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Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung mit einer aktiven Entladeschaltung zum aktiven Entladen eines kapazitiven ersten Energiespeichers einer Hochvoltkomponente eines Kraftfahrzeugs und mit einer Hitzeschutzschaltung zum Schutz der aktiven Entladeschaltung, wobei die aktive Entladeschaltung ein erstes Anschlusspaar, umfassend einen ersten und einen zweiten Anschluss, zum elektrisch leitenden Verbinden mit einem zweiten Anschlusspaar des kapazitiven Energiespeichers aufweist, mindestens einen Entladewiderstand und eine Schalteinrichtung, die dazu ausgelegt sind, zum Aktivieren der aktiven Entladeschaltung, den ersten und zweiten Anschluss des ersten Anschlusspaars über den mindestens einen Entladewiderstand elektrisch leitend zu verbinden, und zum Deaktivieren der aktiven Entladeschaltung den mindestens einen Entladewiderstand von zumindest einem der zwei Anschlüsse des ersten Anschlusspaars zu trennen. Des Weiteren betrifft die Erfindung auch eine Hochvoltkomponente für ein Kraftfahrzeug mit einer solchen Schaltungsanordnung, sowie ein Verfahren zum Steuern einer aktiven Entladeschaltung.
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Im Falle eines Crashs eines Elektrofahrzeugs muss die Zwischenkreisspannung von Hochvoltkomponenten im Elektrofahrzeug in wenigen Sekunden einen Wert unterhalb einer berührgefährlichen Spannung über eine aktive Entladung, die durch eine aktive Entladeschaltung bereitgestellt wird, erreicht haben. Daneben wird auch am Ende eines Hochvoltzyklus, das heißt wenn die Hochvoltkomponenten von der Hochvoltbatterie getrennt werden, eine aktive Entladung durchgeführt.
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Die aktive Entladung, das heißt eine solche aktive Entladeschaltung, besteht häufig aus einem schaltenden Leistungshalbleiter und einem Entladewiderstand. Mit anderen Worten kann die oben genannte Schalteinrichtung durch einen schaltenden Leistungshalbleiter bereitgestellt sein. Über eine Steuerung werden z.B. unterschiedliche Software-Trigger-Bedingungen koordiniert und Mechanismen realisiert, um den Entladewiderstand bei Fehlern vor thermischer Überlastung zu schützen. Wird ein Hitzeschutz eines solchen Entladewiderstands über Software realisiert, so geschieht dies häufig mittels einfacher Temperaturmodelle. Auf Basis dieser Temperaturmodelle lässt sich die aktuelle Temperatur des Entladewiderstands zumindest näherungsweise ermitteln und zum Beispiel die aktive Entladeschaltung deaktivieren, wenn ein vorgegebener Temperaturschwellwert des Entladewiderstands überschritten wird. Daneben sind auch temperaturabhängige Hardwarebauteile, zum Beispiel Temperatursensoren, denkbar, welche konstruktiv mit dem Entladewiderstand verbunden sind, um ab einer Grenztemperatur keine weitere Entladung oder einen Entladeversuch über die Steuerung zuzulassen.
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Der Nachteil bei der Softwarelösung mit einem thermischen Modell besteht darin, dass die Software bei einem Klemme-30-Verlust der Steuerung ihr „Gedächtnis“ verliert und somit die Information der aktuellen Temperatur des Entladewiderstands nicht mehr vorhanden ist. Ein erneutes Durchführen einer aktiven Entladung kann dann zur thermischen Zerstörung des Entladewiderstands führen, wenn ein Niedervoltausfall zwischen zwei Entladeversuchen stattgefunden hat. Falls ein temperaturabhängiges Hardwarebauteil zum thermischen Schutz eingesetzt wird, hat dieses den Nachteil, dass eine Verzögerung eintreten kann, bis das Hardwarebauteil, zum Beispiel ein NTC(Negative Temperature Coefficient)-Widerstand entsprechend erhitzt ist, hervorgerufen durch die Trägheit der thermischen Strecke.
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In beiden Fällen muss eine konservativere, leistungsstärkere Auslegung des Entladewiderstands getroffen werden, um solche Eventualitäten abzudecken.
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Die
DE 10 2018 221 209 A1 beschreibt eine Vorrichtung zur Entladung eines Zwischenkreiskondensators, die eine Entladungseinheit zum Entladen des Zwischenkreiskondensators aufweist, wobei die Entladungseinheit zwischen zwei Anschlussklemmen des Zwischenkreiskondensators schaltbar oder geschaltet ist, und wobei eine Entladung des Zwischenkreiskondensators durch eine an einem Ansteuereingang der Entladungseinheit angelegte Ansteuerspannung steuerbar ist. Dabei umfasst die Vorrichtung zudem eine Ansteuereinheit, die zum Beaufschlagen des Ansteuereingangs der Entladungseinheit mit der Ansteuerspannung ausgebildet ist, wobei die Ansteuereinheit ferner ausgebildet ist, um die Ansteuerspannung während eines Entladungsvorgangs oder zum Start eines Entladungsvorgangs des Zwischenkreiskondensators zu verändern. Hierdurch soll der Tatsache Rechnung getragen werden, dass eine Entladungseinheit abhängig von einer aktuellen Temperatur ein unterschiedliches Durchschaltverhalten aufweisen kann, so dass durch die Beaufschlagung des Ansteuereingangs der Entladungseinheit mit einer veränderbaren Ansteuerspannung zuverlässig ein Arbeitspunkt der Entladungseinheit angesteuert wird, bei dem auch eine sichere Entladung des Zwischenkreiskondensators erreicht wird. Ein Hitzeschutz für die aktive Entladeschaltung kann hierdurch jedoch nicht bereitgestellt werden.
