DE102021122687A1

DE102021122687A1 - Anordnung und Verfahren zur Entladung eines Zwischenkreiskondensators

Info

Publication number: DE102021122687A1
Application number: DE102021122687.2A
Authority: DE
Inventors: Andreas Dick; Stefan Tydecks
Original assignee: Hanon Systems Corp
Current assignee: Hanon Systems Corp
Priority date: 2020-12-02
Filing date: 2021-09-02
Publication date: 2022-06-02
Also published as: CN116114163A; WO2022119278A1; US20230318444A1; KR20230017263A

Abstract

Der Erfindung, welche eine Anordnung und ein Verfahren zur Entladung eines Zwischenkreiskondensators (1) betrifft, liegt die Aufgabe zugrunde, eine Lösung anzugeben, womit der Zwischenkreiskondensator (1) in einem Gefahrenbeziehungsweise Störungsfall, beispielsweise bei einem Abklemmen beziehungsweise einer Unterbrechung der Hochvolt-Versorgung, in einer vorgegebenen Zeit auf Werte unterhalb der Sicherheits-Kleinspannung entladen wird und wobei im Normalbetrieb möglichst wenig Verlustleistung durch die Anordnung entsteht. Diese Aufgabe wird anordnungsseitig dadurch gelöst, dass das den Zwischenkreiskondensator (1) entladende Mittel ein steuerbares Entlademittel (7) ist, welches aus einer Reihenschaltung eines Entladewiderstands (6) und eines steuerbaren Widerstands (10) aufgebaut ist und wobei das steuerbare Entlademittel (7) parallel zum Zwischenkreiskondensator (1) angeordnet ist. Die Aufgabe wird verfahrensseitig dadurch gelöst, dass parallel zu dem zu entladenden Zwischenkreiskondensator (1) ein steuerbares Entlademittel (7) bereitgestellt wird, dass das steuerbare Entlademittel (7) in einem Betriebsfall bei einem ordnungsgemäßen Anliegen der Hochvolt-Spannung derart gesteuert wird, dass das steuerbare Entlademittel (7) einen großen ersten Widerstandswert aufweist und dass das steuerbare Entlademittel (7) in einem Störungsfall bei einem Ausfall der Hochvolt-Spannung derart gesteuert wird, dass das steuerbare Entlademittel (7) einen geringeren zweiten Widerstandswert aufweist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Entladung eines Zwischenkreiskondensators, bei welcher ein den Zwischenkreiskondensator entladendes Mittel parallel zum Zwischenkreiskondensator angeordnet ist.
Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zur Entladung eines Zwischenkreiskondensators, bei welchem ein Zwischenkreiskondensator aus Sicherheitsgründen zumindest teilweise entladen wird.
Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung eine Anordnung zur Entladung eines Zwischenkreiskondensators, welche in Fahrzeugen zum Einsatz kommen, in welchen zum Betrieb von elektrischen Baugruppen Gleichspannungen im Bereich von gleich oder größer 60 Volt genutzt werden. Dies ist beispielsweise bei in Fahrzeugen eingesetzten Wechselrichtern beziehungsweise Invertern der Fall. Ebenso können derartige Wechselrichter in Fahrzeugen mit einem sogenannten Hybridantrieb zum Einsatz kommen.
Bekannt ist es, dass Wechselrichter eine eingangsseitige Gleichspannung in eine ausgangsseitige Wechselspannung umwandeln, mit welcher beispielsweise ein Elektromotor betrieben wird. Derart ist ein geregelter Betrieb eines Elektromotors möglich, welcher beispielsweise ein Permanentmagnet-Synchronmotor sein kann, welcher in einem elektrischen Kältemittelverdichter in einem Fahrzeug eingesetzt wird.
Die Aufgabe eines derartigen Wechselrichters besteht beispielsweise darin, den elektrischen Antriebsmotor im Kältemittelverdichter des Fahrzeuges anzusteuern beziehungsweise zu regeln und derart sowohl die Drehzahl als auch das Drehmoment des elektrischen Antriebsmotors in dem Kältemittelverdichter durch Regelung der Motorphasenströme zu bestimmen.
Eine sehr verbreitete Schaltungsanordnung zur geregelten Ansteuerung von elektrischen Antrieben mittels eines Inverters ist eine sogenannte B6-Brücke beziehungsweise B6-Brückenschaltung.
Die B6-Brücke umfasst drei Halbbrücken, bestehend aus je einem High-Side-Leistungsschalter und je einem Low-Side-Leistungsschalter. Innerhalb einer Halbbrücke ist ein Anschluss des High-Side-Leistungsschalters direkt mit einem Anschluss des Low-Side-Leistungsschalters sowie einem Ausgang der Halbbrücke beziehungsweise des Inverters verbunden. Über diesen Ausgang wird die von der Halbbrücke erzeugte Spannung einer Phase (X oder Y oder Z) beispielsweise zum Betreiben eines angeschlossenen Elektromotors ausgegeben.
In einer derart üblichen Schaltungsanordnung ist ein sogenannter Zwischenkreiskondensator, welcher auch als Zwischenkreiskapazität bezeichnet wird, mit der eingangsseitigen Gleichspannung, beispielsweise den Klemmen oder Potentialen HV+ und HV-, und parallel zu den Halbbrücken des Inverters geschaltet.
In der Regel besteht ein derartiger Zwischenkreiskondensator beziehungsweise die Zwischenkreiskapazität aus mehreren Teilkapazitäten beziehungsweise Kondensatoren, wie beispielsweise Folienkondensatoren oder Elektrolytkondensatoren, welche parallel miteinander verschaltet sind, um einen resultierenden Zwischenkreiskondensator mit einem höheren Kapazitätswert bereitzustellen. Wie bekannt ist, summieren sich die Kapazitätswerte der Teilkapazitäten beziehungsweise Kondensatoren in der Parallelschaltung und ergeben in ihrer Summe den Kapazitätswert des resultierenden Zwischenkreiskondensators.
Neben dieser Parallelschaltung der Teilkapazitäten beziehungsweise Kondensatoren ist es darüber hinaus auch möglich, Teilkapazitäten beziehungsweise Kondensatoren zusätzlich in einer Reihenschaltung anzuordnen. Mittels einer derartigen zusätzlichen Reihenschaltung der Teilkapazitäten beziehungsweise Kondensatoren lässt sich die Gesamtspannung über dem resultierenden Zwischenkreiskondensator auf die in der Reihenschaltung angeordneten Teilkapazitäten beziehungsweise Kondensatoren aufteilen, wodurch die Anforderungen an die Spannungsfestigkeit der Teilkapazitäten beziehungsweise Kondensatoren sinkt. Nachfolgend wird für die Begriffe Teilkapazitäten beziehungsweise Kondensatoren nur noch der Begriff des Zwischenkreiskondensators genutzt.
Beispielsweise in elektrisch angetriebenen Fahrzeugen mit Hochvolt-Anwendungen (>60 Vdc) kommen Sicherheitsverriegelungen zum Einsatz. Die Aufgabe einer derartigen Sicherheitsverriegelung besteht darin, den Betriebszustand eines Hochvolt-Stromkreises, an welchem die Hochvolt-Komponenten angeschlossen sind, zu überwachen und insbesondere zu prüfen, ob alle Stecker beziehungsweise Steckverbindungen eines derartigen Hochvolt-Stromkreises sicher gesteckt beziehungsweise befestigt sind.
So wird in einem Hochvolt-Stromkreis eines elektrischen Kältemittelverdichters eine sichere Befestigung der Stecker beziehungsweise Steckverbindungen geprüft, bevor die Hochspannung (>60 Vdc) zugeschaltet werden darf. Eine derartige Prüfung kann sowohl für einen Stecker beziehungsweise eine Steckverbindung als auch für mehrere Stecker beziehungsweise mehrere Steckverbindungen erfolgen. Wird eine Trennung der Verbindung im Hochvolt-Stromkreis erkannt, muss der Zwischenkreiskondensator schnellstmöglich entladen oder zumindest teilweise entladen werden, um Gefahren für Leib und Leben, beispielsweise von Servicepersonal bei einer Wartung oder Reparatur, abzuwenden.
Beispielsweise aus Sicherheitsgründen ist es nötig, den von seinem Kapazitätsnennwert recht hohen Zwischenkreiskondensator in einem Hochvolt-Wechselrichter bei Unterbrechung der Hochvolt-Spannungsversorgung, wenn beispielsweise ein Stecker im Hochvolt-Stromkreis getrennt beziehungsweise abgezogen wird, zu entladen, damit die darin gespeicherte elektrische Energie nicht zu einem elektrischen Schlag beziehungsweise zu einer gesundheitlichen Beeinträchtigung eines Menschen führt.
