DE102020203319A1

DE102020203319A1 - Hochvoltsystem

Info

Publication number: DE102020203319A1
Application number: DE102020203319.6A
Authority: DE
Inventors: Wilhelm Brodt; Roland KUBE
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2020-03-16
Filing date: 2020-03-16
Publication date: 2021-09-16
Also published as: CN113410828A

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Hochvoltsystem (1), umfassend mindestens eine Hochvolt-Energiequelle (2), mindestens einen Verbraucher (7), wobei die Hochvolt-Energiequelle (2) über Hochvolt-Leistungen (8) mit dem mindestens einen Verbraucher (7) verbunden ist, sowie mindestens ein Abschaltelement, mittels dessen die elektrische Verbindung zwischen der Hochvolt-Energiequelle (2) und dem mindestens einen Verbraucher (7) auftrennbar ist, wobei parallel zu dem Verbraucher (7) ein Serien-Resonanz-Schwingkreis (9) angeordnet ist, wobei parallel zu einer Hochvolt-Leitung (8) eine Induktivität (L) angeordnet ist, wobei die Verbindungspunkte (VP) der Parallelschaltung zwischen dem mindestens einen Abschaltelement und dem Serien-Resonanz-Schwingkreis (9) angeordnet sind, wobei die Induktivität (L) eine Primär-Induktivität eines Transformators (10) bildet, wobei die Sekundär-Induktivität des Transformators (10) durch die Induktivität (LSR) des Serien-Resonanz-Schwingkreises (9) gebildet wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Hochvoltsystem, insbesondere ein Traktionsnetz in einem Kraftfahrzeug.
Hochvoltsysteme weisen eine Hochvolt-Energiequelle auf, die beispielsweise als Hochvolt-Batterie ausgebildet und eine Spannung von mehreren Hundert Volt aufweist. Weiter weist ein solches Hochvoltsystem mindestens einen elektrischen Verbraucher auf, beispielsweise einen Wechselrichter, um die Gleichspannung der Hochvolt-Energiequelle in eine Wechselspannung zu wandeln. Die Hochvolt-Energiequelle und der elektrische Verbraucher sind dabei über Hochvolt-Leitungen verbunden. Weiter weisen Hochvoltsysteme typischerweise ein Abschaltelement auf, um die elektrische Verbindung aufzutrennen. Derartige Abschaltelemente können als Sicherungen und/oder als Schaltelemente wie beispielsweise Relais oder Halbleiterschalter ausgebildet sein. Die Abschaltelemente dienen u.a. dazu, in Notfallsituationen den Stromfluss schnell zu unterbrechen. Aufgrund der parasitären Induktivitäten der Hochvolt-Leitungen kann es dabei zu sehr großen Überspannungen kommen, die Bauteile zerstören können.
Aus der DE 10 2010 038 511 A1 ist eine Überspannungsschutzschaltung für mindestens einen Zweig einer Halbbrücke bekannt, welcher ein steuerbares Halbleiterschaltelement und eine dazu in Reihe geschaltete Freilaufdiode umfasst, welche auf einem gemeinsamen Schaltungsträger angeordnet sind, wobei parallel zu dem Halbbrückenzweig ein Kommutierungszweig geschaltet ist, der mindestens einen Kommutierungskondensator umfasst, welcher ebenfalls auf dem Schaltungsträger angeordnet ist. Dabei kann in Reihe zu dem Kommutierungskondensator ein Kommutierungswiderstand und eine Kommutierungsspule angeordnet sein, die einen Serien-Resonanz-Schwingkreis bilden, um Überspannungen beim Schalten der Halbbrücken zu dämpfen. Die Resonanz-Frequenz liegt dabei im Bereich der Schaltfrequenzen der Halbleiterschaltelemente, die typischerweise im oberen Kilohertz-Bereich liegen.
Der Erfindung liegt das technische Problem zugrunde, ein Hochvoltsystem zu schaffen, bei dem Überspannungen bei einer Notfall-Trennung des Stromflusses wirksam reduziert werden.
