassen. Die Entladungsdiode kann vorgesehen sein, die Kaskade bzw. die Ladungspumpe von dem Zwischenkreiskondensator bzw. einer für die Versorgung des Zwischenkreiskondensators vorgesehene HV-Batterie elektrisch zu entkoppeln. Der zweite Anschluss des zweiten Kondensators einer der letzten Stufen der Kaskade kann mit einer Anode der Entkopplungsdiode verbunden sein. Hierbei kann die Entladungsdiode auch noch nachträglich an eine für die Vorladeschaltung vorgesehen Platine angebracht oder spezieller angelötet werden. Die hat den Vorteil, dass die Vorladeschaltung flexibel eingesetzt werden kann.
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Die Kathode der Entkopplungsdiode kann vorgesehen sein, mit dem Zwischenkreiskondensator verbunden zu sein. Die für den Zwischenkreiskondensator vorgesehene Gleichspannung kann zwischen dem ersten Anschluss der zweiten Kapazität der ersten Stufe und der Kathode der Entkopplungsdiode vorgesehen sein. Ferner kann der Anschluss der zweiten Kapazität auf Masse gelegt sein. Dies kann durch Zuschalten der HV-Batterie geschehen, die eine Ausgangsspannung aufweist, die mindestens der vorgesehenen Gleichspannung entspricht oder höher ist. Hierzu kann eine Zeitschaltung verwendet werden, die zum Beispiel mit der Frequenz der vorgegebenen Wechselspannung abgeglichen ist.
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Somit kann der Zwischenkreiskondensator zwischen der Masse und der Kathode der Entkopplungsdiode geschaltet sein.
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Mittels der Entkopplungsdiode kann sich die Vorladeschaltung bzw. die Ladungspumpe bei Erreichen der vorgesehenen Gleichspannung selbst elektrisch von dem Zwischenkreiskondensator entkoppeln bzw. trennen. Somit kann eine komplexe Steuerung und Abschaltung der Vorladeschaltung entfallen. Hierdurch kann somit weiterer Strom gespart werden.
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Zusätzlich kann die Vorladeschaltung auf einer Platine in Form eines Moduls integriert sein. Hierfür können die Schaltungselmente, hier auch als Bauelemente bezeichnet, in Form von Surface-mounted device, SMD, Bauelementen (SMD zu deutsch: oberflächenmontiertes Bauelement), Durchsteck-Bauelementen wie Through Hole Technology, THT, Bauelmenten (THT zu deutsch: Durchsteckmontage) und/oder pin-in-hole technology, PIH, Bauelementen (PIH zu deutsch: Durchstecktechnik) verwendet werden. Bei den letzten beiden Verbindungstechniken können die verwendeten Bauelemente Drahtanschlüsse aufweisen, die durch Kontaktlöcher der Platine gesteckt werden können und im Betrieb gesteckt sind.
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Die Platine kann als Leiterplatte verstanden werden, auf der Leiterbahnen verlaufen, mit welchen die Bauelemente durch Löten verbunden werden können. Insbesondere kann konventionelles Handlöten, Wellenlöten oder Selektivlöten durchgeführt werden, um die Vorladeschaltung bereitzustellen. Für die SMD Bauelemente kann eine surface-mounting technology, SMT, (SMT zu deutsch: Oberflächenmontage) zum Anbringen der Bauelemente auf die Platine verwendet werden.
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Bei Verwendung von Durchsteckbauelementen kann eine höhere mechanische Belastung und höhere Strombelastung erzielt werden.
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Die oben definierte Aufgabe wird ebenfalls erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass ein Verfahren zum Vorladen eines Zwischenkreiskondensators bereitgestellt wird. Das Verfahren umfasst ein eingangsseitiges Anschließen einer Ladungspumpe an eine in einem Fahrzeugnetz integrierte vorgegebene Wechselspannung. Diese kann basierend auf einer Niedervolt-Batterie (NV-Batterie) wie oben beschrieben bereitgestellt sein.