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Des Weiteren beschreibt die
DE 10 2012 100 951 A1 eine Zusatzschaltung zur aktiven schnellen Entladung eines Zwischenkreises eines Stromrichters über einen PTC-Widerstand, wobei die Entladung vom Leitungszustand des Lastpfads eines Leistungsschalters abhängt, dessen Steuerspannung von der Zwischenkreisspannung abgegriffen wird. Hierdurch soll insbesondere eine aktive Entladeschaltung zusätzlich zu einer passiven Entladeschaltung realisiert werden, um eine schnellere Entladung zu ermöglichen. Auch hierbei wird jedoch kein Hitzeschutz für die aktive Entladeschaltung bereitgestellt.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Schaltungsanordnung, eine Hochvoltkomponente und ein Verfahren bereitzustellen, die auf möglichst einfache und kostengünstige Weise ermöglichen, den mindestens einen Entladewiderstand der aktiven Entladeschaltung möglichst zuverlässig vor einer Überhitzung zu schützen.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Schaltungsanordnung, eine Hochvoltkomponente und ein Verfahren mit den Merkmalen gemäß den jeweiligen unabhängigen Patentansprüchen. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche, der Beschreibung sowie der Figur.
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Eine erfindungsgemäße Schaltungsanordnung weist eine aktive Entladeschaltung zum aktiven Entladen eines kapazitiven ersten Energiespeichers einer Hochvoltkomponente eines Kraftfahrzeugs auf und eine Hitzeschutzschaltung zum Schutz der aktiven Entladeschaltung. Dabei weist die aktive Entladeschaltung ein erstes Anschlusspaar auf, umfassend einen ersten und einen zweiten Anschluss, zum elektrisch leitenden Verbinden mit einem zweiten Anschlusspaar des kapazitiven Energiespeichers. Zudem umfasst die aktive Entladeschaltung mindestens einen Entladewiderstand und eine Schalteinrichtung, die dazu ausgelegt ist, zum Aktivieren der aktiven Entladeschaltung den ersten und zweiten Anschluss des ersten Anschlusspaars über den mindestens einen Entladewiderstand elektrisch leitend zu verbinden, und zum Deaktivieren der aktiven Entladeschaltung den mindestens einen Entladewiderstand von zumindest einem der zwei Anschlüsse des ersten Anschlusspaars zu trennen, d.h. vom ersten und/oder zweiten Anschluss zu trennen. Erfindungsgemäß weist die Hitzeschutzschaltung einen kapazitiven zweiten Energiespeicher auf, der parallel zum mindestens einen Entladewiderstand geschaltet ist, so dass dieser zweite Energiespeicher aufgeladen wird, wenn die aktive Entladeschaltung aktiviert ist. Weiterhin weist die Hitzeschutzschaltung eine zum zweiten Energiespeicher parallel geschaltete Entladestrecke auf, die so eingerichtet ist, dass über diese der zweite Energiespeicher entladen wird, wenn die aktive Entladeschaltung deaktiviert ist, und einen mit dem zweiten Energiespeicher elektrisch verbundenen Messabgriff, um eine Referenzmessgröße zu ermitteln, die von einer am zweiten Energiespeicher anliegenden Spannung abhängig ist.
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Die Erfindung beruht dabei auf der Erkenntnis, dass eine solche Referenzmessgröße, wie z.B. eine Referenzspannung, vorteilhafterweise genutzt werden kann, um in Abhängigkeit von dieser die Aktivierung der aktiven Entladeschaltung zu steuern und dadurch gleichzeitig einen Hitzeschutz für die aktive Entladeschaltung zu realisieren. Dies hat folgenden Hintergrund: Der zweite Energiespeicher wird also aufgeladen, insbesondere nur dann, wenn die aktive Entladeschaltung aktiviert ist. Dabei wir ein Teil des Entladestroms genutzt, durch welchen der erste kapazitive Energiespeicher über die aktive Entladeschaltung entladen wird. Dabei muss der zweite Energiespeicher nicht notwendigerweise vollständig aufgeladen werden. Vielmehr hängt das Ausmaß der Aufladung des zweiten Energiespeichers davon ab, wie lange die aktive Entladeschaltung aktiviert ist. Je länger also die aktive Entladeschaltung aktiviert ist, umso mehr wird also der zweite Energiespeicher aufgeladen. Wird die aktive Entladeschaltung deaktiviert, so entlädt sich auch der zweite Energiespeicher über die Entladestrecke wieder. Auch dieses Entladen erfolgt nicht abrupt, sondern dauert eine gewisse Zeit. Dies hängt unter anderem wiederum davon ab, in welchem Ausmaß der zweite Energiespeicher zuvor aufgeladen war. Wird also eine Referenzmessgröße ermittelt, die von der am zweiten Energiespeicher anliegenden Spannung abhängig ist, die zum Beispiel auch die am zweiten Energiespeicher anliegende Spannung selbst oder einen durch einen Spannungsteiler verringerte Referenzspannung darstellen kann, so kann anhand dieser Referenzmessgröße, insbesondere Referenzspannung, der aktuelle Ladezustand des zweiten Energiespeichers ermittelt werden. Dieser hängt also wiederum davon ab, wie stark dieser zweite Energiespeicher vor der Deaktivierung der aktiven Entladeschaltung aufgeladen war, das heißt davon, wie lange die aktive Entladeschaltung aktiviert war und zudem davon, wie lange die aktive Entladeschaltung seit der letzten Aktivierung bereits wieder deaktiviert ist. Somit lässt sich durch eine solche Hitzeschutzschaltung vorteilhafterweise mittels Hardware kodieren, wann die aktive Entladeschaltung erneut aktiviert werden darf. Ist der zweite Energiespeicher beispielsweise noch stark geladen, so bedeutet dies, dass die letzte aktive Entladung noch nicht sehr lange