DE102020216327B3

DE102020216327B3 - Verfahren zum Betreiben eines Inverters sowie Hochvoltantriebssystem

Info

Publication number: DE102020216327B3
Application number: DE102020216327.8A
Authority: DE
Inventors: Uwe Krella; Ralf Hoch; Christian Dobmeier; Wilhelm Barsties; Michael Müllmaier; Bernhard Sofaly
Original assignee: Vitesco Technologies Germany GmbH
Current assignee: Vitesco Technologies Germany GmbH
Priority date: 2020-12-18
Filing date: 2020-12-18
Publication date: 2022-05-05
Anticipated expiration: 2040-12-19

Abstract

Verfahren zum Betreiben eines zwischen zumindest einer Fahrzeugbatterie (3) und einem Antriebsmotor (4) eines elektrisch angetriebenen Fahrzeugs angeordneten Inverters (2), wobei der Inverter (2) über einen Zwischenkreis (5) mit der zumindest einen Fahrzeugbatterie (3) verbindbar ist und der Zwischenkreis (5) zumindest einen Speicher (6) für elektrische Energie sowie eine Entladeschaltung (8) zur Schnellentladung des Zwischenkreises (5) aufweist,wobei zu Beginn einer Schnellentladung des Zwischenkreises (5) über die Entladeschaltung (8) der Spannungs- und/oder Stromverlauf an der Entladeschaltung (8) geprüft wird und die Schnellentladung abgebrochen wird, wenn sich die Spannung und/oder der Strom nicht in erwarteter Weise ändern.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Betreiben eines zwischen zumindest einer Fahrzeugbatterie und einem Antriebsmotor eines elektrisch angetriebenen Fahrzeugs angeordneten Inverters. Sie bezieht sich ferner auf ein Hochvoltantriebssystem für ein elektrisch angetriebenes Fahrzeug.
Bei elektrisch angetriebenen Fahrzeugen ist zwischen der zumindest einen Fahrzeugbatterie und dem Antriebsmotor ein Inverter (Frequenzumrichter) vorgesehen, der über einen Zwischenkreis mit der zumindest einen Fahrzeugbatterie verbunden ist. Im Zwischenkreis ist typischerweise mindestens ein Speicher für elektrische Energie, insbesondere ein Kondensator, angeordnet. Der Speicher wirkt dabei als Filter bzw. als Puffer für Energiespitzen.
Die Druckschrift DE 10 2016 222 632 A1 beschreibt eine Entladeschaltung zur aktiven Entladung eines Zwischenkreiskondensators eines Zwischenkreises. Der Zwischenkreiskondensator ist über einen Trennschalter mit einer Hochspannungsversorgung trennbar verbunden. Die Entladeschaltung ist eingerichtet, den Zwischenkreiskondensator erst dann zu entladen, wenn der Trennschalter geöffnet ist.
Die Druckschrift DE 10 2018 125 272 A1 beschreibt eine Vorrichtung zum Entladen eines Zwischenkreiskondensators. Die Vorrichtung weist eine parallel zum Zwischenkreiskondensator geschaltete Entladeeinrichtung auf und entlädt mittels dieser und bei Erhalt eines Entladesignals den Zwischenkreiskondensator durch Erzeugen eines Stromflusses mit einer einstellbaren Stromstärke.
Die Druckschrift DE 10 2010 015 312 A1 beschreibt ein Hochvoltsystem für ein Kraftfahrzeug, das einen Wechselrichter sowie eine Hochvoltbatterie zur Hochspannungsversorgung aufweist. Im System sind ferner ein Schaltmittel zur Trennung der Hochspannungsversorgung, ein dem Wechselrichter parallel geschalteter Kondensator sowie eine Entladeschaltung zun Entladen des Kondensators vorgesehen.
Die Druckschrift DE 10 2019 216 568 B3 beschreibt eine Entladevorrichtung für einen Zwischenkreis einer elektrischen Antriebsanordnung. Die Vorrichtung weist zwei Entladezweige auf und entlädt den Zwischenkreis abhängig von dessen Entladungszustand wahlweise mit einem der beiden Entladezweige.
Wird der Inverter von der Versorgungsspannung, d.h. der Fahrzeugbatterie, getrennt, so verbleibt eine Restenergie im Energiespeicher, die insbesondere bei leistungselektronischen Baugruppen, die aus einer Hochvoltspannung versorgt werden, eine Gefahr darstellen kann.
Aus diesem Grund verfügen viele leistungselektronische Baugruppen über eine Entladeschaltung, deren Aufgabe es ist, nach dem Trennen der Baugruppe von der Versorgungsspannungsquelle den Energiespeicher rasch zu entladen. Um die gespeicherte Energie in kurzer Zeit abbauen zu können, muss die Entladeschaltung einen entsprechend hohen Entladestrom führen können. Dieser kann bei elektrisch angetriebenen Fahrzeugen in der Größenordnung von 1 A liegen. In Verbindung mit der typischen Versorgungsspannung in der Größenordnung von ca. 300-1000 V ergeben sich Spitzenverlustleistungen von einigen 100 W in der Entladeschaltung.