Üblicherweise wird gefordert, dass die Spannung am Zwischenkreiskondensator auf eine Spannung von 60 Vdc oder weniger absinken muss, um den Sicherheitsanforderungen zu entsprechen. Die für ein derartiges Absinken der Spannung am Zwischenkreiskondensator vorgegebene Zeit ist beispielsweise von Kundenanforderungen abhängig und liegt für gewöhnlich in einem Bereich von etwa 5 Sekunden.
Eine erste Variante für eine Entladung eines Zwischenkreiskondensators nach dem Stand der Technik besteht in einer sogenannten aktiven Entladung. In diesem Fall muss beispielsweise in einem Fahrzeug mittels eines hierfür vorgesehenen Geräts geprüft werden, ob die Hochvolt-Spannungsversorgung entsprechend vorschriftsmäßig angeschlossen ist. Dies bedeutet beispielsweise, dass ein Hochvolt-Stecker mit seiner Hochvolt-Spannungsleitung beispielsweise ordnungsgemäß in einen entsprechenden Hochvolt-Gegensteckverbinder eines Wechselrichters gesteckt und somit mit diesem zur Übertragung einer Hochvolt-Spannung elektrisch leitend verbunden ist. Dies wird nach dem Stand der Technik üblicherweise mittels einer Interlock-Verbindung beziehungsweise einer Interlock-Schleife realisiert.
Wird eine Verbindungsunterbrechung, beispielsweise durch Entfernen des Hochvolt-Steckers aus dem Hochvolt-Gegensteckverbinder erkannt, muss eine entsprechende Anordnung für ein zeitnahes Entladen des Zwischenkondensators sorgen. Dies kann dadurch erreicht werden, dass ein Schaltmittel angesteuert wird und derart ein Entladewiderstand parallel zum Zwischenkondensator geschaltet wird, über welchen sich der Zwischenkondensator entlädt. Ein Hauptnachteile dieser Methode der aktiven Entladung besteht darin, dass die Anordnung zur aktiven Entladung mit seinem Schaltmittel ein zuverlässiges Steuersignal benötigt, dass die aktive Entladung bewirkt. Außerdem muss eine Anordnung zur aktiven Entladung bereitgestellt werden. Für den Fall, dass eine Unterbrechung der Verriegelung aus irgendeinem Grund nicht erkannt wird, kann die aktive Entladeroutine fehlschlagen und das Gerät bleibt in einem unsicheren Zustand. Dies kann beispielsweise in einem Fall auftreten, wenn die Kommunikation zwischen der Anordnung zur aktiven Entladung und einer zentralen Steuereinheit wie einem Mikrocontroller unterbrochen ist oder der Mikrocontroller nicht funktioniert, da ein Softwarefehler aufgetreten ist oder eine Spannung am Mikrocontroller, wie eine Versorgungsspannung ausgefallen ist.
Eine Alternative besteht in einer sogenannten passiven Entladung nach dem Stand der Technik. In diesem Fall wird eine Entladung mittels eines Widerstands erreicht, welcher parallel geschaltet zum Zwischenkreiskondensator angeordnet wird.
Ein großer Nachteil einer passiven Entladung nach dem Stand der Technik liegt in einer hohen Verlustleistung des permanent parallel zum Zwischenkreiskondensator angeordneten Entladewiderstands, welche sich im sogenannten Normalbetrieb eines Wechselrichters, also mit verbundener Hochvolt-Spannungsquelle ergibt. Diese Leistung fällt permanent ab und senkt somit den Wirkungsgrad beispielsweise eines Hochvolt-Wechselrichters und führt zu Abwärme, die abgeführt werden muss.
Ein Nachteil der aktiven Entladung besteht darin, dass diese eine Überwachung des Hochvolt-Steckers beziehungsweise einer Hochvolt-Leitung beispielsweise mittels einer sogenannten „Verriegelung“ (Interlook) erfordert, sowie eine entsprechende Kommunikation über den korrekten Betrieb des Hochvolt-Stromkreises beispielsweise mit einem Mikrocontroller, welcher mit entsprechender Peripherie-Hardware ausgestattet sein muss. Außerdem ist eine sehr zuverlässige Software erforderlich.
Somit besteht ein Bedarf zur Verbesserung einer Anordnung und eines Verfahrens zum Entladen eines Zwischenkreiskondensators.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Anordnung und ein Verfahren zum Entladen eines Zwischenkreiskondensators anzugeben, womit der Zwischenkreiskondensator in einem Gefahren- beziehungsweise Störungsfall, beispielsweise bei einem Abklemmen beziehungsweise einer Unterbrechung der Hochvolt-Versorgung, in einer vorgegebenen Zeit von etwa 5 Sekunden oder weniger auf Werte unterhalb einer Spannung von 60 Vdc entladen wird und wobei im Normalbetrieb möglichst wenig Verlustleistung durch die Anordnung entsteht.
Die Aufgabe wird durch eine Anordnung zur Entladung eines Zwischenkreiskondensators mit den Merkmalen gemäß Patentanspruch 1 der selbstständigen Patentansprüche gelöst. Weiterbildungen sind in den abhängigen Patentansprüchen angegeben.
Die Aufgabe wird auch durch ein Verfahren zur Entladung eines Zwischenkreiskondensators mit den Merkmalen gemäß Patentanspruch 6 der selbstständigen Patentansprüche gelöst. Weiterbildungen sind in den abhängigen Patentansprüchen angegeben.
Vorgesehen ist es, dass eine passive Entladung des Zwischenkreiskondensators in einem Gefahrenfall, beispielsweise bei einem Abklemmen beziehungsweise einer Unterbrechung der Hochvolt-Versorgung erfolgt, wobei ein steuerbares Entlademittel parallel zu dem zu entladenden Zwischenkreiskondensator angeordnet wird. Das steuerbare Entlademittel umfasst einen Entladewiderstand und einem steuerbaren Widerstand, welche in einer Reihenschaltung angeordnet sind. Der steuerbare Widerstand wird beispielsweise als ein Leistungsschalter ausgeführt.
Vorgesehen ist es, dass als Leistungsschalter ein MOSFET (Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor, Englisch: metal-oxide-semiconductor field-effect transistor) oder ein IGBT (Bipolartransistor mit isolierter Gate-Elektrode, Englisch: Insulated-Gate Bipolar Transistor) eingesetzt wird, dessen Widerstand durch ein geeignetes Steuersignal verändert werden kann.
Die Steuerung des steuerbaren Entlademittels beziehungsweise des in diesem angeordneten Leistungsschalters erfolgt derart, dass der Leistungsschalter einen hohen Widerstandswert im Normalbetrieb der Anordnung wie einem Wechselrichter aufweist, in welchem der Zwischenkreiskondensator arbeitet.
In einem Gefahrenfall beziehungsweise Störungsfall, in welchem der Hochvolt-Stromkreis unterbrochen ist, erfolgt die Steuerung des steuerbaren Entlademittels beziehungsweise des in diesem angeordneten Leistungsschalters derart, dass der Leistungsschalter einen niedrigen Widerstandswert aufweist.
Somit wird im Normalbetrieb eine geringer Dauerverlustleistung der Anordnung zur Entladung eines Zwischenkreiskondensators erreicht, während es im Störungsfall möglich ist, den Zwischenkreiskondensator schnellstmöglichst zu entladen beziehungsweise die Spannung am Zwischenkreiskondensator schnellstmöglichst auf einen Spannungswert zu verringern, von welchem keine Gefahr für Leib und Leben mehr ausgeht.
Vorgesehen ist es, dass im Gegensatz zur aktiven Entladung aus dem Stand der Technik weder ein Verriegelungssignal noch eine Kommunikation beispielsweise zwischen einem Fahrzeug und der Anordnung zur Entladung eines Zwischenkreiskondensators benötigt wird. Somit sind auch kein funktionierender Mikrocontroller sowie entsprechende Software notwendig. Eine Überwachung der Funktionsweise des Hochvolt-Stromkreises entfällt.
Vorgesehen ist es auch, dass die Entladung des Zwischenkreiskondensators durch die Anordnung zur Entladung eines Zwischenkreiskondensators auch für den Fall erfolgt, dass eine Spannungsversorgung wie beispielsweise eine Niederspannungsversorgung in einem Fahrzeug ausgefallen ist.