zurückliegt und/oder eine letzte aktive Entladung sehr lange im Gange war, so dass noch keine erneute Aktivierung der aktiven Entladeschaltung stattfinden sollte, um eine Überhitzung des Entladewiderstands zu vermeiden. Ist der zweite Energiespeicher dagegen fast vollständig entladen, so lässt dies entsprechend darauf schließen, dass die letzte aktive Entladung sehr lange Zeit her ist und/oder auch nur kurzzeitig stattgefunden hat und dass problemlos eine erneute aktive Entladung stattfinden kann, ohne Gefahr zu laufen, den Entladewiderstand übermäßig zu beanspruchen. In Abhängigkeit von der Größe der Referenzmessgröße kann also festgelegt werden, ob eine erneute Aktivierung der aktiven Entladeschaltung aktuell zulässig ist oder nicht. Die Hitzeschutzschaltung hat dabei zudem den großen Vorteil, dass diese Informationen auch erhalten bleiben, selbst wenn es zu einem Stromausfall zum Beispiel des Niedervoltbordnetzes kommt und die Energieversorgung einer Steuereinrichtung zum Steuern der aktiven Entladeschaltung zumindest kurzzeitig unterbrochen ist und diese eventuell ihr Gedächtnis verliert. Auch in einem solchen Fall kann einfach eine erneute Erfassung der Referenzmessgröße, z.B. der Referenzspannung, vorgenommen werden, um beurteilen zu können, ob zum Beispiel eine sofortige, erneute Aktivierung der aktiven Entladeschaltung zulässig ist oder nicht. Die Erfindung macht sich also die Idee zunutze, dass eine anpassbare Ladedauer und Entladedauer eines kapazitiven zweiten Energiespeichers, zum Beispiel eines Hilfskondensators, genutzt werden kann, bei welchem die Spannung durch einen Entladeversuch der aktiven Entladeschaltung zum Entladen des kapazitiven ersten Energiespeichers beeinflusst wird, um zu entscheiden, ob eine erneute aktive Entladung möglich ist oder nicht. Bei thermischer Entspannung fällt neben der Temperatur des Hauptentladers, nämlich des mindestens einen Entladewiderstands, auch die Spannung des zweiten kapazitiven Energiespeichers, beispielsweise eines Kondensators. Die Ladekurve und Entladekurve des Kondensators hat zwar nicht den gleichen zeitlichen Verlauf wie die Temperaturkurve des Entladewiderstands, dennoch können Maximalwerte und Minimalwerte sowie zeitliche Grenzen über bestimmte Verhältnisse, die von der Kapazität des zweiten Energiespeichers abhängen, angepasst werden, um beispielsweise eine Hysterese-Schaltung mit Absolutwerten zu realisieren, die vorgibt, ob eine erneute aktive Entladung erlaubt ist oder nicht. Damit kann vorteilhafterweise indirekt jederzeit auf die aktuelle Temperatur des mindestens einen Entladewiderstands geschlossen werden, insbesondere ohne jegliche zeitliche Verzögerung und zudem auch auf deutlich robustere Weise als dies mittels Software möglich ist, da diese Informationen auch im Falle eines Niedervoltbornetzausfalls nicht verlorengehen.
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Die Erfindung hat also den großen Vorteil, insbesondere gegenüber bestimmter Softwarelösungen, dass das Gedächtnis über die Information eines Temperaturzustands des Entladewiderstands unabhängig von der Niedervoltversorgung oder Hochvoltversorgung zur Verfügung steht. Ein weiterer Vorteil gegenüber den oben beschriebenen Hardwarelösungen ist es, dass es keine Verzögerung der Temperaturinformation des Entladewiderstands, hervorgerufen durch die thermische Übertragungsstrecke bei einem hardwaretemperaturabhängigen Bauteil gibt, da die Spannung am Kondensator beziehungsweise im Allgemeinen am zweiten Energiespeicher unmittelbar auf- oder abgebaut wird und verzögerungsfrei gemessen werden kann.
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Unter einer aktiven Entladeschaltung soll dabei im Allgemeinen eine Schaltung verstanden werden, die aktiv steuerbar ist, zum Beispiel mittels einer der aktiven Entladeschaltung zugeordneten Steuereinrichtung. Den Begriff „aktive“ Entladeschaltung soll dabei also nicht implizieren, dass diese permanent aktiv ist. Hierdurch soll lediglich verdeutlicht werden, dass es bei der aktiven Entladeschaltung erforderlich ist, diese aktiv, das heißt durch Ansteuerung, in den aktivierten Zustand zu überführen und/oder in den inaktiven Zustand zu überführen, und entsprechend ihre Entladefunktionalität zu aktivieren und/oder zu deaktivieren. Die Ansteuerung der aktiven Entladeschaltung kann dabei durch eine Software der Steuereinrichtung, zum Beispiel einen Controller, erfolgen. Grundsätzlich ist es auch denkbar, dass die aktive Entladung softwareunabhängig und rein hardwarebasiert aktiviert wird. Der Begriff „aktive“ Entladeschaltung soll zudem auch den Unterschied zu einer passiven Entladeschaltung verdeutlichen, die typischerweise mindestens aus einem permanent zum kapazitiven ersten Energiespeicher parallel geschalteten Widerstand oder Verbraucher oder einer Widerstandskette realisiert ist und daher nicht durch eine Steuerung aktiviert werden muss. Der große Unterschied einer aktiven Entladeschaltung wie der vorliegenden zu einer passiven Entladeschaltung besteht zudem auch darin, dass sich durch eine aktive Entladeschaltung eine deutlich schnellere Entladung des kapazitiven ersten Energiespeichers bewerkstelligen lässt als durch eine passive Entladeschaltung. So ist es möglich, den kapazitiven ersten Energiespeicher, wie zum Beispiel einen Zwischenkreiskondensator eines Antriebsumrichters, in wenigen Sekunden vollständig zu entladen.