Derartige Entladeschaltungen können so ausgeführt werden, dass sie wahlweise Energie vom Zwischenspeicher abführen oder inaktiv geschaltet werden können. Derartige aktive Entladeschaltungen sind oft so ausgelegt, dass sie bei dauerhaft anliegender Versorgungsspannung nicht ohne Schaden zu nehmen den Entladestrom führen können. Ist also die Entladeschaltung aktiv bevor es zur Trennung von der Energiequelle kommt, so würde es zu einer Überlastung der Entladeschaltung kommen. Eine derartige Überlastung führt in der Regel zur Überhitzung einzelner Bauteile in der Entladeschaltung und in der weiteren Folge zu ihrer Zerstörung. Daher weisen viele aktive Entladeschaltungen einen Überlastschutz auf.
Der Überlastschutz umfasst häufig einen mit einem Temperatursensor überwachten Widerstand, der parallel zum Energiespeicher geschaltet ist. Dies stellt einen sehr einfachen, temperaturgeführten Zweipunktregler dar.
Statt über die Entladeschaltung kann eine Entladung des Zwischenkreises auch dadurch erfolgen, dass die Invertersteuerung einen Blindstrom auf den Antriebsmotor stellt, sodass die elektrische Energie aus dem Zwischenkreis über die Erzeugung von Wärme im Antriebsmotor abgeführt wird.
Dieses Vorgehen hat jedoch den Nachteil, dass es nicht in jedem Betriebszustand des Systems durchführbar ist. Ist die vollständige Entladung der Zwischenspeicher erforderlich, so kann eine Restspannung nicht über den Inverter bzw. Antriebsmotor abgeführt werden, da die Invertersteuerung eine minimale Betriebsspannung benötigt.
Tritt ein Fehler in der Invertersteuerung auf oder kommt es zum Totalausfall der Invertersteuerung, so fordern verbreitete Sicherheitskonzepte typischerweise eine Entladung des Zwischenspeichers. In diesem Fall kann jedoch nicht davon ausgegangen werden, dass die nicht voll funktionsfähige Invertersteuerung die Schnellentladung durchführen kann, sodass auf die zuvor beschriebene Entladeschaltung zurückgegriffen werden muss.
Auch der Betrieb der Entladeschaltung ist jedoch nicht unproblematisch. Die Entladeschaltung stellt eine autarke Einheit dar, die nicht auf Sensorwerte oder Rechenleistung anderer Komponenten zurückgreifen kann. Um die Komplexität der Entladeschaltung gering zu halten, wird typischerweise lediglich ein Temperatursensor ohne weitere thermische Modellrechnung verwendet. Somit ist es oft schwierig, den heißesten Punkt der Entladeschaltung für jeden Betriebszustand ausreichend genau zu erfassen. Auch ist es in vielen Fällen mit erheblichen Zusatzkosten verbunden, einen Temperatursensor an geeigneter Stelle anzubringen. Darüber hinaus stellt die Trägheit der Temperaturerfassung ein weiteres Problem dar. Möglicherweise kann eine Überhitzung der Entladeschaltung erst zu spät festgestellt werden.
Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum Betreiben eines Inverters anzugeben, das in jedem Betriebszustand des Fahrzeugs eine sichere und bauteilschonende Entladung des Zwischenkreises ermöglicht. Ferner soll ein Hochvoltantriebssystem für ein elektrisch angetriebenes Fahrzeug angegeben werden, dessen Zwischenkreis in jedem Betriebszustand sicher entladen werden kann.
Diese Aufgabe wird gelöst durch den Gegenstand der unabhängigen Ansprüche. Vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
Zunächst wird ein Verfahren zum Betreiben eines zwischen zumindest einer Fahrzeugbatterie und einem Antriebsmotor eines elektrisch angetriebenen Fahrzeugs angeordneten Inverters angegeben, wobei der Inverter über einen Zwischenkreis mit der zumindest einen Fahrzeugbatterie verbunden ist und der Zwischenkreis zumindest einen Speicher für elektrische Energie sowie eine Entladeschaltung zur Schnellentladung des Zwischenkreises aufweist, wobei zu Beginn einer Schnellentladung der Spannungs- und/oder Stromverlauf an der Entladeschaltung geprüft wird und die Schnellentladung abgebrochen wird, wenn sich die Spannung und/oder der Strom nicht in erwarteter Weise ändern.
Hierbei bedeutet der Ausdruck „sich die Spannung und/oder der Strom nicht in erwarteter Weise ändern“, dass die zeitliche Änderung bzw. die Änderungsrate der Spannung und/oder des Stromes nicht in einem vorbestimmten Wertbereich liegt, insb. die zeitliche Änderung bzw. die Änderungsrate eine vorbestimmte Schwelle unterschreitet.