Vorgesehen ist es auch, dass die Anordnung zur Entladung eines Zwischenkreiskondensators durch den Einsatz eines steuerbaren Entlademittels an Anforderung von Kunden beziehungsweise OEMs hinsichtlich Zeitvorgaben zur Entladung des Zwischenkreiskondensators und hinsichtlich zu erreichender Verlustleistungen angepasst werden kann.
Ebenfalls vorgesehen ist es, dass ein Teil beziehungsweise eine Teilschaltung der Anordnung zur Entladung eines Zwischenkreiskondensators die Hochvolt-Spannung überwacht und den steuerbaren Widerstand beziehungsweise Leistungsschalter in dem steuerbaren Entlademittel steuert. Derart wird das dem Zwischenkreiskondensator parallel geschaltete steuerbare Entlademittel in seinem Gesamtwiderstand beeinflusst.
Die Teilschaltung der Anordnung zur Entladung eines Zwischenkreiskondensators steuert den steuerbaren Widerstand beziehungsweise den Leistungsschalter derart, dass ein möglichst großer Gesamtwiderstand im Betriebsfall für geringe Leistungsverluste sorgt.
Die Teilschaltung der Anordnung zur Entladung eines Zwischenkreiskondensators steuert den steuerbaren Widerstand beziehungsweise den Leistungsschalter derart, dass ein möglichst kleiner Gesamtwiderstand in einem Störungsfall eingestellt wird, wenn der Hochvolt-Stromkreis unterbrochen ist, um eine schnelle Entladung des Zwischenkreiskondensators zu ermöglichen.
Vorgesehen ist es, dass in einer ersten Schaltungsvariante eine Entladung des Zwischenkreiskondensators im Störungsfall mit einem konstanten Strom erfolgt.
Vorgesehen ist es, dass in einer zweiten Schaltungsvariante eine Entladung des Zwischenkreiskondensators im Störungsfall durch ein Umschalten derart erfolgt, dass bei einem Absinken der Hochvolt-Spannung auf einen bestimmten Schwellwert von einem niedrigen Entladestrom auf einen hohen Entladestrom umgeschaltet wird.
Vorgesehen ist es, dass in einer dritten Schaltungsvariante eine Entladung des Zwischenkreiskondensators im Störungsfall durch eine Steuerung der Entladeleistung in Abhängigkeit vom Wert der verbleibenden Hochvolt-Spannung erfolgt. Hierbei ist es auch vorgesehen, dass der Entladestrom i_D mit geringer werdender Hochvolt-Spannung zunimmt.
Die Entladeleistung ergibt sich beispielsweise bei einem Einsatz eines MOSFET-Leistungsschalters aus dem Produkt des Spannungsabfalls über der Drain-Source-Strecke des Leistungsschalters und dem Entladestrom, welcher dem Entladestrom i_D entspricht, zuzüglich der Verlustleistung an sonstigen Bauteilen, wie den Widerständen, die zur Entladeschaltung gehören.
Vorgesehen ist es, dass in einer vierten Schaltungsvariante eine Entladung des Zwischenkreiskondensators im Störungsfall durch eine Steuerung der Entladeleistung in Abhängigkeit von der Steigung $\frac{d H V}{d t}$
der verbleibenden Hochvolt-Spannung erfolgt.
Der größte Vorteil der Erfindung kann mit einem Leistungsschalter erzielt werden, welcher durch den Gradienten $\frac{d H V}{d t}$
der zusammenfallenden Hochvolt-Spannung gesteuert wird.
Die oben gezeigten Lösungen in den verschiedenen Ausbaustufen einer Anordnung zur Entladung eines Zwischenkreiskondensators sorgen dafür, dass die sicherheitsrelevante Entladung der Zwischenkreiskapazität gewährleistet ist, wobei gleichzeitig die im Normalbetrieb anfallende Verlustleistung minimiert wird.
Dadurch werden thermische Probleme reduziert und es können vergleichsweise kleine und preiswerte Bauteile verwendet werden, wodurch die Kosten bei der Fertigung sinken. Es entstehen keine Kosten für Kühlmittel wie beispielsweise Kühlkörper in der Anordnung zur Entladung eines Zwischenkreiskondensators.
Gleichzeitig mit einem Sinken der Verlustleistung steigt der Wirkungsgrad einer Anordnung zur Entladung eines Zwischenkreiskondensators. Bei einem Einsatz in Elektrofahrzeugen beispielsweise lässt sich somit die Reichweite mit einer Batterieladung erhöhen.
Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile von Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen mit Bezugnahme auf die zugehörigen Zeichnungen. Es zeigen:

1: eine Anordnung zur aktiven Entladung eines Zwischenkreiskondensators nach dem Stand der Technik,
2: eine Anordnung zur passiven Entladung eines Zwischenkreiskondensators nach dem Stand der Technik,
3: eine Schaltungsanordnung zur Umsetzung und Messung von elektrischen Größen bei einer passiven Entladung eines Zwischenkreiskondensators,
4: ein Diagramm mit einem zeitlichen Verlauf einer Hochvolt-Spannung U am Zwischenkreiskondensator und einen zeitlichen Verlauf der am Entladewiderstand auftretenden Verlustleistung,
5: eine erfindungsgemäße Anordnung zur Entladung eines Zwischenkreiskondensators in einer Prinzipdarstellung,
6: eine erfindungsgemäße Anordnung zur Entladung eines Zwischenkreiskondensators in einer ersten Schaltungsvariante,
7: eine Schaltungsanordnung zur Umsetzung und Messung von elektrischen Größen bei einer erfindungsgemäßen Entladung eines Zwischenkreiskondensators,
8: ein Diagramm mit einem zeitlichen Verlauf einer Hochvolt-Spannung U am Zwischenkreiskondensator und einen zeitlichen Verlauf der am Entladewiderstand auftretenden Verlustleistung für eine Schaltung nach 7,
9: eine erfindungsgemäße Anordnung zur Entladung eines Zwischenkreiskondensators in einer zweiten Schaltungsvariante,
10: eine erfindungsgemäße Anordnung zur Entladung eines Zwischenkreiskondensators in einer zweiten Schaltungsvariante als Messschaltung,
11: ein Diagramm mit einem Verlauf einer Hochvolt-Spannung U am Zwischenkreiskondensator und anderen Messgrößen zur Anordnung gemäß 10,
12: eine erfindungsgemäße Anordnung zur Entladung eines Zwischenkreiskondensators in einer dritten Schaltungsvariante,
13: eine Umsetzung der dritten Schaltungsvariante nach 12 in einer Versuchsanordnung,
14: ein Diagramm mit einem Verlauf einer Hochvolt-Spannung U am Zwischenkreiskondensator und anderen Messgrößen zur Anordnung gemäß 13,
15: eine Umsetzung der Schaltungsvariante nach 13 in einer Versuchsanordnung,
16: ein Diagramm mit einem Verlauf einer Hochvolt-Spannung U am Zwischenkreiskondensator und anderen Messgrößen zur Anordnung gemäß 15,
17: eine weitere Umsetzung der erfindungsgemäßen Anordnung zur Entladung eines Zwischenkreiskondensators in einer weiteren als Messschaltung realisierten Ausführung und
18: ein Diagramm mit einem Verlauf einer Hochvolt-Spannung U am Zwischenkreiskondensator und anderen Messgrößen zur Anordnung gemäß 17.

Die 1 zeigt eine Anordnung zur aktiven Entladung eines Zwischenkreiskondensators 1 nach dem Stand der Technik. Eine Hochvolt-Spannungsquelle 2 ist mit einem Zwischenkreiskondensator 1, welcher beispielsweise in einem in der 1 nicht dargestellten Wechselrichter angeordnet ist, verbunden. Für den Fall, dass diese Stromversorgung des Wechselrichters oder eines anderen mit der Hochvolt-Spannungsquelle 2 verbundenen Verbrauchers unterbrochen wird, ist die Unterbrechung 3 dargestellt. Diese Unterbrechung 3 des Hochvolt-Stromkreises kann beispielsweise durch ein Lösen eines Hochvolt-Steckers oder einen Defekt in der Hochvolt-Spannungsleitung hervorgerufen werden. Für einen derartigen Fall muss aus Sicherheitsgründen ein schnelles Entladen des Zwischenkreiskondensators 1 erfolgen.