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Die mindestens eine Hochvoltkomponente stellt vorzugsweise einen Antriebsumrichter beziehungsweise Pulswechselrichter einer elektrischen Maschine des Kraftfahrzeugs dar. Der Pulswechselrichter dient zum Antrieb der elektrischen Maschine eines Elektrofahrzeugs. Dabei besitzen solche Antriebsumrichter beziehungsweise Pulswechselrichter typischerweise einen relativ großen kapazitiven Energiespeicher in Form eines Energiespeicherkondensators. Mit anderen Worten weist der dem Pulswechselrichter des Hochvoltbordnetzes eines Kraftfahrzeugs zugeordnete kapazitive Energiespeicher typischerweise mit Abstand die größte Kapazität und allen im Hochvoltbordnetz vorhandenen kapazitiven Energiespeichern auf. Nichtsdestoweniger kann es sich bei dem kapazitiven ersten Energiespeicher auch um einen Energiespeicher einer anderen elektrischen Hochvoltkomponente des Kraftfahrzeugs handeln. Dabei kann es weiterhin vorgesehen sein, dass zum Beispiel eine jeweilige Hochvoltkomponente eines Kraftfahrzeugs, die einen kapazitiven Energiespeicher umfasst, auch über eine erfindungsgemäße Schaltungsanordnung oder eine ihre Ausgestaltungen verfügt. Es kann auch eine solche Schaltungsanordnung für mehrere Hochvoltkomponenten gleichzeitig genutzt werden, um deren kapazitive Energiespeicher sicher zu entladen. Ist die Schaltungsanordnung bestimmungsgemäß in einer solchen Hochvoltkomponente integriert, so ist der Entladewiderstand der aktiven Entladeschaltung parallel zum ersten Energiespeicher geschaltet beziehungsweise mittels der Schalteinrichtung zum Aktivieren der aktiven Entladeschaltung schaltbar. Entsprechend wird dann, wenn die aktive Entladeschaltung aktiviert ist, der erste Energiespeicher über den mindestens einen Entladewiderstand entladen. Der Entladewiderstand kann dabei zum Beispiel durch ein Widerstandsbauteil realisiert sein, das eigens zu diesem Zweck vorgesehen ist. Der Entladewiderstand kann zum Beispiel aber auch durch einen anderen elektrischen Verbraucher bereitgestellt sein, der im Normalbetrieb auch eine andere Funktion übernehmen kann. Auch Kombinationen hiervon sind denkbar. Zudem kann die aktive Entladeschaltung optional nicht nur einen solchen Entladewiderstand aufweisen, sondern auch mehrere Entladewiderstände, die auch unterschiedlich ausgebildet und zueinander angeordnet sein können. Im Übrigen sollen der Entladewiderstand sowie die optionalen im Folgenden noch genannten Widerstände als von reinen Leitungswiderständen verschiedene elektrische Widerstände aufgefasst werden, z.B. als elektrische Widerstandsbauteile, Verbraucherwiderstände oder ähnliches.
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Die Schalteinrichtung ist vorzugsweise eine elektronisch steuerbare Schalteinrichtung, und zum Beispiel als ein schaltender Leistungshalbleiter bzw. Halbleiterschalter, z.B. MOSFET(Metalloxidhalbleiterfeldeffekttransistor) oder IGBT(Bipolartransistor mit isoliertem Gate), ausgebildet. Aber auch hierfür sind andere Ausbildungen denkbar. Weiterhin kann die Schalteinrichtung einfach zum mindestens einen Entladewiderstand bezüglich des ersten Anschlusspaars in Reihe geschaltet sein. Befindet sich die Schalteinrichtung dann im geöffneten Zustand, so sind der erste und zweite Anschluss des ersten Anschlusspaars voneinander durch die Schalteinrichtung separiert, und es kann kein Strom über den Entladewiderstand fließen. Ist die Schaltungsanordnung dagegen geschlossen, so fließt ein Entladestrom über den Entladewiderstand, wenn die Schaltungsanordnung bestimmungsgemäß mit dem zumindest teilweise geladenen und zu entladenden kapazitiven ersten Energiespeicher gekoppelt ist. Dieser Entladestrom führt dann zu einer Entladung des ersten Energiespeichers und lädt parallel dazu den zweiten kapazitiven Energiespeicher. Die Schaltungsanordnung kann durch die genannte Steuereinrichtung vom geöffneten in den geschlossenen Zustand und umgekehrt überführt werden. Die Auslöser hierfür können vielfältig sein. Wie eingangs beschrieben, wird die aktive Entladung üblicherweise nach jedem Hochvoltzyklus aktiviert, das heißt, sobald eine Hochvoltbatterie als Energieversorgung eines Hochvoltbordnetzes, welches auch die Hochvoltkomponente umfasst, vom restlichen Hochvoltbordnetz getrennt wird. Auch im Falle eines Unfalls beziehungsweise Crashs des Elektrofahrzeugs kann ebenfalls eine aktive Entladung initialisiert werden. Die Hitzeschutzschaltung kann nun vorteilhafterweise dazu genutzt werden, die Aktivierung der aktiven Entladeschaltung bei drohender Überhitzung des mindestens einen Entladewiderstands zumindest temporär zu unterbinden, wenn diese durch die beschriebene Triggersignale normalerweise aktiviert werden würde. Im Falle eines Fehlers, der zu einer wiederholt neuen Aktivierung der aktiven Entladeschaltung führt, kann diese aktive Entladeschaltung nun so aktiviert werden, dass ein ausreichend zeitlicher Abstand zur letzten aktiven Entladung besteht, so dass eine Überhitzung des Entladewiderstands vermieden werden kann.