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Dieses eingangsseitige Anschließen kann durch ein Zuschalten der vorgegebenen Wechselspannung zu der Ladungspumpe durchgeführt werden. Dies kann durch Schalter der Ladungspumpe oder vorgeschaltete Schaltelemente erfolgen. Ferner kann eine feste Verbindung zwischen einer die Wechselspannung liefernden Spannungsversorgung und der Vorladeschaltung vorhanden sein. Die feste Verbindung kann durch einen Schütz oder eine Klemme zwischen entsprechenden Anschlüssen der Vorladeschaltung und der Spannungsversorgung bereitgestellt sein. Ferner kann die Verbindung zwischen der Vorladeschaltung und der Spannungsversorgung durch einen Schalter beim Beginn des Betriebs hergestellt werden.
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Das Verfahren umfasst ferner ein ausgangsseitiges Anschließen der Ladungspumpe an einen Zwischenkreiskondensator eines Fahrzeugnetzes. Hier kann die Ladungspumpe bereits fest mit dem Zwischenkreiskondensator verschaltet sein. Ferner kann diese Verbindung durch eine Klemme oder einen Schütz vorgesehen sein. Ferner kann die Verbindung zwischen der Vorladeschaltung und dem Zwischenkreiskondensator durch einen Schalter beim Beginn des Betriebs hergestellt werden.
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Das Verfahren umfasst ferner ein Umwandeln der Wechselspannung in eine vorgegebene für den Zwischenkreiskondensator vorgesehene Gleichspannung. Das Umwandeln wird durch die Ladungspumpe ausgeführt und erfolgt zeitlich verzögert.
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Somit können weitere schaltungstechnische Maßnahmen für die stetige Überwachung der strombegrenzenden Funktion entfallen.
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In einer weiteren Ausführungsform, kann das Verfahren ferner umfassen, dass beim Erreichen der vorgesehenen Gleichspannung, eine Hochvolt-Batterie zu dem Fahrzeugnetz zugeschaltet wird. Die HV-Batterie kann für die Speisung des Zwischenkreiskondensators bzw. der damit verknüpften Leisungselektronik speziell vorgesehen sein. Die HV-Batterie weist eine mindestens 10-mal (oder 20-mal) so hohe Ausgangsspannung auf im Vergleich zu der NV-Batterie.
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Ferner können sich Aspekte auf ein Fahrzeugnetz mit einer darin integrierten Vorladeschaltung, einer in einer Leistungselektronik integrierten Vorladeschaltung, einem Fahrzeug mit einer in dessen Fahrzeugnetz integrierten Vorladeschaltung und einem System aus Vorladeschaltung und Zwischenkreiskondensator, Fahrzeugnetz, Leistungselektronik und/oder eines Antriebssystems beziehen. Das System kann dabei die Vorladeschaltung, das Fahrzeugnetz und die Leistungselektronik des Antriebssystems im Speziellen umfassen.
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Mit anderen Worten betrifft die Erfindung eine Vorladeschaltung für Zwischenkreiskondensatoren in Fahrzeugantriebssystemen. Es kann ferner ein Ziel sein, eine verbesserte Vorladeschaltung bereitzustellen. Hierfür kann beispielsweise eine Greinacher-Schaltung als Spannungsvervielfacher zur Erzeugung einer Hochspannung zum Vorladen von Zwischenkreiskondensatoren einer Leistungselektronik verwendet werden.
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In noch anderen Worten betrifft die Erfindung eine alternative Vorladeschaltung von Zwischenkreiskondensatoren für elektrische Fahrzeugantriebe.
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Desweiteren kann ein neuartiges, kaskadierfähiges, Verfahren für die Vorladefunktion von Zwischenkreiskondensatoren für batteriegespeiste Antriebe vorgesehen sein. Vornehmlich für Fahrzeugantriebe. Die Schaltung gemäß der Erfindung kann generell für jegliche Art von batteriebetriebenen Fahrzeugen mit einem Zwischenkreiskondensator im Eingangszweig der Leistungselektronik eingesetzt werden. Dies kann unabhängig von einer Höhe einer Betriebsspannung sein, z.B. in 48V, 400V und 800V Systemen. Der Eingangszweig kann ein direkter Zwischenkreis der Leistungselektronik sein. Jedoch kann die Erfindung ebenfalls für vorgeschaltete DC/DC Wandler und deren vorgeschalteten, batterieseitig installierten Kondensatoren eingesetzt werden.