Im Beispiel der 1 wird die Unterbrechung 3 nach dem Stand der Technik mittels einer genutzten Interlock-Verbindung beziehungsweise einer Interlock-Schleife erkannt. Infolge des Erkennens der Unterbrechung 3 des Hochvolt-Stromkreises wird ein Steuersignal 4 erzeugt, welches das Schaltmittel 5 schaltet. Nach dem Einschalten des Schaltmittels 5 wird der Zwischenkreiskondensator 1 über das Schaltmittel 5 und den Entladewiderstand 6 entladen. Derart wird die Gefahr, welche beim Berühren von Leitungen und Kontakten besteht, welche eine Hochvolt-Spannung führen, beseitigt.
Die 2 zeigt eine Anordnung zur passiven Entladung eines Zwischenkreiskondensators 1 nach dem Stand der Technik. Eine Hochvolt-Spannungsquelle 2 ist mit einem Zwischenkreiskondensator 1, welcher beispielsweise in einem in der 2 nicht dargestellten Wechselrichter angeordnet ist, verbunden. Für den Fall, dass diese Stromversorgung des Wechselrichters oder eines anderen mit der Hochvolt-Spannungsquelle 2 verbundenen Verbrauchers unterbrochen wird, ist die Unterbrechung 3 dargestellt, welche durch ein Lösen eines Hochvolt-Steckers oder einen Defekt in der Hochvolt-Spannungsleitung hervorgerufen werden kann. Für diesen Fall muss aus Sicherheitsgründen ein schnelles Entladen des Zwischenkreiskondensators 1 erfolgen.
In dieser Variante der passiven Entladung des Zwischenkreiskondensators 1 erfolgt die Entladung des Zwischenkreiskondensators 1 über den parallel zum Zwischenkreiskondensator 1 angeordneten Entladewiderstand 6. In dieser Variante muss keine Überwachung des Hochvolt-Stromkreises und auch keine Erzeugung eines Steuersignals erfolgen. Da der Entladewiderstand 6 permanent parallel zum Zwischenkreiskondensator 1 geschaltet ist, treten im Normalbetrieb, in welchem der Hochvolt-Stromkreis nicht unterbrochen ist und ein Verbraucher wie ein Wechselrichter Spannungen zum Ansteuern eines Elektromotors erzeugt, Leistungsverluste am Entladewiderstand 6 auf, da dieser permanent von einem Strom durchflossen wird.
Eine Schaltungsanordnung zur Umsetzung und Messung von elektrischen Größen bei einer derartigen passiven Entladung eines Zwischenkreiskondensators 1 ist in der 3 dargestellt. Da in dieser Anordnung die passive Entladung mittels eines einfachen Entladewiderstands 6 realisiert wird, wird bei einer derartigen Entladung eines Zwischenkreiskondensators 1 von beispielsweise 25 µF bei einer Hochvolt-Spannung von beispielsweise 850 Volt auf eine Spannung gleich kleiner als 60 Vdc innerhalb von beispielsweise 3 sein Entladewiderstand 6 von etwa 30 kΩ benötigt. Bei einer derartigen Dimensionierung und einer Hochvolt-Spannung von beispielsweise 850 Volt in einem Fahrzeug bedeutet das eine dauerhafte Verlustleistung von mehr als 24 Watt, welche permanent am Entladewiderstand 6 umgesetzt wird.
Die 3 zeigt den Messaufbau mit einem Zwischenkreiskondensator 1 von 25 µP, welchem ein Entladewiderstand 6 von 30 kΩ parallelgeschaltet ist. Beide Bauelemente sind, für den Fall, dass die Unterbrechung 3 stromleitend beziehungsweise geschlossen ist, zwischen den Anschlüssen HV+ und HV- der Hochvolt-Spannungsquelle 2 angeordnet.
In der 4 ist jeweils ein zugehöriger Verlauf einer Hochvolt-Spannung U am Zwischenkreiskondensator 1 mittels einer durchgezogenen Linie und ein Verlauf der am Entladewiderstand 6 auftretenden Verlustleistung P_D mittels einer Strich-Strich-Linie dargestellt. Das Diagramm zeigt an der linken Ordinate die Spannung U in Volt, an der rechten Ordinate die Verlustleistung P in Watt und an der Abszisse die vergehende Zeit t in Sekunden.
Wie zu erkennen ist, liegt für dem Fall, dass keine Unterbrechung des Hochvolt-Stromkreises erfolgt, also die Unterbrechung 3 stromführend ist, eine Hochvolt-Spannung von 850 Volt von der Hochvolt-Spannungsquelle 2 am Zwischenkreiskondensator 1 an. In diesem Zeitabschnitt zwischen 0 und 1,0 Sekunden tritt am Entladewiderstand 6 eine Verlustleistung P_D von etwa 25 Watt auf.
Im Zeitpunkt t = 1,0 Sekunden wird der Hochvolt-Stromkreis aufgetrennt, was durch ein Öffnen der Kontakte der Unterbrechung 3 simuliert wird. Ab diesem Zeitpunkt entlädt sich der Zwischenkreiskondensator 1 über den Entladewiderstand 6. Wie im Diagramm der 4 zu erkennen ist, vergehen während dieser Entladung etwa 3 Sekunden, bevor die Spannung am Zwischenkreiskondensator 1 auf einen Wert von etwa 60 Volt abgesunken ist.
Die 5 zeigt eine erfindungsgemäße Anordnung zur Entladung eines Zwischenkreiskondensators 1 in einer Prinzipdarstellung.
Statt den Zwischenkreiskondensator 1, welcher mehrere Zwischenkreis-Kondensatoren umfassen kann, einfach über einen in der 5 nicht dargestellten, festen Entladewiderstand 6 zu entladen, ist es vorteilhaft, ein steuerbares Entlademittel 7 einzuführen, dessen Widerstandswert dynamisch verändert und an die Hochvolt-Spannung angepasst wird. Derart wird ein Normalbetrieb sowie eine Entladung des Zwischenkreiskondensator 1 im Störungsfall möglich, welche an die aktuellen Betriebszuständen im Hochvolt-Stromkreis anpasst ist. Hierbei wird zwischen den Betriebszuständen Normalbetrieb eines Verbrauchers wie einem Wechselrichter bei ordnungsgemäß geschlossenem Hochvolt-Stromkreis und einer Störung einer Verbindung und somit einer Unterbrechung des Hochvolt-Stromkreises unterschieden.
Die 5 zeigt die Hochvolt-Spannungsquelle 2, welche im Normalbetrieb, in welchem die Unterbrechung 3 stromführend beziehungsweise geschlossen ist, mit dem Zwischenkreiskondensator 1 verbunden ist. Das erfindungsgemäße steuerbare Entlademittel 7 ist in einer Parallelschaltung zum Zwischenkreiskondensator 1 in üblicher Weise angeordnet. Zur Überwachung des Hochvolt-Stromkreises beziehungsweise der anliegenden Hochvolt-Spannung ist ein spannungsdetektierendes Steuermittel 8 vorgesehen, welches ebenfalls in einer Parallelschaltung zum Zwischenkreiskondensator 1 angeordnet ist.
Die Aufgabe des spannungsdetektierenden Steuermittels 8 und des von diesem gesteuerten steuerbaren Entlademittels 7 besteht darin, eine einfache, robuste und schnelle passive Entladung des Zwischenkreiskondensators 1 im Störungsfall sowie einen Normalbetrieb mit geringen Leistungsverlusten zu ermöglichen. Daher ist es vorgesehen, dass der Gesamtwiderstandswert des steuerbaren Entlademittels 7, welches mehrere Bauteile umfasst, im Normalbetrieb sehr hoch ist, um die durch das steuerbare Entlademittel 7 verursachte Verlustleistung zu minimieren. Weiterhin ist es vorgesehen, dass der Gesamtwiderstandswert des steuerbaren Entlademittels 7 im Störungsfall bei einer Unterbrechung des Hochvolt-Stromkreises sehr niedrig ist, um den Zwischenkreiskondensator 1 entsprechend schnell zu entladen.
Vorgesehen ist es weiterhin, dass die Überwachung des ordnungsgemäßen Betriebs bei einem geschlossenen Hochvolt-Stromkreis durch das spannungsdetektierende Steuermittel 8 erfolgt. Dieses spannungsdetektierende Steuermittel 8 erzeugt in Abhängigkeit des Zustands des Hochvolt-Stromkreises ein Steuersignal 9 mittels welchem das steuerbare Entlademittel 7 gesteuert und somit in seinem Gesamtwiderstandswert verändert wird.
Die 6 zeigt eine erfindungsgemäße Anordnung zur Entladung eines Zwischenkreiskondensators 1 in einer ersten Schaltungsvariante.