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Bei den kapazitiven Energiespeichern handelt es sich vorzugsweise um Kondensatoren. Wie bereits erwähnt kann die Referenzmessgröße, die vorzugsweise eine Referenzspannung darstellt, auch die am zweiten Energiespeicher anliegende Spannung selbst darstellen oder eine daraus abgeleitete Spannung. Beides erlaubt vorteilhafterweise Rückschlüsse auf den aktuellen Ladezustand des zweiten Energiespeichers.
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Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist die Schaltungsanordnung eine Steuereinrichtung auf, die insbesondere die bereits erwähnte Steuereinrichtung darstellen kann. Diese Steuereinrichtung ist dazu ausgelegt, in Abhängigkeit von der ermittelten Referenzmessgröße die aktive Entladeschaltung zu aktivieren. Anhand der Referenzmessgröße, insbesondere der Referenzspannung kann also ermittelt werden, wie lange die letzte aktive Entladung bereits zurückliegt oder wie lange diese stattgefunden hat. Indirekt lässt dies Rückschlüsse darauf zu, wie stark sich der mindestens eine Entladewiderstand bereits erhitzt hat. Somit kann vorteilhafterweise der aktuelle Temperaturzustand des Entladewiderstands bei einer erneuten Aktivierung der aktiven Entladeschaltung berücksichtigt werden.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die Steuereinrichtung dazu ausgelegt, die aktive Entladeschaltung nur unter der Voraussetzung zu aktivieren, dass eine als Referenzmessgröße ermittelte Referenzspannung kleiner ist als ein vorgegebener Grenzwert. Dadurch kann also sichergestellt werden, dass bei einer erneuten Aktivierung der Entladeschaltung diese nicht zu früh aktiviert wird. Somit wird gewährleistet, dass es nicht zu einer Überhitzung des Entladewiderstands kommt.
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Die Steuereinrichtung kann also, wenn ein Triggersignal zum Aktivieren der aktiven Entladeschaltung vorliegt, zunächst überprüfen, ob die Referenzspannung ausreichend klein ist, das heißt unter dem vorgegebenen Spannungsgrenzwert liegt. Ist dies nicht der Fall, so kann die Steuereinrichtung die Messung der Referenzspannung wiederholen, insbesondere fortwährend, zum Beispiel in gleichbleibenden Abständen oder auch kontinuierlich, bis die erfasste Referenzspannung letztendlich den vorgegebenen Grenzwert unterschreitet. Dann löst die Steuereinrichtung die Aktivierung der aktiven Entladeschaltung aus.
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Bei einer weiteren sehr vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist die Hitzeschutzschaltung einen ersten elektrischen Widerstand auf, der in Reihe zum zweiten Energiespeicher und parallel zum mindestens einen Entladewiderstand geschaltet ist. Durch eine geeignete Dimensionierung dieses elektrischen ersten Widerstands kann Einfluss darauf genommen werden, wie schnell sich der zweite Energiespeicher auflädt, wenn die aktive Entladeschaltung aktiviert ist. Je größer dieser erste elektrische Widerstand gewählt wird, desto langsamer lädt sich der zweite Energiespeicher auf und umgekehrt. Dieser erste elektrische Widerstand erlaubt also vorteilhafterweise die Definition einer charakteristischen Zeit τ1, die sich wie ermitteln lässt:
wobei R1 den Widerstandswert des ersten elektrischen Widerstands darstellt und C1 den Kapazitätswert des zweiten Energiespeichers.
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Gemäß einer weiteren sehr vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist die Entladestrecke einen zweiten Widerstand auf. Über diesen zweiten Widerstand lässt sich vorteilhafterweise bemessen, wie schnell die Entladung des zweiten Energiespeichers vonstatten gehen soll, wenn die aktive Entladeschaltung wieder deaktiviert wird. Je größer dieser zweite Widerstand gewählt wird, desto langsamer erfolgt die Entladung des zweiten Energiespeichers. Auch dieser zweite Widerstand ermöglicht die Definition einer zweiten charakteristischen Zeit τ2 gemäß:
wobei R2 nun der Widerstandswert des zweiten Widerstands darstellt. Somit können vorteilhafterweise die zeitlichen Grenzen über die Verhältnisse τ1 und τ2 angepasst werden, um eine Hysterese-Schaltung (Entladung erlaubt/nicht erlaubt) mit Absolutwerten zu realisieren.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist die Entladestrecke eine Diode auf, die insbesondere in Reihe zum zweiten Widerstand geschaltet ist. Die Entladestrecke kann zum Beispiel durch eine Serienschaltung aus einer solchen Diode und dem zweiten Widerstand bereitgestellt sein. Die Diode gewährleistet, dass beim Aufladen des zweiten Energiespeichers, das heißt, wenn also die aktive Entladeschaltung aktiviert ist, kein Strom, oder kein übermäßig hoher Strom, über den zweiten Widerstand abfließt.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist der Messabgriff, der zum Beispiel als Spannungsabgriff ausgeführt sein kann, einen dritten Widerstand auf. Dadurch verringert sich die als Referenzmessgröße gemessene Referenzspannung, wodurch vorteilhafterweise erreicht werden kann, dass nicht die gesamte Hochvoltspannung an der Steuereinrichtung als Referenzspannung anliegt. Dieser dritte Widerstand ist somit als Teil eines Spannungsteilers aufzufassen, um die Messspannung an der Steuereinrichtung zu reduzieren.