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Ein Aspekt kann eine technisch optimierte Lösung für das Vorladeproblem der Zwischenkreiskapazitäten, hierin auch Zwischenkreiskondensatoren genannt, der Leistungselektronik betreffen. Im Hinblick auf Bauraum, Gewicht, Kosten, Energieverluste kann eine Verbesserung erzielt werden.
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Insbesondere kann der Prozess des Vorladens der Kondensator(en) in der Leistungselektronik durch die Leistungselektronik selbst vorgenommen werden. Zum Beispiel wird die Batterie erst zugeschaltet, wenn der Kondensator / die Kondensatoren auf ein gewisses Niveau vorgeladen ist/sind. Ferner kann eine Überwachung des Spannungsniveaus. sowohl in der Batterie als auch in der Leistungselektronik vorhanden sein. Die Spannungen können dort mittels Widerstandsteiler gemessen und auf einem digitalen Fahrzeug-Bussystem z.B. CAN ausgegeben werden.
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Die Vorladung der Kondensatoren geschieht beispielsweise mittels Anwendung einer sogenannten Greinacher-Kaskaden-Schaltung. Mit einer solchen Spannungsvervielfacher-Schaltung ist es mit wenig Aufwand möglich eine hohe Spannung zu erzeugen, welche die Kondensator(en) vorlädt.
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Die Greinacher Schaltung basiert auf der Grundlage der Gleichrichtung und kann beispielsweise aus Silizium Dioden und Kondensatoren bestehen. Hierbei wird der Überlagerungseffekt von gespeicherter Ladung in einem Kondensator und anliegender Spannung am Halbleiter ausgenutzt.
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Für die Funktion der Schaltung kann zum Beispiel eine galvanisch von einem Fahrzeugboardnetz getrennte Wechselspannungsquelle notwendig sein. Das Fahrzeugboardnetz kann ein Standard 12V Netz sein. Diese Quellen können durch die bereits vorhandene Leistungselektronik für Antriebszwecke bereitgestellt sein. Hierzu können zum Beispiel die Spannungsversorgungen der Gatetreiber der Leistungselektronik, welche die Traktionshalbleiter ansteuern, verwendet werden. Diese Spannungsversorgungen können mit galvanisch getrennten Transformatoren bestückt sein. Je nach Aufbau der Leistungselektronik können mindestens 4 Stück oder sogar 6 Stück Gatetreiber Transformatoren zur Verfügung stehen. Diese können für den Vorladevorgang verwendet werden.
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Demnach kann die Vorladefunktion wirkortnah in der Leistungselektronik integriert sein. Dadurch kann eine aufwändige Überwachung der Funktion des Vorladens in der Batterie wegfallen.
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Wirkungsgrad bzw. Energieverluste können minimiert bzw. es kann verhindert werden, dass weniger Energie mittels Widerstände in Wärme umgesetzt wird. Um den Wirkungsgrad der Greinacher-Schaltung weiter zu verbessern, können ferner Siliziumcarbid Dioden oder MOSFETs verwendet werden.
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Die Topologie der Greinacher-Schaltung kann eine einfache Kaskadierung ermöglichen, d.h. die Ausgangsspannung kann mit anhängen/weglassen von Schaltungsgliedern, auch als Stufen hierin bezeichnet, angepasst werden und lässt somit einen Einsatz für verschiedene Spannungsklassen z.B. 48V, 500V, 800V, 1000V und mehr zu.
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Ein weiterer Vorteil der Vorladeschaltung ist, dass die einzelnen Bauteile innerhalb der Kaskaden-Schaltung nicht für die komplette Spannung ausgelegt sein müssen. Lediglich für die doppelte Eingangsspitzenspannung z.B. bei einer Eingangswechselspannung von 25V-Spitze sind Standard-Bauteile mit 50V Spannungsvermögen ausreichend. Bauraum und Gewicht können minimiert sein. Für die Umsetzung sind lediglich kleine Elektronik Bauteile, zum Beispiel in SMD Technologie notwendig. Die Schaltung kann beispielsweise auf einer Platine mit einer Fläche kleiner als 10 cm2 aufgebaut werden und kann nur wenige Gramm betragen.