Eine erste Variante einer Realisierung eines steuerbaren Entlademittels 7 besteht darin, einen steuerbaren Widerstand 10 wie beispielsweise einen Leistungsschalter und einen Entladewiderstand 6 in einer Reihenschaltung anzuordnen und innerhalb einer Konstantstromanordnung anzuordnen. Diese Konstantstromanordnung umfasst neben dem Leistungsschalter 10 wie beispielsweise einen Leistungs-MOSFET eine Zener-Diode 11 sowie einen der Zener-Diode 11 vorgeschalteten ersten Widerstand 12. So kann in dieser Beschaltung das spannungsdetektierende Steuermittel 8 in der Reihenschaltung bestehend aus Zener-Diode 11 und erstem Widerstand 12 gesehen werden.
Bei einem Abklemmen der Hochvolt-Spannung, beispielsweise durch ein Trennen einer Hochvolt-Steckverbindung durch Herausziehen des Hochvolt-Steckers oder eine andere ungewollte Unterbrechung des Hochvolt-Stromkreises wird der Zwischenkreiskondensator 1 mit einem konstanten Strom entladen.
Dieser Entladevorgang ergibt sich gemäß der Formel $i_{D} = \frac{V_{Z} - V_{g, t h, P S}}{R_{D}}$
Wobei V_z die Nominalspannung der Zener-Diode 11 in Volt, V_g,th,PS die Gate-Schwellspannung des Leistungsschalters 10 und R_D der Widerstandswert des Entladewiderstand 6 ist. 6 zeigt auch die Hochvolt-Spannungsquelle 2 sowie die Unterbrechung 3.
Eine Schaltungsanordnung zur Umsetzung und Messung von elektrischen Größen bei einer erfindungsgemäßen Anordnung zur Entladung eines Zwischenkreiskondensators 1 ist in der 7 dargestellt. Der dargestellte Leistungs-MOSFET 10 vom Typ STD3NK100Z_V1 ist mit seinem Gate-Anschluss mit einer gegen das Potenzial HV- geschalteten Zener-Diode 11 vom Typ BZX84C24VL und mit einem gegen das Potential HV+ geschalteten ersten Widerstand 12 mit einem Nennwert von 1680000 Ohm verbunden. Der Source-Anschluss des Leistungs-MOSFETs 10 ist mit dem gegen das Potential HVgeschalteten Entladewiderstand 6 mit einem Nennwert von 2000 Ohm verbunden. Der Drain-Anschluss des Leistungs-MOSFETs 10 ist mit dem Potential HV+ der Hochvolt-Spannungsquelle 2 verbunden. Das steuerbare Entlademittel 7 wird durch den Leistungs-MOSFETs 10 und den Entladewiderstand 6 ausgebildet.
In dieser Anordnung weist der Zwischenkreiskondensators 1 eine Kapazität von beispielsweise 25 µP auf und ist im Normalbetrieb über die Unterbrechung 3 mit einer Hochvolt-Spannungsquelle mit einer Hochvolt-Spannung von beispielsweise 850 Volt verbunden.
In der 8 ist jeweils ein zugehöriger Verlauf einer Hochvolt-Spannung U am Zwischenkreiskondensator 1 mittels einer durchgezogenen Linie, ein Verlauf der Verlustleistung über dem Leistungs-MOSFET 10 der Anordnung nach 5 mittels einer Strich-Strich-Linie und ein Verlauf der nur am Entladewiderstand 6 auftretenden Verlustleistung P_D mittels einer Punkt-Punk-Linie während einer Simulation dargestellt. Das Diagramm zeigt an der linken Ordinate die Spannung U in Volt, an der rechten Ordinate die Verlustleistung P in Watt und an der Abszisse die vergehende Zeit t in Sekunden.
Im Zeitpunkt t=1,0 Sekunden wird der Hochvolt-Stromkreis aufgetrennt, was durch ein Öffnen der Kontakte der Unterbrechung 3 in 7 simuliert wird. Ab diesem Zeitpunkt entlädt sich der Zwischenkreiskondensator 1 über die Drain-Source Strecke des Leistungsschalters 10 und über den Entladewiderstand 6, also über das steuerbare Entlademittel 7. Zum Zeitpunkt von etwa 3,0 Sekunden ist die Spannung am Zwischenkreiskondensator 1 auf einen Wert von etwa 60 Volt oder weniger abgesunken, wie es im Diagramm der 8 zu erkennen ist.
Wie die Simulation zeigt, kann der Zwischenkreiskondensator 1 in einer Zeitdauer von nur 2,0 Sekunden entladen werden, wobei die am Leistungsschalter 10 auftretenden Verlustleistung im Normalbetrieb auf etwa 8 Watt reduziert werden konnte. Dies entspricht einer Reduzierung der auftretenden Verlustleistung im Normalbetrieb gegenüber einer Schaltungsanordnung gemäß 2 beziehungsweise 3 um etwa 70 Prozent.
Die 9 zeigt eine erfindungsgemäße Anordnung zur Entladung eines Zwischenkreiskondensators 1 in einer zweiten Schaltungsvariante.
In einer alternativen zweiten Schaltungsvariante ist es vorgesehen, die Konstantstromlast schaltend auszuführen, so dass der Entladestrom i_D bei einer kleiner werdenden Hochvolt-Spannung, also im Störungsfall, erhöht wird und die Entladung damit beschleunigt wird. Dieses Wirkprinzip ist für eine niedrigere Hochvolt-Spannung oder Hochvolt-Busspannung akzeptabel, da sich ein höherer Strom und eine niedrigere Hochvolt-Spannung hinsichtlich der Verlustleistung kompensieren. Somit ist auch in dieser alternativen zweiten Schaltungsvariante die Verlustleistung wesentlich kleiner als in Anordnungen nach dem Stand der Technik.
In der 9 ist eine Hochvolt-Spannungsquelle 2 über eine geschlossene Unterbrechung 3 mit dem Zwischenkreiskondensator 1 verbunden.
Solange die Hochvolt-Spannung im geschlossenen Hochvolt-Stromkreis einen bestimmten Wert überschreitet, ist der Spannungsabfall über dem zweiten Widerstand 13 ausreichend groß, um den ersten Transistor 14 in einem leitenden Zustand zu halten.
Solange der ersten Transistor 14 leitend ist, ist der zweite Transistor 15 in einem nicht leitenden Zustand geschaltet. In diesem Fall ist der dritte Transistor 16 durchgeschaltet beziehungsweise leitend und die Gate-Spannung des Leistungsschalters 10, welcher als steuerbarer Widerstand wirkt, ergibt sich aus der Spannung an der Zener-Diode 11 abzüglich dem Produkt aus dem Wert des dritten Widerstands 17 und dem Kollektorstrom des dritten Transistors 16. Die Transistoren 14, 15 und 16 mit ihrer entsprechenden Beschaltung stellen einen spannungsabhängigen Schalter dar, welcher beim Anliegen der Hochvolt-Spannung in dem oben beschriebenen ersten Schaltzustand ist.
Der Entladestrom des Zwischenkreiskondensators 1 in diesem Schaltungszustand ergibt sich gemäß: $i_{D} = \frac{V_{Z} - R_{17} * i_{c} - V_{g, t h, P S}}{R_{D}}$
Wobei V_Z die Nominalspannung der Zener-Diode 11 in Volt, V_g,th,PS die Gate-Schwellspannung des Leistungsschalters 10 in Volt, R₁₇ der dritte Widerstand 17 in Ohm, i_c der Kollektorstrom des dritten Transistors 16 in Ampere und R_D der Widerstandswert des Entladewiderstands 6 in Ohm ist. Auch in dieser Schaltungsvariante wird das steuerbare Entlademittel durch den Leistungsschalter 10 und den Entladewiderstand 6 ausgebildet. Der das Steuersignal für das Gate des Leistungsschalters 10 erzeugende Schaltungsteil kann als spannungsdetektierendes Steuermittel 8 bezeichnet werden.
Für den alternativen Schaltungszustand, dass die Hochvolt-Spannung unter einen bestimmten Spannungswert fällt, weil beispielsweise eine Unterbrechung des Hochvolt-Stromkreises vorliegt, wobei die Unterbrechung 3 geöffnet angenommen wird, ist der erste Transistor 14 nicht mehr leitend. Der Spannungswert, bei welchem der erste Transistor 14 sperren soll, wird durch die Dimensionierung des aus dem zweiten Widerstand 13 und dem vierten Widerstand 18 bestehenden Spannungsteilers festgelegt. In diesem Fall geht der spannungsabhängige Schalter in seinen zweiten Schaltzustand über.