Das Verfahren ermöglicht es, über einen Spannungs- und/oder Stromgradienten an der Entladeschaltung eine noch bestehende Verbindung zur Fahrzeugbatterie zu detektieren. Falls nämlich die Fahrzeugbatterie noch mit dem Zwischenkreis verbunden ist, wenn der Entladevorgang gestartet wird, so speist diese ständig weitere Energie in den Zwischenkreis. In der Folge ändert sich die Spannung bzw. der Strom an der Entladeschaltung während des Entladevorgang nicht. Der Zwischenkreis kann aufgrund der ständig nachgelieferten Energie aus der Fahrzeugbatterie nicht entladen werden und die Entladeschaltung wird überlastet. Eine derartige Überlastung kann mittels des Verfahrens verhindert werden.
Die Prüfung des Spannungs- und/oder Stromverlaufs an der Entladeschaltung kann gemäß einer Ausführungsform mittels einer Modellierung des zu erwartenden Spannungs- und/oder Stromverlaufs und einem anschließenden Vergleich mit einem gemessenen Spannungs- und/oder Stromverlauf erfolgen. Bei dieser Ausführungsform kann die Modellierung des zu erwartenden Strom- bzw. Spannungsverlaufs über eine RC-Nachbildung erfolgen und der Vergleich mit dem tatsächlichen Spannungs- und/oder Stromverlauf mittels eines nachgeschalteten Komparators. Bei zu hoher Abweichung zwischen der Ausgangsspannung bzw. dem Ausgangsstrom des Modells und der gemessenen Spannung bzw. des Stroms an der Entladeschaltung wird der Entladevorgang abgebrochen.
Alternativ kann die Prüfung des Spannungs- und/oder Stromverlaufs an der Entladeschaltung auch mittels einer analogen Schaltung erfolgen. Diese bestimmt, beispielsweise mittels eines Differenzierglieds und eines Komparators den Spannungs- und/oder Stromgradienten an der Entladeschaltung. Ist dieser niedrig oder null, ist davon auszugehen, dass die Fahrzeugbatterie noch mit dem Zwischenkreis verbunden ist, und der Entladevorgang wird abgebrochen.
Da eine Entladung jedoch erfolgen soll, werden nach einem abgebrochenen Entladevorgang vorteilhafterweise in regelmäßigen Abständen weitere Entladeversuche gemacht. Um diese zu veranlassen, wird folgendermaßen vorgegangen:

Zum Einleiten einer Schnellentladung des Zwischenkreises wird über die Entladeschaltung eine Entladeanforderung an eine Steuereinrichtung des Inverters abgesetzt. Zeitgleich mit der Entladeanforderung wird ein Signal sich zyklisch wiederholender Ausblendpulse gestartet, wobei, falls die Schnellentladung aufgrund einer nicht ausreichend großen Strom- oder Spannungsänderung im Zwischenkreis abgebrochen wurde, in durch die Ausblendpulse festgelegten Zeitabständen erneute Entladeversuche durchgeführt werden.

Die Ausblendpulse verhindern demnach, dass das System nach einem abgebrochenen Entladevorgang in einer „Selbstverriegelung“ verharrt, so dass eine Entladung nicht mehr stattfinden kann, selbst wenn zu einem späteren Zeitpunkt die Bedingungen dafür erfüllt sind. Die Ausblendpulse können beispielsweise mit einer Frequenz von 100ms ausgegeben werden und eine Zeitdauer von wenigen Millisekunden aufweisen. Falls der erste Ausblendpuls zeitgleich mit der Entladeanforderung abgesetzt wird, vergeht vorteilhafterweise möglichst wenig Zeit bis zur erfolgten Entladung.
Gemäß einem Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zum Betreiben eines zwischen zumindest einer Fahrzeugbatterie und einem Antriebsmotor eines elektrisch angetriebenen Fahrzeugs angeordneten Inverters angegeben, wobei der Inverter über einen Zwischenkreis mit der zumindest einen Fahrzeugbatterie verbunden ist und der Zwischenkreis zumindest einen Speicher für elektrische Energie sowie eine Entladeschaltung zur Schnellentladung des Zwischenkreises aufweist, wobei eine Verbindung des Zwischenkreises mit der zumindest einen Fahrzeugbatterie nur zugelassen wird, wenn die Entladeschaltung nicht als thermisch vorbelastet anzusehen ist. Dabei wird die Entladeschaltung nach Ablauf einer vorgegebenen Wartezeit als nicht thermisch vorbelastet angesehen, wenn während dieser Wartezeit keine Entladung stattfindet.