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Einsatz kann die Erfindung zum Beispiel in elektrischen Antrieben finden, insbesondere in Verbindung mit Umrichtern, wie den 800-V-Siliziumkarbid (SiC)-Wechselrichter.
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Auch wenn einige der voranstehend beschriebenen Aspekte in Bezug auf die Vorladeschaltung beschrieben wurden, so können diese Aspekte auch auf das Verfahren oder ein System aus Vorladeschaltung und Leistungselektronik zutreffen. Genauso können die voranstehend in Bezug auf das Verfahren beschriebenen Aspekte in entsprechender Weise auf die Vorladeschaltung zutreffen.
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Heißt es vorliegend, dass eine Komponente mit einer anderen Komponente „verbunden ist, kann dies heißen, dass sie damit unmittelbar verbunden ist; hierbei ist aber anzumerken, dass eine weitere Komponente dazwischenliegen kann. Heißt es andererseits, dass eine Komponente mit einer anderen Komponente „unmittelbar verbunden‟ ist, ist darunter zu verstehen, dass dazwischen keine weiteren Komponenten vorhanden sind.
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Die Erfindung wird nachfolgend mit Hilfe einer Zeichnung erläutert. Es zeigen:
- 1 eine schematische Darstellung eines Antriebssystems in einem Fahrzeug;
- 2 eine schematische Darstellung einer Gatetreiberversorgung und und eine Möglichkeit zum Abgriff der für die nachfolgend beschriebene Vorladeschaltung zur Verfügung stehende Wechselspannungsquelle;
- 3 eine schematische Darstellung einer Grundstufe einer Greinacher Schaltung zur Verwendung als Ladungspumpe;
- 4 eine schematische Darstellung einer Ladungspumpe in Erweiterung auf eine 9-stufige Greinacher Kaskadenschaltung zur Vorladung eines Kondensators in einem Hochvoltsystem, zum Beispiel in einem Fahrzeug;
- 5 eine schematische Darstellung von Eingangsstrom, Eingangsspannung und zugehöriger Ausgangsspannung einer Vorladeschaltung; und
- 6 eine schematische Darstellung einer Ladekurve der 9-stufigen Greinacher Kaskadenschaltung.
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Die Figuren sind lediglich schematischer Natur und dienen ausschließlich dem Verständnis der Erfindung. Die gleichen Elemente sind mit denselben Bezugszeichen versehen. Die Merkmale der einzelnen Ausführungsformen können untereinander ausgetauscht werden.
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Die Vorladeschaltung und das zugehörige Verfahren werden nun anhand von Ausführungsformen beschrieben.
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1 zeigt eine schematische Darstellung eines Antriebssystems in einem Fahrzeug. Das Antriebssystem hat eine Batterie 1 und eine Leistungselektronik 6. In der Batterie 1 befindet sich eine Batteriezelle 5 und ein Batterieschütz für allpolige Sicherheitsabschaltung 4, welche dazu dient die Batterie 1 von dem in der Leistungselektronik 6 enthaltenen Zwischenkreiskondensator 7 zu entkoppeln.
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In 1 ist eine Vorladeeinrichtung gezeigt, die in der Batterie 1 enthalten ist. Die Vorladeeinrichtung umfasst einen Vorladewiderstand 2 und einen Vorladeschütz 3. Basierend auf dem Vorladewiderstand 2 und der aus den Batteriezellen 5 gelieferten Spannungsversorgung kann der Zwischenkreiskondensator 7 der Leistungselektronik 6 auf eine vorgesehene Spannung vorgeladen werden. In einem ersten Zustand ist der Vorladeschütz 3 geschlossen, während der Vorladeschütz 3 in einem zweiten Zustand offen ist. Wenn der Vorladeschütz 3 von dem ersten Zustand in den zweiten Zustand wechselt, schließt die Sicherheitsschaltung 4, um die Batteriezellen 5 mit dem Zwischenkreiskondensator 7 zu verbinden.
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Ferner umfasst die Leistungselektronik 6 eine Spannungsmessung / einen Spannungsteiler 8, der feststellt, ob der Zwischenkreiskondensator 7 entsprechend vorgeladen ist. Außerdem umfasst die Leistungselektronik Leistungshalbleiter 9, die Anschlüsse aufweisen, die für den Drehstrommotor 10 vorgesehen sind, um diesen mit Strom aus den Batteriezellen 5 zu versorgen.