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Des Weiteren betrifft die Erfindung auch eine Hochvoltkomponente für ein Kraftfahrzeug, die eine erfindungsgemäße Schaltungsanordnung oder eine ihre Ausgestaltungen aufweist. Die für die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung und ihre Ausgestaltungen beschriebenen Vorteile gelten in gleicher Weise für die erfindungsgemäße Hochvoltkomponente.
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Dabei ist es weiterhin bevorzugt, dass die Hochvoltkomponente als ein Pulswechselrichter für eine elektrische Antriebsvorrichtung des Kraftfahrzeugs ausgebildet ist, wobei der Pulswechselrichter von einer Hochvoltbatterie des Kraftfahrzeugs mit Energie versorgbar ist. Der erste Energiespeicher stellt vorzugsweise einen Zwischenkreiskondensator des Pulswechselrichters dar.
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Des Weiteren soll auch ein Kraftfahrzeug mit einer erfindungsgemäßen Hochvoltkomponente oder einer ihrer Ausgestaltungen und ein Kraftfahrzeug mit einer Schaltungsanordnung oder einer ihrer Ausgestaltungen als zur Erfindung gehörend angesehen werden.
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Des Weiteren betrifft die Erfindung auch ein Verfahren zum Steuern einer aktiven Entladeschaltung zum aktiven Entladen eines kapazitiven ersten Energiespeichers einer Hochvoltkomponente eines Kraftfahrzeugs mittels einer Hitzeschutzschaltung zum Schutz der aktiven Entladeschaltung, wobei die aktive Entladeschaltung ein erstes Anschlusspaar aufweist, umfassend einen ersten und einen zweiten Anschluss, das mit einem zweiten Anschlusspaar des kapazitiven Energiespeichers elektrisch leitend verbunden ist, mindestens einen Entladewiderstand und eine Schalteinrichtung, die zum Aktivieren der aktiven Entladeschaltung den ersten und zweiten Anschluss des ersten Anschlusspaars über den mindestens einen Entladewiderstand elektrisch leitend verbindet und zum Deaktivieren der aktiven Entladeschaltung den mindestens einen Entladewiderstand von zumindest einem der zwei Anschlüsse des ersten Anschlusspaars trennt. Dabei weist die Hitzeschutzschaltung einen kapazitiven zweiten Energiespeicher auf, der parallel zum mindestens einen Entladewiderstand geschaltet ist und der aufgeladen wird, wenn die aktive Entladeschaltung aktiviert ist, wobei der zweite Energiespeicher über eine zum zweiten Energiespeicher parallel geschaltete Entladestrecke entladen wird, wenn die aktive Entladeschaltung deaktiviert ist, wobei über einen mit dem zweiten Energiespeicher elektrisch verbundenen Messabgriff eine Referenzmessgröße ermittelt wird, die von einer am zweiten Energiespeicher anliegenden Spannung abhängig ist, wobei die aktive Entladeschaltung in Abhängigkeit von der Referenzmessgröße gesteuert wird.
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Auch gelten die für die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung und ihre Ausführungsformen beschriebenen Vorteile in gleicher Weise für das erfindungsgemäße Verfahren.
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Zu der Erfindung gehört auch die Steuereinrichtung für die Schaltungsanordnung. Die Steuereinrichtung kann eine Datenverarbeitungsvorrichtung oder eine Prozessoreinrichtung aufweisen, die dazu eingerichtet ist, eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens durchzuführen. Die Prozessoreinrichtung kann hierzu zumindest einen Mikroprozessor und/oder zumindest einen Mikrocontroller und/oder zumindest einen FPGA (Field Programmable Gate Array) und/oder zumindest einen DSP (Digital Signal Processor) aufweisen. Des Weiteren kann die Prozessoreinrichtung Programmcode aufweisen, der dazu eingerichtet ist, bei Ausführen durch die Prozessoreinrichtung die Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens durchzuführen. Der Programmcode kann in einem Datenspeicher der Prozessoreinrichtung gespeichert sein.
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Zu der Erfindung gehören auch Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens, die Merkmale aufweisen, wie sie bereits im Zusammenhang mit den Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung und der erfindungsgemäßen Hochvoltkomponente beschrieben worden sind. Aus diesem Grund sind die entsprechenden Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens hier nicht noch einmal beschrieben.
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Das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug ist bevorzugt als Kraftwagen, insbesondere als Personenkraftwagen oder Lastkraftwagen, oder als Personenbus oder Motorrad ausgestaltet.
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Die Erfindung umfasst auch die Kombinationen der Merkmale der beschriebenen Ausführungsformen. Die Erfindung umfasst also auch Realisierungen, die jeweils eine Kombination der Merkmale mehrerer der beschriebenen Ausführungsformen aufweisen, sofern die Ausführungsformen nicht als sich gegenseitig ausschließend beschrieben wurden.
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Bei den im Folgenden erläuterten Ausführungsbeispielen handelt es sich um bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung. Bei den Ausführungsbeispielen stellen die beschriebenen Komponenten der Ausführungsformen jeweils einzelne, unabhängig voneinander zu betrachtende Merkmale der Erfindung dar, welche die Erfindung jeweils auch unabhängig voneinander weiterbilden. Daher soll die Offenbarung auch andere als die dargestellten Kombinationen der Merkmale der Ausführungsformen umfassen. Des Weiteren sind die beschriebenen Ausführungsformen auch durch weitere der bereits beschriebenen Merkmale der Erfindung ergänzbar.