Die Lösung des technischen Problems ergibt sich durch ein Hochvoltsystem mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Hierzu weist das Hochvoltsystem mindestens eine Hochvolt-Energiequelle und mindestens einen Verbraucher auf, wobei die Hochvolt-Energiequelle über Hochvolt-Leitungen mit dem mindestens einen Verbraucher verbunden ist. Weiter weist das Hochvoltsystem mindestens ein Abschaltelement auf, mittels dessen die elektrische Verbindung zwischen der Hochvolt-Energiequelle und dem mindestens einen Verbraucher auftrennbar ist, wobei parallel zu dem Verbraucher ein Serien-Resonanz-Schwingkreis angeordnet ist. Weiter ist parallel zu einer Hochvolt-Leitung eine Induktivität angeordnet, wobei die Verbindungspunkte der Parallelschaltung zwischen dem mindestens einen Abschaltelement und dem Serien-Resonanz-Schwingkreis angeordnet sind, wobei die Induktivität eine Primär-Induktivität eines Transformators bildet, wobei die Sekundär-Induktivität des Transformators durch die Induktivität des Serien-Resonanz-Schwingkreises gebildet wird. Wird nun das Hochvoltsystem abrupt abgeschaltet, so baut sich aufgrund der starken Änderung des Stromes aufgrund der parasitären Induktivitäten eine große Überspannung auf. Aufgrund der Parallelschaltung tritt diese Stromänderung auch in der Parallelschaltung auf, sodass an der Induktivität eine große Spannung induziert wird, die auf die Sekundär-Induktivität transformiert wird. Der daraus resultierende Strom in dem Serien-Resonanz-Schwingkreis ist jedoch um 180° phasengedreht und wirkt somit der Ursache in den Hochvolt-Leitungen entgegen, sodass die induzierte Überspannung wirksam reduziert werden kann. Die Hochvolt-Energiequelle ist dabei vorzugsweise eine Hochvolt-Batterie. Das mindestens eine Abschaltelement ist vorzugsweise eine Schmelzsicherung, eine Pyrotechnische-Sicherung und/oder ein Relais.
In einer Ausführungsform ist die Resonanz-Frequenz des Serien-Resonanz-Schwingkreises kleiner als 1 kHz und weiter vorzugsweise kleiner als 300 Hz.
In einer weiteren Ausführungsform ist der Serien-Resonanz-Schwingkreis in dem Verbraucher angeordnet, sodass dieser in unmittelbarer Nähe der zu schützenden Bauteile angeordnet ist.
In einer weiteren Ausführungsform ist die Induktivität auch in dem elektrischen Verbraucher angeordnet, sodass Primär- und Sekundär-Induktivitäten räumlich sehr dicht zueinander angeordnet werden können, sodass ein Übertragungsfaktor nahe 1 erreicht werden kann.
In einer weiteren Ausführungsform ist die Induktivität um mehrere Größenordnungen größer als eine parasitäre Induktivität der Hochvolt-Leitung.
In einer weiteren Ausführungsform ist parallel zu der Hochvolt-Energiequelle ein Kondensator geschaltet, wobei der Verbindungspunkt zwischen Hochvolt-Energiequelle und dem mindestens einen Abschaltelement liegt. Somit können wirkungsvoll Überspannungen aufgrund der parasitären Induktivitäten der Hochvolt-Energiequelle gedämpft werden.
In einer weiteren Ausführungsform ist dem Kondensator ein Schaltelement zugeordnet, wobei das Hochvoltsystem derart ausgebildet ist, das Schaltelement zu schließen, wenn das Abschaltelement auslöst. Dadurch stört der Kondensator nicht während des normalen Betriebes.
Ein bevorzugtes Anwendungsgebiet ist ein Traktionsnetz in einem Elektro- oder Hybridfahrzeug.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Die einzige Figur zeigt eine schematische Schaltungsanordnung eines Hochvoltsystems.
In der 1 ist schematisch ein Hochvoltsystem 1 dargestellt, das beispielsweise ein Traktionsnetz eines Kraftfahrzeugs ist. Das Hochvoltsystem 1 weist eine Hochvolt-Energiequelle 2 auf, die als Hochvolt-Batterie 3 ausgebildet ist und beispielsweise eine Nennspannung von 400 V bis 800 V aufweist. Die Hochvolt-Batterie 3 weist einen Batterie-Innenwiderstand R_i und eine innere Induktivität L_i auf. Weiter weist das Hochvoltsystem 1 eine Sicherung 4 sowie zwei Hauptschütze 5, 6 auf, mittels derer die Hochvolt-Batterie 3 allpolig galvanisch abtrennbar ist. Weiter weist das Hochvoltsystem 1 mindestens einen elektrischen Verbraucher 7 auf, der beispielsweise als Wechselrichter mit nachgeschalteter Elektromaschine ausgebildet ist. Der Verbraucher 7 weist eine Lastkapazität C_L auf, die beispielsweise durch einen Zwischenkreiskondensator gebildet wird. Weiter weist der elektrische Verbraucher 7 einen Lastwiderstand R_L und eine Lastinduktivität L_L auf, die beispielsweise durch die Elektromaschine verursacht werden. Die Hochvolt-Energiequelle 2 ist über Hochvolt-Leitungen 8 mit dem Verbraucher 