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Somit kann die Leistung aus den Batteriezellen 5 an den Drehstrommotor geliefert werden, wenn der Zwischenkreiskondensator 7 vorgeladen ist, und sich die Sicherheitsabschaltung 4 in Form eines Schalters in geschlossenem Zustand, nämlich, wenn sich der Vorladeschütz 3 in dem zweiten Zustand befindet.
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Weitere Einzelheiten und Aspekte sind in Verbindung mit den vor- oder nachstehend beschriebenen Ausführungsformen erwähnt. Die in 1 gezeigte Ausführungsform kann ein oder mehrere optionale zusätzliche Merkmale aufweisen, die einem oder mehreren Aspekten entsprechen, die in Verbindung mit dem vorgeschlagenen Konzept oder nachstehend in Bezug auf 2 6 beschriebenen Ausführungsformen erwähnt sind.
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2 zeigt eine schematische Darstellung einer Gatetreiberversorgung 14 und eine Möglichkeit zum Abgriff der für die nachfolgend beschriebene Vorladeschaltung zur Verfügung stehende Wechselspannungsquelle, zum Beispiel über die Abgriffe A1 und A2. In 2 sind MOSFETs gezeigt, welche in Form einer Halbbrückenschaltung 11 jeweils an eine Versorgungsspannung Vcc und Masse GND anliegen. Die Versorgungsspannung Vcc kann eine von dem Fahrzeug bereitgestellt Spannung des Bordnetzes sein, zum Beispiel der 12V Niederspannung einer NV-Batterie. Mittels Transformatoren 12, welche auch als Gatetreiber-Trafos 12 bezeichnet werden können, werden die Gatetreiber galvanisch von dem Bordnetz, zum Beispiel das 12 V Bordnetz, getrennt.
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Der Transformator 12 kann mehrere Anschlüsse zum parallelen Abgriff einer Wechselspannung für die nachfolgend beschriebene Vorladeschaltung aufweisen. Hierfür kann einer oder beide der Abgriffe A1 und A2 verwendet werden. Dieser parallele Abgriff der Wechselspannung kann zwischen dem Transformator 12 und den Gleichrichtern 13 A und 13 B erfolgen. Die Gleichrichter 13 A und 13 B sind vorgesehen, eine DC Spannung für die Gatetreiberversorgung 14 aus der von dem Transformator 12 bereitgestellten Wechselspannung bereitzustellen. Die 3 Ausgänge der Gatetreiberversorgung 14 entsprechen jeweils einer positiven Gatespannung, einer Masse und einer negativen Gatespannung. Somit kann vor der Gleichrichtung durch die Gleichrichter 13 A und 13 B eine Wechselspannung abgegriffen werden, um die hierin beschriebene Vorladeschaltung 7, wie sie nachfolgend beschrieben wird, zu versorgen. Es ist ebenfalls denkbar, dass die gleichgerichtete Gatetreiberspannung der Gatetreiberversorgung 14 zur Versorgung der hierin beschriebenen Vorladeschaltung verwendet wird.
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Weitere Einzelheiten und Aspekte sind in Verbindung mit den vor- oder nachstehend beschriebenen Ausführungsformen erwähnt. Die in 2 gezeigte Ausführungsform kann ein oder mehrere optionale zusätzliche Merkmale aufweisen, die einem oder mehreren Aspekten entsprechen, die in Verbindung mit dem vorgeschlagenen Konzept oder einem oder mehreren vorstehend (z. B. 1) oder nachstehend (z. B. 3 - 6) beschriebenen Ausführungsformen erwähnt sind.
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3 zeigt eine schematische Darstellung einer Grundstufe einer Greinacher Schaltung zur Verwendung als Ladungspumpe 15. Die Ladungspumpe 15 hat den Zweck, dass eine am Eingang anliegende Wechselspannung U1 auf eine am Ausgang anliegende Gleichspannung U2 erhöht wird. Dies kann zum Beispiel eine Spannungsverdopplung sein. Hierbei wird der Scheitelwert der Wechselspannung zu einer doppelt so hohen Ausgangsgleichspannung erhöht.