Dieses Verfahren hat den Vorteil, dass ein Anschluss der Fahrzeugbatterie bei aktiver Entladeschaltung unmittelbar erkannt wird, so dass der Entladevorgang abgebrochen werden kann. In diesem Fall würde nämlich die Fahrzeugbatterie ständig weitere Energie in den Zwischenkreis speisen, die über die Entladeschaltung abfließen müsste, sodass die Entladeschaltung überlastet würde.
Üblicherweise wird in einem Elektrofahrzeug die Hochvoltversorgung erst nach Freigabe durch den Inverter durch Schließen von Schützen an diesen angeschlossen. Eine derartige Freigabe kann aus Sicherheitsgründen nur durch eine voll funktionsfähige Invertersteuerung erfolgen. Somit kann die Invertersteuerung auch das Zuschalten der Versorgungsspannung verhindern, wenn die Entladeschaltung aufgrund einer thermischen Vorbelastung aktuell nicht in der Lage wäre, die Energiespeicher vollständig zu entladen, ohne zu überhitzen.
Unter einem Zustand, in dem die Entladeschaltung als thermisch vorbelastet anzusehen ist, wird dabei sowohl ein Zustand verstanden, in dem die Temperatur der Entladeschaltung hoch ist, als auch ein Zustand, in dem die Entladeschaltung aus einem anderen Grund nicht verwendet werden soll, beispielsweise wegen einer bestehenden Verbindung zwischen dem Zwischenkreis und der Fahrzeugbatterie, und in dem daher eine thermische Vorbelastung der Entladeschaltung gesetzt wird. In diesem Fall liegt eine thermische Vorbelastung der Entladeschaltung zwar typischerweise nicht vor, würde jedoch aufgrund der bestehenden Verbindung zwischen der Fahrzeugbatterie und dem Zwischenkreis sofort eintreten, wenn eine Schnellentladung gestartet würde.
Gemäß einer Ausführungsform ist die Fahrzeugbatterie über Schütze mit dem Zwischenkreis verbindbar und die Schütze sind über eine Steuereinheit ansteuerbar.
Die thermische Vorbelastung der Entladeschaltung kann beispielsweise mittels eines Temperaturmodells ermittelt oder mittels eines Temperatursensors gemessen werden.
Gemäß einer Ausführungsform wird nach einer Prüfung, ob die Entladeschaltung als thermisch vorbelastet anzusehen ist, ein Statusindikator für eine thermische Vorbelastung vor einem Verbinden des Zwischenkreises mit der zumindest einen Fahrzeugbatterie gesetzt.
Bei dieser Ausführungsform wird die Entladeschaltung als thermisch vorbelastet angenommen, wenn die Verbindung zwischen dem Zwischenkreis und der Fahrzeugbatterie hergestellt ist. Dies wird durch das Setzen des entsprechenden Statusindikators (flag) vermerkt und hat den Vorteil, dass das Aktivieren der Entladeschaltung bei angeschlossener Fahrzeugbatterie nicht möglich ist.
Das Entladen des Zwischenkreises über den Entladewiderstand muss bei Ausfall der primären Steuerung jederzeit möglich sein. Eine Situation, in der der Zwischenkreis geladen und der Entladewiderstand gleichzeitig thermisch vorbelastet ist, soll daher vermieden werden. Dazu wird der Statusindikator verwendet, der der primären Steuerung zur Verfügung steht. Vor dem Schließen der Batterieschütze kann dann anhand des Statusindikators geprüft werden, ob es in der Vergangenheit eine Vorbelastung gab, die möglicherweise noch andauert. Wenn es diese nicht gab, wird das Schließen der Schütze zugelassen und dem Zwischenkreis somit Energie zugeführt. gab es eine solche Belastung, die möglicherweise noch andauert, wird das Schießen der Schütze nicht zugelassen.
Die primäre Steuerung setzt den Statusindikator beim planmäßigen Herunterfahren und einer (weitgehenden) Entladung über den Inverter wieder zurück. Falls jedoch die primäre Steuerung ausfällt, kann ein Statusindikator nicht mehr zuverlässig gesetzt werden. Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung wird dem Rechnung getragen dadurch, dass der Statusindikator beim Starten vorsorglich auf „Vorbelastung“ gesetzt wird und erst zurückgesetzt wird, wenn die primäre Steuerung planmäßig heruntergefahren wird.
Gemäß einer Ausführungsform wird zum Einleiten einer Schnellentladung zunächst geprüft, ob der Zwischenkreis mit der zumindest einen Fahrzeugbatterie verbunden ist, wobei nur im Falle einer nicht bestehenden Verbindung zwischen dem Zwischenkreis mit der zumindest einen Fahrzeugbatterie eine Schnellentladung ausgeführt wird. Die Schnellentladung kann dann entweder über die Entladeschaltung oder über die Invertersteuerung und den Antriebsmotor erfolgen, abhängig davon, ob die Invertersteuerung funktionsfähig ist.