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Im Folgenden sind Ausführungsbeispiele der Erfindung beschrieben. Dabei zeigt die einzige Fig. eine schematische Darstellung eines Kraftfahrzeugs 10 mit einer Hochvoltkomponente 12, die eine Entladeschaltung 14 gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung aufweist. Das Kraftfahrzeug 10 ist dabei als ein Elektrofahrzeug ausgebildet und weist zum Beispiel als Antriebsvorrichtung einen Elektromotor auf. Als Energieversorgung umfasst das Kraftfahrzeug 10 eine Hochvoltbatterie 16. Diese versorgt insbesondere im Betrieb des Kraftfahrzeugs 10 ein Hochvoltbordnetz mit Energie. Die Hochvoltkomponente 12 stellt dabei einen Teil dieses Hochvoltbordnetzes dar. Im vorliegenden Beispiel soll die Hochvoltkomponente 12 als ein Pulswechselrichter 12 ausgebildet sein. Dieser Pulswechselrichter 12 weist dabei typischerweise einen relativ großen Zwischenkreiskondensator 18 auf, der ein Beispiel für einen ersten kapazitiven Energiespeicher darstellt. An einem Eingang 12a, 12b der Hochvoltkomponente 12 liegt dabei im Betrieb eine Hochvoltspannung an. Das positive Hochvoltpotential ist vorliegend mit HV+ bezeichnet und das negative Hochvoltpotential entsprechend mit HV-, insbesondere sind hier durch die Bezugszeichen HV+ und HV- auch die den jeweiligen Hochvoltpotentialen zugeordneten Anschlussleitungen bezeichnet, an welchen z.B. im abgeschalteten Zustand des Hochvoltbordnetzes entsprechend keine durch die Batterie 16 bereitgestellte Hochvoltspannung mehr anliegt. Unter bestimmten Umständen muss die Zwischenkreisspannung, das heißt die am Zwischenkreiskondensator 18 anliegende Spannung UZ von Hochvoltkomponenten, wie dem vorliegenden Pulswechselrichter 12, nach Trennung der Hochvoltkomponenten von den Hochvoltpotentialen HV+ und HV-, z.B. durch Trennen der Hochvoltbatterie 16 vom restlichen Hochvoltbordnetz in wenigen Sekunden einen Wert von unterhalb einer berührgefährlichen Spannung über eine aktive Entladung erreicht haben.
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Die aktive Entladung wird im vorliegenden Beispiel durch eine aktive Entladeschaltung 20 realisiert. Diese ist Teil der Schaltungsanordnung 14. Diese aktive Entladeschaltung 20 umfasst dabei einen Entladewiderstand 22 sowie in Reihe zu diesem einen steuerbaren Schalter 24. Dieser ist über eine Steuereinrichtung 26 der Schaltungsanordnung 14 steuerbar. Die aktive Entladeschaltung 20 kann ein erstes Anschlusspaar aufweisen, umfassend einen ersten Anschluss 20a und einen zweiten Anschluss 20b. In der bestimmungsgemäßen Verwendung der aktiven Entladeschaltung 20 in einer elektrischen Hochvoltkomponente 12 sind diese Anschlüsse 20a, 20b mit entsprechenden Anschlüssen 18a, 18b des zu entladenden Zwischenkreiskondensators 18 gekoppelt. Ist der Schalter 24 also geschlossen, so wird der Zwischenkreiskondensator 18 über den Entladewiderstand 22 entladen.
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Im Fehlerfall kann es dazu kommen, dass eine aktive Entladung aus irgendwelchen Gründen unterbrochen wird oder erneut ausgelöst werden muss. In diesem Fall muss jedoch sichergestellt werden, dass der Entladewiderstand 22 nicht überhitzt. Bisherige Möglichkeiten, wie die Verwendung von Temperatursensoren oder diversen Softwarelösungen unter Verwendung von Temperaturmodellen für den Entladewiderstand sind dabei jedoch weniger robust, so dass dies unweigerlich zu einer teureren und robusteren Ausführung des Entladewiderstands selbst führt. Dies kann nun vorteilhafterweise durch eine Hitzeschutzschaltung 28 als Teil der Schaltungsanordnung 14 vermieden werden. Diese Hitzeschutzschaltung 28 umfasst dabei einen zweiten kapazitiven Energiespeicher C1 in Form eines Hilfskondensators C1. Dieser Hilfskondensator C1 ist dabei parallel zum Entladewiderstand 22 geschaltet. Weiterhin ist in Serie zu diesem Hilfskondensator C1 ein erster elektrischer Widerstand R1 geschaltet, der damit ebenfalls parallel zum Entladewiderstand 22 ist. Der Hilfskondensator C1 sowie der erste Widerstand R1 befinden sich zudem in Serie zum Schalter 24. Wird also der Schalter 24 zum Aktivieren der aktiven Entladeschaltung 20 geschlossen, so wird entsprechend auch der Hilfskondensator C1 durch den Entladestrom aufgeladen. Wie schnell dieses Aufladen erfolgt, wird dabei folglich durch den ersten Widerstand R1 gesteuert beziehungsweise ist durch dessen Widerstandswert festlegbar bzw. festgelegt.
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Weiterhin ist parallel zum Hilfskondensator C1 eine Entladestrecke 30 angeordnet. Diese besteht aus einer Serienschaltung einer Diode D und eines zweiten Widerstands R2. Über diese Entladestrecke 30 wird der Hilfskondensator C1 entladen, wenn die aktive Entladeschaltung 20 durch Öffnen des Schalters 24 wieder deaktiviert wird. Dieses Entladen hängt wiederum vom Ladezustand des Hilfskondensators C1 ab. Zudem wird die Entladegeschwindigkeit durch den zweiten Widerstand R2 festgelegt. Der aktuelle Ladezustand des Hilfskondensators C1 spiegelt damit den aktuellen Erhitzungsgrad des Entladewiderstands 22 wider. Liegt die letzte aktive Entladung sehr lange zurück, so ist auch der Ladezustand des Hilfskondensators C1 sehr niedrig. Wurde erst kürzlich eine aktive Entladung durchgeführt, zum Beispiel auch vollständig, so ist der aktuelle Ladezustand des Hilfskondensators C1 sehr hoch. Der aktuelle Ladezustand des Hilfskondensators C1 spiegelt sich darüber hinaus wiederum in dessen aktueller Kondensatorspannung UC wider. Diese kann zumindest indirekt über einen als Spannungsabgriff 32 ausgeführten Messabgriff, welchem ein Abgriffspunkt 34 zugeordnet ist, von der Steuereinrichtung 26 erfasst werden.