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Während der negativen Halbwelle der Eingangswechselspannung wird der Kondensator C1 über die Diode D1 auf die einfache Eingangs-Spitzenspannung Û (Scheitelwert der Wechselspannung) aufgeladen. Während der positiven Halbwelle der Eingangswechselspannung kommt es zu einer Überlagerung. Die Sperrspannung an der Diode setzt sich aus der positiven und negativen Halbwelle zusammen und addiert sich zu 2xÜ. Diese Spannung ist eine pulsierende Wechselspannung welche über den Diodenzweig D2 und den Kondensator C2 gleichgerichtet und geglättet wird. Somit entsteht an dem Kondensator C2 eine Ausgangsgleichspannung welche der doppelten Spitzenspannung der Eingangswechselspannung entspricht. Dies bildet die Grundstufe für die im Folgenden beschriebene Kaskade als Vorladeschaltung 16.
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Weitere Einzelheiten und Aspekte sind in Verbindung mit den vor- oder nachstehend beschriebenen Ausführungsformen erwähnt. Die in 3 gezeigte Ausführungsformen kann ein oder mehrere optionale zusätzliche Merkmale aufweisen, die einem oder mehreren Aspekten entsprechen, die in Verbindung mit dem vorgeschlagenen Konzept oder einem oder mehreren vorstehend (z. B. 1 - 2) oder nachstehend (z. B. 4 - 6) beschriebenen Ausführungsformen erwähnt sind.
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4 zeigt eine schematische Darstellung einer Ladungspumpe 15 in Erweiterung auf eine 9-stufige Greinacher Kaskadenschaltung als Vorladeschaltung 16 zur Vorladung eines Kondensators in einem Hochvoltsystem, zum Beispiel in einem Fahrzeug. In 4 werden mehrere der in 3 beschriebenen Ladungspumpen 15 kaskadiert. Hierbei wird die Spannung über der jeweils zweiten Diode einer Ladungspumpe 15 (von links nach rechts gesehen) als Bezugspunkt zum Anschluss der jeweiligen Ladungspumpe 15 verwendet. Hierin kann die Ladungspumpe 15 als lediglich ein Teil wie in 3 gezeigt oder als die gesamte Vorladeschaltung 16 bezeichnet sein.
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Die Vorladeschaltung 16 weist jeweils erste Kondensatoren (C1, C3, C5, C7, C9, C11, C13, C15, C17) und zweite Kondensatoren (C2, C4, C6, C8, C10, C12, C14, C16, C18) auf.
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Die Vorladeschaltung 16 weist ferner jeweils erste Dioden (D1, D3, D5, D7, D9, D11, D13, D15, D17) und zweite Dioden (D2, D4, D6, D8, D10, D12, D14, D16, D18) auf.
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Jede Stufe einer Ladungspumpe 15 weist genau einen der ersten Kondensatoren (C1, C3, C5, C7, C9, C11, C13, C15, C17) und einen der zweiten Kondensatoren (C2, C4, C6, C8, C10, C12, C14, C16, C18), sowie eine der ersten Dioden (D1, D3, D5, D7, D9, D11, D13, D15, D17) und eine der zweiten Dioden (D2, D4, D6, D8, D10, D12, D14, D16, D18) auf.
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Die ersten Kondensatoren (C1, C3, C5, C7, C9, C11, C13, C15, C17) sind hintereinandergeschaltet. Benachbarte erste Kondensatoren (C1, C3, C5, C7, C9, C11, C13, C15, C17) weisen einen gemeinsamen Knotenpunkt auf. Dasselbe gilt für die zweiten Kondensatoren (C2, C4, C6, C8, C10, C12, C14, C16, C18), wie in 4 zu sehen ist. Die ersten Kondensatoren (C1, C3, C5, C7, C9, C11, C13, C15, C17) teilen hierbei keinen Knotenpunkt mit den zweiten Kondensatoren (C2, C4, C6, C8, C10, C12, C14, C16, C18).