7 verbunden, wobei die Hochvolt-Leitungen eine parasitäre Induktivität Lpar aufweisen. Eingangsseitig weist der Verbraucher 7 einen Serien-Resonanz-Schwingkreis 9 auf, der einen Widerstand R_SR, eine Induktivität L_SR und eine Kapazität C_SR aufweist. Der Serien-Resonanz-Schwingkreis 9 muss nicht zwingend im Verbraucher 7 angeordnet sein, sondern kann auch außerhalb angeordnet sein. Der Serien-Resonanz-Schwingkreis 9 liegt dabei zwischen den beiden Hochvolt-Leitungen 8 und somit parallel zu dem Verbraucher 7. Weiter ist parallel zur Hochvolt-Leitung 8 eine Induktivität L angeordnet, wobei die Verbindungspunkte VP der Parallelschaltung zwischen dem Hauptschütz 5 und dem Serien-Resonanz-Schwingkreis 9 liegen. Dabei bildet die Induktivität L eine Primär-Induktivität eines Transformators 10, wobei die Sekundär-Induktivität des Transformators 10 durch die Induktivität L_SR des Serien-Resonanz-Schwingkreises 9 gebildet wird. Des Weiteren ist ein Steuergerät 11 dargestellt, das unter anderem die Hauptschütze 5, 6 ansteuert. Das Steuergerät 11 ist beispielsweise als Batterie-Management-Steuergerät ausgebildet. Weiter ist parallel zur Hochvolt-Energiequelle 2 ein Kondensator C angeordnet, der mittels eines Schaltelements 12 zu- oder abschaltbar ist, wobei das Schaltelement 12 vorzugsweise auch durch das Steuergerät 11 geschaltet wird.
In bestimmten Situationen, beispielsweise einem Fahrzeug-Crash, öffnet das Steuergerät 11 die Hauptschütze 5, 6 im Lastfall, d.h. in einer Betriebssituation, wo ein großer Strom von beispielsweise 160 A fließt. Durch das abrupte Abschalten kommt es zu einer großen Stromänderung (di/dt), sodass aufgrund der parasitären Induktivität Lpar eine Spannung induziert wird. Diese Spannung kann beispielsweise in der Spitze mehrere kV betragen. Dabei fließt im Wesentlichen aufgrund des Lastkondensators C_L ein Wechselstrom durch die parasitäre Induktivität Lpar. Dieser Wechselstrom wird nun durch den Serien-Resonanz-Schwingkreis 9 gedämpft. Durch die parallel geschaltete Induktivität L fließt ein Strom, der phasengleich ist zu dem Strom durch die parasitäre Induktivität Lpar. Durch den Strom wird eine Spannung erzeugt, die auf die Sekundär-Induktivität L_SR übertragen wird, wobei jedoch die Spannung auf der Sekundärseite um 180° phasenverschoben ist. Aus dem Serien-Resonanz-Schwingkreis 9 fließt also ein Strom, der um 180° phasenverschoben zu dem Strom auf der Hochvoltleitung 8 ist, sodass der resultierende Strom geringer wird. Dies führt zu einer Dämpfung des Überschwingens.
Die Resonanzfrequenz des Serien-Resonanz-Schwingkreises 9 wird dabei auf die Resonanzfrequenz des Hochvoltsystems 1 abgestimmt. Typische Werte für die parasitäre Induktivität Lpar sind 2 µH, wobei C_L = 300 - 400 µF ist. Die Lastinduktivität L_L beträgt beispielsweise 500 mH und der Lastwiderstand R_L aufgrund des Ständerwiderstandes beträgt ca. 2,5 Ω. In diesem Fall wird beispielsweise R_SR = 15 Ω, L_SR = 1,5 H und C_SR = 750 µF gewählt, sodass sich eine Resonanzfrequenz von ca. 4,75 Hz ergibt. L wird dabei vorzugsweise gleich groß wie L_SR gewählt, also L = 1,5 H.
Dabei sind Dämpfungen in der Amplitude der Überspannungen erreichbar, die die Amplitude mehr als halbieren, wobei die Abklingzeit um den Faktor 3 kleiner wird.
Neben den Überspannungen auf der rechten Seite von den Hauptschützen 5, 6 treten auch Überspannungen auf der linken Seite auf, die primär durch die innere Induktivität L_i hervorgerufen werden, die beispielsweise 10 µH beträgt. Zur Dämpfung dieser Überspannungen dient der Kondensator C. Dieser weist beispielsweise eine Kapazität von 300 µF auf. Werden die Hauptschütze 5, 6 geöffnet, wird das Schaltelement 12 geschlossen, sodass sich ebenfalls ein Schwingkreis bildet, der die Überspannungen dämpft. Vorzugsweise wird das Schaltelement 12 auch von dem Steuergerät 11 angesteuert.
Die beschriebenen Dämpfungswirkungen der Überspannungen sind genauso wirksam, wenn der Stromfluss durch Auslösen der Sicherung 4 unterbrochen wird.
Bezugszeichenliste