Gemäß einem Aspekt der Erfindung wird ein Computerprogrammprodukt angegeben, das Codeanweisungen enthält, um die Schritte des beschriebenen Verfahrens auszuführen, wenn die Codeanweisungen auf einer Recheneinheit ausgeführt werden. Bei der Recheneinheit kann es sich dabei insbesondere um ein Element der Invertersteuerung handeln.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Hochvoltantriebssystem für ein elektrisch angetriebenes Fahrzeug mit zumindest einer Fahrzeugbatterie, einem Inverter, dem ein Antriebsmotor nachgeschaltet ist, und einem zwischen der Fahrzeugbatterie und dem Inverter angeordneten Zwischenkreis angegeben, wobei dem Inverter eine Steuereinheit zugeordnet ist mit einer Recheneinheit, wobei die Recheneinheit eingerichtet ist zur Durchführung des beschriebenen Verfahrens.
Zur Prüfung des Spannungs- und/oder Stromverlaufs an der Entladeschaltung kann insbesondere eine analoge Schaltung vorgesehen sein, die ein Differenzierglied sowie einen Komparator umfasst. Die Schaltung ermittelt somit eine Spannungsänderung du/dt im Zwischenkreis und vergleicht sie mit einem vorgegebenen Schwellwert. Liegt die Spannungsänderung unterhalb des Schwellwertes, kann von geschlossenen Batterieschützen ausgegangen werden. Die analoge Schaltung hat den Vorteil, dass sie eine Erkennung von geschlossenen Schützen auch bei nicht funktionsfähiger Invertersteuerung erlaubt.
Ausführungsformen der Erfindung werden im Folgenden anhand schematischer Zeichnungen beispielhaft beschrieben.

1 zeigt eine Baugruppe eines elektrisch angetriebenen Fahrzeugs mit einer Fahrzeugbatterie, einem Inverter sowie einem Antriebsmotor gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;
2 zeigt Teile der Baugruppe im Detail;
3 zeigt eine Schaltung der Baugruppe im Detail;
4 zeigt die Verläufe verschiedener Spannungssignale während eines Schnellentladung des Zwischenkreises;
5 zeigt Schritte eines Verfahrens zum Betrieb des Inverters gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;
6 zeigt weitere Schritte des Verfahrens gemäß 5 für den Fall einer funktionsfähigen Invertersteuerung und
7 zeigt weitere Schritte des Verfahrens gemäß 5 für den Fall einer nicht funktionsfähig Invertersteuerung.

1 zeigt schematisch eine Baugruppe 1 eines elektrisch angetriebenen Fahrzeugs. Die Baugruppe 1 umfasst einen Inverter 2, der zwischen einer Fahrzeugbatterie 3 und einem Antriebsmotor 4 angeordnet ist. Der Inverter 2 stellt im Betrieb aus der von der Fahrzeugbatterie 3 zur Verfügung gestellten Gleichspannung den angeforderten Drehstrom auf den Antriebsmotor 4.
Zwischen der Fahrzeugbatterie 3 und dem Inverter 2 ist ein zur Filterung bzw. Pufferung von Spannungsspitzen dienender Zwischenkreis 5 vorgesehen, der einen Filterkondensator 6 als Speicher für elektrische Energie umfasst. Der Inverter 2 und somit auch der Antriebsmotor 4 werden durch das Schließen von Schützen 7 mit der Fahrzeugbatterie 3 verbunden.
Wird der Antriebsmotor 4 abgestellt, so werden die Schütze 7 über eine in der 1 nicht gezeigte Steuereinheit geöffnet. Dabei verbleibt die gespeicherte Energie in dem Kondensator 6 und muss aus Sicherheitsgründen entladen werden. Dazu umfasst die Baugruppe 1 eine Entladeschaltung 8 mit einem Entladewiderstand 9 zur Schnellentladung des Zwischenkreises 5. Eine weitere Möglichkeit zur zumindest teilweisen Entladung des Kondensator 6 besteht darin, dass mittels des Inverters 2 ein Blindstrom auf den Antriebsmotor 4 gestellt wird.
Die Entladeschaltung 8 kann durch Betätigung einer Schalteinheit 11 für eine Schnellentladung zugeschaltet werden. Die Schalteinheit 11 umfasst einen Schalter 11a und einen Temperatursensor 11b und bildet somit auch einen thermischen Überlastschutz, der den Entladewiderstand 9 vor Überhitzung schützt.
2 zeigt die Entladeschaltung 8 gemäß einer Ausführungsform der Erfindung. Sie weist neben dem Entladewiderstand 9 eine Steuereinheit 10 auf, die auch die Schalteinheit 11 umfasst. Ferner enthält die Entladeschaltung 8 eine analoge Schaltung 12 zur Erkennung eines Spannungsgradienten im Zwischenkreis 5, die im Folgenden anhand der 3 und 4 näher erläutert wird.