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Insbesondere kann die Kondensatorspannung UC dabei zumindest indirekt über eine Referenzspannung UR gemessen werden, die von der Kondensatorspannung UC abhängig ist. Dies ist dadurch bedingt, dass der Spannungsabgriff 32 noch einen dritten Widerstand R3 umfasst. Dadurch kann vermieden werden, dass eine zu große Hochvoltspannung an der Steuereinrichtung 26 als Referenzspannung UR anliegt. Die Referenzspannung UR wird dabei insbesondere im vorliegenden Beispiel gegenüber dem negativen Hochvoltpotentialanschluss HV- erfasst.
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In diesem Beispiel liegt das positive Hochvoltpotential HV+ am ersten Anschluss 20a an und das negative Hochvoltpotential HV- am zweiten Anschluss 20b, zumindest im aktiven Zustand des Hochvoltbordnetzes. Der Entladewiderstand 22 ist, insbesondere permanent, mit dem zweiten Anschluss 20b und über diesen mit dem negativen Hochvoltanschluss HV- der Hochvoltkomponente 12 gekoppelt, während der Schalter 24 zwischen dem ersten Anschluss 18a und dem Entladewiderstand 22 angeordnet ist. Zwischen dem Entladewiderstand 22 und dem Schalter 24 ist also der Anschlusspunkt, an welchen die Reihenschaltung aus dem ersten Widerstand R1 und dem Hilfskondensator C1 angeschlossen ist. Der andere Anschlusspunkt dieser Reihenschaltung ist mit dem negativen Potentialanschluss HV- der Hochvoltkomponente 12 gekoppelt und liegt im Betrieb des Hochvoltbordnetzes und der elektrischen Hochvoltkomponente 12 entsprechend immer auf dem negativen Hochvoltpotential HV-. Zwischen dem Hilfskondensator C1 und dem ersten Widerstand R1 ist wiederum der Abgriffspunkt 34 angeordnet, an welchem der Spannungsabgriff 32 angeschlossen ist, sowie auch die Entladestrecke 30, die durch die Serienschaltung aus der Diode D und dem zweiten Widerstand R2 bereitgestellt ist. Der andere Anschlusspunkt dieser Entladestrecke ist mit dem negativen Potentialanschluss HV- der Hochvoltkomponente 12 gekoppelt und liegt somit ebenfalls im Betrieb des Hochvoltbordnetzes und der elektrischen Hochvoltkomponente 12 entsprechend immer auf dem negativen Hochvoltpotential HV-. Die Diode D sperrt dabei in Richtung vom positiven zum negativen Potential. Die Widerstandswerte der Widerstände R1, R2, R3 können dabei zum Beispiel mindestens im Kiloohmbereich liegen.
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Diese Darstellung illustriert dabei nur eine mögliche Umsetzung der Schaltungsanordnung 14. Beispielsweise ist auch ein bezüglich der Hochvoltanschlüsse für die Hochvoltpotentiale HV+ und HV- gespiegelter Aufbau möglich oder die Position von Schalter 24 und Entladewiderstand 22 mit der zum Entladewiderstand 22 parallel geschalteten Hitzeschutzschaltung 28 könnten in ihrer Position bezüglich der Hochvoltpotentiale HV+ und HVauch vertauscht sein.
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Die Steuereinrichtung 26 kann nun diese erfasste Referenzspannung UR vorteilhafterweise verwenden, um zu entscheiden, ob eine Aktivierung der aktiven Entladeschaltung 20 aktuell möglich ist oder nicht. In einem Speicher 38 der Steuereinrichtung 26 kann zum Beispiel ein Grenzwert G für diese Referenzspannung UR abgelegt sein. Erst wenn die gemessene Referenzspannung UR diesen Grenzwert G unterschreitet, kann eine erneute Aktivierung der Entladeschaltung 20 stattfinden und der Schalter 24 entsprechend geschlossen werden. Über den Widerstand R3 wird also das aktuelle Spannungsniveau des Kondensators C1 an die Steuerung weitergegeben. Die Steuerung 26 kann über die Applikation entscheiden, wann eine aktive Entladung über den Hauptentladewiderstand 22 in Abhängigkeit von der anliegenden Spannung UC am Kondensator C1 möglich ist.
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Solange sich die aktive Entladeschaltung 20 im aktivierten Zustand befindet muss die Referenzspannung UR nicht ermittelt werden. Diese kann zum Beispiel durch die Steuereinrichtung 26 erst dann ermittelt werden, sobald ein Triggersignal, d.h. ein Auslösesignal, zum Aktivieren der aktiven Entladeschaltung 20 vorliegt, während sich die aktive Entladeschaltung 20 im deaktivierten Zustand befindet. Die Referenzspannung UR kann dann fortwährend widerholt so lange bzw. so oft ermittelt werden, bis sie unter dem Grenzwert G liegt oder ein anderes Beendigungskriterium erfüllt ist.
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Insgesamt zeigen die Beispiele, wie durch die Erfindung ein Temperaturschutz einer aktiven Entladeschaltung durch Spannungshysterese einer Hilfskapazität bereitgestellt werden kann.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102018221209 A1 [0006]
- DE 102012100951 A1 [0007]