Sperrt der erste Transistor 14 so erhält der zweite Transistor 15 über den fünften Widerstand 19 einen Basisstrom, welcher den zweiten Transistor 15 durchsteuert und die Kollektor-Emitter-Strecke des zweite Transistors 15 wird niederohmig. Infolgedessen sperrt der dritte Transistor 16. Dadurch steigt die Gate-Spannung am Leistungsschalter 10 auf die Nominalspannung Vz der Zener-Diode 11 an.
Der Entladestrom i_D des Zwischenkreiskondensators 1 in diesem alternativen Schaltungszustand erhöht sich gemäß: $i_{D} = \frac{V_{Z} - V_{g, t h, P S}}{R_{D}}$
Dieser alternative Schaltungszustand führt zu einer Beschleunigung des Entladevorgangs des Zwischenkreiskondensators 1.
Die Verlustleistung am Leistungsschalter 10 ist das Produkt aus dem Entladestrom i_D und dem Spannungsabfall über der Source-Drain-Strecke des Leistungsschalters 10 und steigt somit im ersten Moment an.
Die Verlustleistung am Leistungsschalter 10 erreicht jedoch keine hohen Werte, denn bevor der Entladestrom i_D groß wird, ist die Hochvolt-Spannung bereits auf einen recht niedrigen Wert gesunken und nimmt weiter ab.
Von den in der 9 weiterhin enthaltenen Widerständen kann angenommen werden, dass dessen Funktionsweise einem Fachmann bekannt ist und hier auf weitere Erläuterungen verzichtet werden kann. Die 9 zeigt auch den ersten Widerstand 12.
Die 10 zeigt eine erfindungsgemäße Anordnung zur Entladung eines Zwischenkreiskondensators 1 in der zweiten Schaltungsvariante, welche zur Messung von elektrischen Größen praktisch realisiert worden ist.
Die in der 10 dargestellte Schaltungsanordnung entspricht der Ausführung in der 9, somit wird auf eine weitere Beschreibung der Funktionsweise verzichtete und auf die Beschreibung zur 9 verwiesen. Der Unterschied liegt in der konkreten Dimensionierung der Bauelemente für die dargestellte Messanordnung.
Als Leistungsschalter 10 wurde eine IGBT (Englisch: Insulated-Gate Bipolar Transistor) vom Typ FGD5T120SH mit einer Kollektor-Emitter-Spannung von 1200 Volt eingesetzt. Die Transistoren 14, 15 und 16 sind vom Typ BC847C und die Zener-Diode 11 ist vom Typ BZX84B12VL mit einer Zener-Spannung zwischen 11,8 Volt und 12,2 Volt. Der Zwischenkreiskondensator 1 hat eine Kapazität von 25 µP. Die Hochvolt-Spannung zwischen HV+ und HV- beträgt 850 Volt. Die Werte der eingesetzten Widerstände können der Darstellung der 10 entnommen werden.
In der 11 ist jeweils ein zugehöriger Verlauf einer Hochvolt-Spannung U am Zwischenkreiskondensator 1 mittels einer durchgezogenen Linie, einen Verlauf der Gesamtverlustleistung P_G der Anordnung nach 10 mittels einer Strich-Strich-Linie und ein Verlauf der nur am Entladewiderstand 6 auftretenden Verlustleistung P_D mittels einer Punkt-Punkt-Linie dargestellt. Das Diagramm zeigt an der linken Ordinate die Hochvolt-Spannung U in Volt, an der rechten Ordinate die Verlustleistung P in Watt und an der Abszisse die vergehende Zeit t in Sekunden.
Bei geeigneter Wahl der Schwelle, ab der der Entladestrom erhöht werden kann, ist eine recht schnelle Entladung bei gleichzeitig geringer Dauerverlustleistung möglich.
In der 11 weist die Hochvolt-Spannung bis zum Zeitpunkt t = 1 Sekunde einen konstanten Wert von etwa 850 Volt auf. In Zeitpunkt t = 1 Sekunde tritt ein Ereignis, wie das Entfernen eines Hochvolt-Steckers auf, wobei nachfolgend aus Sicherheitsgründen eine schnelle Entladung des Zwischenkreiskondensators 1 erfolgen muss.
Da sich die Schaltungsanordnung nach 10 bis zu diesem Zeitpunkt in einem Zustand mit einem geringen Entladestrom i_D des Zwischenkreiskondensators 1 gemäß Formel 2 befindet, reduziert sich die Hochvolt-Spannung zunächst nur mit einer im Diagramm erkennbaren geringeren Steilheit im Bereich zwischen 1,0 und etwa 1,8 Sekunden.
Durch die Verringerung der Hochvolt-Spannung unter den bestimmten Spannungswert schaltet die Anordnung in den oben erläuterten alternativen Schaltungszustand, in welchem sich der Entladestrom i_D des Zwischenkreiskondensators 1 gemäß Formel 3 erhöht. Dieser Umschaltmoment führt zu einem kurzzeitigen Anstieg der Gesamtverlustleistung P_G der Anordnung nach 10, welcher im Diagramm der 11 deutlich zu erkennen ist. mit der Erhöhung des Entladestroms i_D wird die Hochvolt-Spannung schneller abgebaut, was in einem Verlauf der Hochvolt-Spannung im Bereich zwischen etwa 1,8 und etwa 3,4 Sekunden mit einer größeren Steilheit zu erkennen ist. Etwa im Zeitpunkt t = 3,3 Sekunden erreicht die Hochvolt-Spannung den Bereich gleich oder kleiner 60 Volt.
Zuerkennen ist es auch, dass beim Erreichen des alternativen Schaltungszustands die am Entladewiderstand 6 auftretende Verlustleistung P_D gering zunimmt aber immer noch in einem Bereich deutlich unter 0,2 Watt liegt.
Die 12 zeigt eine erfindungsgemäße Anordnung zur Entladung eines Zwischenkreiskondensators 1 in einer dritten Schaltungsvariante.
Diese dritte Schaltungsvariante ist vorgesehen, um eine passive Entladung des Zwischenkreiskondensators 1 mit einer möglichst konstanten und kontrollierten Entladeleistung einzustellen.
Im Normalbetrieb arbeitet der vierte Transistor 20 als Stromquelle, der Drain-Strom ⁱD,T20 des vierten Transistors 20 ergibt sich aus $i_{D, T 20} = \frac{V_{R 13} - V_{g, T 20}}{R_{22}}$
Wobei V_R13 die Spannung am zweiten Widerstand 13 in Volt, V_g,T20 die Gate-Schwellspannung des vierten Transistors 20 in Volt und R₂₂ der Widerstandswert des siebenten Widerstands 22 in Ohm ist.
Die Anordnung zur Entladung eines Zwischenkreiskondensators arbeitet auch als Stromquelle, deren Entladestrom i_D sich ergibt gemäß: $i_{D} = \frac{V_{g, P S} - V_{g, t h, P S}}{R_{D}}$
Wobei V_g,ps die Spannung am Gate des Leistungsschalters 10 in Volt, V_g,th,PS die Gate-Schwellspannung des Leistungsschalters 10 in Volt und R_D der Widerstandswert des Entladewiderstand 6 in Ohm ist.
Die Spannung V_g,PS am Gate des Leistungsschalters 10 ergibt sich aus der Spannung der Zener-Diode 11 reduziert um das Produkt aus dem Widerstandswert des sechsten Widerstands 21 in Ohm mit dem Drain-Strom des vierten Transistors 20 in Ampere.
Somit ergibt sich für den Entladestrom i_D $i_{D} = \frac{V_{Z} - R_{21 *} i_{d, T 20} - V_{g, t h, P S}}{R_{D}}$
Wobei V_Z die Nominalspannung Vz der Zener-Diode 11 in Volt, R₂₁ der Widerstandswert des sechsten Widerstands 21 in Ohm, i_d,T20 der aktuelle Drain-Strom des vierten Transistors 20 in Ampere, V_g,th,PS die Gate-Schwellspannung des Leistungsschalters 10 in Volt und R_D der Widerstandswert des Entladewiderstand 6 in Ohm ist.
Mit fallender Hochvolt-Spannung sinkt über dem aus dem zweiten Widerstand 13 und dem vierten Widerstand 18 bestehenden Spannungsteiler die Spannung und somit auch die Spannung am Gate des vierten Transistors 20. Die Drain-Source-Strecke des vierten Transistors 20 wird hochohmiger, wodurch sich auch der Stromfluss durch den sechsten Widerstand 21 und den siebenten Widerstand 22 verringern.