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Ein erster Knotenpunkt der Reihe der zweiten Kondensatoren (C2, C4, C6, C8, C10, C12, C14, C16, C18) ist mit Masse GND verbunden. Ein letzter Knotenpunkt der Reihe der zweiten Kondensatoren (C2, C4, C6, C8, C10, C12, C14, C16, C18) ist mit einer Anode einer Entkopplungsdiode D19 verbunden. Diese hat den Zweck, die Vorladeschaltung 16 von dem Zwischenkreiskondensator 7 bei Erreichen der vorgesehenen Gleichspannung zu trennen. Denn die Entkopplungsdiode D19 sperrt, wenn die Spannung am Ausgang höher ist als am Eingang. Demnach kann durch Anschließen der Batteriespannung an den Zwischenkreiskondensator 7 bei einer höheren Batteriespannung als der vorgesehenen Gleichspannung, die Entkopplungsdiode 7 in Sperrrichtung betrieben werden und so die Vorladeschaltung 16 von dem Zwischenkreiskondensator 7 entkoppelt werden. Dies kann durch eine Zeitschaltung geschehen, um bei Erreichen der Gleichspannung die HV-Batterie zuzuschalten.
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In 4 sind die zwei Anschlüsse des Zwischenkreiskondensators 7 zum einen mit Masse und zum anderen mit der Kathode der Entkopplungsdiode D19 verbunden.
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Ferner teilen sich, wie in 4 gezeigt, jeweils entsprechende erste Dioden (D1, D3, D5, D7, D9, D11, D13, D15, D17) und zweite Dioden (D2, D4, D6, D8, D10, D12, D14, D16, D18) einer gleichen Stufe der Kaskadenschaltung einen gemeinsamen Knotenpunkt mit dem ersten Kondensator (C1, C3, C5, C7, C9, C11, C13, C15, C17) derselben Stufe. Hierbei sind Kathode der ersten Diode (D1, D3, D5, D7, D9, D11, D13, D15, D17) mit Anode der zweiten Diode (D2, D4, D6, D8, D10, D12, D14, D16, D18) einer jeweiligen Stufe miteinander verbunden. Der gemeinsame Knotenpunkt wird auch mit dem ersten Kondensator (C1, C3, C5, C7, C9, C11, C13, C15, C17) der nachfolgenden Stufe (von links nach rechts) geteilt. Dies gilt mit Ausnahme der letzten Stufe.
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Ferner teilen sich jeweils zweite Dioden (D2, D4, D6, D8, D10, D12, D14, D16, D18) und erste Dioden (D1, D3, D5, D7, D9, D11, D13, D15, D17) direkt benachbarter Stufen einen gemeinsamen Knotenpunkt. Hierbei sind Kathode der zweiten Diode (D2, D4, D6, D8, D10, D12, D14, D16, D18) mit Anode der ersten Diode der jeweilig benachbarten Stufen (D1, D3, D5, D7, D9, D11, D13, D15, D17) miteinander verbunden.
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Ferner ist in 4 ein Ersatzschaltbild für die zum Beispiel von dem Transformator 12 bereitgestellte Spannungsquelle UT mit dem dazugehörigen Ersatzstrom IT und dem dazugehörigen Ersatzwiderstand R. Die Spannungsquelle UT stellt eine Wechselspannung U1 bereit, welche als Eingangsspannung für die Vorladeschaltung 16 fungiert. Die Vorladeschaltung 16 vervielfacht den Scheitelwert der Wechselspannung U1 zu einer Gleichspannung Ux, die über dem Zwischenkreiskondensator 7 anliegt. Bei Erreichen einer ausreichenden Gleichspannung kann die Batterie 1, wie zum Beispiel in Bezug auf 1 beschrieben, bzw. dessen Batteriezelle 5, mit dem Zwischenkreiskondensator 7 elektrisch verbunden werden.
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Im hierin beschriebenen Beispiel kann das System ein 400V oder ein 800V System sein. Ferner können die Kondensatoren C1 bis C18 jeweils einen gleichen Wert, zum Beispiel 10µF aufweisen. Der Zwischenkreiskondensator 7 kann einen Wert von 500µF aufweisen. Die vorliegende Offenbarung ist hierauf allerdings nicht beschränkt.