3 zeigt die Entladeschaltung 8 in größerem Detail. Insbesondere sind Einzelheiten der analogen Schaltung 12 zur Erkennung eines Spannungsgradienten im Zwischenkreis 5 dargestellt.
Die analoge Schaltung 12 hat die Aufgabe, eine Spannungsänderung du/dt im Zwischenkreis 5 zu ermitteln und mit einer vorgegebenen Schwelle zu vergleichen. Dazu weist sie einen lediglich schematisch gezeigten Spannungsteiler 13 auf zum Anpassen des Signalpegels auf eine verarbeitbare Spannung. Typischerweise muss die Zwischenkreisspannung von etwa 500-600 V auf einen Pegel von etwa 3,5 V reduziert werden. Nachgeschaltet ist ein Differenzierglied 14, das als Ausgangsspannung die zeitliche Änderung der reduzierten Zwischenkreisspannung, du/dt, liefert. Die Spannungsänderung du/dt wird in einem nachgeschalteten Komparator 15 mit einer Referenzspannung REF verglichen, die als Schwellwert dient. Ist die Spannungsänderung du/dt größer als der vorgegebene Schwellwert, so gibt die Steuereinheit 10 die Schnellentladung über den Entladewiderstand 9 frei.
Die analoge Schaltung 12 umfasst ferner eine Synchronisation 16 eines Timers mit einem durch die Steuereinheit 10 gegebenem Entladebefehl. Diese Synchronisation wird im Zusammenhang mit 4 näher erläutert.
4 zeigt den zeitlichen Verlauf verschiedener Spannungen. Im unteren Bereich ist der zeitliche Verlauf der Hochspannungen im Zwischenkreis 5 dargestellt, nämlich der zeitliche Verlauf der Zwischenkreisspannung 30 selbst sowie ihrer zeitlichen Änderungen du/dt 40. Im oberen Bereich der 4 ist der zeitliche Verlauf verschiedener Spannungssignale dargestellt, nämlich der Status 50 der Batterieschütze, eine Entladeanforderung 60 des übergeordneten Systems, eines Signals 70 umfassend in zyklischen Abständen generierte Ausblendpulse sowie eines Status 80 des Entladewiderstands, d.h. die Stellung des in 1 mit 11 bezeichneten Schalters.
4 zeigt anhand der Spannungsverläufe beispielhaft den Ablauf eines Entladeereignisses.
Bis zum Zeitpunkt t₁ ist das Fahrzeug in Betrieb und die Batterieschütze sind geschlossen, was durch den hohen Pegel des Signals 50 angezeigt wird. Das Signal 30 der Zwischenkreisspannung zeigt, dass im Zwischenkreis 5 eine Spannung anliegt.
Im Zeitpunkt t₁ setzt das übergeordnete System eine Entladeanforderung ab, erkennbar an dem Abfall des Signals 60 auf seinen niedrigen Pegel. Eine derartige Entladeanforderung wird beispielsweise abgesetzt, wenn das Fahrzeug abgestellt wird. Zeitgleich mit der Entladeanforderung wird das Pulssignal 70 gestartet, das in regelmäßigen Abständen, beispielsweise alle 100 ms, einen Ausblendpuls von wenigen Millisekunden Dauer, beispielsweise 1 bis 5 ms, generiert.
Das Starten des Pulssignals 70 erfolgt synchron mit der Entladeanforderung, um den Entladevorgang mit einem möglichst geringen Zeitverlust durchführen zu können. Die kurze Dauer des Ausblendpulses hat ebenfalls den Vorteil eines geringen Zeitverlustes.
Aufgrund der Entladeanforderung wird im Zeitpunkt t₁ die Schnellentladung über den Entladewiderstand 9 aktiviert und es beginnt eine Entladung des Zwischenkreises 5 über den Entladewiderstand 9. Wie in 4 erkennbar ist, bleibt das Signal 80, das die Aktivierung bzw. Deaktivierung des Entladewiderstands 9 anzeigt, nur für einige Millisekunden auf seinem niedrigen Pegel. Der Entladewiderstand 9 ist somit nur für eine kurze Zeit ab dem Zeitpunkt t₁ aktiviert, bevor die Entladung über den Entladewiderstand 9 abgebrochen wird.
Der Abbruch der Schnellentladung erfolgt aufgrund der Tatsache, dass die Batterieschütze 7 noch geschlossen sind, wie an dem Signal 50 ersichtlich, das zum Zeitpunkt t₁ noch auf seinem hohen Pegel ist. Bei geschlossenen Batterieschützen 7 ist eine Schnellentladung des Zwischenkreises 5 über den Entladewiderstand 9 nicht möglich und ein Versuch würde den Entladewiderstand 9 zerstören. Somit wird der Entladeversuch wieder abgebrochen, sobald der noch geschlossene Zustand der Schütze 7 festgestellt wird.