Somit steigt die Spannung am Gate des Leistungsschalters 10 in Richtung der Spannung der Zener-Diode 11 an, wodurch die Drain-Source-Strecke des Leistungsschalters 10 niederohmiger wird und sich der Entladestroms i_D über den Entladewiderstand 6 vergrößert.
In einer alternativen vierten Ausbaustufe kann die Schaltung gemäß 12 noch durch einen optionalen zweiten Kondensator 23 erweitert werden. Dieser sorgt dafür, dass bei einer fallenden Hochvolt-Spannung, wenn also die Spannung am Gate des vierten Transistors 20 kleiner wird, die Spannung am Source-Anschluss des vierten Transistors 20 aber zunächst konstant bleibt. Dies bewirkt, dass die Gate-Source-Spannung des vierten Transistors 20 stark abfällt, so dass der vierte Transistors 20 in den komplett sperrenden Betrieb gefahren wird. Dadurch wird der Strom durch den sechsten Widerstand 21 zu Null und das Potential am Gate des Leistungsschalters 10 wird auf die Spannung der Zener-Diode 11 gehoben, so dass der Entladestroms i_D über den Entladewiderstand 6 stark ansteigt.
Wie oben gezeigt, sinkt der aktuelle Drain-Strom i_d,T20 des vierten Transistors 20 mit fallender Hochvolt-Spannung, also steigt der Entladestrom i_D mit fallender Hochvolt-Spannung an.
Da die Verlustleistung am Leistungsschalters 10 das Produkt aus dem Entladestrom i_D und dem Spannungsabfall über der Drain-Source-Strecke des Leistungsschalters 10 ist, welcher mit sinkender Hochvolt-Spannung kleiner wird, bleibt die Verlustleistung annähernd konstant, da der Spannungsabfall über der Drain-Source-Strecke mit sinkender Hochvolt-Spannung kleiner wird und Entladestrom i_D bei sinkender Hochvolt-Spannung größer wird.
Auch in dieser Schaltungsvariante wird das steuerbare Entlademittel 7 durch den Leistungsschalter 10 und den Entladewiderstand 6 ausgebildet. Der das Steuersignal für das Gate des Leistungsschalters 10 erzeugende Schaltungsteil kann als spannungsdetektierendes Steuermittel 8 bezeichnet werden. Die 12 zeigt auch die Hochvolt-Spannungsquelle 2, die Unterbrechung 3, das spannungsdetektierende Steuermittel 8 sowie den ersten Widerstand 12.
Die 13 zeigt eine erfindungsgemäße Anordnung zur Entladung eines Zwischenkreiskondensators 1 in der dritten Schaltungsvariante nach 12, welche zur Messung von elektrischen Größen praktisch als Versuchsanordnung realisiert worden ist. In dieser dritten Schaltungsvariante erfolgt eine passive Entladung des Zwischenkreiskondensators 1 mit einer kontrollierten Entladeleistung.
Die in der 13 dargestellte Schaltungsanordnung entspricht der Ausführung in der 12, somit wird auf eine weitere Beschreibung der Funktionsweise verzichtete und auf die Beschreibung zur 12 verwiesen. Der Unterschied liegt in der konkreten Dimensionierung der Bauelemente für die dargestellte Messanordnung.
Als Leistungsschalter 10 wurde ein Transistor vom Typ STD3NK100Z_V1 mit einer Spannungsfestigkeit von 1000 Volt eingesetzt. Der vierte Transistor 20 ist vom Typ 2N7002 und die Zener-Diode 11 ist vom Typ BZX84C24VL mit einer Zener-Spannung zwischen 22,8 Volt und 25,6 Volt. Der Zwischenkreiskondensator 1 hat eine Kapazität von 25 µF. Die Hochvolt-Spannung zwischen HV+ und HV- beträgt 850 Volt. Die Werte der eingesetzten Widerstände können der Darstellung der 13 im Einzelnen entnommen werden.
In der 14 ist jeweils ein zugehöriger Verlauf einer Hochvolt-Spannung U am Zwischenkreiskondensator 1 mittels einer durchgezogenen Linie, ein Verlauf der Verlustleistung P_T10 am Leistungsschalter 10 nach 13 mittels einer Strich-Strich-Linie und ein Verlauf der nur am Entladewiderstand 6 auftretenden Verlustleistung P_D mittels einer Punkt-Punkt-Linie dargestellt. Das Diagramm zeigt an der linken Ordinate die Hochvolt-Spannung U in Volt, an der rechten Ordinate die Verlustleistung P in Watt und an der Abszisse die vergehende Zeit t in Sekunden.
Das Simulationsergebnis für die Entladung des Zwischenkreiskondensators 1 mit konstanter Leistung, gemäß der in der 13 gezeigten Anordnung zur Entladung eines Zwischenkreiskondensators 1 in der dritten Schaltungsvariante zeigt, dass die Permanent-Verlustleistung im Normalbetrieb weniger als 3 Watt beträgt, wobei der individuelle Wert der Verlustleistung abhängig von der Betriebsspannung ist.
Die 15 zeigt eine weitere erfindungsgemäße Anordnung zur Entladung eines Zwischenkreiskondensators 1 in einer vierten Schaltungsvariante als Versuchsanordnung zur Messung von elektrischen Größen.
Diese vierte Schaltungsvariante ist vorgesehen, um eine passive Entladung des Zwischenkreiskondensators 1 mit einer konstanten Entladeleistung einzustellen.
In dieser vierten Schaltungsvariante ist ein zweiter Kondensator 23 zusätzlich zu den bereits aus dem Versuchsaufbau aus der 13 bekannten Schaltungskomponenten angeordnet. Durch den Einsatz des zweiten Kondensators 23 wird ein dynamischer Effekt hinzugefügt. Da der Versuchsaufbau in der 15 im Wesentlichen mit dem Versuchsaufbau aus der 13 übereinstimmt, wird auf die zur 13 gemachten Ausführungen oben verwiesen und nur die Unterschiede weiter beschrieben.
Wenn der Spannungsabfall über dem zweiten Widerstand 13 bei einem Absinken der Hochvolt-Spannung im Störungsfall abnimmt, bleibt das Source-Potential des vierten Transistors 20 aufgrund der sich durch den siebenten Widerstand 22 und den zweiten Kondensator 23 ergebenden Zeitkonstante zunächst konstant.
Abhängig vom Gradienten $\frac{d H V}{d t}$
beziehungsweise dem Verlauf der fallenden Hochvolt-Spannung HV wird die Gate-Source-Spannung des vierten Transistors 20 sehr klein, so dass der vierten Transistors 20 fast nicht mehr leitend ist. Das heißt, die Gate-Spannung am Leistungsschalter 10 (PS) springt auf die Spannung der Zener-Diode 11 und der Entladestrom i_D ergibt sich somit gemäß $i_{D} = \frac{V_{Z} - V_{g, t h, P S}}{R_{D}}$
Dies führt zu einem kurzen Verlustleistungsimpuls am Leistungsschalter 10, welcher die Entladung des Zwischenkreiskondensators 1 beschleunigt und somit die Entladezeit erheblich verkürzt.
In einer alternativen Ausführung, in welcher die Zeit für die Entladung des Zwischenkreiskondensators 1 nicht verkürzt werden muss, kann der Wert des Entladewiderstands R_D höher gewählt werden, was zu weniger dauerhafter Verlustleistung im Normalbetrieb führt.
In der 16 ist jeweils ein zugehöriger Verlauf einer Hochvolt-Spannung U am Zwischenkreiskondensator 1 mittels einer durchgezogenen Linie, ein Verlauf der Verlustleistung P_T10 am Leistungsschalter 10 nach 15 mittels einer Strich-Strich-Linie und ein Verlauf der nur am Entladewiderstand 6 auftretenden Verlustleistung P_D mittels einer Punkt-Punkt-Linie dargestellt. Das Diagramm zeigt an der linken Ordinate die Hochvolt-Spannung U in Volt, an der rechten Ordinate die Verlustleistung P in Watt und an der Abszisse die vergehende Zeit t in Sekunden.
Wie es in der 16 zu erkennen ist, liegt die Hochvolt-Spannung von etwa 850 Volt bis zum Zeitpunkt t = 1 Sekunde an. In diesem Moment bei t = 1 Sekunde tritt eine Störung einer Hochvolt-Leitungsverbindung und somit eine Unterbrechung des Hochvolt-Stromkreises auf. Der Zwischenkreiskondensator 1 muss nun aus Sicherheitsgründen zumindest teilweise entladen werden.