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Weitere Einzelheiten und Aspekte sind in Verbindung mit den vor- oder nachstehend beschriebenen Ausführungsformen erwähnt. Die in 4 gezeigte Ausführungsform kann ein oder mehrere optionale zusätzliche Merkmale aufweisen, die einem oder mehreren Aspekten entsprechen, die in Verbindung mit dem vorgeschlagenen Konzept oder einem oder mehreren vorstehend (z. B. 1 3) oder nachstehend (z. B. 5 6) beschriebenen Ausführungsformen erwähnt sind.
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5 zeigt eine schematische Darstellung von Eingangsstrom IT, Eingangsspannung UT und zugehöriger Ausgangsspannung Ux einer Vorladeschaltung, wie sie zum Beispiel in 4 gezeigt ist. Da hier eine Frequenz von 500kHz gezeigt ist, ist das Fenster auf 6ns begrenzt, um die Schaltzustände erkennen zu können. Im vorliegenden Beispiel wurde ein Zwischenkreiskondensator mit einer Kapazität von 500µF und Kondensatoren der Vorladeschaltung mit einer Kapazität von 10µF verwendet. Ferner wurden SMD Si-Dioden verwendet. Die Eingangswechselspannung beträgt im vorliegenden Fall Ü = 25V bei einer Frequenz von 500kHz. Hierdurch kann eine Aufladung der Zwischenkapazität in 500ms erreicht werden.
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Durch die geringere Spannungsspitze wird der Eingangsstrom IT begrenzt, welcher bei direktem Anschluss deutlich höherer Spannung an den Zwischenkreiskondensator sehr hoch wäre. Dieser ist auch in dem obersten Diagramm zu sehen. Der Strom erhöht sich beim Einschalten der Spannung und senkt sich mittels einer e-Funktion auf 2 Ampere ab. Dies geschieht periodisch mit wechselnder Polarität (siehe 5 oben). Die Spannung UT wechselt periodisch ihre Polarität mit dem Scheitelwert Û = 25V gemäß der Frequenz 500kHz. Somit lässt sich eine stufenförmige Erhöhung der Gleichspannung am Ausgang über dem Zwischenkreiskondensator erreichen.
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6 zeigt eine schematische Darstellung einer Ladekurve der 9-stufigen Greinacher Kaskadenschaltung als Beispiel für eine Vorladeschaltung, wie sie zum Beispiel in 4 gezeigt ist. Insbesondere stellt 6 den vorgesehenen Gesamtzeitraum 500ms dar, innerhalb dem die Aufladung des Zwischenkreiskondensators auf 400V. Die Gesamtzeitdauer und die vorgesehene einzustellende Gleichspannung kann über die Kondensatoren und die Anzahl an Stufen eingestellt werden.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Batterie
- 2
- Vorladewiderstand
- 3
- Vorladeschütz
- 4
- Batterieschütz für allpolige Sicherheitsabschaltung
- 5
- Batteriezellen
- 6
- Leistungselektronik
- 7
- Zwischenkreiskondensator
- 8
- Spannungsmessung/Spannungsteiler
- 9
- Leistungshalbleiter
- 10
- Anschlüsse Drehstrommoter
- 11
- Halbbrückenschaltung MOSFETs
- 12
- Transformatoren (Gatetreiber-Trafos)
- 13
- Gleichrichter zur Erzeugung von DC-Spannung für die Gatetreiberversorgung
- 14
- Gatetreiberversorgung für Schalter
- 15
- Ladungspumpe
- 16
- Vorladeschaltung
- 17
- Vcc Versorgungsspannungsleitung
- 18
- GND Masse
- 19
- Ux Spannung des Zwischenkreiskondensators
- 20
- U1 Wechselspannungseingang
- 21
- U2 Gleichspannungsausgang
- 22
- UT Transformatorspannung
- 23
- IT Transformatorstrom
- 24 C1, C3, C17
- erster Kondensator einer Stufe
- 25 C2, C4, C18
- zweiter Kondensator einer Stufe
- 26 D1, D3, D17
- erste Schalter einer Stufe
- 27 D2, D4, D18
- zweite Schalter einer Stufe
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102008013706 A1 [0004, 0005]
- DE 102012017673 A1 [0006, 0008]
- DE 102012017679 A1 [0007, 0008]