Festgestellt wird er bei dem in 4 gezeigten Verfahren dadurch, dass die Spannungsänderung der Zwischenkreisspannung unterhalb einer vorgegebenen Schwelle bleibt. Wie an der Kurve 40 ersichtlich, ist im Zeitpunkt t₁ kaum eine Spannungsänderung du/dt feststellbar. Somit kann darauf geschlossen werden, dass die Batterieschütze 7 noch geschlossen sind und eine Entladung des Zwischenkreises 5 über den Entladewiderstand 9 nicht möglich ist.
Im Zeitpunkt t₂ werden die Schütze 7 geöffnet. Dies wird jedoch nicht unmittelbar im Zeitpunkt t₂ schon festgestellt, sondern erst im Zeitpunkt t₃, d.h. während des zweiten Ausblendpulses des Signals 70. Das Ausblendsignal 70 veranlasst zyklisch eine Aufhebung der „Selbstverriegelung“ der Entladung nach dem im Zeitpunkt t₁ festgestellten Misuse-Fall (geschlossene Schütze). Diese Selbstverriegelung wird im Zeitpunkt t₃ wieder aufgehoben, sodass ein erneuter Entladeversuch gestartet werden kann. Dazu wird im Zeitpunkt t₃ der Entladewiderstand 9 wieder aktiviert, wie an dem niedrigen Pegel des Signals 80 erkennbar ist. Da die Batterieschütze 7 nun geöffnet sind und somit keine neue Energie in den Zwischenkreis 5 eingetragen wird, fällt die Spannung ab dem Zeitpunkt t₃ ab, wie anhand des Signals 30 erkennbar. Die Spannungsänderung du/dt ändert sich praktisch sprunghaft auf einen hohen Wert, der anfänglich so hoch sein kann, dass eine Stellgliedverriegelung das in 4 erkennbare Abschneiden bewirkt.
Der Entladewiderstand 9 bleibt, wie am Signal 80 erkennbar, bis zum Zeitpunkt t₄ aktiviert. Im Zeitpunkt t₄ ist die Zwischenkreisspannung so weit abgefallen, dass sie sich praktisch nicht mehr ändert. Die Schnellentladung ist abgeschlossen und der Entladewiderstand 9 wird wieder deaktiviert.
5 zeigt Teile eines Verfahrens zum Betreiben des Inverters 2. Dargestellt ist der Ablauf zur Freigabe des Zuschaltens der Hochvoltspannung (durch Schließen der Schütze 7) beim Hochlauf der Invertersteuerung 10. Auf der rechten Seite der 5 sind Verfahrensschritte aufgeführt, die durch ein übergeordnetes System des Fahrzeugs ausgeführt werden, während auf der linken Seite die Verfahrensschritte aufgeführt sind, die durch den Inverter 2 bzw. seine Steuereinrichtung 10 durchgeführt werden.
Wird der Inverter 2 von einem übergeordneten System aufgeweckt, so führt seine Steuereinrichtung 10 zunächst einen Funktionstest durch. Anschließend wird gemäß einer Ausführungsform der Erfindung geprüft, ob die Entladeschaltung 8 als thermisch vorbelastet anzusehen ist. Ist das der Fall, wird nach abwarten einer Kühlzeit ein Statusindikator (flag) für eine thermische Vorbelastung zurückgesetzt. Ist die Entladeschaltung 8 nicht als vorbelastet anzusehen, wird vor dem Freigeben der Hochspannung der Statusindikator für eine thermische Vorbelastung gesetzt. Die Entladeschaltung 8 ist somit als thermisch vorbelastet anzusehen. Anschließend wird die Hochspannung freigegeben und die Schütze 7 werden geschlossen.
Mit diesem Vorgehen wird erreicht, dass die Schütze 7 nur geschlossen werden können, wenn die Entladeschaltung 8 thermisch nicht vorbelastet ist. Somit wird vermieden, dass beispielsweise aufgrund einer fehlerhaften Funktion der Invertersteuerung 10 mehrfache, schnell aufeinanderfolgende Entladungen über die Entladeschaltung 8 erfolgen.
Bei einem planmäßigen Herunterfahren des Inverters 2, wie es in 6 gezeigt ist, wird die Vorbelastung wieder zurückgesetzt. Erfolgt das Herunterfahren des Inverters 2 nicht planmäßig, d.h. insbesondere ohne die Unterstützung der Invertersteuerung 10 wie in 7 gezeigt, bleibt die Vorbelastung gesetzt.
Somit wird bewirkt, dass das Schließen der Schütze 7 nur bei einer voll funktionsfähigen Invertersteuerung 10 erfolgt.