Bei einem Vergleich der Diagramme der 14 und der 16 ist es zu erkennen, dass es eine sprunghafte Veränderung der Verlustleistung am Leistungsschalter 10 gibt. Diese sprunghafte Veränderung tritt ein, wenn der Gradient beziehungsweise Spannungsgradient $\frac{d H V}{d t}$
auftritt und bewirkt, dass sich die Entladezeit von 2,6 s auf 1,5 s reduziert.
Im Betriebsfall weisen die zu den Diagrammen der 14 und 16 zugehörigen Schaltungsanordnungen der 15 und 13 eine in etwa gleiche geringe Dauerverlustleistung auf. Für den Fall, dass die Zeit für die Entladung des Zwischenkreiskondensators 1 nicht verkürzt werden muss, kann der Wert des Entladewiderstands R_D höher gewählt werden, was zu weniger dauerhafter Verlustleistung im Normalbetrieb führt.
Da in der Ausführung der Schaltungsanordnung nach 15 die Impulslast auf dem Leistungsschalter 10 höher ist, das muss der Leistungsschalter 10 entsprechend dimensioniert werden.
Da die hohe Impulslast durch den Spannungsgradient $\frac{d H V}{d t}$
aktiviert wird, muss darauf geachtet werden, dass die Entladeschaltung nicht durch Rauschen oder Restwelligkeit auf der Hochvolt-Leitung aktiviert wird. Ein mit dem Gate-Anschluss des Leistungsschalters 10 verbundener Kondensator sorgt für einen sicheren Betrieb der Anordnung zum Entladen eines Zwischenkreiskondensators 1.
In der 17 ist eine weitere Umsetzung der erfindungsgemäßen Anordnung zur Entladung eines Zwischenkreiskondensators 1 in einer als Messschaltung realisierten Ausführung gezeigt.
Die in der 17 gezeigte praktische Umsetzung einer erfindungsgemäßen Anordnung zur Entladung eines Zwischenkreiskondensators 1 basiert auf der in der 12 bereits gezeigten dritten Schaltungsvariante. In der in der 17 gezeigten Ausführung ist der zweite Kondensator 23 parallel zum siebenten Widerstand 22 angeordnet. Außerdem sind ein dritter Kondensator 24 und ein vierter Kondensator 25 vorgesehen. Während der dritte Kondensator 24 mit dem Gate-Anschluss des vierten Transistors 20 und dem Potential HV- verbunden ist, ist der vierte Kondensator 25 mit dem Gate-Anschluss des Leistungsschalters 10 und dem Potential HV- verbunden.
Die in der 17 gezeigte Hochvolt-Spannungsquelle 2 weist eine Spannung von 470 Volt auf.
Als ein Beispiel für einen Einsatz der erfindungsgemäßen Anordnung zur Entladung eines Zwischenkreiskondensators 1 in der dargestellten dritten Ausbaustufe sei hier der Einsatz im Wechselrichter eines elektrischen Kältemittelverdichters für Elektro- oder Hybridfahrzeuge genannt. Der Wechselrichter wird in diesem Beispiel mit 470 V betrieben. Zu Beginn der Simulation wird die Hochvolt-Versorgung durch das Öffnen der Unterbrechung 3 unterbrochen. Mittels der dargestellten Anordnung ist es möglich, die Spannung am Zwischenkreiskondensator 1 innerhalb von 5 Sekunden derart zu verringern, dass die Spannung kleiner gleich 60 V ist.
In der 18 ist ein Verlauf einer Hochvolt-Spannung U am Zwischenkreiskondensator 1 mittels einer durchgezogenen Linie und ein Verlauf der Verlustleistung P_T10 am Leistungsschalter 10 nach 17 mittels einer Strich-Strich-Linie dargestellt. Das Diagramm zeigt an der linken Ordinate die Hochvolt-Spannung U in Volt, an der rechten Ordinate die Verlustleistung P in Watt und an der Abszisse die vergehende Zeit t in Sekunden.
Wie die Simulation zeigt, gelingt es den Zwischenkreiskondensator 1 praktisch innerhalb einer Zeit von etwa 4,3 Sekunden auf eine Spannung von etwa 60 Vdc zu entladen. Dennoch ist die Verlustleistung am Leistungsschalter 10 im Normalbetrieb, bevor die Unterbrechung 3 öffnet, nur in einem Bereich von etwa 0,5 Watt. Somit ist die Gesamtverlustleistung der Anordnung zur Entladung eines Zwischenkreiskondensators 1 im Normalbetrieb beispielsweise in einem Kältemittelverdichter nur unwesentlich größer als 0,5 Watt und somit deutlich niedriger als bei einem Einsatz eines Entladewiderstands 6 in einer Anordnung nach dem Stand der Technik.
Bezugszeichenliste

1: Zwischenkreiskondensator
2: Hochvolt-Spannungsquelle
3: Unterbrechung/Trennung
4: Steuersignal
5: Schaltmittel
6: Entladewiderstand / R_D
7: steuerbares Entlademittel
8: spannungsdetektierendes Steuermittel
9: Steuersignal
10: steuerbarer Widerstand / Leistungsschalter / Leistungs-MOSFET / PS
11: Zener-Diode
12: erster Widerstand
13: zweiter Widerstand
14: erster Transistor
15: zweiter Transistor
16: dritter Transistor
17: dritter Widerstand
18: vierter Widerstand
19: fünfter Widerstand
20: vierter Transistor
21: sechster Widerstand
22: siebenter Widerstand
23: zweiter Kondensator
24: dritter Kondensator
25: vierter Kondensator

Claims

Anordnung zur Entladung eines Zwischenkreiskondensators (1), bei welcher ein den Zwischenkreiskondensator (1) entladendes Mittel parallel zum Zwischenkreiskondensator (1) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass das den Zwischenkreiskondensator (1) entladende Mittel ein steuerbares Entlademittel (7) ist, welches aus einer Reihenschaltung eines Entladewiderstands (6) und eines steuerbaren Widerstands (10) aufgebaut ist und wobei das steuerbare Entlademittel (7) parallel zum Zwischenkreiskondensator (1) angeordnet ist.
Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das steuerbare Entlademittel (7) mit einem spannungsdetektierenden Steuermittel (8) verbunden ist, welches einen Ausfall einer am Zwischenkreiskondensator (1) anliegenden Hochvolt-Spannung überwacht.
Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der steuerbare Widerstand (10) ein MOSFET oder eine IGBT ist.
Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das spannungsdetektierende Steuermittel (8) mindestens eine Zener-Diode (11) und einen ersten Widerstand (12) aufweist.
Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das spannungsdetektierende Steuermittel (8) ein bistabiles Schaltmittel aufweist.
Verfahren zur Entladung eines Zwischenkreiskondensators (1), bei welchem ein Zwischenkreiskondensator (1) aus Sicherheitsgründen zumindest teilweise entladen wird, dadurch gekennzeichnet, dass parallel zu dem zu entladenden Zwischenkreiskondensators (1) ein steuerbares Entlademittel (7) bereitgestellt wird, dass das steuerbare Entlademittel (7) in einem Betriebsfall bei einem ordnungsgemäßen Anliegen der Hochvolt-Spannung derart gesteuert wird, dass das steuerbare Entlademittel (7) einen großen ersten Widerstandswert aufweist und dass das steuerbare Entlademittel (7) in einem Störungsfall bei einem Ausfall der Hochvolt-Spannung derart gesteuert wird, dass das steuerbare Entlademittel (7) einen geringeren zweiten Widerstandswert aufweist.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Entladung des Zwischenkreiskondensators (1) im Störungsfall mit einem Entladestrom i_D erfolgt, welcher wesentlich größer ist als der Entladestrom i_D im Betriebsfall.
Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass das steuerbare Entlademittel (7) mittels eines bereitgestellten spannungsdetektierenden Steuermittels (8) derart gesteuert wird, dass der Entladestrom i_D im Störungsfall konstant und größer als im Betriebsfall ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Entladestrom i_D im Störungsfall nach einem Absinken der Hochvolt-Spannung auf einen vorgegebenen Wert auf den größeren Entladestrom i_D im Störungsfall umgeschaltet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Entladestrom i_D im Störungsfall derart gesteuert wird, dass eine Entladeleistung in Abhängigkeit der geringer werdenden Hochvolt-Spannung gesteuert wird, wobei der Entladestrom i_D nach einem kurzzeitigen Anstieg mit geringer werdender Hochvolt-Spannung abnimmt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Entladestrom i_D im Störungsfall derart gesteuert wird, dass eine Steuerung der Entladeleistung in Abhängigkeit von der Steigung $\frac{d H V}{d t}$
der verbleibenden Hochvolt-Spannung erfolgt.