1: Hochvoltsystem
2: Hochvolt-Energiequelle
3: Hochvolt-Batterie
4: Sicherung
5,6: Schütze
7: Verbraucher
8: Hochvolt-Leitung
9: Serien-Resonanz-Schwingkreis
10: Transformator
11: Steuergerät
12: Schaltelement

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

DE 102010038511 A1 [0003]

Claims

Hochvoltsystem (1), umfassend mindestens eine Hochvolt-Energiequelle (2), mindestens einen Verbraucher (7), wobei die Hochvolt-Energiequelle (2) über Hochvolt-Leistungen (8) mit dem mindestens einen Verbraucher (7) verbunden ist, sowie mindestens ein Abschaltelement, mittels dessen die elektrische Verbindung zwischen der Hochvolt-Energiequelle (2) und dem mindestens einen Verbraucher (7) auftrennbar ist, wobei parallel zu dem Verbraucher (7) ein Serien-Resonanz-Schwingkreis (9) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass parallel zu einer Hochvolt-Leitung (8) eine Induktivität (L) angeordnet ist, wobei die Verbindungspunkte (VP) der Parallelschaltung zwischen dem mindestens einen Abschaltelement und dem Serien-Resonanz-Schwingkreis (9) angeordnet sind, wobei die Induktivität (L) eine Primär-Induktivität eines Transformators (10) bildet, wobei die Sekundär-Induktivität des Transformators (10) durch die Induktivität (L_SR) des Serien-Resonanz-Schwingkreises (9) gebildet wird.
Hochvoltsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Resonanz-Frequenz des Serien-Resonanz-Schwingkreises (9) kleiner als 1 kHz ist.
Hochvoltsystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Resonanz-Frequenz kleiner als 300 Hz ist.
Hochvoltsystem nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Serien-Resonanz-Schwingkreis (9) im elektrischen Verbraucher (7) angeordnet ist.
Hochvoltsystem nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Induktivität (L) in dem elektrischen Verbraucher (7) angeordnet ist.
Hochvoltsystem nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Induktivität (L) mehrere Größenordnungen größer ist als eine parasitäre Induktivität (L_par) der Hochvolt-Leitung (8).
Hochvoltsystem nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass parallel zu der Hochvolt-Energiequelle (2) ein Kondensator (C) geschaltet ist, wobei der Verbindungspunkt zwischen Hochvolt-Energiequelle (2) und dem mindestens einen Abschaltelement liegt.
Hochvoltsystem nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass dem Kondensator (C) ein Schaltelement (12) zugeordnet ist, wobei das Hochvoltsystem (1) derart ausgebildet ist, das Schaltelement (12) zu schließen, wenn das Abschaltelement auslöst.