6 zeigt den Verfahrensablauf zur Einleitung einer Entladung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung für den Fall, dass die Invertersteuerung 10 (Microcontroller) funktionsfähig ist. Zunächst wird abgefragt, ob die Batterieschütze 7 offen oder geschlossen sind. Bei funktionsfähiger Invertersteuerung 10 kann dies unmittelbar über die Zwischenkreisspannung erkannt werden. Sind die Schütze 7 noch geschlossen, wird gewartet. Sind die Schütze 7 offen, erfolgt zunächst eine Entladung des Zwischenkreises 5 über den Inverter 2, d.h. durch stellen eines Blindstroms auf den Antriebsmotor 4, und anschließend eine Restentladung über den Entladewiderstand 9. Ist die Entladung abgeschlossen, wird die Vorbelastung zurückgesetzt, d.h. der Statusindikator zeigt keine thermische Vorbelastung des Entladewiderstands 9 an.
7 zeigt den Fall, dass die Invertersteuerung 10 nicht funktionsfähig ist. In diesem Fall wird die Überprüfung, ob die Batterieschütze 7 offen oder geschlossen sind, mittels der anhand der 2 bis 4 erläuterten analogen Schaltung 12 zur Prüfung des Spannungsverlaufs an der Entladeschaltung 8 durchgeführt. Sind die Schütze 7 geöffnet, erfolgt eine Entladung über die Entladeschaltung 8. Die thermische Vorbelastung bleibt in diesem Fall gesetzt, da eine erhebliche thermische Belastung des Entladewiderstands 9 durch die vollständige Entladung des Zwischenkreises 5 zu erwarten ist. Dadurch wird erreicht, dass bei einem anschließenden Start des Fahrzeugs wie in 5 gezeigt zunächst eine Abkühlzeit abgewartet werden muss, bevor die Hochvoltversorgung durch das Schließen der Schütze 7 wieder freigegeben werden kann.
Das anhand der 5 bis 7 beschriebene Vorgehen führt somit dazu, dass die Entladung sofern möglich über die Invertersteuerung 10 erfolgt und nur in Fällen, wo dies nicht möglich ist (Restentladung sowie nicht funktionsfähige Invertersteuerung) über den Entladewiderstand 9. Ferner führt das Vorgehen dazu, dass wiederholte, sehr kurz aufeinanderfolgende Entladungen über den Entladewiderstand 9 vermieden werden.

Claims

Verfahren zum Betreiben eines zwischen zumindest einer Fahrzeugbatterie (3) und einem Antriebsmotor (4) eines elektrisch angetriebenen Fahrzeugs angeordneten Inverters (2), wobei der Inverter (2) über einen Zwischenkreis (5) mit der zumindest einen Fahrzeugbatterie (3) verbunden ist und der Zwischenkreis (5) zumindest einen Speicher (6) für elektrische Energie sowie eine Entladeschaltung (8) zur Schnellentladung des Zwischenkreises (5) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass eine Verbindung des Zwischenkreises (5) mit der zumindest einen Fahrzeugbatterie (3) nur zugelassen wird, wenn die Entladeschaltung (8) nicht als thermisch vorbelastet anzusehen ist, wobei die Entladeschaltung (8) nach Ablauf einer vorgegebenen Wartezeit als nicht thermisch vorbelastet anzusehen ist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Fahrzeugbatterie (3) über Schütze (7) mit dem Zwischenkreis (5) verbindbar ist und die Schütze (7) über eine Steuereinheit ansteuerbar sind.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 2, wobei nach einer Prüfung, ob die Entladeschaltung (8) als thermisch vorbelastet anzusehen ist, ein Statusindikator für eine thermische Vorbelastung vor einem Verbinden des Zwischenkreises (5) mit der zumindest einen Fahrzeugbatterie (3) gesetzt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei zum Einleiten einer Schnellentladung zunächst geprüft wird, ob der Zwischenkreis (5) mit der zumindest einen Fahrzeugbatterie (3) verbunden ist und nur im Falle einer nicht bestehenden Verbindung zwischen dem Zwischenkreis (5) mit der zumindest einen Fahrzeugbatterie (3) eine Schnellentladung ausgeführt wird.
Computerprogrammprodukt, das Codeanweisungen enthält, um die Schritte eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 4 auszuführen, wenn die Codeanweisungen auf einer Recheneinheit ausgeführt werden.
Hochvoltantriebssystem für ein elektrisch angetriebenes Fahrzeug mit zumindest einer Fahrzeugbatterie (3), einem Inverter (2), dem ein Antriebsmotor (4) nachgeschaltet ist, und einem zwischen der Fahrzeugbatterie (3) und dem Inverter (2) angeordneten Zwischenkreis (5), wobei dem Inverter (2) eine Steuereinheit (10) zugordnet ist mit einer Recheneinheit, wobei die Recheneinheit eingerichtet ist zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 4.
Hochvoltantriebssystem nach Anspruch 6, wobei zur Prüfung des Spannungs- und/oder Stromverlaufs an der Entladeschaltung (8) eine analoge Schaltung (12) vorgesehen ist, die zumindest ein Differenzierglied (14) sowie zumindest einen Komparator (15) umfasst.